清潔壓裂液黏度與其懸砂性關系影響因素研究

何靜

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

李天太，王滿學

（西安石油大學石油與天然氣工程學院，陜西 西安 710065）

房鑫

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

南蓓蓓

（陜西延長石油 （集團）有限責任公司研究院，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，是油氣井增產水井增注的主要措施之一。壓裂液質量影響其攜砂效率和壓裂施工效果［1－2］。一般認為，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系。因此，在優化壓裂配方時，應該將壓裂液的黏度特性與其懸砂性同時考慮，保證壓裂液在低黏度下，表現出優良的懸砂特性，這樣可以避免高黏度低砂比造成液體浪費。

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數等［3－9］。關于壓裂液黏度與其在靜態情況下的懸砂性研究，目前在國內未見報道。筆者以Stoke’s砂沉定律為依據，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系，找出壓裂液在低黏度下與最佳懸砂性之間關系，這種評價方法對優化壓裂液配方，降低液體成本具有一定的現實意義。

1 試驗部分

1.1 試驗試劑和儀器

稠化劑 （西安石油大學生產，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廠，分析純，≥95%）；氯化鈣 （上海試劑二廠，95%）；EDTA （西安化學試劑廠，95%）；碳酸鈉 （西安化學試劑廠，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%工業品）。

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

1.2 試驗方法

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系。利用SY／T5107－2005《水基壓裂液性能評價方法》對F－VES清潔壓裂液性能和沉砂進行評價。配制后壓裂液靜置6～12h以上，確保溶液內無氣泡再進行試驗。

2 試驗原理

壓裂液的懸砂性是壓裂施工重要的參數。在靜態條件下，通常依據Stoke’s砂沉規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有關外，還與壓裂液的黏度相關；壓裂液的黏度越大，沉砂速度越小，懸砂性能越強，但是壓裂液黏度過大，會增加施工時摩阻力，加大動力消耗。因此，在優化壓裂液配方時，確保壓裂液懸砂安全條件下，降低壓裂液黏度是一種經濟合理的方法。

3 結果與討論

3.1 稠化劑對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，試驗考察了稠化劑加量對壓裂液的黏度及其靜態沉砂速度之間關系，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，靜態懸砂性能增強；當稠化劑濃度增加到4%時，壓裂液靜態懸砂性最好為0.015cm／s；當稠化劑濃度增加到大于4%時，壓裂液黏度繼續增加，但是此刻壓裂液黏度對其懸砂性影響不大。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，優化壓裂液配方時，在考慮壓裂液黏度的同時，兼顧其與懸砂特定之間的關系對優化配方意義重大。

圖1 稠化劑濃度對壓裂液黏度與沉砂速度影響

3.2 表面活性劑對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，試驗考察了6501非離子型和K12陰離子表面活性劑對壓裂液黏度及其沉砂性的影響，如圖2和圖3所示。

圖2 6501濃度對壓裂液黏度與沉砂速度影響

圖3 K12濃度對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，靜態懸砂性隨之增強；當6501濃度大于0.8%時，壓裂液黏度隨著6501濃度的增加而繼續升高，懸砂性變化不大；對K12而言，隨著表面活性劑濃度的增加，壓裂液黏度隨著增大，其靜態懸砂性隨之增強，當K12加量為6.25%，此時壓裂液黏度下的懸砂性最好，隨著K12濃度的繼續增加，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應關系。

3.3 無機鹽對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化成棒狀膠束而使其水溶液增稠。由此可見，無機鹽對清潔壓裂液特性影響很大。試驗考察了KCl、NH4Cl和CaCl23種無機鹽對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，其中二價鹽較一價鹽對壓裂液黏度和懸砂性影響顯著。由此看見，無機鹽對壓裂液黏度和沉砂性影響很大，在配制清潔壓裂液時盡量減少二價鹽對壓裂液黏度的影響。

圖4 KCl濃度對壓裂液黏度與沉砂速度影響

圖5 NH4Cl濃度對壓裂液黏度與沉砂速度影響

圖6 CaCl2濃度對壓裂液黏度與沉砂影響

圖7 Na2CO3濃度對壓裂液黏度與沉砂影響

3.4 Na2CO3對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境。在室溫下，試驗考察了Na2CO3加量對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，其黏度呈現先增加然后呈現緩慢下降趨勢，其懸砂性也呈現先增強然后急劇減弱趨勢；當Na2CO3加量為0.75%時，壓裂液黏度最大為66mPa·s，沉砂性最好為0.017cm／s；當Na2CO3加量大于0.75%時，壓裂液黏度隨著Na2CO3增加而呈現下降趨勢。由此可見，溶液堿性對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 結論與認識

1）稠化劑、膠束穩定劑、6501、K12和Na2CO3對壓裂液的黏度有促進作用，無機鹽對壓裂液的黏度有負面作用，尤其是二價鹽對壓裂液黏度和懸砂性影響更大。

2）研究發現壓裂液的黏度與其懸砂性之間并不是一一對應關系。

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

［1］李愛芬，王士虎，王文玲 .地層砂粒在液體中的沉降規律研究 ［J］.油氣地質與采收率，2001，8（1）:70－73.

［2］李曙光，郭大立，趙金洲，等 .表面活性劑壓裂液機理與攜砂性能研究 ［J］.西南石油大學學報，2011，33（3）:133－137.

［3］盧擁軍，方波，房鼎業，等 .黏彈性表面活性劑膠束體系及其流變特性 ［J］.油田化學，2003，20（3）:291－294.

［4］Samuel M，Card R J，Nelson E B，et al.Polymer－freefluid for hydraulic fracturing ［J］.SPE38622，1997，12 （3）:456－459.

［5］盧擁軍，方波，房鼎業，等 .黏彈性膠束壓裂液的流變動力學研究 ［J］.華東理工大學學報 （自然科學版），2005，21（2）:137－139.

［6］Zana R，Benrraou M，Rueff R.Alkanediyl－a，w－bis （dimethylalkyl－ammonium bromide）surfactants:Effect of the spacer chain length on the critical micelleconcentration and micelle ionization degree ［J］.Longmuir，1991 （7）:1072－1075.

［7］郭麗梅，陳利紅，武首香，等 .黏彈性表面活性劑的流變性質 ［J］.鉆井液與完井液，2007，24（3）:49－52.

［8］林波，劉通義，趙眾從，等 .新型清潔壓裂液的流變性試驗研究 ［J］.鉆井液與完井液，2011，28（4）:64－66.

［9］Samuel M M，Card R J，Nelson E B，et al.Polymer－free fluid for fracturing applications ［J］.soc Petrol EngrsDrilling Completion，1999，14 （4）:240－245.