LB-Y2型壓裂液用防膨劑的合成與性能研究

劉海勇 LIU Hai-yong

（中海油服油田生產事業部，天津 300452）

（COSL Oilfield Production Department，Tianjin 300452，China）

0 引言

水力壓裂時，壓裂液會使各個表層面的性質發生質的改變。因此，在進行該過程的時候，水相與粘土礦物的接觸，就會引起粘土礦物的水化膨脹和發散，甚至降低儲集層的滲透效果，嚴重的還會將孔道堵住，這樣對壓裂處理的效果產生極大的影響。

因此，在進行作業的時候，壓裂液滲透到地層就會改變水敏性巖石表面的物性；其液相部分會與粘土礦物發生接觸，也會引起粘土礦物發生水化膨脹、分散運移，堵塞儲集層中的孔隙，降低油層滲透率產生的傷害，同時還會給后期的壓裂效果造成極大的影響。為了解決該問題，就需要在壓裂液體系中加入粘土穩定劑，它可以吸附在粘土表面上的水化膨脹和分散運動，因此粘土穩定劑是該壓裂液體系的重要組成部分。

1 粘土穩定劑的理論研究

粘土穩定劑可以抑制粘土礦物的水化膨脹和分散運移的原理是它可以吸附在粘土表面從而降低粘土表面的負電性。粘土穩定劑可以利用兩種途徑來實現這個目的，其一就是通過中和粘土表面負電性，抑制其膨脹；其次就是改變粘土礦物表面的潤濕性，抑制地層水或其它進入粘土層間結構。每一種粘土穩定劑與粘土的作用機理各不相同，使用時需要按照實際情況選用。常用的粘土穩定劑有以下幾類：

1.1 無機鹽 無機鹽類粘土穩定劑是目前最主要的粘土穩定劑類型，它具有作用明顯、成本低以及貨源廣等特點。無機鹽在水中解離，產生的陽離子可以在更近的距離將粘土表層的負電全部中和，以此減小粘土片結構間產生的靜電相斥的反映，使粘土膨脹受到一定的抑制。此類粘土穩定劑雖然有很多優點，但是卻具有較短的作用周期和不耐水沖刷的弊端，在實際施工時用量較大。

1.2 表面活性劑 表面活性劑類具有很好的防膨效果。它可分為非離子表面活性劑類和陽離子表面活性劑類，其中后者帶有的正電荷與粘土晶層間的陽離子發生交換吸附，形成一層寖油有機層，從而有效阻止水分子進入，達到抑制粘土礦物水化膨脹的效果。但是它們同時會導致儲層巖石的表面發生潤濕反轉，而且會降低油相滲透率，減少產量。

1.3 陽離子型共聚物 陽離子型聚和物在壓裂液中較為廣泛使用，主要包括聚胺和聚季胺類聚合物。陽離子型共聚物的分子鏈上帶有大量的正電荷，足以中和粘土礦物表面所帶的負電性，并且可以同時吸附在多個粘土片狀結構上，而且吸附力極強，使得機構變得十分牢固；由于它們都是多點吸附，因此幾乎不可能被低價陽離子取代并脫附下來。所以它們具有長效性，也不存在潤濕反轉問題。但是，由于陽離子聚合物分子鏈較長，對于滲透效果不好的地層，可能會造成孔隙喉道堵塞。因此，要慎重使用該類型的粘土穩定劑。

2 粘土穩定劑的合成與評價

2.1 粘土穩定劑的合成 將二甲基二烯丙基氯化銨（DMDAAC）和丙烯酰胺（AM）按一定的摩爾比加入到裝有溫度計、攪拌器的三口燒瓶中，并添加一定量的蒸餾水。攪拌至充分溶解后，加入一定量過硫酸鉀來引發聚合反應；通氮去氧30min后，將其置于60℃的恒溫水浴中，反應3～4h。制得略有腥味的淡黃色粘稠液體。DMDAAC和AM聚合反應時可生成具有五元環或六元環結構的陽離子型共聚LB-Y2，反應式如下：

2.2 防膨性能研究 分別配成濃度為0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%的粘土穩定劑LB-Y2，通過ZNP-1膨脹量測定儀測定人造巖心在不同濃度的粘土穩定劑LB-Y2中24h后防膨率和膨脹率的變化情況，考察濃度對其防膨性能的影響。見圖1。

圖1 LB-Y2型濃度對防膨性能的影響

由圖1可見，隨著粘土穩定劑LB-Y2的濃度逐漸增加，人造巖心的膨脹率也明顯降低被抑制，但是防膨脹率卻顯著提高。當濃度大于1.5%時，膨脹率變化趨勢呈現緩慢減小的狀態；當濃度為2.0%－3.0%時，防膨效果可以達到最佳。綜合實際情況考慮，1.0%濃度的粘土穩定劑LB-Y2已經可以滿足現場需要，人造巖心膨脹率僅為15.3%，防膨率高達73.9%。

通過上述實驗方法，分別測得陽離子共聚物PTE、氯化鉀在不同濃度下的防膨率。以2.0%KCl溶液作為陽離子共聚物防膨性能的參照標準。向ZNP-1頁巖膨脹量測定儀中分別加入200ml蒸餾水、2.0%KCl溶液、1.0%粘土穩定劑PTE、1.0%粘土穩定劑LB-Y2，然后分別測定24h后人造巖心在這些粘土穩定劑中的膨脹高度變化情況。見圖2。

圖2 人造巖心24h膨脹高度變化曲線

由圖2可得，0～12h人造巖芯膨脹變化趨勢顯著，隨著時間推移和增加，膨脹變化趨勢趨于平緩；蒸餾水、2.0%KCl溶液、1.0%粘土穩定劑PTE、1.0%粘土穩定劑LB-Y2在24h膨脹高度分別為0.351mm、0.179mm、105mm、94mm。相比于氯化鉀溶液，粘土穩定劑LB-Y2能夠更為有效地抑制粘土礦物水化膨脹；而且防膨性能也優于同類的陽離子共聚物粘土穩定劑PTE，由此可見DMDAAC-AM共聚物是一種性能優良的粘土穩定劑。

2.3 耐溫、抗鹽性能研究 在油田開發的過程中，粘土穩定劑在高溫環境下的防膨效果依然穩定。配制200ml濃度為1.0%粘土穩定劑LB-Y2，置入不銹鋼罐內。使用XGRL-3滾子加熱爐，分別設置在 80℃、100℃、120℃下滾動24h。待降至30℃后，測定其24h后靜態膨脹變化情況。通過熱滾動實驗評價其抗溫性能。如表1所示。

表1 溫度對LB-Y2型防膨性能的影響

由表1可得，隨著溫度的不斷提升，人造巖心的膨脹率會有小幅度的升高。當溫度升高到120℃時，人造巖心的膨脹率為19.8%，僅比30℃時提高4.5%，表明粘土穩定劑LB-Y2型具有很好的耐熱性能，可以更好適用于高溫地層。

當面臨高礦化地層情況時，粘土穩定劑需要具有一定的抗鹽性，通過模擬地層礦化度條件來評價粘土穩定劑的抗鹽性能。配置3組200ml濃度為1.0%粘土穩定劑LB-Y2，分別加入一定量的 NaCl、CaCl2、MgCl2，測定 12h后人造巖心的膨脹量和靜態膨脹率。

表2 NaCl含量對LB-Y2防膨性能的影響

表3 CaCl2含量對LB-Y2防膨性能的影響

表4 MgCl2含量對LB-Y2防膨性能的影響

通過分析表1-4數據，我們得出的結論為：隨著溶液含鹽量的不斷增加，就會對防膨率產生一定的影響；由此可見粘土穩定劑LB-Y2型在高礦化度的水溶液中，依然能保持相當好的防膨性能。

2.4 巖心滲透率的影響 通過巖心流動實驗，模擬地層滲透率條件；選取兩塊不同滲透率的天然巖心，依次注入一定量的2.0%KCl溶液、1.0%LB-Y2型防膨劑、蒸餾水，測定LB-Y2防膨劑對不同滲透率巖心的傷害率。如表5所示。

表5 LB-Y2對天然巖心滲透率的影響

由表5不難看出，粘土穩定劑LB-Y2對于天然巖心的傷害率一般控制在20%以內，巖心滲透率的恢復值卻能夠高達80%，這樣能夠有效保護油氣的各個層面，是一種性能優良的粘土穩定劑。

3 總結

①壓裂液體系選用陽離子型共聚物作為粘土穩定劑，具有十分有效的防膨效果，其優點是作用周期長，用量少，耐酸、堿和鹽，耐水沖刷，效果好、無毒、傷害低等。

②合成的共聚物粘土穩定劑LB-Y2防膨性能明顯優于氯化鉀溶液和同類陽離子共聚物粘土穩定劑PTE；隨著LB-Y2型濃度的增加，防膨效果越好，1.0%濃度下膨脹率僅為11.3%，防膨率高達80%。

③120℃熱滾動12h防膨性能穩定，人造巖心的膨脹率19.8%，僅提高4.5%，耐熱性能良好。針對地層水高礦化情況，將粘土穩定劑LB-Y2置于不同含鹽量的NaCl、CaCl2、MgCl2溶液中，均顯示出了較好的抗鹽性能。

④對天然巖心滲透率影響不大，傷害率低于20%，巖心滲透率恢復值高達80%，能夠有效保護油氣儲層。

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