一种新型阴离子型清洁压裂液的性能评价

周亚琴，甄延忠*，薛湘湘，贺 著，韩 进

(1.延长油田股份有限公司青化砭采油厂，陕西延安716003；

2.延安大学石油工程与环境工程学院，陕西延安716000)

一种新型阴离子型清洁压裂液的性能评价

周亚琴1，2，甄延忠1，2*，薛湘湘2，贺 著2，韩 进2

(1.延长油田股份有限公司青化砭采油厂，陕西延安716003；

2.延安大学石油工程与环境工程学院，陕西延安716000)

以长链羧酸盐型阴离子表面活性剂为稠化剂，氯化钾为交联剂，获得了阴离子型清洁压裂液(YD-1)，对其性能进行研究。YD-1清洁压裂液黏度随稠化剂浓度的增加而增加，当交联剂的浓度为3%时，其黏度达到最大值。所得YD-1清洁压裂液在80℃、170 s-1下的具有良好的耐温耐剪切性能。携砂性良好，稠化剂浓度分别为3%、4%、5%时，石英砂的沉降速率分别为0.281 mm·s-1、0.032 mm·s-1、0.016 mm·s-1。压裂液低温破胶性能良好，原油与4%的压裂液体积比为1∶10时，压裂液在80 min可完全破胶，破胶液黏度在5 mPa·s以下，破胶液表面张力为28.9 mN/m，说明压裂液具有低伤害性。

阴离子表面活性剂；清洁压裂液；性能评价

20世纪90年代末，美国Schlumberger公司推荐了一种粘弹性(VES)表面活性剂压裂液，即清洁压裂液，由于其具有配制简单，摩阻低，几乎无地层伤害，备受关注，在国内外得到迅速推广[1-3]。第一代VES压裂液稠化剂主要为阳离子季铵盐表面活性剂、两性离子表面活性剂，如CTAB(十六烷基三甲基溴化铵)、孪生季铵盐类表面活性剂等[4]。这些表面活性剂通常会带来两个方面的问题：一、阳离子季铵盐表面活性剂有强烈的刺激性，会对水体造成一定的危害；二、阳离子表面活性剂在储集层和支撑剂充填层发生吸附，引起表面润湿性改变和孔喉尺寸的减小，降低地层渗透率，增加油气流动阻力，从而对储层造成伤害[5，6]。因此，使用阴离子表面活性剂作为压裂液稠化剂有望解决上述问题。

近年来，中国石油大学(北京)张士诚教授先后报道了代号为D3F2AS05的低伤害阴离子型VES压裂液，并且在大庆、河南油田和冀东大牛地气田成功应用[7，8]。研究表明，阴离子型VES压裂液可减少表面活性在储层的吸附，可以降低对储层的伤害。2012年，赖晓娟等人获得了CHJ清洁压裂液，该压裂液破胶液对岩心的伤害率仅为7.65%，低于胍胶压裂液对岩心的伤害[9]。

课题组针对陕北油田储层的特点，开展了适用于低温、低压、低渗透油田的清洁压裂液体系的研究。选用长链羧酸盐阴离子表面活性剂作为压裂液的稠化剂，KCl为交联剂，获得了代号为YD-1阴离子型清洁压裂液，对压裂液体系的耐温耐剪切性、携砂性、破胶等性能进行了评价。研究结果表明，YD-1压裂液在80℃、170 s-1条件下，具有较好的耐温耐剪切性，且携砂性较好，破胶液表面张力较低，是一种新型的低伤害清洁压裂液。

1 实验

1.1 主要仪器与药品

YD-1阴离子表面活性剂(自制)；KOH(分析纯)；KCl(分析纯)；石英砂80目；原油。

1.2 实验方法

清洁压裂液室内评价参照SY/T6376-2008中华人民共和国石油天然气行业标准《压裂液通用技术条件》和SY/T5107-2005《水基压裂液性能评价方法》对YD-1压裂液进行了性能评价。

(1)耐温耐剪切性能评价：在旋转流变仪的样品杯中加满压裂液后加热，控制升温速度为1±0.2℃/min，从20℃开始实验，剪切速率170 s-1。温度达到80℃后，保持剪切速率和温度不变，直至达到预定剪切时间为止。

(2)携砂性能的测定：在室温下将配制好的压裂液倒入100毫升量筒中，加入数粒20～40目陶粒砂，放入后测试在不同时刻的下降位置，计算砂的沉降速度并求取平均值，单位为mm·s-1

(3)破胶性能测定：将含有一定量原油的压裂液样品放置在设定温度的水浴锅内，观察破胶情况，测定破胶液黏度，当其黏度低于5 mPa·s时视为彻底破胶。

2 结果与讨论

2.1 交联剂浓度对压裂液粘度的影响

图1为交联剂浓度与稠化剂浓度对压裂液粘度的影响。由图可知，表面活性剂浓度越大，成胶黏度越高。究其原因是，由于表面活性剂自身在溶液中迅速缔合、缠结。同时，交联剂与表面活性剂在溶液中可以形成混合胶束，增加溶液的黏度。另外，随着交联剂的浓度越大，压裂液体系的成胶黏度越高，但当浓度超过3.0%，体系的黏度则基本保持不变。压裂液的稠化剂为阴离子型表面活性剂，将其与交联剂混合后，带正电的反离子压缩胶束的扩散双电层，促使胶束结构发生变化，最终形成空间网状结构，使溶液黏度增大[8]，因此，我们选择交联剂浓度3%作为压裂液体系最佳浓度。

2.2 耐温、抗剪切性能评价

为了考察压裂液体系的抗剪切、耐温性能，在交联剂浓度为3%，压裂液浓度分别为5%、4%、3%时，对其流变性进行了测试，实验结果如图2所示。由图可见，清洁压裂液的黏度随温度的升高而降低并逐渐稳定。这是由于清洁压裂液加热后，分子间碰撞更加频繁，胶束被破坏，并不断减少，同时压裂液中通过分子链相互缠绕形成的网状结构在强剪切力作用下被破坏，分子间摩擦力降低，黏度逐渐下降[10，11]。60 min后，YD-1压裂液黏度的下降趋势逐渐趋于平缓，5%、4%的压裂液体系的黏度均能保持在30 mPa·s附近，研究结果表明，YD-1清洁压裂液具有良好的耐温耐剪切性能。

图1 交联剂浓度对不同浓度稠化剂粘度的影响

图2 不同温度下压裂液体系流变曲线

2.3 携砂性能评价

室温下考察了石英砂在不同浓度的YD-1压裂液的静态沉降速率，实验结果如表一所示。由此可以看出，当交联浓度为3%，压裂液浓度分别为3%、4%、5%时，石英砂的沉降速率分别为0.281 mm·s-1、0.032 mm·s-1、0.016 mm·s-1，较低的石英砂沉降速率说明了YD-1清洁压裂液具有较好的携砂性，同时也表明了清洁压裂液具有良好的黏弹性和剪切恢复性。

2.4 破胶性能评价

清洁压裂液进入到含油地层以后，亲油性有机物被胶束增溶，棒状胶束会发生膨胀并且最终崩散，使形成的凝胶破胶并形成了低粘度的水溶液，流阻降低；另外，进入地层的清洁压裂液由于地层水的作用，使其被地层水的稀释而降低了自身的浓度，因此，棒状胶束逐渐分离，形成了单个胶束，从而降低了压裂液的粘度[11]。

将原油分别与浓度为3%、4%、5%的YD-1清洁压裂液按体积比为1∶10混合，测定了60℃时压裂液黏度随时间的变化，结果见图3。由图可知，加入原油后，压裂液黏度随时间延长而减小，最后降至零左右。压裂液浓度为5%时，压裂液黏度的下降速度较慢，需要较长时间，浓度为3%时，压裂液黏度下降速度较快，在40 min左右已降至10 mPa·s以下，而浓度为4%时，压裂液的黏度在80 min左右降至5 mPa·s以下，说明了压裂液浓度为4%时，比较符合现场施工要求。

图3 不同浓度压裂液黏度随时间的变化

用表界面张力仪测得破胶后压裂液的表面张力为28.9 mN/m，而同条件下瓜尔胶压裂液破胶液的表面张力为38.6 mN/m。YD-1清洁压裂液的破胶液具有较低的表面张力，有利于克服水锁及贾敏效应，降低毛管阻力，增加破胶液的返排能力[8]。

3 结论

本文选用了长链羧酸盐阴离子表面活性剂作为压裂液的稠化剂，代号为YD-1阴离子型清洁压裂液，通过对其浓度与黏度关系的研究发现，压裂液的黏度随稠化剂加量的增加而增大，随交联剂的加量的增大而增加，当交联剂浓度为3%时，所得压裂液黏度最大。通过对压裂液性能进行研究，结果表明：YD-1压裂液在80℃、170 s-1条件下，具有较好的耐温耐剪切性，且携砂性较好，稠化剂浓度为5%时，石英砂的沉降速率仅为0.016 mm·s-1。另外，压裂液在原油中具有较好的破胶性，浓度为4%的YD-1压裂液在80 min左右破胶，破胶液表面张力较低，说明了阴离子型YD-1压裂液是一种低伤害的清洁压裂液。

[1]刘新全，易明新，赵金钰，等，粘弹性表面活性剂(VES)压裂液[J]，油田化学，2001，18(3)，273-277.

[2]Samuel M,Card R J,Nelson E B,et al.Vinod,Polymer-free fluid for hydraulic fracturing[J].SPE 38622,1997.

[3]Fontana C,Muruaga E,Perez D R,et al.Successful application of a high temperature viscoelastic surfactant(VES) fracturing fluids under extreme conditions in patagonian Wells[C].San Jorge Basin,Europec/eage Conference and Exhibition,SPE,107-277, 2007.

[2]Samuel M,Card R J,Nelson E B,et al.Vinod,Polymer-freefluidforhydraulicfracturing[C].SPE38622，1997.

[4]李爱山，杨彪，鞠玉芹，等.黏弹性表面活性剂压裂液流变性研究[J].石油勘探与开发，2007，34(1)：89-92.

[5]陈馥，李钦，压裂液伤害性研究[J].天然气工业，2006，26(1)：1-3.

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[7]张劲，李林地，张士诚，等.一种伤害率极低的阴离子型VES压裂液的研制及其应用[J].油田化学，2008(2)：122-125.

[8]牟善波，张士诚，张劲，等，新型阴离子表活剂压裂液性能评价及现场应用[J].大庆石油地质与开发，2010，29(1)：81-84.

[9]刘观军，李小瑞，赖小娟，等，CHJ阴离子清洁压裂液的性能评价[J].油田化学，2012(3)：275-277.

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[责任编辑 李晓霞]

Performance Evaluation of a Novel Anion Surfactant Clean Fracturing Fluid

ZHOU Ya-qin1,2,ZHEN Yan-zhong1,2,XUE Xiang-xiang2HE ZHU2,HAN JIN2

(1.Qinghuabian Oil Production Plant,Yanchang Oilfield Co.Ltd.,Yan′an 716000,China. 2.College of Energy and Environment Engineering,Yan′an University,Yan′an 716000,China)

YD-1 anion surfactant clean fracturing fluid was synthesized by as thickener with long-chain carboxylic acid salt and cross-linking agent with KCl.Its main performance was studied.With increasing dosage of thickener, the viscosity of YD-1 fracturing fluid increased,which reached the maximum with the content of KCl is of 3%.The results showed that YD-1 fracturing fluid had better temperature resistance and shear resistance performance under the condition of 80℃ and 170 s-1.The sedimentation rates of the seeds in the fracturing fluid were about 0.281 mm·s-1,0.032 mm·s-1,0.016 mm·s-1when the concentration of thickener were 3%, 4%, 5%, respectively.It indicated that the fracturing fluid had a better sand-carrying performance.The viscosity of YD-1 fracturing fluid had decreased below 5 mPa·s during 80 min when volume ratio of crude oil and 4% of the fracturing fluid was 1∶10,and the surface tension of the breaker fluid was of 28.9 mN/m.The results have indicated that YD-1 fracturing fluid has lower damage than guar gum.

anion surfactant; clean fracturing fluid; property evaluation

2015-07-25

陕西省工业攻关项目(2015GY174)；陕西省教育厅专项项目(14JK813)；陕西省大学生科技创新训练项目(1270，1443)

周亚琴(1976—)，女，陕西子长人，延长油田工程师。 *为通讯作者

TE39

A

1004-602X(2015)04-0055-03

博勒飞DV-Ⅲ流变仪(美国Brookfield公司)；六联恒温水浴锅(北京科伟永兴仪器有限公司)；全自动表面张力仪(上海方瑞仪器有限公司)；精密增力电动搅拌器(常州国华电气有限公司)；电子天平(赛多利斯科学仪器北京有限公司)。