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.長江大學 石油工程學院，湖北 武漢 430100；2.長江大學 非常規油氣湖北省協同創新中心，湖北 武漢 430100； 3.河南油田石油工程技術研究院，河南 南陽 473132)

拋開成本的影響，耐溫性成為阻礙清潔壓裂液(簡稱VES)推廣應用的重要原因之一。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VES壓裂液的優點[3-8]，而且克服了陽離子型VES壓裂液的缺陷[1-2]，是未來VES壓裂液發展的方向。研究表明，在VES壓裂液中加入納米粒子[9-10]、有機醇[11]可以提高VES壓裂液的耐溫性，但效果不顯著。表面帶有特殊結構的納米纖維用于提高黏彈流體耐溫性具有很大的優勢[12]。因此，本文以自制陰離子雙子表面活性劑為增稠劑，考慮加入有機醇NA、納米纖維，構筑出耐溫VES壓裂液，并研究其耐溫增黏機理，最后評價其性能。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

磺酸鹽雙子表面活性劑(簡稱DS18-3-18，純度>95%)，實驗室自制；納米纖維(簡稱CNF，長度 0.5～3 μm，寬度10～50 nm)、有機醇NA(有效濃度90%)、瓜膠均為工業品；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型恒溫數顯水浴鍋；78-1磁力加熱攪拌器；GW-1004-40TL超聲波分散儀；S4800場發射掃描電子顯微鏡；上海風褚FD-1D-50冷凍干燥機；EMS150R離子濺射噴鍍儀；巖心驅替裝置(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 實驗方法

1.3.1 流變測試 利用流變儀在實驗設定的溫度、剪切速率下測試所配制流體流變性能。

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

1.3.3 性能評價 參照石油天然氣行業標準SY/T 6376—2008《壓裂液通用技術條件》、SY/T 5107—2005《水基壓裂液性能評價方法》對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、巖心傷害進行評價。

2 結果與討論

2.1 耐溫清潔壓裂液構筑

2.1.1 有機醇NA質量分數對4%DS18-3-18溶液黏度的影響 DS18-3-18質量分數已進行了優選[13]，確定質量分數為4%，后續實驗均在此基礎上開展。在90 ℃、剪切速度170 s-1下，研究了有機醇NA質量分數變化對4%DS18-3-18溶液黏度的影響，結果見圖1。

圖1 有機醇NA質量分數對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，隨著有機醇NA質量分數增加，溶液黏度先增大后降低。有機醇NA質量分數為3%時，溶液黏度增至15.1 mPa·s，這是由于有機醇NA的疏水端嵌入膠束內部，醇羥基分子內部以及與水分子間形成較強的分子間作用力，增大了DS18-3-18在溶液中自組裝形成的片狀膠束尺寸，使得蠕蟲狀膠束結構更加穩定，表現為DS-18-3-18溶液黏度大幅度增大；過量的有機醇NA加入使得膠束結構被破壞，使得溶液黏度有所下降[14]。因此，3%有機醇NA與4%DS18-3-18具有良好的協同耐溫增黏效果，但未滿足清潔壓裂液的施工要求，可將其復配體系(4%DS18-3-18+3%有機醇NA)作為研究添加納米材料的基液，進一步研究提高其耐溫增黏性能。

2.1.2 納米纖維加量對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)質量分數變化對4%DS18-3-18溶液黏度的影響，結果見圖2。

圖2 CNF質量分數對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質量分數增加，4%DS18-3-18溶液黏度先增加后降低。其中CNF質量分數為0.02%時，溶液的耐溫增黏性最好，溶液黏度升高了2.5倍。當0.02%納米纖維CNF加入溶液后，CNF與4%DS18-3-18形成的膠束結構纏繞更加緊密，使其膠束尺寸增大，導致其溶液黏度增高；加入過量的納米材料后，納米材料團聚嚴重，分散不均導致其黏度降低[15]。

2.1.3 CNF對復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% 有機醇NA基液中，考察二者協同增黏效果，結果見圖3。

圖3 CNF對復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%有機醇NA體系中加入CNF后，復配體系的黏度有較大提升，在100 ℃時黏度依然有21 mPa·s，相比單一組分和4%DS18-3-18+3%有機醇NA都有較大的提升，CNF和有機醇NA在加入DS-18-3-18有較好的協同性。因此，確定耐溫清潔壓裂液基本構成為 4%DS18-3-18+3%有機醇NA+0.02%CNF復合體系，并評價其相關性能。

2.2 溶液耐溫增黏機理研究

在90 ℃條件下，對添加助劑的4%DS18-3-18溶液進行電鏡掃描分析，結果見圖4。

圖4 添加助劑的DS18-3-18溶液微觀結構Fig.4 Microstructure of DS18-3-18 solution with additives a.4%DS18-3-18；b.有機醇NA；c.4%DS18-3-18+3%有機醇NA；d.0.02%CNF；e.4%DS18-3-18+0.02%CNF；f.4%DS18-3-18+3%有機醇NA+0.02%CNF

由圖4可知，加入助劑對DS18-3-18溶液膠束微觀結構及黏度具有顯著的影響。有機醇NA的加入使DS18-3-18溶液片狀膠束結構逐漸變大，膠束纏繞更加緊密，并且逐漸形成了層狀結構，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溶液膠束形成復雜的網狀結構，增大了溶液黏度。同時加入有機醇NA和CNF后，二者互相穿插交錯，使得DS18-3-18溶液的膠束結構更加致密，膠束網絡結構更強，尺寸更大，溶液的耐溫增黏性得到顯著提升。

2.3 復合清潔壓裂液性能評價

2.3.1 耐溫抗剪切性能 利用流變儀在170 s-1條件下，設置溫度15 min內從50 ℃升至100 ℃，測試復合清潔壓裂液的耐溫抗剪切性能，結果見圖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，固定掃描頻率(f=1 Hz)，進行應力掃描測試，結果見圖6。

圖6 模量與應力掃描之間的關系Fig.6 Relationship between modulus and stress sweep

由圖6可知，當應力σ<0.6 Pa時，壓裂液的模量不隨掃描應力變化，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。

在掃描應力σ=0.1 Pa的條件下進行頻率掃描，結果見圖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，G″>G′，溶液以黏性為主；頻率繼續增大，G′>G″，溶液由黏性轉變為彈性，黏彈性不隨頻率發生變化，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間，計算出沉降速度，重復3次，取平均值，結果見表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，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，用流變儀測定溶液黏度隨時間的變化，剪切速度170 s-1、溫度100 ℃。接著在25 ℃下測試破膠液的表面張力，并測試其殘渣含量，結果見表2。

由表2可知，以煤油為介質的破膠效果優于水介質，在短時間內可快速且徹底的破膠。但2種介質都能在10 min內實現快速徹底破膠，使其返排液黏度低于1 mPa·s(100 ℃)，破膠液表面張力較低，且破膠液無殘渣，達到了較好的破膠效果。因此，正常生產時，產出液中含水、含油即可使復合壓裂液快速自動破膠，黏度快速下降，殘液可與產出液一同產出，對儲層和裂縫傷害較小。

表2 不同介質破膠情況Table 2 Different media breaking conditions

2.3.5 巖心傷害實驗 利用巖心驅替裝置考察了瓜膠壓裂液和復合清潔壓裂液對巖心的傷害情況，結果見表3。

表3 巖心傷害實驗結果Table 3 Core damage test results

由表3可知，與瓜膠壓裂液相比，復合清潔壓裂液對低滲巖心傷害程度很小，巖心傷害率小于10%。因此，研制的復合清潔壓裂液可應用于低滲透儲層。

3 結論

(1)室內研究表明，有機醇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，同時二者可協同增加溶液的耐溫性，構筑出復合耐溫清潔壓裂液體系：4%DS18-3-18+3%有機醇NA+0.02%CNF。

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

(3)復合清潔壓裂液可耐100 ℃，黏彈性高，攜砂能力強，破膠效果好，對巖心傷害小，可有效降低儲層傷害。