低渗透油气储层压裂液的研究进展

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学兔兔www.xuetutu.com第32卷第4期精细石油化工2015年7月SPECIALITYPETR0CHEMICALS77低渗透油气储层压裂液的研究进展赖小娟，宫米娜，崔争攀。，曹荣荣。(1．陕西科技大学化学与化工学院，陕西西安710021；2．中国石油长庆油田公司超低渗透油藏第二项目部，甘肃庆城745100；3．中国石油长庆油田分公司油气工艺研究院，陕西西安710018)摘要：综述了低渗致密储层尤其是鄂尔多斯盆地储层的压裂技术难点，针对低渗、低孔致密油藏，提出了提高低渗透致密油藏产量的措施，阐述了3种低渗透油藏压裂液一胍胶压裂液、聚合物压裂液和清洁压裂液各自优缺点和特性，重点介绍了清洁压裂液种类和特点、成胶原理、破胶原理，展望了清洁压裂液的未来发展趋势。关键词：低渗致密储层压裂清洁压裂液表面活性剂中图分类号：TQ423．9文献标识码：A低渗透砂岩油气藏，具有低渗透、低压、低产、低伤害、低成本”。目前研究最多和现场试验施工低丰度等特性，无自然产能，为了有效地提高油气最多的有低浓度胍胶压裂液、聚合物压裂液、清洁田的渗透率，达到理想的投产效果，压裂改造技术压裂液。成为最重要的增产手段[1]。压裂液性能对压裂作2．1低浓度胍胶压裂液业的成败有重大影响，在压裂施工过程当中，使用胍胶在加工过程当中，无法完全分离不溶于压裂液的目的主要有两个方面：一是提供足够高水的物质，本身含有8～2O的水不溶物，胍胶的黏度，借用水力尖劈作用将地层压开一个裂缝溶液中含有大量的残渣。压裂作业结束后，破胶不能完全分解，又形成20左右残渣，降低储层并使裂缝延伸，同时还可以输送并沿裂缝铺设支的渗透效率，影响压裂改造效果。撑剂；二是压裂施工结束后，通过化学或物理方法胍胶压裂液体系由于低廉价格及其成熟的压破胶，降低压裂液黏度以保证快速将其返排到地裂液施工工艺，占据了压裂液9O以上的市场。面，减少对地层的伤害]。为进一步降低胍胶压裂液对地层的伤害，人们提出1低渗致密储层的压裂液技术难点了低浓度胍胶压裂液技术，其主要的特点是通过降改造低渗致密储层的技术难点是：1)储层致低胍胶使用浓度、提高交联剂的性能就能达到原有密、渗透率低，要求压裂液体系对储层伤害较小；压裂液体系的性能要求，并顺利完成压裂加砂施2)孔隙结构主要特征为面孔率低、喉道微细、排驱工，理论上意味破胶后压裂液残渣大幅降低。压力高，要求压裂液体系具有较低的表界面张力王贤君]等针对海拉尔油田低渗透油藏压裂和较低的毛细管阻力，具备良好的压后返排性能；增产改造的需要，研制了一种新型超低浓度羧甲3)填隙物含量整体上比有效开发区块的含量相对基胍胶压裂液。该压裂液水不溶物含量大大降较高，外来液体易使黏土膨胀，因此要求压裂液体低，增稠效率更高，最低使用0．2的稠化剂就能系具有较好的防膨胀和迁移性能。满足施工要求，破胶液残渣含量大大降低。低渗致密储层对入井液体非常敏感，比常规长庆油田开发了低浓度胍胶压裂液体系并于储层更容易受到伤害，易造成难消除的永久堵塞2011年进行了大规模应用推广应用[4]，胍胶使用伤害，因此对压裂液性能的要求也更高。鄂尔多质量分数降低至0．15～0．2，并具有良好的斯盆地长庆油田大多为低渗透砂岩油气储层，是典型的三低油气藏，无自然产能，压裂施工改造成收稿日期：2014一O9—25；修改稿收到日期：2015—04—15。作者简介：赖小娟(1984一)，女，博士，副教授，E-mail：为了最重要的增产措施。3578466@163．com。2低渗透油藏压裂液基金项目：陕西省科技计划项目(2O14KO8—11)；陕西省教育低渗透油藏压裂液总体的发展趋势是“优质、厅科研专项(141K1085)。 学兔兔www.xuetutu.com78精细石油化工2015年7月耐温耐剪切性能，破胶液残渣为156mg／L，人井底破胶和返排，使用浓度较低等特点。液对油层的伤害大大降低，岩心损害率为25．1。2．3清洁压裂液2．2聚合物压裂液清洁压裂液又称为粘弹性表面活性剂压裂目前压裂施工作业不断向着大液量、高排量、液，它是在电解质溶液中添加特殊的表面活性剂高砂比、快速返排方面发展，压裂液向低伤害和低而形成的一种粘弹性物理胶束凝胶压裂液，属于成本的无聚合物压裂液或低聚合物的压裂液体系水基压裂液。它不含聚合物，在低渗透储层中的发展E。滤失量小，且不形成滤饼，对储层伤害小；它的配采用改性低相对分子质量聚丙烯酰胺类聚合液简单，能有效控制支撑裂缝缝高，并具有较低的物为稠化剂，在水中完全溶解配出的压裂液基液施工摩阻，压裂增产效果比胍胶压裂液好，特别适透明，无固相不溶成分。这种压裂液使用黏度低、合低渗透储层压裂改造。携砂性能好、材料费用低、易破胶返排，适用于低2．3．1清洁压裂液的成胶原理压、低渗储层，是国内外压裂液体系研究的主要方表面活性剂含量在临界胶束浓度(CMC)以向之一__8]，其成果已在国内外油田广泛应用，增产下时，表面活性剂分子分散在水中或者吸附在界效果良好。美国南德克萨斯州油井中应用的面上，当含量略超过CMC时，分子形成球状的胶PrimeFRAC低相对分子质量聚合物压裂液与常束；超过CMC10倍或者更多时，胶束变成棒状或规的压裂液相比，稠化剂用量为原来的7O左蠕虫状的形态，当其含量进一步增加，蠕虫状胶束右，降低了压裂液对储层的伤害，大大提高了裂缝缔合聚集成六方柱形紧密的胶束；如果含量进一的导流能力。步增加，胶束间通过缔合作用变成层状的集以低分子聚丙烯酰胺、超支化聚丙烯酰胺为合L1，胶束之间形成网状的与交联聚合物结构相稠化剂，与采用特殊工艺合成的交联剂反应生成似的立体结构，使溶液具有黏性、弹性以及流变特的水基冻胶压裂液_7]，其主要特性是残渣较低、耐性。然而表面活性剂棒状胶束处于动态的平衡状高温[9In]、携砂能力强，主要作为胍胶压裂液的一态，缔合体的分子量随着外部条件的改变而改变，种补充在中石油青海油田、塔里木油田、冀东油田因此柔性棒状胶束体系的松弛特性及流变特性与等现场应用。缺点要是交联时间过快，地层吸附聚合物体系又不完全相同。CatesE]等以高分子量大，不耐盐。爬行模型为基础，对这类胶束体系作了机理方面王均[1。等提出了适合川西致密气藏低伤害、的研究，得到了该流体的恢复常态所用的时间、储低成本的超支化聚合物压裂液体系。该体系配方能模量G及损耗模量G等相关的表达式。简单，不需要加入杀菌剂，用有机过渡金属交联剂蠕虫状胶束的生长主要跟表面活性剂的体积交联后挑挂性好，具有良好的耐温耐剪切性能，破分数、体系的温度及胶束的分离能相关。而其长胶液表界面张力低、残渣少等优点，其成本约为常度主要受表面活性剂的浓度、反离子盐和助表面规胍胶压裂液的77，摩阻是常规胍胶压裂液的活性剂和温度等方面的影响。在反离子盐一定的3O～509／6，闭井放喷后排液速度快、返排率高。情况下，表面活性剂在溶液中量的增加，促进表面疏水缔合表面活性聚合物是采用分子设计的活性剂胶束体积所占比例的增加[1，胶束长度与手段_1。，在合成过程中引入耐盐单体、表面活性表面活性剂的浓度成正比。反离子盐和助表面活疏水单体，使其溶解在水中后，能够形成蠕虫胶束性剂均可以促进表面活性剂形成网状结构[2。。。进行分子间缔合，疏水缔合溶液是可逆结构流体，胶束的体积一般随温度升高减少，胶束的长度也溶液中分子链间通过多元弱键(范德华力、氢键和变短叫。离子键)结合，形成布满整个溶液体系的三维立体2．3．2清洁压裂液的破胶原理网状结构，此结构可随剪切速率、盐度和温度等条清洁压裂液与聚合物压裂液的破胶机理相件变化而可逆变化。异，清洁压裂液破胶不需要其他助剂，目前研究比罗平亚[1]等对疏水缔合聚合物进行了现场较详细的是油和水对清洁压裂液的破胶机应用推广，该压裂液体系具有清洁低伤害、微残理¨2]。一是在地层水的稀释下，使得表面活性留，抗温抗盐抗剪切，摩阻小，悬浮能力极强，易彻剂的含量低于其CMC，从而溶液失去粘弹性；二 学兔兔www.xuetutu.com第32卷第4期赖小娟，等．低渗透油气储层压裂液的研究进展是清洁压裂液遇到烃类化合物时，化合物通过增(主剂溶剂)、碳原子数比较多的烷基醇或表面活溶进入表面活性剂形成的胶束内，使棒状胶束变性剂(-ff增稠剂电荷相反)和KC1。烷基长链可以为球状胶束，网状结构解体使其失去粘弹性。为Cz、C、Cs。在电性相反的助剂作用下形成2．3．3清洁压裂液种类及特点的压裂液比使用醇制备的压裂液体系性能要好。目前对粘弹性表面活性剂的分类主要是根据甜菜碱两性表面活性剂与季铵盐表面活性剂亲水基团的离子性与非离子性考虑的，溶于水后，相比，其生物降解能力增强[2，对环境的毒副作用能离解出离子的被称作离子性表面活性剂，否则小，且在地层岩石表面的吸附量也少，对地层造成被称作非离子性的表面活性剂。离子性表面活性的伤害低，但由于体系中KC1的用量比较大，只能剂又可分为阳离子型表面活性剂、阴离子型表面用在80℃以内的低温地层。由于其合成过程比较活性剂和两性表面活性剂。繁琐、产率低，该体系还未大规模推广应用。1)阳离子清洁压裂液体系。该表面活性剂分表2Betaine压裂液常用的主剂和助剂子中大多数都是含有氮元素，常见的阳离子型表面活性剂大多数为季铵盐。其分子式为[R2R3R4]N+·X一。与N原子相连的R、R。、R。和R基团中，通常有一个或两个基团的碳数较多(C～Cs)，其他的基团大多为1～6个碳的烃基或带有一OH的烃基，带有一oH碳氢链取代氢原子3)非离子清洁压裂液。非离子型表面活性剂之后，分子的亲油能力减弱，其溶液的表面活性减常见的为卵磷脂，在其溶液中加入相应的添加剂，弱。阳离子体系中常用主剂与添加剂见表l。可以形成耐温性能较高的压裂液体系，体系的添表1阳离子压裂液体系常用的主剂和助剂加剂主要有非水性溶剂、小分子醇和有机酸(甲主表面活性剂添加剂酸、乙酸)等。非离子型清洁压裂液体系的耐温性十六烷基三甲基氯化铵水杨酸钠十八烷基三甲基氯化铵二甲基苯磺酸钠达150℃，并且体系中有酸存在，对pH影响比较十八烷基二羟乙基甲基氯化铵十六烷基苯磺酸钠大，酸性越强，则形成的冻胶破胶越彻底，破胶液十八烷基二羟丙基氯化铵3一羟基一2一萘磺酸钠返排越迅速，造成的伤害越低。但该体系主剂价椰油酰胺丙基三甲基氯化铵苯磷酸钠格较高，施工过程中冻胶制备比较困难。目前阳离子冻胶主剂的合成技术已经相当成3结束语熟，价格也相对便宜，适合在油气开采过程中广泛低渗透油藏压裂液总体的发展趋势是“优质、应用。然而不容易被微生物分解，并对生物也有低伤害、低成本”。清洁压裂液具有摩阻低、伤害毒害作用，同时阳离子表面活性剂容易吸附在地小、携砂性好和破胶黏度低等优点，使其在国外得层的黏土和砂岩上，从而改变岩层的润湿性，造成到了广泛的应用。目前国内使用于中低温条件的岩层的吸附伤害[25-26]，降低油相的渗透率，不利于清洁压裂液研究的比较多，而耐高温的清洁压裂采收率的提高。液成功应用得较少。耐温体系的溶解性较差，现2)两性清洁压裂液。长链的甜菜碱型表面活场配液困难，这是制约清洁压裂液应用的重要原性剂是该类清洁压裂液中起增稠作用的物质，该因。应深入研究制约清洁压裂液耐温性的因素，增稠剂的结构如下所示。提高其抗温性、抗剪切性，以扩大其应用范围。此R2f外，加强疏水缔合聚合物与粘弹性表面活性剂复R1一N十一CH2一Co0广l合压裂液的现场应用研究，以降低压裂施工作业R3成本，是清洁压裂液研究发展的方向。式中：R为Ce～Czz为长链烃基，烃基可为直链或支链、稳定或不稳定存在的烃基，R和R。为参考文献C～C4烃基或被带有羟基的基团取代。该冻胶体系常用主剂及助剂如表2所示。[1]王鸿勋．水力压裂原理[M]．北京：石油工业出版社，1987该清洁压裂液体系基本组成为：主剂、异丙醇25—132． 学兔兔www.xuetutu.com80精细石油化工2015年7月[2]吴信荣．压裂液、破胶剂技术及其应用[M]．北京：石油工业然气地质，2007，28(4)：511-515．出版社，2003：l—l1．HoffmannH，RehageH，Rauseher八Staticsanddy—[3]王贤君，张明慧，肖丹凤．超低浓度压裂液技术在海拉尔油namiesofstronglyinteractingcolloidsandsupermolecular田的应用[J]．石油地质与工程，2012，26(6)：111—113．aggregatesinsolution[M]．Nethlands：Fliveracademic[4]卢拥军，杨晓刚，王春鹏，等．低浓度压裂液体系在长庆致密publishers，1992：493—510．油藏的研究与应用口]．石油钻采工艺，2012，34(4)：67—70．CatesMEReptationoflivingpolymers：dynamicsofentan-[5]高成武，尹淑丽，赵光勇，等．低聚合物压裂液的研究及应用gledpolymersinthepresenceofreversiblechain-scissionreac—[J]．新疆石油科技，2003，13(2)：13—17．tions口]．Macromolecules，1987，20(9)：2289～2296．[6]朱辉明，卢红杰，沈彬彬，等．低浓度聚合物压裂液体系研究GruenDWR．Amodelforthechainsinamphiphilicag—与应用效果评价[J]．钻采工艺，2011，34(3)：91—94．gregates．2．Thermodynamicandexperimentalcompari—[7]陈凯，吕永利，王丹，等．耐高温压裂液增稠剂的制备及耐温sonsforaggregatesofdifferentshapeandsize[J]．JPhys构效关系口]．石油与天然气化工，2011，40(4)：385—389．Chem，1985，89(1)：153—163．[8]何春明，陈红军，刘超，等．高温合成聚合物压裂液体系研究MacanitaAL，CostaFP，CostaSMB，eta1．The9-an—[J]．油田化学，2012，29(1)：65—68．throatechromophoreasafluorescentprobeforwater[J]．[9]杨振周，陈勉，胥云，等．新型合成聚合物超高温压裂液体系JPhysChem，1989，93(1)：336—343．．口]．钻井液与完井液，2011，28(1)：49—51．LarsonRG．Thestructureandrheologyofcomplexfiuids[1O]吴伟，高艳敏，张晓云．一种高温嵌段聚合物水基压裂液[M]．NewYork：Oxforduniversitypress，1999．的室内研究口]．钻井液与完井液，2010，27(1)：68—70．口阳口一0一BerretJF，Gamez-CorralesR．Shear-inducedmicellar阳刀[11]周成裕，陈馥，黄磊光，等．一种高温抗剪切聚合物压裂液growthindilutesurfactantsolutions[J]．EurophysicsLet—的研制[J]．钻井液与完井液，2008，25(1)：67—68．ters，2001，54(5)：605—611．[12]王均，曹学军，陈瑶．超支化压裂液在川西致密气藏的应PitoniE．Polymerfreefracturingfluidrevivesshut—inoil用研究口]．中外能源，2013，18(1)：51—57．well[J]．worldOil，1999，220(9)：77—82．[131周成裕，萧瑛，段培珍，等．聚合物压裂液性能的影响因素SamuelM．Apolymer-freefluidforfracturingapplication及研究方向[J]．精细石油化工，2008，25(1)：68—71．[J]．SocPetrolEngrsDrillingCompl，1999，14(4)：27—33．[14]蒋山泉，陈馥，张红静，等．新型聚合物压裂液的研制及评姚凤英，姚同玉，李继山，等．油层润湿性反转的特点与影价[J]．西南石油学院学报，2004，26(4)：44—47．响因素[J]．油气地质与采收率，2007，14(4)：76—78．[15]王煦，颜菲，赵文娜，等．聚合物压裂液的一种多功能交联陈馥，刘彝，王大勇，等．阳离子表面活性剂基压裂液的地剂性能研究[J]．西南石油大学学报：自然科学版，2008，层伤害性研究[J]．钻井液与完井液，2007，24(6)：62—65．3O(5)：118-120．曹素珍，李正，任海静，等．表面活性剂生物降解性的研究[16]罗平亚，郭拥军，刘通义．一种新型压裂液[J]．石油与天进展[J]．!El用化学工业，2011，41(2)：127—130，135．RESEARCHPRoGRESSoFFRACTURINGFLUIDFoRLoWPERMEABILITYRESERVoIRLaiXiaojuan，GongMi’na，CuiZhengpan，CaoRongrong。(1．CollegeofChemistryandChemicalEngineering，ShaanxiUniversityofScience&Technology，Xi’an710021，Shaanxi，China；2．TheSecondProjectDepartmentofSuper-lowPermeabilityReservoir，ChangqingOilfieldCompany，CNPC，Qingcheng745100，Gansu，China；3．ResearchInstituteofOiZ&GasTechnology，ChangqingOilfieldBranchCompany，PetroChina，Shaanxi710021，Xi’an，ina)Abstract：Thetechnicaldifficultiesoffracturingfluidforlowpermeabilityreservoirespeciallyreser—voirinErdosbasinweresummarized．Thecharacteristics，advantagesanddisadvantagesoftheguargumfracturingfluid，polymerfracturingfluidandcleanfracturingfluidweredescribed．Types，char—acteristics，gelationprocessandgelbreakingprinciplesofcleanfracturingfluidswerechieflyintro—duced．Developmenttrendofcleanfracturingfluidwasprospected．Keywords：thelowpermeabilityandcompactreservoir；fracturing；cleanfracturingfluid；surfactant