油基壓裂液的性能研究

王爍 朱杰

摘 ? ? ?要： 油基壓裂液具有與地層配伍好、摩阻低、易返排、造縫能力強(qiáng)、攜砂量大等優(yōu)點(diǎn)，還具有良好的溫度穩(wěn)定性，可以應(yīng)用于溫度范圍較高的油氣層的壓裂改造，能最大限度地降低壓裂液對(duì)地層的傷害，對(duì)于江漢盆地以及四川地區(qū)的低滲低壓水敏性強(qiáng)的油氣藏的壓裂改造意義重大。開展了柴油作為基液的條件下壓裂液的流變性、黏溫性等性能的研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果都符合壓裂液的通用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。通過測(cè)定不同配比下的交聯(lián)劑和膠凝劑的黏彈性和觸變性，最終確定合適的復(fù)配體系，實(shí)驗(yàn)表明質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%的膠凝劑下質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%的柴油交聯(lián)劑效果最好。

關(guān) ?鍵 ?詞：流變性;黏彈性;復(fù)配體系;壓裂液

中圖分類號(hào)：TE357.12 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? 文章編號(hào)： 1671-0460（2020）08-1683-06

Abstract： Oil-based fracturing fluid has the advantages of good compatibility with formation， low friction， easy backflow， strong fracture-making ability and large sand carrying capacity. It also has good temperature stability， can be applied in fracturing reconstruction of oil and gas reservoirs with high temperature range， and can minimize the damage of fracturing fluid to formation， so it is of great significance to fracturing reconstruction of low permeability and low pressure water-sensitive oil and gas reservoirs in Jianghan basin and Sichuan region. The rheological property，viscosity-temperature property and other properties of diesel-based fracturing fluid were studied， the results showed that the diesel-based fracturing fluid can meet the general technical standards of fracturing fluid. By measuring the viscoelasticity and thixotropy of diesel-based fracturing fluid with cross-linking agent and gelling agent in different proportions， the appropriate compound system was finally determined. Experiments showed that the diesel-based fracturing fluid with 1% cross-linking agent and 0.5% gelling agent had the best effect.

Key words： Rheology; Viscoelasticity; Compound system; Fracturing fluid

根據(jù)近年來的相關(guān)統(tǒng)計(jì)[1]，由于油氣藏地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，新發(fā)現(xiàn)的油氣藏多為低壓低滲高水敏型，占已探明總儲(chǔ)量的三分之一，且仍在不斷增加。四川、長(zhǎng)慶、吉林、吐哈等主要油田就是屬于這類儲(chǔ)層。在鉆井和完井過程中，油氣藏也將受到破壞，勘探開發(fā)生產(chǎn)的難度大大增加。如何最大效益地用合適的方法去勘探開發(fā)油氣藏對(duì)提高油氣產(chǎn)量具有重要的意義。壓裂是已經(jīng)被論證的各種增產(chǎn)措施中作用最大和最切合實(shí)際的方法。不同類型的壓裂液已在中國(guó)各種油田中用于開發(fā)這種類型的儲(chǔ)層，不同類型的壓裂液在增加油氣產(chǎn)量的過程中所產(chǎn)生的作用不一樣。

雖然改變低滲透性的油藏關(guān)鍵方法之一是水基壓裂液，且水基壓裂液具有市場(chǎng)價(jià)格便宜，容易在增產(chǎn)過程中起到作用，在現(xiàn)階段得到了迅猛的發(fā)展。但是，水基壓裂液在各個(gè)鉆井現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)報(bào)告表明，如果在強(qiáng)水敏油藏的壓裂過程中使用水基壓裂液進(jìn)行施工，水基壓裂液具有較慢的回流速率和較低的返排率，這可能使接近低壓的油層發(fā)生斷裂。含水飽和度高的油層會(huì)減少油的相對(duì)滲透率，壓裂液中的水導(dǎo)致黏土的膨脹和運(yùn)移，這容易導(dǎo)致難以克服的缺陷，例如水鎖效應(yīng)和大的液體阻力。這導(dǎo)致孔喉道堵塞，然后由于破裂效果致使產(chǎn)量減少。油基壓裂液的靜水壓力接近輕質(zhì)油，對(duì)水敏感地層沒有損害。油基壓裂液具有與地層相容性好（與地層的巖石不發(fā)生反應(yīng)），摩擦阻力小，比較容易返排，造縫能力比較強(qiáng)，攜砂量大等優(yōu)點(diǎn)，這種壓裂液能很好地滿足于低壓低滲透水敏油藏的開發(fā)[2]。更為關(guān)鍵的是，該類油基壓裂液不僅僅能夠在高溫儲(chǔ)層條件下進(jìn)行壓裂工作，擁有不錯(cuò)的攜帶砂體的能力和能穩(wěn)定控制溫度的能力，又能夠使得壓裂液對(duì)儲(chǔ)層滲透率及孔隙度傷害降到最低。雖然油基壓裂液還沒有被廣泛地使用在各油田施工壓裂中，但油基壓裂液在國(guó)內(nèi)外都得到了人們的一致好評(píng)[3-4]。

油基壓裂液是油凍膠體系，它是通過使得壓裂液稠化，柴油作為基液發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)形成的。因?yàn)樗菍⒂彤?dāng)成基礎(chǔ)液，油與油藏在一起能夠得到優(yōu)秀的相容性;它沒有含水相，可十分有效地抑制儲(chǔ)層的黏土膨脹;密度小，地層破裂壓力參數(shù)不大于1的儲(chǔ)層容易返排出油基壓裂液。聚合物是水基壓裂液的主要增稠劑。它們不會(huì)完全破壞凝膠，往往會(huì)進(jìn)入孔喉并降低孔喉面積從而減小儲(chǔ)層滲透率，對(duì)儲(chǔ)層損害嚴(yán)重。油基壓裂液稠化劑相對(duì)分子量非常低，是水基的萬(wàn)分之一，完全溶于油并且里面不會(huì)含有固相的物質(zhì)，與Fe3+交聯(lián)組合成三維的網(wǎng)狀構(gòu)造，油基液體因此變稠，然后在破膠后成為小分子。油基壓裂液非常容易返排，濾失量較小，摩擦阻力也相對(duì)較小，對(duì)地層損傷小，抗溫度抗剪切力強(qiáng)，造縫能力強(qiáng)，攜砂量大，適用于低滲透低壓強(qiáng)水敏性儲(chǔ)層。它能在較寬的溫度范圍內(nèi)使用，并能顯著提高產(chǎn)能。油基壓裂液本身也是一種清潔的壓裂液[5]。

油基液、膠凝劑、交聯(lián)劑和破膠劑四個(gè)部分是目前形成油基壓裂液的重要組成部分。其中，膠凝劑是壓裂液的重要組成部分。因?yàn)橥榛兼溤谄渥陨淼臉?gòu)造中的分布與柴油的組成成分之間有著某些不為人知的對(duì)照關(guān)聯(lián)，所以兩種物質(zhì)混合后所得的混合物之后它的性能情況也會(huì)對(duì)壓裂液的量造成很大的影響[6]。在早先的油基壓裂液配制中[7]：原油或成品油加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%～1.5%的有機(jī)磷酸酯膠凝劑，再加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.06%～0.15% NaAlO2 活化劑，最后加入適量的破膠劑。這種油基壓裂液的適用溫度范圍在50 ℃到100 ℃之間。

1 ?實(shí)驗(yàn)部分

1.1 ?主要儀器

實(shí)驗(yàn)中使用的主要實(shí)驗(yàn)藥品和實(shí)驗(yàn)儀器見表1和表2 。

1.2 ?油基壓裂液制備

實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行的第一個(gè)步驟是稱量質(zhì)量為500.00 g的基液（柴油）放入500 mL的大燒杯中，然后再向燒杯中加入烷基磷酸酯，最后再用型號(hào)為JJ-1的定時(shí)電動(dòng)攪拌器不斷地?cái)嚢?，觀察表面現(xiàn)象，等到它充分溶解后再將其分成10等份于每個(gè)小玻璃瓶當(dāng)中，往里面加入不同比例的交聯(lián)劑，震蕩玻璃瓶，等到溶液完全溶解形成膠體后記錄成膠時(shí)間，并測(cè)定膠液黏度等性能。

2 ?實(shí)驗(yàn)結(jié)果與性能研究

2.1 ?黏彈性

在低頻率的剪切速率條件下，可以使用Maxwell模型對(duì)成膠的流變性進(jìn)行評(píng)價(jià)。G'（w）表示黏彈性體的彈性，該彈性的大小跟它的頻率有關(guān)，并且表示出的是線性黏彈性能量存儲(chǔ)的大小。它被稱為儲(chǔ)能剪切模量或同相剪切模量，也被稱為彈性模量[7]。

黏彈性是指材料既具有黏性又具有彈性，黏性和彈性是材料黏彈性的兩個(gè)重要組成部分。彈性一般用彈性模量（同相位剪切的模量，G'）來表示，彈性模量是表示材料變形儲(chǔ)存的能量大?。ㄋ强梢宰?yōu)樵瓉淼男螤睿?，它隨著高頻平臺(tái)模量的增大而增大，反映了材料的彈性大小?；硇砸话阌灭ば阅Ａ浚ó愊辔粍?dòng)態(tài)剪切模量，G"）來表示，黏性模量是表示材料發(fā)生變形損失的能量大?。ㄋ荒茏?yōu)樵械男螤睿?，它也?huì)隨著高頻平臺(tái)模量的增大而變大，反映了材料的黏性大小。實(shí)部部分由彈性模量表示，反之它的黏性模量則為虛部，兩者相結(jié)合就會(huì)形成了復(fù)模量（G*），復(fù)模量表示當(dāng)材料由于外界因素發(fā)生形變，抵抗形變讓材料本身不變形的能量的大小，復(fù)模量越大，那么這種材料抵抗不發(fā)生形變的能力就會(huì)越強(qiáng)。為了反映出材料彈性和黏性對(duì)應(yīng)關(guān)系，引入了損耗角（?），就是tan?= G"/ G'，?的正切表示的是G"/G'。如果tan?大于1時(shí)，那么就代表材料能夠儲(chǔ)能的模量要比材料自身耗費(fèi)的模量小，黏性是材料的主要性質(zhì);當(dāng)tan?小于1的情況下，材料儲(chǔ)能模量要大于損耗模量，彈性是材料的主要性質(zhì);當(dāng)tan?等于1的情況下，材料損耗模量大致與儲(chǔ)能模量相等，半固態(tài)是材料表現(xiàn)出來的狀態(tài)，也就是在一個(gè)臨界流動(dòng)的情況[8-9]。

不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)交聯(lián)劑條件下的黏彈性大小見表3、表4。

圖1到圖3顯示了油基壓裂液彈性模量G' 和黏性模量G"在不同的交聯(lián)劑濃度條件下隨著剪切速率變化的情況。在該剪切頻率范圍內(nèi)，壓裂液的彈性模量G' 總是大于黏性模量G"值，壓裂液表現(xiàn)出良好的彈性。它具有典型的凝膠特性，形成的凝膠相對(duì)較強(qiáng)。當(dāng)剪切速率控制在0～60 rad·s-1內(nèi)，凝膠本身的結(jié)構(gòu)也沒有隨著速率的變化而發(fā)生破壞，并且它也沒有溶膠，G' 一直要比G"大。

圖1與圖3的縱向比較表明，隨著膠凝劑與交聯(lián)劑濃度不斷地提高，壓裂液的兩個(gè)模量G'和G"都會(huì)隨著它的增加也呈現(xiàn)出上升的趨勢(shì)，上述圖表現(xiàn)象說明了膠凝劑和交聯(lián)劑的添加量會(huì)影響壓裂液的黏彈性，這種原因是由于膠凝劑和交聯(lián)劑濃度不斷地增加使得基液中形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)也隨著它的變化而變得密集起來，強(qiáng)度越大，抗剪性能越大，不太可能被破壞，說明它有很高的彈黏性效果，也說明此條件下的油基壓裂液有很好的攜砂能力，并且它的摩阻也比較低。

在0～60 rad·s-1 剪切范圍內(nèi)，通過觀察上述表格可以發(fā)現(xiàn)壓裂液的彈性模量G'都是遠(yuǎn)高于2.0 Pa，而且對(duì)應(yīng)的黏性模量G"在0～60 rad·s-1范圍內(nèi)值也略高于0.30 Pa，以上數(shù)據(jù)可滿足石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 6376—2008“壓裂液通用技術(shù)條件”中油基壓裂液的規(guī)定。

2.2 ?觸變性

一般觸變性流體它的自身結(jié)構(gòu)都是三維網(wǎng)狀的，對(duì)于這種結(jié)構(gòu)的形成被稱為凝膠，它是通過分子間氫鍵作用以及范德華力的作用。因?yàn)檫@兩個(gè)鍵作用能力相對(duì)比較弱，所以當(dāng)它們被剪切力作用時(shí)，斷裂了分子之間的鍵，也破壞了它們自身的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，之前凝膠的體系也會(huì)慢慢地被破壞了。對(duì)于這種狀況下的破壞會(huì)隨著時(shí)間的變化而變化的，在時(shí)間不斷增加的過程，它的黏度在實(shí)驗(yàn)中要求的剪切速率條件下降到最低，當(dāng)出現(xiàn)這種現(xiàn)象時(shí)，凝膠就會(huì)被徹底的破壞了，這也被稱為“溶膠”。如果剪切作用力沒有了，那么先前的凝膠結(jié)構(gòu)也會(huì)慢慢地復(fù)原，但是這種速度比之前破壞的速度要慢很多。并且觸變性的特征就指的是凝膠結(jié)構(gòu)的形成和它的破壞力度[10-12]。

在最佳交聯(lián)比下用柴油作為基液制備以下三種不同交聯(lián)比的油基壓裂液。

圖4至圖6分別顯示了3種不同的基于柴油基的油基壓裂液的觸變性質(zhì)。

一些觸變性的流體它的黏度除了受剪切作用力影響，還會(huì)隨著時(shí)間變化而變化。當(dāng)受到剪切力作用時(shí)，使得它內(nèi)部結(jié)構(gòu)也遭受到了破壞，這樣就會(huì)降低了流體的黏度，但觸變這個(gè)過程是可以重復(fù)進(jìn)行的，當(dāng)它的剪切應(yīng)力不斷減小，流體的結(jié)構(gòu)還是有重新回到之前的可能，對(duì)應(yīng)的黏度也會(huì)隨著恢復(fù)。

對(duì)于一些流體受到剪切應(yīng)力作用后，它們的結(jié)構(gòu)就會(huì)發(fā)生變化，甚至有些流體還會(huì)轉(zhuǎn)變，這種情況流體的上下行曲線是不可能重疊在一起的。因?yàn)樯舷虑€的起點(diǎn)和終點(diǎn)重合在一起（圖表中可以看出），這個(gè)情況形成了一個(gè)封閉圖形，然而觸變性強(qiáng)弱就是通過這個(gè)封閉環(huán)圍成的多少面積來決定的。觸變環(huán)它圈閉形成的面積區(qū)域決定了它從凝膠變?yōu)槿苣z這個(gè)過程失去的能量多少。如果觸變環(huán)圍成的面積越大，那么就表示對(duì)這種體系結(jié)構(gòu)破壞的話所需要的能量也會(huì)隨之變大。它自身的結(jié)構(gòu)恢復(fù)需要花費(fèi)較長(zhǎng)的時(shí)間則表示這種條件下系的結(jié)構(gòu)變得越穩(wěn)定。

由圖4至6可知，柴油基液下1%交聯(lián)劑時(shí)凝膠的觸變環(huán)面積最大，說明了它有較好的抗剪切能力。

2.3 ?黏溫性能評(píng)價(jià)

壓裂液對(duì)溫度的適應(yīng)情況決定了壓裂液在石油開采的地層溫度條件下是否能順利地將支撐劑送到地層裂縫里面去。對(duì)于實(shí)驗(yàn)中配好的油基壓裂液，調(diào)節(jié)剪切速率為170 s-1進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，溫度變化范圍從40 ℃到100 ℃，觀察當(dāng)膠凝劑一定時(shí)，不同交聯(lián)劑的添加量在柴油基條件下的黏溫關(guān)系，黏度變化如表6所示。

觀察圖7可以看出，溫度不斷升高之后，同體系的壓裂液黏度大多會(huì)隨溫度升高而降低，同樣壓裂液的抗剪切作用能力也變小了。但是，在實(shí)驗(yàn)測(cè)定的40～100 ℃區(qū)間范圍內(nèi)，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%～1.4%的不同膠凝交聯(lián)比的溶液表明了這種條件下的油基壓裂液耐溫性較好。當(dāng)圖表中比例為1.4%時(shí)，通過流變儀測(cè)得的黏度變化可以看出，此條件下的黏度變化不是太大，說明這時(shí)的膠凝劑與交聯(lián)劑交聯(lián)之后與基液在震蕩過程中充分接觸，使得形成的膠體變?yōu)橐粋€(gè)熱穩(wěn)定性比較強(qiáng)的新分子。

壓裂液的耐溫性也會(huì)隨著交聯(lián)劑的變化而發(fā)生相應(yīng)的改變。隨著黏度降低至100 mPa·s（這是衡量標(biāo)準(zhǔn)），磷酸二烷基酯復(fù)合鐵增稠劑的最高耐溫性在濃度為0.4%時(shí)為60 ℃，在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%時(shí)達(dá)到了100 ℃。根據(jù)上面的圖表，交聯(lián)劑的變化能適應(yīng)溫度高的條件，因此它也可用于油田的壓裂現(xiàn)場(chǎng)施工。 現(xiàn)在拿交聯(lián)劑濃度為1%的時(shí)候?yàn)槔?，壓裂液的黏度?20.2 mPa·s，符合壓裂液的標(biāo)準(zhǔn)，也表明它的耐溫性遠(yuǎn)也遠(yuǎn)高于100 ℃。

2.4 ?破膠性能評(píng)價(jià)

現(xiàn)在油田常規(guī)使用的破膠劑有碳酸氫鈉、苯甲酸鈉、醋酸鉀等。實(shí)驗(yàn)中選取了乙酸鈉作為破膠劑來破膠降黏。通過用乙酸鈉對(duì)交聯(lián)之后的磷酸酯絡(luò)合鐵鹽油基凝膠進(jìn)行破膠，可以通過圖8的反應(yīng)來說明。

破膠反應(yīng)過程是一種非均相的反應(yīng)，這種破膠反應(yīng)不僅需要較長(zhǎng)的反應(yīng)時(shí)間，而且也會(huì)使得破膠性能得不到充分的發(fā)揮。在實(shí)驗(yàn)過程恒定水浴鍋溫度后改變破膠劑的質(zhì)量，讓反應(yīng)時(shí)間可以限制在2小時(shí)至幾天內(nèi)完成。在實(shí)驗(yàn)過程選取了無(wú)水乙酸鈉作為破膠劑，加熱水浴鍋至70 ℃后，往燒杯中加入破膠劑的質(zhì)量分別為0.4、0.5、0.6、0.7 g，破膠時(shí)間如表7所示 。

從表7中看出，隨著破膠劑的用量增加，破膠所需的時(shí)間隨之縮短，但后面隨著破膠劑的量持續(xù)增加，破膠時(shí)間反而增加。因?yàn)樘妓徕c的破膠時(shí)間太短，不能在現(xiàn)場(chǎng)施工使用，因此選擇無(wú)水乙酸鈉作為破膠劑，優(yōu)選用量應(yīng)為0.5 g。

3 ?結(jié) 論

1）制備出柴油作為基液條件下最佳的交聯(lián)比和膠凝比的油基壓裂液，分析交聯(lián)比對(duì)成膠性能的影響。

2）在實(shí)驗(yàn)中通過對(duì)柴油作為基液條件下壓裂液黏彈性和觸變性能的實(shí)驗(yàn)研究表明：柴油基的彈性高于黏性，1%交聯(lián)劑的柴油基下的凝膠的觸變環(huán)面積最大。

3）對(duì)柴油基凝膠壓裂液的黏溫性進(jìn)行了討論，柴油基無(wú)水壓裂液在交聯(lián)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%下，能達(dá)到耐溫100 ℃，并且在這溫度下壓裂液的黏度為120.2 mPa·s，滿足油基壓裂液的黏度要求。

4）在油基壓裂液實(shí)驗(yàn)過程中，提高水浴鍋的溫度，那么破膠液的黏度就會(huì)變得越低;當(dāng)水浴鍋的溫度控制在70 ℃時(shí)，往燒杯中加入無(wú)水乙酸鈉的質(zhì)量為0.5 g左右，破膠劑黏度為2.69 mPa·s，幾乎完全破膠。

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