论表面活性剂压裂液的研究与应用

张璇

【摘  要】由于常规压裂液在返排过程中破胶不彻底，破胶液中含有大量残渣，对储层造成很大的伤害。为提高压裂液的破胶程度，在上世纪90年代末，研制出了表面活性剂压裂液。该压裂液不需要交联、破胶程序，仅依靠其流体自身的结构粘度就能实现支撑剂的有效输送，由于无交联、破胶，因此其返排效果好，对地层储层的伤害较小。我们对表面活性剂压裂液的机理和性能进行评价具有一定的意义。

【关键词】表面活性剂;压裂液;机理

1压裂液的相关性能

为了保证压裂的效果，提高压裂后的油藏产能，一般会对压裂液的耐剪切性能、耐温性能、破胶性能和懸砂性能进行研究评价。只有满足相关性能，压裂液才能既保证压开地层增加地层导流能力，又能减少对地层的损害。

1.1抗剪切性能

在不同的剪切速率及一段剪切时间过程中，压裂液能够保持其表观黏度基本不变的能力称为压裂液的抗剪切。在泵入压裂液的过程中，必然存在着一定的剪切速度和剪切时间，为了让压裂液能够将支撑剂携带至储层裂缝中，必须保证压裂液在注入储层的过程中保持一定的黏度。因而，压裂液的抗剪切性能是评价压裂液优劣的重要指标。

1.2耐温性能

由于地层存在着一定的地温梯度，因此地层越深温度越高。而温度是影响压裂液黏度的一个重要因素，为了保证压裂效果，就必须确保压裂液的黏度不能由于温度的升高而大幅度降低，即其应具备耐温热稳定性。如果随温度升高，压裂液黏度大幅度降低，其他诸如悬砂性能、破胶性能等关键压裂液性能则会受到直接的影响。所以针对现场不同地层温度，水力压裂施工过程中应选择合适耐温性能的压裂液体系。

1.3破胶性能

清洁压裂液的破胶是指清洁压裂液在压裂施工过程中，其黏度明显下降达到地层水的黏度的一个过程。清洁压裂液主要依靠以下2种方式进行破胶：清洁压裂液可以和地层中的亲油性有机物发生作用，使得其溶解，导致黏度下降最终达到破胶;清洁压裂液受到地层水的稀释作用，黏度降低达到破胶效果。

和传统压裂液相比，清洁压裂液不需要破胶剂就能破胶。清洁压裂液由于其独特的性能，与水和油性物质接触都能达到破胶效果。为了研究清洁压裂液的破胶性能，采用了煤油和水对清洁压裂液进行实验分析。

（1）实验步骤。①在50 mL量筒中配置清洁压裂液体系;②将配制好的压裂液分别与煤油以1∶1的比例混合后倒入流变仪中，测定溶液黏度随时间的变化，剪切速率170 s-1、温度90℃;③在压裂液与淡水破胶时，操作仍如上所述。（2）实验结果。工程中主要通过研究压裂液在破胶剂的作用下压裂液黏度的变化情况来分析其破胶效果，通常认为压裂液的黏度在破胶液的作用下小于5 mPa·s时为彻底破胶。通过上述实验，得到了煤油和水对于清洁压裂液的破胶效果。从实验结果可以得到：上述2种压裂液在25min内都可以完全破胶;煤油对于清洁压裂液的破胶效果更好。故在现场运用清洁压裂液时，只需要注入清水即可达到压裂液的破胶效果。

1.4悬砂性能

压裂液的悬砂能力是指如压裂液能够使支撑剂悬浮于其中却不下落的能力。压裂液黏度的大小决定了悬砂能力。只有压裂液拥有一定的黏度，才能保证支撑剂悬浮于压裂液中，这样压裂液才能将支撑剂送入目的层位。所以，压裂液的悬砂性能的好坏直接关系到压裂的成败。

（1）实验步骤。①按照配方比配置清洁压裂液100 mL，将压裂液放入玻璃容器中，测量100 mL压裂液的高度为18 cm;②调节恒温水浴锅温度，等待水浴锅温度为30℃时，将装有清洁压裂液的玻璃容器放置于水浴锅中;③夹取3粒大小相近的陶粒，轻放在清洁压裂液表面，用秒表记录陶粒沉降至量筒底端时所用的时间，如此重复3次，并取所记录时间的平均值作为陶粒沉降时间;④将恒温水浴锅温度分别调至50，70，90℃，重复步骤③。（2）实验结果。通过实验，可以利用陶粒在压裂液中的沉降时间来表征压裂液的携砂性能，由于压裂液具有一定黏度，同时玻璃容器的长度不大，可以近似认为支撑剂颗粒在压裂液中为匀速运动。根据上述实验可以得到在不同温度下，该压裂液的携砂性能。

为了划分压裂液携砂性能的优劣，实际工程中通常依据支撑剂在压裂液中的平均沉降速度对其进行划分，一般划分为3个区域：①小于0.5 cm/min，为近似完美的沉降速率;②大于5 cm/min，为不可接受的沉降速率;③0.5～5 cm/min，则为较好的沉降速率。根据携砂实验可得：随着温度的升高，压裂液的黏度逐渐降低，其携砂性能减弱;当压裂液处于90℃时，其平均沉降速度为3.73 cm/min，处于较好的沉降速度范围内，说明该清洁压裂液可以在90℃的高温下仍然具有较好的携砂性能。

2 表面活性剂压裂液机理

2.1 胶束形成机理

当表面活性剂的浓度较小时，胶束在溶液中形成球状，胶束为非晶体结构;随着浓度的增加，球状胶束会逐渐形成棒状结构;当浓度增大到一定程度后，棒状结构逐步形成六角束结构;浓度更大时，会形成层状结构。

2.2 成胶机理

随压裂液中表面活性剂浓度的增加，表面活性剂的体积分数增大，胶束逐渐成长并相互缠绕。压裂液的粘度也随之迅速增加;溶液中的反离子及助表面活性剂的性质和浓度，对压裂液的成胶具有强烈的影响。反离子的存在减少了压裂液阳离子基团之间的排斥力，使得胶束增长;而助表面活性剂的主要作用是使得有机阴离子进入胶束中，依靠阴离子与阳离子的静电引力，使表面活性剂分子排列得更为紧密，使胶束增长;随温度升高，胶束的体积减少，胶束的长度随温度增高而减少。

2.3 破胶机理

清洁压裂液在破胶过程中不需添加破胶剂。储层中的油、气溶解在网状结构的清洁压裂液中，破坏胶束结构，网状结构变为蠕状结构又迅速变为球状结构，粘度迅速降低实现破胶。另外，由于地层水的稀释作用，清洁压裂液中的表面活性剂浓度下降，从而降低其粘度。

3 表面活性剂压裂液性能评价

3.1 粘弹性

粘弹性是评价表面活性剂性能的一个重要指标，粘弹性的形成是由胶束缠绕形成棒状结构-球状结构-网状结构。由于其机理与常规压裂液不同，因此，其评价方法也不同，一般通过储能模量来评价其性能的优劣。

3.2 粘温特性

不同VES-80加量对压裂液粘温特性的影响粘弹性表面活性剂的粘度随着温度的变化，其随着温度的升高，粘度先增加后减小。这是因为，溶液中胶束的运动程度随着温度的的变化而变化，当在温度较低时，随着温度的升高，胶束的缠绕速度增加;但是当温度增加到一定程度后，随着温度的升高胶束的分离速度增加，粘度降低。

3.3 携砂性

我们采用支撑剂在压裂液中的沉降速度来评价压裂液的携砂性。一般要求，单颗粒沉降速度<0.08mm/s。就常规压裂液而言，其携砂性能主要由其粘度决定，携砂性能与粘度正相关，即常规压裂液的粘度越大，携砂能力也越强。而粘弹性表活剂压裂液，其携砂能力由压裂液的内部结构决定，当粘度仅为2.5mPa·s时也可以实现有效的携砂。

3.4滤失性

由于清洁压裂液几乎不含残渣，在储层的岩石表面上不会形成滤饼，其滤失量随着时间没有明显的变化。当在储层的渗透率小于5×10-3um2的情况下，压裂液几乎不会进入储层的孔隙喉道中。当在高渗透率储层岩心里，其能够被降失水剂溶解。该压裂液为一种低滤失压裂液体系。

4结论

①表面活性剂压裂液是一种低伤害压裂液体系。②表面活性剂压裂液具有良好的粘弹性、剪切稀释性、粘温特性。③表面活性剂压裂液是一种低滤失压裂液体系。

参考文献：

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[2]夏亮亮，周明，张灵，等.两性/阴离子表面活性剂清洁压裂液性能评价[J].油田化学，2015，32（03）：341-344.