對壓裂后由井中返排至地面的壓裂液(返排液)的分析表明:壓裂施工期間泵入井中的瓜膠聚合物壓裂液,返排出的只占30%~45%｡殘留在裂縫中的聚合物液體,顯著降低了支撐劑填充層的滲透率,從而導致壓裂效果的下降｡

粘彈性表面活性劑基(VES)無聚合物壓裂液在現場裂縫充填應用中已取得了成功,因此展開了對這類壓裂液用于水力壓裂的研究工作｡

可用于壓裂措施的VES壓裂液所要求的油､氣層溫度需低于115.56℃,其主要優點是操作簡單,易于配制,現場所需設備少,不需聚合物水化,不需要殺菌劑､交聯劑和破膠劑｡VES凝膠被采出的碳氫化合物或地層中的其他液體稀釋后,該壓裂液就能破膠｡用這種新型壓裂液已成功地進行了壓裂施工250多次,本文僅介紹了具有代表性的壓裂施工｡

1原理

一個單分子中呈現出2種結構不同的基團(親水基團和憎水基團)是所有表面活性劑的最基本特性｡這些分子都是由2種溶解性相互對立的基團構成,通常是一個油溶性烴鏈(憎水的)和一個水溶性離子團(親水的)｡在水溶液中,這些分子能自締合,使其非極性部分螯合不與水接觸｡膠束可能是小球體狀､圓盤狀或長圓柱狀結構｡

一小組表面活性劑在鹽水中溶解時,能夠形成異于最常見的球狀或盤狀的結構,其中包括季銨化合物,這正是本文的主要議題｡膠束的幾何形狀與聚合物分子相似,膠束的網狀結構可阻止變形,提高粘度,使壓裂液具有粘彈特性｡該壓裂液體系與瓜膠壓裂液不同,不需要交聯劑｡膠束結構中主要是帶正電荷的前部基團之間存在相互排斥作用,該排斥力可使膠束呈球狀,從而導致液體粘度降低｡為了抵抗這種排斥力,就需要有一種與之對立的陰離子,現已使用某些無機的和有機的陰離子提高表面活性劑膠束壓裂液的粘度｡

當有機物和其它憎水物質在膠束烴基核心溶解時,能使棒狀膠束結構膨脹,最終破裂成較小的球狀膠束,從而導致壓裂液粘度損失｡烴類,諸如油和氣就有這種作用,隨時可將VES壓裂液的粘度降到很低,因此使用該壓裂液體系無需破膠劑｡

2結果及討論

2.1 膠束結構

采用低溫透射電子顯微鏡(Cryo-TEM)對地層鹽水中粘彈性表面活性劑的膠束結構進行檢驗｡其分析步驟是:首先在混調器里加入濃度為3%的NH₄Cl溶液;然后再加入4%(體積比)的粘彈性表面活性劑,在混調器里攪拌約3min;最后將混合形成的凝膠置入熱水浴中脫氣,在可以控制的透明系統環境中制成Cryo-TEM試樣｡Cryo-TEM檢驗表明粘彈性表面活性劑凝膠在NH₄Cl鹽水中是由高度纏結的螺旋狀膠束或帶交聯橋的圓柱狀膠束構成的｡

2.2 流變性研究

采用Fann50或Fann35粘度計或往復式毛細管粘度計測量VES壓裂液的流變性,以研究其能｡研究的溫度范圍是26.67~121.11℃,使用了不同的粘土穩定劑｡因使用溫度不同,表面活性劑的用量在0.5%~4%(低濃度用于低溫)｡典型實驗中是將所需用量的表面活性劑添加到500mLNH₄Cl溶液中,在混合器中攪拌至旋渦閉合｡旋渦閉合所需的時間(2~5min)取決于表面活性劑的用量,將混合后的液體水浴(約80℃)脫氣約1h后,檢驗它的粘度｡發現這種粘彈性表面活性劑液體與現有的大多數粘土穩定劑配伍,如KCl､NH₄Cl､MgCl₂及四甲基氯化銨｡室溫下,不同的鹽對含有2%表面活性劑凝膠流變性的影響取決于陰離子的濃度,而與存在的陽離子類型無關｡使用相同濃度的特定陰離子(如氯離子)時,粘度類似｡

不同溫度下鹽濃度對含2%表面活性劑凝膠穩定性的影響見圖1｡圖中數據清楚地表明:低鹽濃度適用于低溫,而高溫下液體凝膠的穩定需要高鹽濃度｡

表面活性劑濃度對含有粘土穩定劑NH₄Cl､KCl和MgCl₂液體穩定性的影響見圖2｡較高的表面活性劑濃度趨于產生較高的溶液粘度,這點在溫度較低的情況下尤為突出,但較高的表面活性劑濃度對最高使用溫度未造成太大的變化｡

到目前為止,所討論的研究成果證明無機陰離子類型(尤其是氯離子)對表面活性劑液體的粘度有影響,同時還發現有機平衡陰離子顯著地影響著該液體粘度｡用一種有機陰離子置換出部分無機陰離子的影響結果已顯示在圖3中｡即使存在著很少的有機陰離子,在高溫(大于79.44℃)下也能增加液體的粘度｡與使用無機鹽的情況一樣,提高有機鹽的濃度可提高液體的最高使用溫度｡值得指出的是該體系含有機鹽時的最高使用溫度比僅含無機鹽時的最高使用溫度高4.44℃｡

使用高濃度有機平衡陰離子的優點:一是提高了液體在高溫下的流變性;二是使最高使用溫度從93.33℃提高到115.56℃｡本文還介紹了含高濃度有機平衡陰離子的表面活性劑壓裂液的粘度(見圖4)､冪律指數(n′)和稠度指數(k′)(見圖5)的影響,即改變表面活性劑的濃度可控制壓裂液體系在中､低溫度下的粘度,而改變鹽種類或濃度可提高該壓裂液體系的最高使用溫度｡

該壓裂液的粘度相對來說與pH值無關,其性能不受城市用水和河水中細菌或污染物的影響｡該壓裂液在已過濾的清潔海水中也呈現出極好的性能(見圖6)｡

2.3 濾失性

靜液濾失性試驗是用 25.4mm､長304.8mm的巖心進行的｡驅液壓力保持在9.65×10⁶.Pa,而作用在巖心上的圍壓為1.379×10⁷. Pa｡因烴類對VES凝膠液有破膠作用,所以含烴巖心和含鹽水巖心的濾失性差別很大,研究時用2個巖心進行,一個是鹽水飽合,另一個是石腦油飽和,且為束縛水飽和｡將3到4孔隙體積的石腦油流過鹽水飽和過的巖心,該石腦油巖心的水飽和就降低成束縛水飽和｡對進液池中表面活性劑液體表面保持一定量的恒定氮壓,對各巖心施加相同的驅液壓力,收集電子天平上的濾液可得到每個巖心的漏失速率｡試驗容器和入口流動管線在整個試驗過程中均保持在所需的試驗溫度下｡

漏失試驗后,這些巖心或者用于抽取研究(用甲醛),或者用于調查返排特性｡抽取研究便于弄清漏失后在鹽水飽和巖心和烴飽和巖心中表面活性劑的濃度情況｡動態濾失試驗后,304.8mm的巖心被切成6段,每段50.8mm｡將這些巖心段分別放進水壓機里粉碎｡典型試驗中將20g這種壓碎的材料用甲醛抽提若干次,這些抽提物集中在一起離心去掉固體顆粒,然后對離心后的液體加熱,徹底除掉甲醛｡將剩余物重新溶于水中,使用KMnO₄,就可通過比色法確定出表面活性劑的濃度｡

孔隙體積濾失與時間的函數關系見圖7｡該濾失在烴飽和巖心中比在鹽水飽和巖心中觀察到的要高得多,即使通過烴飽和巖心已濾失掉約5孔隙體積后,通過烴飽和巖心的濾失速率仍比通過鹽水飽和巖心的高｡表面活性劑液體不象聚合物的液體那樣形成濾餅,由此保持較高濾液粘度,防止其濾失｡用上文已描述過的抽提法(即濾失試驗后,自各巖心的不同區域抽提表面活性劑的方法)已證明該設想是正確的｡試驗結果證明從鹽水飽和巖心的前部取出的3塊巖心的表面活性劑含量要比同一巖心其余部分高出約10倍,但在烴飽和巖心中未觀察到該趨勢｡通過濾失試驗看到,在304.8mm巖心長度方向上的壓力剖面上,試驗的前25min,液體侵入到鹽水飽和巖心的前127.0mm處｡

與通過鹽水飽和巖心的情況相比,液體通過烴飽和巖心濾失較高,這是因為濾液在烴飽和巖心中的粘度較低｡濾液粘度低是由于表面活性劑凝膠與烴類相互作用使螺旋狀膠束結構解體所致｡需要時可使用常規顆粒基濾失控制方法進一步控制液體漏入地層｡

總之,該液體在鹽水飽和巖心中流動度低,在烴飽和巖心中流動度高｡這就表明根據巖石的飽和狀況(是鹽水飽和還是烴飽和),可選擇性地改變其流過巖石的流動度｡在水層中,膠束結構形成的高粘度層有助于壓裂液漏入更遠的水層｡對鹽水飽和巖心所做的返排研究表明形成粘度層也有助于控制地層水流入裂縫,從而更便于清理裂縫，提高產量｡

2.4 傳導性

水力壓裂液中存在的聚合物總是令人非常擔心｡表面活性劑基壓裂液體系無固相､不會形成濾餅｡巖心用這種VES液體處理后的反向流動試驗顯示該體系排液比瓜膠交聯體系或羥乙基纖維素(HEC)交聯體系快得多｡計算表明:大多數壓裂情況下,支撐劑填充層的傳導率對井的產能影響最大｡對未膠結的填砂巖心所做的試驗表明用VES壓裂液攜帶布成的支撐劑層的保留滲透率普遍高于90%(見表1)｡

2.5 現場結果

目前,已用VES壓裂液進行了250多次壓裂施工｡最初是在墨西哥灣使用該壓裂液進行裂縫充填,與周圍用聚合物壓裂液處理過的井相比,產量明顯提高｡較近期的壓裂施工是在陸地上進行的常規壓裂,主要在阿爾伯塔中部和堪薩斯｡兩地均是淺干氣田,井底靜溫(BHST)和地層壓力均較低｡用VES壓裂液在阿爾伯塔壓裂過的5口井的合采情況與周圍用硼酸鹽交聯的瓜膠壓裂液(交聯比2.4kg/m3)壓裂過的5口井進行對比,前者的初始無阻流量增加了9%｡用這種VES壓裂液對堪薩斯西南部的一口淺氣井壓裂后,最初的產量比同一剖面上的主產井的產量高27%;比相鄰12口井的平均產量高52%｡寫此文時,這口井的產量仍分別高出15%和29%｡

3結論

a)自長鏈脂肪酸中衍生的季銨鹽可形成獨特的螺旋狀或棒形狀膠束,這些膠束酷似聚合物鏈,能纏結,從而能提高壓裂液的粘度｡

b)最佳季銨鹽的液體流變性取決于陰離子｡通常,增加鹽濃度就可提高最高使用溫度｡

c)有機陰離子可用來置換部分或全部的無機陰離子｡適當選擇陰離子和濃度可使該壓裂液體系的最高使用溫度達到115.56℃｡

d)對前面的接觸到VES壓裂液的巖心,該壓裂液濾失性比較敏感｡鹽水飽和巖心入口附近就形成了高粘層,但具有一定烴飽和度的巖心卻沒有｡

e)支撐劑層的傳導率普遍高于90%,同樣條件下硼酸鹽液提供的保留傳導率值是40%~60%｡

f)現場結果證明該壓裂液使用容易､操作簡單,可提高產能｡

參考文獻

1 Mathew Samuel, Roger J.Card, Erik B. Nelson et al. Polymer-Free Fluid for Hydraulic Fracturing.SPE.38622,1997