清潔壓裂液黏度與其懸砂性關(guān)系影響因素研究

何靜

（西安石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院，陜西 西安 710065 陜西延長石油 （集團(tuán)）有限責(zé)任公司研究院，陜西 西安 710075）

李天太，王滿學(xué)

（西安石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院，陜西 西安 710065）

房鑫

（西安石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院，陜西 西安 710065 陜西延長石油 （集團(tuán)）有限責(zé)任公司研究院，陜西 西安 710075）

南蓓蓓

（陜西延長石油 （集團(tuán)）有限責(zé)任公司研究院，陜西 西安 710075）

壓裂是靠具有一定黏彈性的液體將支撐劑輸送到裂縫，是油氣井增產(chǎn)水井增注的主要措施之一。壓裂液質(zhì)量影響其攜砂效率和壓裂施工效果［1－2］。一般認(rèn)為，壓裂液黏度越高其懸砂性越好。近年研究表明，壓裂黏度特性與其輸送支撐劑能力并不成正比關(guān)系。因此，在優(yōu)化壓裂配方時(shí)，應(yīng)該將壓裂液的黏度特性與其懸砂性同時(shí)考慮，保證壓裂液在低黏度下，表現(xiàn)出優(yōu)良的懸砂特性，這樣可以避免高黏度低砂比造成液體浪費(fèi)。

清潔壓裂液是一種具有特殊性膠束的黏彈性膠體。這種黏彈性膠在形成過程中受外界諸多因素影響，如溫度、鹽、反離子濃度、表面活性劑類型與體積分?jǐn)?shù)等［3－9］。關(guān)于壓裂液黏度與其在靜態(tài)情況下的懸砂性研究，目前在國內(nèi)未見報(bào)道。筆者以Stoke’s砂沉定律為依據(jù)，首次研究了不同影響因素下清潔壓裂液黏度與沉砂性之間的關(guān)系，找出壓裂液在低黏度下與最佳懸砂性之間關(guān)系，這種評(píng)價(jià)方法對(duì)優(yōu)化壓裂液配方，降低液體成本具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)試劑和儀器

稠化劑 （西安石油大學(xué)生產(chǎn)，35%的陽離子表面活性劑＋10%二乙基丙醇＋5%滲透劑＋5%互溶劑＋45%水，密度1.004g／cm3，25℃黏度25.4mPa·s）；氯化鉀 （上海試劑二廠，95%）；氯化鈉 （天津市天大化工試驗(yàn)廠，分析純，≥95%）；氯化鈣 （上海試劑二廠，95%）；EDTA （西安化學(xué)試劑廠，95%）；碳酸鈉 （西安化學(xué)試劑廠，99.95%）；椰子油脂肪酸二乙醇酰胺 （6501） （上海試劑二廠，95%）；十二烷基硫酸鈉 （K12，60%工業(yè)品）。

流變測量用德國HAAKE公司的RS6000流變儀，剪切試驗(yàn)采用速率控制模式，剪切速率170s－1進(jìn)行試驗(yàn)。

1.2 試驗(yàn)方法

在室溫下，按照稠化劑2%～6%＋2%KCl＋水制備清潔壓裂液，然后在壓裂液中加入其他助劑，分別考察壓裂液黏度和懸砂性之間關(guān)系。利用SY／T5107－2005《水基壓裂液性能評(píng)價(jià)方法》對(duì)F－VES清潔壓裂液性能和沉砂進(jìn)行評(píng)價(jià)。配制后壓裂液靜置6～12h以上，確保溶液內(nèi)無氣泡再進(jìn)行試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)原理

壓裂液的懸砂性是壓裂施工重要的參數(shù)。在靜態(tài)條件下，通常依據(jù)Stoke’s砂沉規(guī)律來判斷支撐砂下降速率:

式中，V代表支撐劑下沉速度，cm／s；d代表支撐劑直徑，cm；g代表重力加速度，m／s2；Dp和Df分別代表支撐劑和壓裂液的密度，g／cm3；μ代表壓裂液的黏度，mPa·s。

由Stoke’s公式可以看出，支撐劑的下沉速度與支撐劑本身的性質(zhì)有關(guān)外，還與壓裂液的黏度相關(guān)；壓裂液的黏度越大，沉砂速度越小，懸砂性能越強(qiáng)，但是壓裂液黏度過大，會(huì)增加施工時(shí)摩阻力，加大動(dòng)力消耗。因此，在優(yōu)化壓裂液配方時(shí)，確保壓裂液懸砂安全條件下，降低壓裂液黏度是一種經(jīng)濟(jì)合理的方法。

3 結(jié)果與討論

3.1 稠化劑對(duì)壓裂液黏度和沉砂性的影響

稠化劑是影響清潔壓裂液黏度和懸砂性的重要因素。在室溫下，試驗(yàn)考察了稠化劑加量對(duì)壓裂液的黏度及其靜態(tài)沉砂速度之間關(guān)系，如圖1所示。由圖1可以看出，隨著稠化劑濃度增加，壓裂液黏度隨之增大，沉砂速度下降，靜態(tài)懸砂性能增強(qiáng)；當(dāng)稠化劑濃度增加到4%時(shí)，壓裂液靜態(tài)懸砂性最好為0.015cm／s；當(dāng)稠化劑濃度增加到大于4%時(shí)，壓裂液黏度繼續(xù)增加，但是此刻壓裂液黏度對(duì)其懸砂性影響不大。由此可見，壓裂液黏度與其懸砂性在一定條件下并不符合Stoke’s定律，優(yōu)化壓裂液配方時(shí)，在考慮壓裂液黏度的同時(shí)，兼顧其與懸砂特定之間的關(guān)系對(duì)優(yōu)化配方意義重大。

圖1 稠化劑濃度對(duì)壓裂液黏度與沉砂速度影響

3.2 表面活性劑對(duì)壓裂液黏度與沉砂性的影響

筆者研究的清潔壓裂液是由陽離子型表面活性劑制備。在室溫下，試驗(yàn)考察了6501非離子型和K12陰離子表面活性劑對(duì)壓裂液黏度及其沉砂性的影響，如圖2和圖3所示。

圖2 6501濃度對(duì)壓裂液黏度與沉砂速度影響

圖3 K12濃度對(duì)壓裂液黏度與沉砂速度影響

由圖2和圖3可以看出，隨著6501濃度增加，壓裂液的黏度隨著增加，沉砂速度減少，靜態(tài)懸砂性隨之增強(qiáng)；當(dāng)6501濃度大于0.8%時(shí)，壓裂液黏度隨著6501濃度的增加而繼續(xù)升高，懸砂性變化不大；對(duì)K12而言，隨著表面活性劑濃度的增加，壓裂液黏度隨著增大，其靜態(tài)懸砂性隨之增強(qiáng)，當(dāng)K12加量為6.25%，此時(shí)壓裂液黏度下的懸砂性最好，隨著K12濃度的繼續(xù)增加，壓裂液黏度逐漸上升，但其懸砂性逐漸減弱。由此可見，非離子和陰離子型表面活性劑對(duì)壓裂液特性影響不同，壓裂液的黏度與其懸砂性之間并不存在唯一的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

3.3 無機(jī)鹽對(duì)壓裂液黏度與沉砂性的影響

表面活性劑型清潔壓裂液是在一定鹽度的存在下，通過反離子作用后將球型膠束轉(zhuǎn)化成棒狀膠束而使其水溶液增稠。由此可見，無機(jī)鹽對(duì)清潔壓裂液特性影響很大。試驗(yàn)考察了KCl、NH4Cl和CaCl23種無機(jī)鹽對(duì)壓裂液黏度和沉砂性影響，如圖4、圖5和圖6所示。

由圖4、圖5、圖6可以看出，隨著KCl、NH4Cl和CaCl23種無機(jī)鹽濃度增加，壓裂液黏度隨之減小，沉砂速度隨之下降，懸砂性變差，其中二價(jià)鹽較一價(jià)鹽對(duì)壓裂液黏度和懸砂性影響顯著。由此看見，無機(jī)鹽對(duì)壓裂液黏度和沉砂性影響很大，在配制清潔壓裂液時(shí)盡量減少二價(jià)鹽對(duì)壓裂液黏度的影響。

圖4 KCl濃度對(duì)壓裂液黏度與沉砂速度影響

圖5 NH4Cl濃度對(duì)壓裂液黏度與沉砂速度影響

圖6 CaCl2濃度對(duì)壓裂液黏度與沉砂影響

圖7 Na2CO3濃度對(duì)壓裂液黏度與沉砂影響

3.4 Na2CO3對(duì)壓裂液黏度和沉砂性影響

Na2CO3的加入改變了溶液的pH值，影響了膠束的形成環(huán)境。在室溫下，試驗(yàn)考察了Na2CO3加量對(duì)壓裂液黏度以及沉砂性影響，如圖7所示。由圖7可以看出，隨著Na2CO3濃度增加，壓裂液pH值隨著升高，其黏度呈現(xiàn)先增加然后呈現(xiàn)緩慢下降趨勢，其懸砂性也呈現(xiàn)先增強(qiáng)然后急劇減弱趨勢；當(dāng)Na2CO3加量為0.75%時(shí)，壓裂液黏度最大為66mPa·s，沉砂性最好為0.017cm／s；當(dāng)Na2CO3加量大于0.75%時(shí)，壓裂液黏度隨著Na2CO3增加而呈現(xiàn)下降趨勢。由此可見，溶液堿性對(duì)壓裂液的黏度和懸砂性影響很大，該體系的壓裂液最佳Na2CO3加量為0.75%。

4 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

1）稠化劑、膠束穩(wěn)定劑、6501、K12和Na2CO3對(duì)壓裂液的黏度有促進(jìn)作用，無機(jī)鹽對(duì)壓裂液的黏度有負(fù)面作用，尤其是二價(jià)鹽對(duì)壓裂液黏度和懸砂性影響更大。

2）研究發(fā)現(xiàn)壓裂液的黏度與其懸砂性之間并不是一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。

3）優(yōu)化壓裂液配方不能單純以黏度為指標(biāo)，應(yīng)把壓裂液黏度和懸砂特性兼顧考慮，這樣才能使優(yōu)化出的壓裂液配方達(dá)到低黏度高攜砂比的目標(biāo)。

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