清洁压裂液的研究与应用进展.doc

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1、 油 OilfieldChemistry 田 化 学 第 32卷第 1期 2015年 3月 25日 Vol.32No.1 25Mar， 2015 文章编号： 1000-4092（ 2015） 01-141-05 清洁压裂液的研究与应用进展 * 严志虎，戴彩丽，赵明伟，冯海顺，高波，李明 1 1 1 1 2 3 （ 1.中国石油大学（华东）石油工程学院，山东青岛 266580； 2.中国石油集团测井有限公司长庆事业部，陕西西安 710201； 3.中国石油 塔里木油田公司勘探开发研究院，新疆库尔勒 841000） 摘要 ： 介绍了清洁压裂液的组成和增黏破胶机理，对国内外清洁压裂液的理论基础、体系

2、组成、研究进展及应用 情况进行了综述。通过总结室内研究和现场应用中出现的问题，提出了清洁压裂液的发展趋势，即在确保清洁 压裂液性能的基础上，提高清洁压裂液的耐温能力，控制成本，降低滤失，改善破胶性能。 参 52 关键词： 清洁压裂液；黏弹性；表面活性剂；进展；发展趋势；综述 中图分类号： TE357.1+2 文献标识码： A 水力压裂技术在油田的应用始于上个世纪 40 系的稠化剂相对分子质量过大，因此溶解性差、水 不溶物多、易形成 “ 鱼眼 ” ，大大降低了稠化剂的利 用率，现场只能通过提高稠化剂加量来弥补损失； 此外，上述三种压裂液破胶液中含有大量能够降低 地层渗透率的残渣，严重影响压裂效果

3、。 年代，经过近 70余年的发展，逐步成为提高油气井 产能和油藏采收率的重要增产措施之一。水力压 1 裂就是利用地面高压设备，通过井筒注入超过地层 吸收能力的具有较高黏度的携砂压裂液，以此提高 近井地带的地层压力， 1997年斯伦贝谢公司利用黏弹性表面活性剂 （ VES）研制出一种对地层无伤害无污染的压裂液， 当地层压力超过破裂压力时就会产生一条或 多条具有一 定导流能力的裂缝，从而达到油水井增 又称为清洁压裂液。清洁压裂液配液简单，不需 4-5 2 产增注的目的。我国油气资源的突出特点是低渗 要交联剂和其它化学添加剂；流动摩阻小，只有清 透油气藏分布广、储量大，客观上决定了水力压裂 水的 2

4、 5%数 4 0%，施工安全简单；配液时无水不溶 是实现我国油田稳产增产目标的首选措施。 3 物，破胶后无残渣，返排率高，因此无地层伤害 6 压裂液性能的好坏关系到压裂施工的成败，因 此国内外都把提高压裂液的性能作为研究重点。 压裂液具有传递压力、造缝携砂、净化裂 缝的作用， 理想的压裂液应该具备高黏度、低滤失、流变性好、 热稳定性和剪切稳定性好、配伍性好、易破胶返排、 伤害小以及价格低廉等性能。目前在国内外油田 得到广泛应用并取得良好的增产效果的水基压裂 液可分为 3 种类型：（ 1）天然及合成植物胶压裂液； （ 2）纤维素压裂液；（ 3）聚合物压裂液。上述几种体 并能保持裂缝导流能力，能够

5、取得良好压裂效果， 从而受到人们的广泛关注，并在全世界范围内掀起 了清洁压裂液研究与应用的热潮。 7 1清洁压裂液组成与增稠破胶机理 1.1 清洁压裂液的组成 清洁压裂液主要由表面活 性剂和反离子组 成。表面活性剂分子一般由水溶性（亲水）基团和 油溶性（亲油）基团组成。能用来配制清洁压裂液 * 收稿日期： 2013-12-16； 修改日期： 2014-04-20。 基金项目： 国家自然科学基金 “ 锆冻胶分散体的制备、表征及其在多孔介质中运移规律研究 ” （项目编号 51174221），教育部 “ 新世纪优秀人 才支持计划 ” （项目编号 20110226）。 作者简介： 严志虎（ 1984-

6、），男，中国石油大学（华东）油气田开发专业在读博士研究生（ 2013-），从事提高采收率与采油化学方面研究。戴 彩丽（ 1971-） ，女，教授，博士生导师，本文通讯联系人，主要从事油田化学教学和科研工作，通讯地址： 266580山东省青岛市中 国石油大学（华东）石油工程学院，电话： 0532-86981183， E-mail： ， 。 142 油 田 化 学 2015年 的表面活性剂有很多种，包括阳离子（主要有 长链烷基季铵盐、长链烷基卤化哌啶）、阴离子（主 要有烷基硫酸盐、烷基磺酸盐）、非离子（环氧乙烷 衍生物如乙二醇环氧乙烷）和两性离子表面活性剂 的耐高温清洁压 裂液，该压裂液可在高达

7、1 38 地 层温度下使用，现场应用操作简单，同时减少了清 洗时间和操作费用。卢拥军等 针 对吉林油田油 23 藏特点，优化了一种由 V E S-70表面活性剂和 A -25 黏土稳定剂组成的清洁压裂液配方体系。现场应 用表明，该清洁压裂液配液简便，易于施工，增产 等 。 反离子一般使用水杨酸钠、对甲苯磺酸钠、 8-10 十六烷基苯磺酸钠等。 1.2 增稠破胶机理 效果显著。赵梦云等 采用国产长链脂肪酸合成 24 黏弹性表面活性剂分子中含有亲水基团和疏 了多头季铵盐类黏弹性表面活性剂 N TX-100，用其 配制的压裂液体系耐温能力达到 1 10 以上。张洁 水基团且分布着正、负电荷，当少量黏

8、弹性表面活 性剂溶解到水溶液中时以单个分子的形式存在；随 着表面活性剂浓度达到临界胶束浓度时，由于疏水 基排斥水相，亲水基伸入水相，表面活性剂分子便 自发形成了具有低黏度的球形胶束。随着浓度进 一步增加，依靠反离子的静电吸引减少表面活性剂 阳离子基团之间的排斥力；或者依靠助剂和表面活 性剂极性基团之间的静电引力，都会使表面活性剂 等 25 研制了配方为 3%数 4% CTAB+4%NaSal+0.3% 0.5% Na2S2O3+4%KCl的调整型水基清洁压裂 液。该配方体系配制简单，适用 85 以下储层，破 胶彻底无残渣。娄平均等 采 用 十八烷基二甲基 26 溴化铵配制了最高耐温可达 95

9、的清洁压裂液，具 备表面活性剂用量少、成本低廉等优点。 2.1.2 阴离子型清洁压裂液 的聚集形态发生从球状到蠕虫状胶束的转变 ， 11-15 阳离子型清洁压裂液的生物降解性能差且由 这种蠕虫状胶束具有高黏弹性的三维网状结构，实 现携带支撑剂和压裂造缝的目的。 于吸附会使储集层发生润湿反转产生地层伤害。 阴离子型清 洁压裂液能够克服阳离子清洁压裂液 当清洁压裂液进入地层与烃类物质（油或气） 接触后，表面活性剂分子中的亲油基和亲水基使烃 类物质在胶束体中增溶，空间网状结构发生膨胀而 崩解成低黏度的球形胶束从而实现自动破胶。另 外，清洁压裂液遇到地层水稀释后表面活性剂浓度 的缺点，近年来取得了迅速

10、的发展。陈馥等设计 27 并合成的阴离子表面活性剂 V ES-J与水杨酸钠的水 溶液具有较好的黏弹性、耐剪切和携砂能力。张锋 三等将合成的棕榈酸甲酯磺酸钠与助剂十八醇 28 复配后可作为压裂液增稠剂 JL，其在 3.5%NaCl溶 液中迅速交联得到一种阴离子清洁压裂液， 80 下 该体系的黏度可达 40 mPa s，满足低压低渗透油气 下降，降低了溶液黏度，也能达到破胶目的。 16 2室内研究与现场应用 藏压裂要求。张劲等通过组分用量筛选，制备了 29 自 1997年斯伦贝谢公司推出清洁压裂液并成 阴离子型清洁压裂液，该压裂液在室温、 170 s-1 下 的表观黏度为 40 mPa s，最佳使

11、用温度为 100数 4 功应用以来，由于油气井深度较浅，最初的清洁 压裂液适应温度普遍较低；近年来为满足开发高温 深井的迫切需要 ，一系列适应于中高温地层的清洁 压裂液也相继面世。清洁压裂液体系也由最初的 阳离子型清洁压裂液，相继研发出阴离子型、非离 子型及两性清洁压裂液。 120 。刘观军等 30 制备了以阴离子表面活性剂为 主剂的 C HJ清洁压裂液，在 100 、 170 s-1 条件下具 有较好的耐温耐剪切性且携砂性较好。 2.1.3 两性离子型和非离子型清洁压裂液 由于两性离子型和非离子型表面活性剂具有 2.1 2.1.1 室内研究 稳定性高、不受酸碱及无机盐影响、溶解性好、无吸 附

12、等独特的性质，近年来也被应用于清洁压裂液的 阳 离子型清洁压裂液 阳离子型清洁压裂液具有易于成胶、耐高温性 制备。戚建平等合成了一种可生物降解的甜菜 31 强、合成工艺成熟、价格低廉等特点，相关的研究与 碱型黏弹性表面活性剂。该体系在剪切速率 170 s-1 ， 温度高于 80 时，黏度仍大于 25 mPa s，具有良好 应用十分活跃。 B aker Hughes公司 17 和 BJ Service 18-21 公司 相 继研制了耐高温且具有较强携砂能力的 的耐温抗剪切性和增稠性能。丁昊明等 开 发了 32 清洁压裂液。 Schlumberger 22 公司研制了一种新型 一种新型的两性离子表

13、面活性剂压裂液体系，该体 143 第 32卷第 1期 严志虎，戴彩丽，赵明伟等：清洁压裂液的研究与应用进展 系 120 、 170 s-1下的表观黏度为 83 mPa s，适合油 以下几点： 藏温度不超过 1 20 的低渗储层改造。刘观军等 33 （ 1）清洁压裂液的现场应用存在诸多限制 合成一种非离子表面活性剂脂肪酰胺丙基 - N， N-二 甲基叔胺（ SCF-18）增稠剂，以 N aHCO3为起泡剂， 通过化学反应形成的 CO2微泡沫可以有效地降低滤 失量，同时可 以提高返排率，降低对地层的伤害， 改善压裂效果。 阳离子表面活性剂容易与带负电荷的岩石表 面发生吸附造成地层伤害，另外混合有大

14、量难以生 物降解的阳离子破胶液返排至地表也会严重污染 环境；两性离子表面活性剂形成清洁压裂液的条 45 件较为苛刻，现场应用较为繁琐；非离子表面活性 剂在配制浓度很高时才能形成具有较好携砂性能 的清洁压裂液，压裂成本高昂；利用双子表面活性 剂可实现在较低浓度下配制清洁压裂液，但表面活 性剂制备工艺太复杂，不利于大规模工业生产。上 述问题极大限制了清洁压裂液的大规模应用。 （ 2）特 低渗低产油气藏中无法自动破胶 2.2 现场应用 2.2.1 国外应用情况 国外清洁压裂液应用非常广泛，成功进行了超 过上万次的压裂施工，取得了很好的经济效益。埃 尼 -阿吉普石油公司在 Giovanna油田压裂作业

15、时发 现清洁压裂液能够避免地层伤害，从而大大提高油 井产量，证明了清洁压裂液性能远远优于聚合物压 裂液。在美国墨西哥湾和意大利亚德利亚海域成 功利用海水配制 VES压裂液，使海上压裂作业变得 简单、经济、高效。美国南德克萨斯州油田施工时 一般认为，清洁压裂液能够实现自动、完全破 胶。然而，在现场试验中 发现对于部分特低渗低产 油藏及气藏，使用清洁压裂液并没有取得预期的增 产效果。其主要原因是在特低渗低产储层中，由于 油或水产量较低，清洁压裂液不能充分接触到油或 水，无法使其彻底破胶而导致压裂液返排率低，影 发现采用清洁压裂液可有效降低施工摩阻 。美 34 国俄克拉荷马州气井施工效果证明清洁压裂

16、液不 但滤失量小、地层伤害小、液体效率高，还可降低施 工成本。近年来， VES-CO2压裂体系得到了深入研 究，主要具有携砂能力强、滤失小、清洁无残渣等优 响压裂效果。 46 （ 3）清洁压裂液的耐温性能还有待提 高 清洁压裂液在中低温地层已被广泛应用且取 得了很好的增产效果，而适用于 80 以上高温地层 的清洁压裂液应用报道较少，研究也大多仅限于实 验室内合成，很少转化为工业化生产。由于清洁压 裂液在高温条件下黏度降低、漏失量增大，不仅大 大提高了压裂成本、增加了施工风险，而且影响施 工质量，压裂效果无法保证，限制了其在高温地层 的应用。 点，并得到了实际应用 35-36 。 2.2.2 国

17、内应用情况 清洁压裂液首次在四川气田成功应用以来 37 ， 国内便掀起了清洁压裂液应用的热潮。此后，胜利 油田、华北油田 、大庆油田、长庆油田、辽河油田、延 长油田、等采用清洁压裂液进行了多口油气井的压 裂施工，压后增产效果明显 38-43 。其中卫 11-53井 温高于 100 ，现场施工顺利，完成了设计加砂量， 压后增产效果好于同区平均水平。该井投产以后 相对于邻井日产液量高，动液面高，初期产油量 （ 4）高渗透率地层中的压裂效率不高 清洁压裂液体系中不含高分子聚合物，无法在 地层表面形成降滤失的滤饼。低渗透储层的自身 渗透率低，压裂液滤失量小，对储层伤害尚小；但 在高渗透储层中，液体滤失

18、量大，容易造成储层伤 害，增加了施工 的成本及风险的同时，也降低了压 裂效率。 高，压裂液返排快，获得了较好的压裂效果。大 44 庆油田现场试验表明，用清洁压裂液作业的油井， 日增原油效果显著，最突出的是葡 333 井 和龙 100-14井，日增油分别增加了 14.4 t和 10.5 t。 （ 5）缺乏微观结构及流变性能的机理研究 国外对清洁压裂液的研究起步较早，研究工作 主要集中在描述清洁压裂液的静动态流变学特性、 黏弹性产生机理以及胶束形态的转变条件等方面； 国内在该领域的研究起步较晚，对清洁压裂液微观 3清洁压裂液现有问题及发展 方向 3.1 现有问题 尽管目前清洁压裂液的研究及应用已取

19、得一 定的效果，但也暴露出来了诸多问题，主要集中在 144 油 田 化 学 2015年 结构及油藏条件对压裂液流变性能的影响认 识还存在诸多不足，取得的成果较少。 程中产生的三废（废水、废气、废渣）对环境造成影 响，走可持续发展道路。 52 3.2 未来发展方向 4结束语 针对近年来室内研究和现场应用存在的问题， 清洁压裂液开发应重点围绕以下几方面进行： （ 1）研制开发高效、经济的清洁压裂液体系。 由于目前清洁压裂液成本约是传统压裂液的 2 数 3 倍，而且随着温度升高，清洁压裂液稠化剂用量也 随之增加，耐高温清洁压裂液成本更加高昂。通过 保证压裂液性能的同时控制稠化剂用量（质量分数 在 0

20、.5%以下）或者开发适用于清洁压裂液的低成本 表面活性剂，是降低清洁压裂液成本从而促进其在 现场大规模推广应用的根本途径。 清洁压裂液具有独特的分子结构和流变性能， 具有不含聚合物、有效控制缝高、裂缝导流能力突 出、储层伤害小、施工摩阻低等独特性能，压裂后油 气井增产增注效果显著。从满足当前水力压裂的 实际需求出发，建设可持续健康发展、低能耗高效 率、 环保的油气田角度考虑，很有必要继续深入开 展清洁压裂液的研究工作。今后要加大研究力度， 争取早日开发出高效、经济、环保的清洁体系，扩大 清洁压裂液的应用范围，缓解我国的石油供需矛 盾，保障国家能源安全，确保我国经济快速发展。 （ 2）针对在 “

21、 三低 ” 油气藏中清洁压裂液无法自 动破胶的问题，研制出特低渗低产油气藏专用破胶 参考文献： 剂 47-50 ，扩大清洁压裂液的应用范围。随着世界经 1佟曼丽 .油田化学 M .东营：石油大学出版社， 1997： 79-81. 2王鸿勋 .水力压裂原理 M .北京：石油工 业出版社， 1987： 3-4 3陈涛平，胡靖邦 .石油工程 M .北京：石油工业出版社， 2000： 376-406. 济发展对油气需求的不断增加，常规油气资源日益 枯竭，油页岩、油砂矿、煤层气、页岩气、致密砂岩气 等非常规油气资源日益获得重视。因此，筛选清洁 压裂液专用破胶剂，将清洁压裂液应用范围扩大至 非常规油气藏，

22、具有十分重要的战略意义。 4 S AMUEL M， CARD R， NELSON E， et al. Polymer-free fluid for hydraulic fracturing Z . SPE 38 622， 1997. 5 M ATHEW S. Viscoelastic surfactant fracturing fluids：applications in low permeability reservoirs Z . SPE 60 322， 2000. 6 H UGHES T， JONES T， TUSTIN G. Viscoelastic surfactant based

23、gelling composition for well-bore service fluids P . US 6 232 ， （ 3）国内在耐高温清洁压裂液体系研究和应用 方面还处在起步阶段，应当学习消化国外先进技术 成果并结合国内特殊油气藏地质条件，加强耐高温 清洁压裂液体系的研究力度，深入研究不同类型体 系的复配效果，克服单一种类的不足，逐步提高清 洁压裂液的耐温性能，最终开发出适用于低中高温 地层的完善清洁压裂液体系。 274 2001. 7 R IMMER B， CURTIS M， CHUCK M， et al. Fracture geometry optimization： des

24、igns utilizing new polymer-free fracturing fluid and log-derived stress profile/rock properties Z . SPE 58 761， 2000. （ 4）由于在高渗透地层中清洁压裂液的滤失量 较大，通过利用黏弹性表面活性剂与疏水改性缔合 物的协同作用降低清洁压裂液在高渗地层的滤失 8李曙光，郭大立，赵金洲，等 .表面活性剂压裂液机理与携砂 性能研究西南石油大学学报（自然科学版）， J . 2011 ， 33 （）： 3 133-136. 9陈馥，王安培，李凤霞，等 .国外清洁压裂液研究进展 J .西 量，

25、或者借助微纳米、纤维技术改善清洁压裂液 51 南石油学院学报， 2002， 24（ 5）： 65-67. 的热稳定性和降滤失性能，还可以降低稠化剂的用 量进而降低成本。 10贾振福，郭拥军，苟文雨，等 .清洁压裂液的研究与应用 J . 精细石油化工进展， 2005， 6（ 5）： 4-7. （ 5）针对清洁压裂液破胶返排液现场处理难的 问题，开展清洁压裂液的制备及修复循环利用研 究，利用修复技术，使返排液重新循环利用 于储层 压裂改造。充分再利用返排液，将返排液变废为 宝，不但节约大量的成本、化工材料和水资源，减 少排污，保护环境，而且缩短施工周期和加快生产 进度，大大降低在非常规油气资源的开

26、发和利用过 11张朝举，何兴贵，关兴华 .国内低中温清洁压裂液研究进展 及应用展望钻采工艺， J . 2009 32 3 ，（）： 93-96. 12李钦，陈馥 .黏弹性表面活性剂及其在油田中的应用 J .日 用化学工业， 2004（ 3）： 173-175. 13苑光宇，侯吉瑞，罗焕，等 .清洁压裂液的研究与应用现状及 未来发展趋势 J .日用化学工业， 2012（ 4）： 288-292. 14王均，何兴贵，张朝举，等 .清洁压裂液技术研究与应用 J . 中外能源， 2009 5 （）： 51-56. 第 32卷第 1期 严志虎，戴彩丽，赵明伟等：清洁压裂液的研究与应用进展 145 15雷

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39、UN Guiling （ Drilling and Production Technology Research Institute， Jidong Oilfield Company， Tangshan， Hebei 063004， P R of China） Abstract: Silicate water shutoff agent system， chemical shutoff technology and its application examples were reviewed. The silicate water shutoff agent system was divide

40、d into four types， such as silicate gel water shutoff agent system， silicate precipitation water shutoff agent system， mixed silicate water shutoff agent system and particle silicate water shutoff agent system. The silicate chemi- cal shutoff technology was divided into three types， including single

41、 fluid shutoff method， double fluid shutoff method and mixed slug shutoff method. The effect of silicate chemical water shutoff technology in Jidong， Daqing and Tahe oilfield was introduced. The research suggestions and prospects of silicate chemical water shutoff technology were put forward. Keywor

42、ds: silicate； water shutoff agent； chemical water shutoff technology； application； review （上接第 140页。 continued from p.140） 37李秀红，杨桦，陈喜田，等 .润湿反转提高压裂液返排技术在 吉林油田新 1 19区块的应用 J .钻采工艺， 2004， 27（ 6） : 51-52. 41刘卫东 .低渗透油 田润湿反转降压增注技术及应用 J .辽宁 工程技术大学学报 :自然科学版， 2009， 28（ s1） : 146-149. 42胡雪滨，李释然，吴华 .聚硅纳米增注技术在江

43、陵凹陷高盐 敏感性油藏中的运用 J .石油天然气学报， 2 012，34（ 7） : 129-131. 38薛玉志，刘宝锋，李公让，等 .大牛地气田保护储层钻井完井 液技术研究 J .钻井液与完井液， 2009， 26（ 3） : 5-8. 39 L IU Yijiang， ZHENG Hongwen， HUANG Guixiong，et al. 43 D ELAVARMOGHADDAM A， MIRHAJ S A， ZITHA P L J. Gas condensate productivity improvement by chemical wettability alteration Z

44、 . SPE 122225， 2009. Production enhancement in gas-condensate reservoirs by altering wettability to gas wetness: field application Z . SPE 112750， 2008. 44 Z HANG Jieyuan， NGUYEN Q P， FLAATEN A K，et al. 40渠慧敏，罗杨，戴群，等 .低渗透砂岩油藏分子膜增注性能和 机理研究 J .油田化学， 2013， 30（ 3） : 354-357. Mechanisms of enhanced natur

45、al imbibition with novel chemicals Z . SPE 113453， 2008. Seepage Regulation of Micro-Pore System in Tight Sandstone Gas Reservoirs by Interfacial Modification ， LUO Pingya， YOU Lijun LIU Xuefen1， 2， KANG Yili1 1 1 （ 1. State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation， Southwest Petroleum University， Chengdu， Sichuan 610500， P R of China； 2. Energy Engineering College， Longdong University， Qingyang， GanSu 745000， P R of China） Abstract: The methods of interfacial modification in tight reservoirs were summarized. And the micro mec