一種磺酸型表面活性劑壓裂液的研究及應用

張鋒三 任 婷 張軍濤 楊 洪 高志亮

（陜西延長石油集團有限責任公司研究院，陜西西安 710075）

一種磺酸型表面活性劑壓裂液的研究及應用

張鋒三 任 婷 張軍濤 楊 洪 高志亮

（陜西延長石油集團有限責任公司研究院，陜西西安 710075）

引用格式：張鋒三，任婷，張軍濤，等. 一種磺酸型表面活性劑壓裂液的研究及應用［J］.石油鉆采工藝，2015，37（6）：94-97.

為了合成一種新型清潔壓裂液，采用由脂肪酸甲酯磺酸鈉與芥酸酰胺丙基甜菜堿復配的方法，得到壓裂液增稠劑MC-1。對質(zhì)量分數(shù)3%MC-1與3%KCl溶液交聯(lián)形成的壓裂液進行增稠性、剪切性和耐溫等性能測試，結(jié)果表明，在高剪切下體系黏度保持在830 mPa·s，在金屬離子的協(xié)同下，形成的清潔壓裂液具有較好的耐溫耐剪切性、黏彈性、懸砂性和破膠性，90℃時體系黏度仍能達到50 mPa·s，使用煤油破膠后破膠液黏度可低至4.5 mPa·s。在延238-1井、延300井進行了現(xiàn)場試驗，產(chǎn)油量較鄰井分別高出17.4 m3和4.7 m3，增產(chǎn)效果明顯。

清潔壓裂液；脂肪酸甲酯磺酸鈉； 性能評價；現(xiàn)場試驗

目前，各大油田現(xiàn)場壓裂施工中最主要的壓裂方式是水基壓裂。在水基壓裂中水溶性聚合物比較常見，但水溶性聚合物壓裂液存在一系列問題，例如高分子濾膜在地層孔隙的吸附滯留傷害，壓裂液破膠不徹底，破膠后殘渣量大、返排率低造成儲層內(nèi)孔滲飽各項參數(shù)受到傷害等問題［1-2］。另外一種水基壓裂液被稱為清潔壓裂液。該體系主要依靠表面活性劑在水溶液中濃度增加，分子鏈由鏈狀到棒狀再到蠕蟲狀逐漸轉(zhuǎn)變形成具有黏彈性的凍膠液體，該凍膠具有較好的攜砂性、耐溫性及易返排等特點。目前磺酸型表面活性劑主要被當作驅(qū)油劑來進一步提高采收率，但在壓裂工藝中使用較少。而部分磺酸型表面活性劑與其他黏彈性表面活性劑有著相同性質(zhì)，都可以在金屬離子鹽的配合下形成黏彈性凍膠體系［3］。本文主要介紹脂肪酸甲酯磺酸鈉在金屬離子鹽的協(xié)同下，形成一種具有黏彈性的壓裂液凍膠，并主要考察了該凍膠體系與金屬離子的協(xié)同性、耐溫耐剪切性、攜砂性及破膠性能。

1　室內(nèi)實驗

1.1主要試劑與儀器

主要試劑：脂肪酸甲酯磺酸鈉，實驗室采用棕櫚酸與甲醇發(fā)生酯化反應后，通入三氧化硫磺化后得到粗品并提純［4］；芥酸酰胺丙基甜菜堿，實驗室采用芥酸與N，N-二甲基-1，3-丙二胺發(fā)生酰胺反應后，與環(huán)氧氯丙烷進行季銨化反應得到粗品并提純［5］；氯化鈉、氯化鉀、氯化銨，分析純，市售；蒸餾水；陶粒砂，密度1.752 g/cm3，粒徑0.425～0.85 mm（20/40目）。

主要儀器：NDJ-1黏度儀，上海上天精密科學儀器有限公司；AR2000ex型共軸圓筒旋轉(zhuǎn)式流變儀，美國TA儀器公司；BZY-1型全自動表面界面張力儀，上海精密儀器儀表有限公司；TX-500C全自動界面張力儀，美國科諾工業(yè)有限公司。

1.2實驗方法

1.2.1壓裂液制備 將脂肪酸甲酯磺酸鈉與芥酸酰胺丙基甜菜堿以質(zhì)量比2∶1充分混合均勻，靜置，待用，視為增稠劑MC-1。稱取一定量的鹽（在氯化鈉、氯化鉀、氯化銨中任選一種）配置成不同濃度的鹽溶液。在鹽溶液中加入2%～5%（相對于基液而言的）增稠劑MC-1，充分混合、交聯(lián)后形成脂肪酸甲酯磺酸鈉壓裂液。

1.2.2黏度測定 選取不同濃度和不同鹽配置的壓裂液，用NDJ-1黏度儀測定不同轉(zhuǎn)速下壓裂液的黏度。

1.2.3耐溫耐剪切性能測定 以氯化鉀溶液為基液，配置不同濃度的壓裂液體系，利用AR2000ex型共軸圓筒旋轉(zhuǎn)式流變儀測試該壓裂液黏度隨溫度的變化（剪切速率170 s-1），確定其使用溫度范圍，測試80 ℃，170 s-1下的耐溫耐剪切性。

1.2.4懸砂性能測定 按照中國石油天然氣行業(yè)標準SY/T 5185—2008《礫石充填防砂水基攜砂液性能評價方法》的要求測定該壓裂液體系的攜砂性能。

1.2.5破膠實驗測定 在100 g自來水中加入3%氯化鉀攪拌均勻后，加入3%增稠劑MC-1配置成壓裂液。量取不同量的航空煤油，按體積比以一定比例與壓裂液充分混合，測試80 ℃下的壓裂液的破膠情況。

2　結(jié)果與討論

2.1無機鹽類型和加量對體系黏度的影響

由圖1可知，隨著轉(zhuǎn)速的增大，體系黏度急劇下降，在轉(zhuǎn)速為200 r/min時體系黏度為830 mPa·s，當轉(zhuǎn)速大于200 r/min，體系的表觀黏度變化不大，這是因為由于氯化鉀中鉀離子半徑較大且剛性較強不易變形，蠕蟲狀分子鏈變粗后更加穩(wěn)定，纏繞后形成的交叉狀不易分開，體系抗剪切程度增加。另外，隨著金屬離子鹽濃度的增大黏度變大，這是因為金屬離子排布稠密，形成的蠕蟲狀體系穩(wěn)定，體系的黏彈性更高。其次，氯化鉀在鉆井、壓裂中常被用作黏土穩(wěn)定劑，主要是因為氯化鉀能夠壓縮黏土表面擴散雙電層厚度，減小電位差起到穩(wěn)定黏土的作用［6］。因此選用3%的氯化鉀作為金屬離子鹽會形成更加穩(wěn)定的黏彈性體系。

圖1　不同類型無機鹽和加量對體系黏度的影響

2.2不同濃度增稠劑MC-1對體系黏度的影響

由圖2可知，隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速增加，體系黏度呈下降趨勢，表明該體系具有剪切變稀的特性。在常溫下，增稠劑質(zhì)量分數(shù)為2%、3%、4%時體系黏度均較大。但隨著增稠劑濃度增大，體系中的有效含量增加，分子鏈間交叉纏繞概率增大，形成的穩(wěn)定狀態(tài)不易被打破，進而黏度保持率增加，體系黏度變化不大。增加增稠劑濃度后，其溶解時間較長導致成膠速度較慢，增大了砂堵的可能性。因此建議選用質(zhì)量分數(shù)為3%的MC-1增稠劑來配置壓裂液。

圖2　增稠劑質(zhì)量分數(shù)對體系黏度的影響

2.3壓裂液體系的性能評價

2.3.1耐溫性能 圖3為體系（3%增稠劑MC-1+ 3% KCl）在剪切速率為170 s-1下黏度隨溫度的變化曲線。由圖可知，體系黏度隨著溫度的升高呈現(xiàn)先減小后持平再減小的變化趨勢。當溫度小于60 ℃時，由于增稠劑中的表面活性劑分子鏈隨溫度升高后舒展，纏繞交叉的分子鏈相互疏松，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)不牢固導致黏度急劇降低［7-8］；在60～70 ℃范圍內(nèi)體系黏度穩(wěn)中有增，可能是因為分子鏈間通過物理鍵合作用使得體系黏度增加；升溫至90 ℃體系黏度下降，原本建立的物理鍵合作用被消除，有效分子鏈快速舒展或成球狀導致體系黏度變小。在整個變化過程中，當溫度升至90 ℃時黏度仍大于50 mPa·s，因此該體系適用于地溫為90 ℃以下的地層。

圖3　溫度對壓裂液體系黏度的影響

2.3.2耐剪切性能 圖4為壓裂液體系（3%MC-1+ 3% KCl）在剪切速率為170 s-1時的耐剪切曲線。由圖可知，壓裂液體系黏度隨著溫度上升，呈現(xiàn)先急劇降低后保持平衡的變化。這是因為體系內(nèi)的有效分子鏈遇高溫后逐漸卷曲，纏繞交叉的分子鏈明顯減少導致體系內(nèi)部網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)解散［9-10］，進而導致體系黏度降低，升溫至80 ℃時黏度下降至76 mPa·s，繼續(xù)剪切黏度幾乎保持不變，穩(wěn)定在70 mPa·s以上，表明體系此時仍有較好的懸砂性能可以滿足壓裂施工要求。

圖4　壓裂液的耐溫耐剪切曲線

2.3.3黏彈性 圖5中G′為反映流體彈性的儲能模量，G″為反映流體黏性的耗能模量。由圖可知，在25～50 ℃時，G′大于G″，tanδ＜1，流體形態(tài)以彈性為主，表明體系內(nèi)部網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)較多，彈性空間較大，彈性增強。溫度升高，儲能模量降低，耗能模量先增大后減小，導致黏彈比G′/G″逐漸變小，液體懸砂性減弱［11-13］。當溫度大于58 ℃時，耗能模量大于儲能模量，液體彈性較小，體系以黏性為主，當溫度較高時，儲耗能模量均較低，非牛頓流體轉(zhuǎn)化為牛頓型流體，黏彈性較低懸砂性較差。

圖5　溫度對黏彈性壓裂液動態(tài)剪切模量的影響

2.3.4攜砂性能 壓裂液必須具備較好的攜砂能力，將支撐劑帶到裂縫中提高地層裂縫的導流能力。測試發(fā)現(xiàn)陶粒砂在清潔壓裂液中的自然沉降速率為0.35 mm/s。如表1，該體系清潔壓裂液中陶粒砂的沉降速率明顯小于常規(guī)瓜膠壓裂液。因此該壓裂液能夠適用于大排量、高砂比壓裂工藝。

表1　壓裂液懸砂性能測試

2.3.5破膠性能 壓裂液被地層水稀釋后有效含量降低導致黏度下降，另外清潔壓裂液與地層原油或天然氣接觸后會自動破膠稀釋成水。如表2，隨著煤油量的增多和破膠時間的延長，破膠液黏度下降。在煤油加量為6 mL、保溫2 h后，破膠液黏度為4.5 mPa·s（＜5 mPa·s）。利用表界面張力儀測得破膠液的表面張力為24.45 mN/m（＜28 mN/m），界面張力為0.876 4 mN/m。該體系破膠后破膠液黏度低，表界面張力小，有利于壓后返排。

3　現(xiàn)場應用

使用3%MC-1+3%KCl配置清潔壓裂液在延238-1井、延300井進行了壓裂現(xiàn)場試驗，鄰井延237-2井、延300N井選用常規(guī)瓜膠壓裂液進行壓裂施工。試驗井與鄰井的效果對比見表3，可以看出，脂肪酸甲酯磺酸鹽清潔壓裂液試驗井的試排效果明顯優(yōu)于鄰井，延238-1井較延237-2井日產(chǎn)油量高出17.4 m3。清潔壓裂液試驗井返排過程中返排液泡沫量較大，經(jīng)測試返排液黏度2.4 mPa·s、表面張力31.64 mN/m、界面張力0.456 3 mN/m，較采用瓜膠壓裂液的井返排率有大幅提高，有利于提高油井產(chǎn)量。

表2　壓裂液破膠測試

表3　試驗井與常規(guī)壓裂井效果對比

4　結(jié)論

（1）由脂肪酸甲酯磺酸鈉與芥酸甜菜堿復配成的增稠劑MC-1具有較好的增稠效果，能在金屬離子的協(xié)同作用下形成性能良好的壓裂液體系。

（2）清潔壓裂液具有較好的耐溫耐剪切性、黏彈性、懸砂性和破膠性能，能夠進行大排量、高砂比壓裂施工。

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（修改稿收到日期 2015-10-14）

〔編輯 朱 偉〕

Research and application of surfactant fracturing fuid of sulfonic acid type

ZHANG Fengsan，REN Ting，ZHANG Juntao，YANG Hong，GAO Zhiliang
（Reasearch Institute of Shanxi Yanchang Petroleum（Group）Co. Ltd.，Xi'an 710075，China）

In order to synthesize a new kind of clean fracturing fluid，the method based on compounding of fatty acid methyl ester sulfonate（MES） and erucic acid amide propyl betaine is used，so as to obtain the fracturing fluid thickener MC-1. The performance tests on thickening property，shear property and temperature resistance of the fracturing fluid formed through crosslinking of MC-1 of which the mass fraction is 3% and KCl of which the mass fraction is 3% are carried out. The test results reveal that，under high shear，the viscosity of the system remains at 830 mPa·s； together with metallic ion，the clean fracturing fluid formed has relatively high temperature resistance，shear resistance，viscoelasticity，sand-suspending property and gel-breaking property； at the temperature of 90℃，the viscosity of the system can still reach 50 mPa·s. After the gel is broken by kerosene，the viscosity of the gel breaking fluid may become as low as 4.5 mPa·s. The field test has been carried out in Well Yan 238-1 and Well Yan 300，the oil production is higher than that of adjacent wells by 17.4 m3and 4.7 m3respectively，and the production-increasing effect is obvious.

clean fracturing fluid； MES； performance evaluation； field test

TE357.1

A

1000-7393（ 2015 ） 06-0094-04 doi:10.13639/j.odpt.2015.06.024

陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程計劃課題“陸相頁巖氣資源地質(zhì)研究與勘探開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)”（編號：2012KTZB03-03）；國家科技支撐計劃項目“陜北煤化工CO2捕集、埋存與提高采收率技術(shù)示范”（編號：2012BAC26B00）。

張鋒三，1987年生。2013年畢業(yè)于陜西科技大學油田化學專業(yè)，現(xiàn)主要從事壓裂液的合成及研發(fā)工作，助理工程師。電話：029-88899671。E-mail：zhangfengsan911@126.com。