頁巖氣儲層低阻高抑制性攜砂液添加劑的優選

呂秋香，趙士鶴，林　瀟，楊傳坤，周　俊，曹　函

（1.中南大學有色金屬成礦預測教育部重點實驗室，湖南長沙410083；2.中南大學地球科學與信息物理學院，湖南長沙410083）

頁巖氣儲層低阻高抑制性攜砂液添加劑的優選

呂秋香*1，2，趙士鶴1，2，林瀟1,2，楊傳坤1,2，周俊1,2，曹函1，2

（1.中南大學有色金屬成礦預測教育部重點實驗室，湖南長沙410083；2.中南大學地球科學與信息物理學院，湖南長沙410083）

根據目前頁巖儲層水力壓裂改造需要，開展了低阻、高抑制性攜砂液室內試驗研究。通過大量的室內試驗，對攜砂液體系中的主要添加劑進行了篩選，并確定了攜砂液各添加劑的最佳濃度：通過對2種低阻攜砂劑的粘度和表面張力進行測試，優選出最佳低阻攜砂劑CMC，且其最佳低阻攜砂濃度為0.08%；通過對3種表面活性劑的表面張力及其對攜砂液粘度的影響進行評價，確定了最優表面活性劑CTAB及其攜砂濃度0.04%；通過對3種抑制劑的抑制性能進行評價，優選出了最佳抑制劑KCl及其最佳濃度0.1%。最后確定了適用于頁巖氣儲層的低阻、高抑制性攜砂液配方。

頁巖氣儲層；攜砂液；攜砂液添加劑；抑制劑；膨脹量

頁巖氣儲層具有低孔、低滲的特點，勘探開發難度較大，大多數頁巖氣井需要壓裂改造才能獲得比較理想的產量，而頁巖氣藏攜砂液是頁巖氣藏實施壓裂增產的關鍵，是頁巖氣高效增產的核心技術。由于頁巖儲層的特殊性和壓裂改造的新要求，國內外頁巖儲層壓裂用的攜砂液主要分為3種類型[1]：植物膠交聯攜砂液體系、線性膠攜砂液體系、滑溜水攜砂液體系，這些攜砂液體系在某種程度上提高了儲層的產量，但大量的現場試驗和應用也充分暴露了現有各種攜砂液的缺點。植物膠交聯攜砂液體系攜砂能力強，液體濾失小，容易造縫；但成本高，施工摩阻較高。線性膠攜砂液體系攜砂能力較強，液體濾失較小，摩阻較低，同時也存在成本較高、殘渣較高等不足[2]。滑溜水攜砂液體系配制簡便，成本低，無殘渣，返排快；但濾失大，攜砂能力差。因此，針對目前頁巖儲層攜砂液所存在的某些問題，本課題開展了低阻、高抑制性攜砂液的研究，以期能達到減小施工摩阻，減小濾失，提高頁巖氣儲層抑制性的目的。

1　試驗

1.1試驗試劑與儀器

試劑：高分子聚丙烯酰胺（PAM-3），羧甲基纖維素鈉（CMC），羥乙基纖維素（HEC），十二烷基硫酸鈉（SDS），十二烷基苯磺酸鈉（SDBS），十六烷基三甲基溴化銨（CTAB），四甲基氯化銨，氯化銨，氯化鉀。儀器：ZNN-D6六速旋轉粘度計，CPZ-Ⅱ雙通道泥頁巖膨脹儀，QBZY系列全自動表面張力儀，數顯式高速攪拌機。

1.2試驗方法

試驗主要以水基攜砂液為研究對象，設計多組不同成分和比例的攜砂液配方（0.08%PAM-3作為減阻劑），通過室內流變性、抑制性能對比試驗，逐步篩選出合適的添加劑成分和比重，最終確定可行的攜砂液配方。

2　試驗結果與討論

2.1低阻攜砂劑優選

攜砂液中的低阻攜砂劑用以提高攜砂液的粘度，降低攜砂液濾失，懸浮、攜帶和輸送支撐劑。一般的低阻攜砂劑為水溶性高分子聚合物[3]，常用提粘劑有植物膠及其衍生物、纖維素衍生物、生物聚多糖等。本文選用纖維素衍生物作為低阻攜砂劑，因其具有水不溶物含量低的優點，且用作提粘劑的纖維素衍生物主要是纖維素醚[4]，它一般以膠體形式溶解于水中，溶液的粘度會隨濃度的增加而迅速增加。

纖維素醚的品種又包括羧甲基纖維素鈉、改性羧甲基纖維素、羥乙基纖維素等。本次試驗選用的纖維素醚為比較常見的羧甲基纖維素鈉（CMC）和羥乙基纖維素（HEC）。測試了該2種提粘劑的低阻攜砂效果，即在0.08%PAM-3溶液中，分別添加0.01%、0.03%、0.05%、0.08%、0.1%的提粘劑，測試攜砂液的粘度，結果如圖1所示。

圖1　攜砂液表觀粘度和低阻攜砂劑用量關系曲線

圖2　攜砂液塑性粘度和低阻攜砂劑用量關系曲線

從圖1中可以看出，CMC和HEC均具有較好的提粘效果，且隨著兩種試劑的濃度的增加，粘度基本呈上升趨勢，兩種試劑按提粘性能分：CMC高于HEC。從圖1、圖2可以看出，隨著HEC用量的增加，表觀粘度逐漸增大且增幅較穩定，當HEC的添加量在0.01%～0.08%時，塑性粘度迅速增大；當HEC用量超過0.08%以后，塑性粘度趨于穩定；當CMC濃度在0.01%～0.08%時，攜砂液的表觀粘度和塑性粘度都呈遞增趨勢；當CMC的濃度在0.08%～0.1%的時候，隨著CMC加量的增加，塑性粘度降低，可提高攜砂液的攜砂能力。因此，綜合考慮，初步選用CMC作為攜砂液的低阻攜砂劑，且CMC濃度應控制在0.08%～0.1%。

為了進一步確定CMC的濃度，對幾組配方進行了粘度和表面張力測試，基本配方為0.08%PAM+0.04%十六烷基三甲基溴化銨+0.06%氯化鉀，分別添加0.08%～0.1%CMC，測試結果如表1所示。從表1可以看出，隨著CMC濃度增大，攜砂液的表觀粘度和塑性粘度均增大，結構粘度降低，0.08%CMC具有相對較高的結構粘度，較低的塑性粘度，因此具有較好的低阻攜砂性能。而3種配方的表面張力相差不大。因此，綜合考慮，0.08%CMC具有最優的攜砂性能。

表1　攜砂液低阻攜砂性能

2.2表面活性劑優選

（1）表面活性劑對粘度的影響。表面活性劑的加入會對攜砂液的粘度產生一定的影響，因此，為了研究低阻性攜砂液，在選擇表面活性劑時，要考慮其對粘度的影響。

測試了3種表面活性劑對粘度的影響，測試基方為0.08%PAM-3+0.08%CMC，分別向基方中添加0.02%、0.04%、0.06%、0.08%和0.1%的3種表面活性劑，采用六速旋轉粘度計測試其粘度，結果如圖3～圖4所示。

圖3　表面活性劑對攜砂液表觀粘度影響

由圖3、圖4可知，3種表面活性劑中，SDS和SDBS的降表觀粘度和塑性粘度的效果相當，CTAB則表現出明顯的降粘效果。隨著SDS和SDBS濃度的增加，攜砂液的表觀粘度和塑性粘度呈增大趨勢。當CTAB濃度為0.02%～0.04%時，攜砂液的表觀粘度升高，隨著CTAB的濃度的持續增加，其表觀粘度降低，并趨于平穩；當CTAB濃度在0.02%～0.08%時，攜砂液的塑性粘度隨著CTAB濃度的增加逐漸下降，當CTAB濃度在0.08%～0.1%時，塑性粘度升高。

圖4　表面活性劑對攜砂液塑性粘度影響

（2）表面活性劑對表面張力的影響。在攜砂液中加入合適的表面活性劑，可以降低攜砂液的表面張力，提高返排能力[5]。對于致密頁巖氣藏，攜砂液的滯留會對儲層造成嚴重的水相圈閉損害，使得表面活性劑的作用更為重要[6]。在基液（0.08%PAM-3+0.08%CMC）中加入濃度為0.04%的不同表面活性劑，測定其表面張力，試驗數據見表2。

表2　表面活性劑溶液的表面張力

從表2可以看出，表面活性劑CTAB表面張力最低,后期漿液返排性能較好。

因此，通過對3種表面活性劑的性能及其對粘度的影響評價可知，CTAB不僅具有最高降低表面張力的性能，且當其濃度為0.04%時，塑性粘度相對其他2種較低，而結構粘度達到最大值，表明在此濃度下，攜砂液的內部摩擦較小，而攜砂能力較強，因此，綜合考慮，選擇CTAB作為表面活性劑，且適宜濃度為0.04%。

2.3抑制劑優選

泥頁巖中粘土礦物的水化膨脹和分散運移會堵塞油氣層，降低油氣層的滲透率[7]，因此須在攜砂液中加入抑制劑，利用粘土表面化學離子交換的特點，改變粘土表面的結合離子，從而改變粘土的物化性質或破壞其離子交換能力，達到防止粘土膨脹運移損害油氣田的效果。

本文使用CPZ-Ⅱ雙通道頁巖膨脹儀對3種抑制劑氯化鉀、氯化銨和四甲基氯化銨對巖樣的抑制效果進行評價，試驗采用的基本配方為0.08%PAM-3+ 0.08%CMC+0.04%CTAB，分別向基液中添加0.04%抑制劑，使用頁巖膨脹儀測定巖樣的膨脹高度（mm），每30min記錄一個點，結果如圖5所示。

圖5　不同抑制劑性能

由圖5可知，巖樣遇水具有一定的膨脹性，3種抑制劑的抑制效果由高到低依次為：氯化鉀、四甲基氯化銨、氯化銨，因此，初步選用KCl為抑制劑。

為進一步確定抑制劑KCl的最佳用量，在配方0.08%PAM-3+0.08%CMC+0.04%CTAB基礎上分別添加不同濃度的KCl，并測量其膨脹高度，由圖6可知，當KCl的濃度為0.1%的時候，膨脹量最小，即KCl在這個濃度下，抑制效果最佳，因此，抑制劑KCl的最佳濃度為0.1%。

圖6　KCl不同添加量的膨脹性能

3　結論

（1）通過對2種低阻攜砂劑的減阻攜砂效果及表面張力性能的評價，確定攜砂液的低阻攜砂劑為CMC，且適宜添加量為0.08%；

（2）通過對3種表面活性劑表面張力及其對攜砂液粘度影響的研究，優選出最佳表面活性劑為CTAB，且最佳濃度為0.04%；

（3）通過對3種抑制劑作用下頁巖膨脹抑制性能的評價，優選出最佳抑制劑為KCl，且確定了最佳抑制劑濃度為0.1%；

（4）通過優化配方得出低阻高抑制性調整型攜砂液配方：0.08%PAM-3+0.08%CMC+0.04%CTAB+ 0.1%KCl，其能夠改善頁巖氣儲層中攜砂液輸送支撐劑的性能要求。

[1]盧擁軍，邱曉惠，王海燕,翟文,舒玉華.新型滑溜水壓裂液的研制與應用[J],流變學進展，2012.

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TE357.6

A

1004-5716（2015）07-0067-04

2014-07-18

2014-07-23

國家自然科學基金（NO.41302124）及中南大學大學生創新訓練計劃項目(NO.LC13032)。

呂秋香（1993-），女（漢族），湖南邵陽人，中南大學在讀本科生，研究方向：非常規能源勘探與開發。