含納米纖維陰離子雙子表面活性劑壓裂液研究

胡楊，唐善法，2，樊英凱，胡睿智

(1.長(zhǎng)江大學(xué) 石油工程學(xué)院，湖北 武漢 430100；2.長(zhǎng)江大學(xué) 非常規(guī)油氣湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 武漢 430100； 3.河南油田石油工程技術(shù)研究院，河南 南陽 473132)

拋開成本的影響，耐溫性成為阻礙清潔壓裂液(簡(jiǎn)稱VES)推廣應(yīng)用的重要原因之一。因此，如何提高VES壓裂液的耐溫性顯得尤為重要[1-2]。陰離子雙子型VES壓裂液不僅具有常規(guī)VES壓裂液的優(yōu)點(diǎn)[3-8]，而且克服了陽離子型VES壓裂液的缺陷[1-2]，是未來VES壓裂液發(fā)展的方向。研究表明，在VES壓裂液中加入納米粒子[9-10]、有機(jī)醇[11]可以提高VES壓裂液的耐溫性，但效果不顯著。表面帶有特殊結(jié)構(gòu)的納米纖維用于提高黏彈流體耐溫性具有很大的優(yōu)勢(shì)[12]。因此，本文以自制陰離子雙子表面活性劑為增稠劑，考慮加入有機(jī)醇NA、納米纖維，構(gòu)筑出耐溫VES壓裂液，并研究其耐溫增黏機(jī)理，最后評(píng)價(jià)其性能。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

磺酸鹽雙子表面活性劑(簡(jiǎn)稱DS18-3-18，純度>95%)，實(shí)驗(yàn)室自制；納米纖維(簡(jiǎn)稱CNF，長(zhǎng)度 0.5～3 μm，寬度10～50 nm)、有機(jī)醇NA(有效濃度90%)、瓜膠均為工業(yè)品；氯化鈉、氯化鉀、氯化鈣、氯化鎂、硫酸鈉、碳酸氫鈉均為分析純；20～40目陶粒(視密度2.66 g/cm3，圓度0.88)，由鞏義市萬豐磨具磨料有限公司提供；煤油，市售。

Physics MCR301界面流變儀；FA2004精密電子天平(精確值0.000 1 g)；DC-2006低溫恒溫槽；HH-8型恒溫?cái)?shù)顯水浴鍋；78-1磁力加熱攪拌器；GW-1004-40TL超聲波分散儀；S4800場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡；上海風(fēng)褚FD-1D-50冷凍干燥機(jī)；EMS150R離子濺射噴鍍儀；巖心驅(qū)替裝置(包括恒速恒壓泵、恒溫箱、中間容器、六通閥、巖心夾持器等)，由海安縣石油科研儀器有限公司提供。

1.2 溶液配制

1.2.2 DS18-3-18溶液配制 稱量所需DS18-3-18加150 mL模擬地層水倒入200 mL燒杯，磁力攪拌溶解，充分溶解加入200 mL容量瓶定容，放置備用。

1.2.3 助劑+DS18-3-18溶液的配制 量取所需4%DS18-3-18溶液，加入一定量有機(jī)醇NA、納米纖維，磁力攪拌溶解，放入超聲波分散儀中振蕩分散1 h，靜置10 h得到含納米纖維材料的混合流體。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 流變測(cè)試 利用流變儀在實(shí)驗(yàn)設(shè)定的溫度、剪切速率下測(cè)試所配制流體流變性能。

1.3.2 電鏡掃描測(cè)試 將配制流體加熱到實(shí)驗(yàn)溫度(90 ℃)，快速放入液氮中冷凍，冷凍完成后在冷凍干燥機(jī)中干燥，最后取小樣制備掃描電鏡所需樣品，最后利用掃描電鏡對(duì)樣品進(jìn)行觀察。

1.3.3 性能評(píng)價(jià) 參照石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 6376—2008《壓裂液通用技術(shù)條件》、SY/T 5107—2005《水基壓裂液性能評(píng)價(jià)方法》對(duì)耐溫清潔壓裂液的耐溫抗剪切性能、黏彈性能、懸砂性能、破膠性能、巖心傷害進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2 結(jié)果與討論

2.1 耐溫清潔壓裂液構(gòu)筑

2.1.1 有機(jī)醇NA質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)4%DS18-3-18溶液黏度的影響 DS18-3-18質(zhì)量分?jǐn)?shù)已進(jìn)行了優(yōu)選[13]，確定質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%，后續(xù)實(shí)驗(yàn)均在此基礎(chǔ)上開展。在90 ℃、剪切速度170 s-1下，研究了有機(jī)醇NA質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化對(duì)4%DS18-3-18溶液黏度的影響，結(jié)果見圖1。

圖1 有機(jī)醇NA質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)4%DS18-3-18溶液黏度的影響Fig.1 The influence of NA content of organic alcohol on the viscosity of 4% DS18-3-18 solution

由圖1可知，隨著有機(jī)醇NA質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，溶液黏度先增大后降低。有機(jī)醇NA質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%時(shí)，溶液黏度增至15.1 mPa·s，這是由于有機(jī)醇NA的疏水端嵌入膠束內(nèi)部，醇羥基分子內(nèi)部以及與水分子間形成較強(qiáng)的分子間作用力，增大了DS18-3-18在溶液中自組裝形成的片狀膠束尺寸，使得蠕蟲狀膠束結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，表現(xiàn)為DS-18-3-18溶液黏度大幅度增大；過量的有機(jī)醇NA加入使得膠束結(jié)構(gòu)被破壞，使得溶液黏度有所下降[14]。因此，3%有機(jī)醇NA與4%DS18-3-18具有良好的協(xié)同耐溫增黏效果，但未滿足清潔壓裂液的施工要求，可將其復(fù)配體系(4%DS18-3-18+3%有機(jī)醇NA)作為研究添加納米材料的基液，進(jìn)一步研究提高其耐溫增黏性能。

2.1.2 納米纖維加量對(duì)4%DS18-3-18溶液黏度的影響 在90 ℃、剪切速度170 s-1下，研究了納米纖維(CNF)質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化對(duì)4%DS18-3-18溶液黏度的影響，結(jié)果見圖2。

圖2 CNF質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)4%DS18-3-18溶液黏度的影響Fig.2 The effect of CNF mass fraction on the viscosity of 4% DS18-3-18 solution

由圖2可知，隨著CNF質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，4%DS18-3-18溶液黏度先增加后降低。其中CNF質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.02%時(shí)，溶液的耐溫增黏性最好，溶液黏度升高了2.5倍。當(dāng)0.02%納米纖維CNF加入溶液后，CNF與4%DS18-3-18形成的膠束結(jié)構(gòu)纏繞更加緊密，使其膠束尺寸增大，導(dǎo)致其溶液黏度增高；加入過量的納米材料后，納米材料團(tuán)聚嚴(yán)重，分散不均導(dǎo)致其黏度降低[15]。

2.1.3 CNF對(duì)復(fù)合溶液耐溫增黏的影響 在90 ℃、剪切速度170 s-1下，將0.02%CNF加入 4%DS18-3-18+3% 有機(jī)醇NA基液中，考察二者協(xié)同增黏效果，結(jié)果見圖3。

圖3 CNF對(duì)復(fù)合溶液耐溫增黏效果Fig.3 The effect of CNF on temperature resistance and viscosity increase of composite solution

由圖3可知，4%DS18-3-18+3%有機(jī)醇NA體系中加入CNF后，復(fù)配體系的黏度有較大提升，在100 ℃時(shí)黏度依然有21 mPa·s，相比單一組分和4%DS18-3-18+3%有機(jī)醇NA都有較大的提升，CNF和有機(jī)醇NA在加入DS-18-3-18有較好的協(xié)同性。因此，確定耐溫清潔壓裂液基本構(gòu)成為 4%DS18-3-18+3%有機(jī)醇NA+0.02%CNF復(fù)合體系，并評(píng)價(jià)其相關(guān)性能。

2.2 溶液耐溫增黏機(jī)理研究

在90 ℃條件下，對(duì)添加助劑的4%DS18-3-18溶液進(jìn)行電鏡掃描分析，結(jié)果見圖4。

圖4 添加助劑的DS18-3-18溶液微觀結(jié)構(gòu)Fig.4 Microstructure of DS18-3-18 solution with additives a.4%DS18-3-18；b.有機(jī)醇NA；c.4%DS18-3-18+3%有機(jī)醇NA；d.0.02%CNF；e.4%DS18-3-18+0.02%CNF；f.4%DS18-3-18+3%有機(jī)醇NA+0.02%CNF

由圖4可知，加入助劑對(duì)DS18-3-18溶液膠束微觀結(jié)構(gòu)及黏度具有顯著的影響。有機(jī)醇NA的加入使DS18-3-18溶液片狀膠束結(jié)構(gòu)逐漸變大，膠束纏繞更加緊密，并且逐漸形成了層狀結(jié)構(gòu)，膠束尺寸逐漸增大，使得溶液黏度升高。CNF的加入使得DS18-3-18溶液膠束形成復(fù)雜的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，增大了溶液黏度。同時(shí)加入有機(jī)醇NA和CNF后，二者互相穿插交錯(cuò)，使得DS18-3-18溶液的膠束結(jié)構(gòu)更加致密，膠束網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更強(qiáng)，尺寸更大，溶液的耐溫增黏性得到顯著提升。

2.3 復(fù)合清潔壓裂液性能評(píng)價(jià)

2.3.1 耐溫抗剪切性能 利用流變儀在170 s-1條件下，設(shè)置溫度15 min內(nèi)從50 ℃升至100 ℃，測(cè)試復(fù)合清潔壓裂液的耐溫抗剪切性能，結(jié)果見圖5。

圖5 壓裂液體系抗溫耐剪切性能Fig.5 Temperature and shear resistance of fracturing fluid system

由圖5可知，隨著溫度升高，清潔壓裂液體系的黏度開始下降。耐溫清潔壓裂液體系在100 ℃下剪切80 min后黏度仍保持在22 mPa·s左右，說明該清潔壓裂液體系具有較好的耐溫抗剪切性能。

2.3.2 黏彈性能 確定清潔壓裂液的線性黏彈區(qū)，固定掃描頻率(f=1 Hz)，進(jìn)行應(yīng)力掃描測(cè)試，結(jié)果見圖6。

圖6 模量與應(yīng)力掃描之間的關(guān)系Fig.6 Relationship between modulus and stress sweep

由圖6可知，當(dāng)應(yīng)力σ<0.6 Pa時(shí)，壓裂液的模量不隨掃描應(yīng)力變化，且彈性模量(G′)大于黏性模量(G″)，表明清潔壓裂液具有較好的彈性。

在掃描應(yīng)力σ=0.1 Pa的條件下進(jìn)行頻率掃描，結(jié)果見圖7。

由圖7可知，隨著掃描頻率的增加，陰離子雙子表面活性劑清潔壓裂彈性模量(G′)與黏性模量(G″)均逐漸增大，頻率小于6.4 Hz時(shí)，G″>G′，溶液以黏性為主；頻率繼續(xù)增大，G′>G″，溶液由黏性轉(zhuǎn)變?yōu)閺椥裕椥圆浑S頻率發(fā)生變化，可滿足壓裂過程中的攜砂要求。

圖7 模量與頻率掃描之間的關(guān)系Fig.7 The relationship between modulus and frequency sweep

2.3.3 懸砂性能 將清潔壓裂液裝入100 mL的量筒中，并將量筒放置在一定溫度的水浴鍋中加熱，加入1粒陶粒，用秒表記錄陶粒沉降至量筒底部所消耗的時(shí)間，計(jì)算出沉降速度，重復(fù)3次，取平均值，結(jié)果見表1。

表1 清潔壓裂液的攜砂性能Table 1 Sand carrying performance of clean fracturing fluid

由表1可知，隨著溫度的升高，清潔壓裂液的黏度逐漸下降，支撐劑沉降速度加快，溫度到100 ℃時(shí)，平均沉降速度為4.19 cm/min。研究表明[16]，單粒支撐劑可接受的沉降速度范圍為0.5～5 cm/min，沉降速度>5 cm/min為較差或不可接受的支撐劑沉降速度。因此，該清潔壓裂液滿足壓裂液的攜砂性能要求，具有較好的攜砂性能。

2.3.4 破膠性能 將配制好的復(fù)合壓裂液分別與煤油和水以1∶1的比例混合后，用流變儀測(cè)定溶液黏度隨時(shí)間的變化，剪切速度170 s-1、溫度100 ℃。接著在25 ℃下測(cè)試破膠液的表面張力，并測(cè)試其殘?jiān)?，結(jié)果見表2。

由表2可知，以煤油為介質(zhì)的破膠效果優(yōu)于水介質(zhì)，在短時(shí)間內(nèi)可快速且徹底的破膠。但2種介質(zhì)都能在10 min內(nèi)實(shí)現(xiàn)快速徹底破膠，使其返排液黏度低于1 mPa·s(100 ℃)，破膠液表面張力較低，且破膠液無殘?jiān)?，達(dá)到了較好的破膠效果。因此，正常生產(chǎn)時(shí)，產(chǎn)出液中含水、含油即可使復(fù)合壓裂液快速自動(dòng)破膠，黏度快速下降，殘液可與產(chǎn)出液一同產(chǎn)出，對(duì)儲(chǔ)層和裂縫傷害較小。

表2 不同介質(zhì)破膠情況Table 2 Different media breaking conditions

2.3.5 巖心傷害實(shí)驗(yàn) 利用巖心驅(qū)替裝置考察了瓜膠壓裂液和復(fù)合清潔壓裂液對(duì)巖心的傷害情況，結(jié)果見表3。

表3 巖心傷害實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 3 Core damage test results

由表3可知，與瓜膠壓裂液相比，復(fù)合清潔壓裂液對(duì)低滲巖心傷害程度很小，巖心傷害率小于10%。因此，研制的復(fù)合清潔壓裂液可應(yīng)用于低滲透儲(chǔ)層。

3 結(jié)論

(1)室內(nèi)研究表明，有機(jī)醇NA和纖維素納米纖維(CNF)可顯著提升DS18-3-18溶液的耐溫性能，同時(shí)二者可協(xié)同增加溶液的耐溫性，構(gòu)筑出復(fù)合耐溫清潔壓裂液體系：4%DS18-3-18+3%有機(jī)醇NA+0.02%CNF。

(2)有機(jī)醇和CNF的加入使得DS18-3-18溶液膠束結(jié)構(gòu)纏繞更加緊密，膠束尺寸增大，增強(qiáng)了溶液的耐溫增黏性能。

(3)復(fù)合清潔壓裂液可耐100 ℃，黏彈性高，攜砂能力強(qiáng)，破膠效果好，對(duì)巖心傷害小，可有效降低儲(chǔ)層傷害。