減阻劑對表面活性劑性能的影響研究

丁飛，柳志齊

(長江大學化學與環境工程學院，湖北 荊州 434023)

余維初

吳軍

(長江大學非常規油氣湖北省協同創新中心，湖北 武漢 430100)

張穎

(長江大學化學與環境工程學院，湖北 荊州 434023)

銀偉

(中原石油工程井下特種作業公司，河南 濮陽 457001)

?

減阻劑對表面活性劑性能的影響研究

丁飛，柳志齊

(長江大學化學與環境工程學院，湖北 荊州 434023)

余維初

吳軍

(長江大學非常規油氣湖北省協同創新中心，湖北 武漢 430100)

張穎

(長江大學化學與環境工程學院，湖北 荊州 434023)

銀偉

(中原石油工程井下特種作業公司，河南 濮陽 457001)

滑溜水壓裂施工過程中的用液量大，為減少壓裂液滯留而引起的儲層傷害，需加入促返排的表面活性劑。研究了油基乳液類、粉末類以及JHFR納米復合減阻劑對TMAC(四甲基氯化銨)、BTAC(丁基三甲基氯化銨)、OTAC(辛基三甲基氯化銨)和DTAC(十二烷基三甲基氯化銨)4種表面活性劑的影響，結果表明JHFR納米復合減阻劑對多數表面活性劑具有增效作用，如二者協同使用，則可增強表面活性劑的促返排效果。該研究成果可為滑溜水中化學劑的選擇提供參考依據，并為研究滑溜水中化學劑之間的相互作用提供借鑒。

滑溜水壓裂；促返排；減阻劑；表面活性劑；增效作用

頁巖氣的勘探開發不僅是我國能源戰略的重點，也是全世界的熱點。與常規儲層相比，頁巖氣儲層具有低孔、低滲的特點，單井一般無自然工業產量[1～3]。因此需要采取一定的增產改造措施，才能實現非常規油氣的高效開發，其中的關鍵技術是水平井分段壓裂和滑溜水壓裂液2項技術。滑溜水壓裂液由99.5%左右的水與一定比例的減阻劑、表面活性劑和黏土穩定劑等化學添加劑組成。

雖然滑溜水在降低施工摩阻方面己經能夠滿足頁巖氣壓裂現場的要求，但由于其自身黏度較低，其攜砂能力低，限制了施工砂比。為了增加施工加砂量，就需要增加滑溜水的用液量。大液量的滑溜水壓裂液會附帶產生儲層傷害等問題[4～6]，如滑溜水無法及時返排，就會在儲層內滯留，從而對儲層造成永久性傷害，導致單井產量降低，甚至喪失產能，這嚴重限制了我國頁巖氣產業的發展[6～11]。有學者在前期研究中發現，滑溜水壓裂液中的減阻劑會影響表面活性劑的性能，因此研究減阻劑與表面活性劑之間的相互作用顯得尤為重要[12]。筆者通過試驗研究了3種減阻劑對4種表面活性劑的性能的影響，從而為滑溜水中化學添加劑的選擇提供依據，并為研究滑溜水中化學添加劑之間的相互作用提供借鑒。

1 試驗設備與試劑

1.1 試驗設備

JHJZ減阻儀、全自動表面張力儀(QBZY系列)、恒溫水浴鍋(0.1℃)、攪拌器、電子天平。

1.2 試驗試劑

季銨鹽類表面活性劑：TMAC(四甲基氯化銨)、BTAC(丁基三甲基氯化銨)、OTAC(辛基三甲基氯化銨)和DTAC(十二烷基三甲基氯化銨)。

減阻劑：1#(油基乳液類減阻劑)、2#(粉末類減阻劑)和3#(JHFR納米復合減阻劑，一種綠色清潔類減阻劑)。

2 試驗方法

1)在20、40、60和80℃條件下，利用全自動表面張力儀測定TMAC、BTAC、OTAC和DTAC的表面張力。

2)在20、40、60和80℃條件下，利用全自動表面張力儀測定在TMAC、BTAC、OTAC和DTAC中分別加入0.1%的3種減阻劑(1#、2#和3#)后其混合溶液的表面張力。

選用掛片法測定溶液的表面張力，主要測試步驟如下：首先預熱和校正儀器，使掛片的初值為零；將待測樣品倒入表面皿中，啟動儀器進行自動測試，待表盤讀數穩定后讀取測試值即可，該值即為樣品的表面張力值。具體測試步驟參見標準SY/T 5370-1999[13]。

3 試驗結果及分析

在滑溜水壓裂液中加入表面活性劑，可以增強滑溜水的返排能力，降低滑溜水對儲層的傷害[14，15]。滑溜水的表面張力越低，越有利于其在頁巖氣儲層中的返排。

通過測定4種季銨鹽類表面活性劑的表面張力，然后與加入不同減阻劑后各自的表面張力進行對比分析。試驗中采用的季銨鹽類表面活性劑的主要區別是取代基不同。測試溫度為分別為20、40、60和80℃，各減阻劑加量為0.1%，表面活性劑加量為0.1%。

3.1 不同類型減阻劑的減阻性能試驗

減阻劑是滑溜水中的最關鍵的添加劑，其主要性能就是減阻。試驗中選取國內現場常用的具有代表性的3種減阻劑進行試驗，分別為1#(油基乳液類減阻劑)、2#(粉末類減阻劑)和3#(JHFR納米復合減阻劑)。在評價減阻劑對表面活性劑的影響之前，首先對3種減阻劑進行減阻性能的測試。以減阻率表征減阻劑的減阻效果，利用JHJZ減阻儀進行測試，配制溶液用水為清水(對水質無特殊要求)。減阻率計算如式(1)：

(1)

圖1 3種減阻劑的減阻率

式中，DR為減阻率，%；ΔP為同一流速下添加減阻劑后的摩阻壓降，kPa；ΔP0為同一流速下未添加減阻劑的摩阻壓降，kPa。

測試結果如圖1所示。由圖1可以看出，3種減阻劑的減阻率均≥70%(根據標準NB/T 14003-1-2015頁巖氣儲層改造第2部分：滑溜水性能指標及評價方法，減阻率指標≥70%)，差距較小，都具有良好的減阻效果，都能夠滿足現場壓裂施工中降低摩阻的需求[16]。因此筆者對選用的3種減阻劑進行研究均具有代表性。

3.2 不同類型減阻劑對季銨鹽類表面活性劑的影響

試驗中，配制溶液用水為自來水，減阻劑和表面活性劑的加量均為0.1%，分別測試了表面活性劑單劑的表面張力值與減阻劑和表面活性劑的混合溶液的表面張力值，測試溫度分別為20、40、60、80℃，試驗結果如圖2～圖5所示。

圖2 TMAC在3種減阻劑溶液中的表面張力 圖3 BTAC在3種減阻劑溶液中的表面張力

圖4 OTAC在3種減阻劑溶液中的表面張力 圖5 DTAC在3種減阻劑溶液中的表面張力

圖6 JHFR納米復合減阻劑的分子示意圖

由圖2～5可以看出，與初始值(即圖中的空白值)相比，4種表面活性劑在1#溶液中的表面張力都上升了，說明1#抑制了該4種表面活性劑的性能； TMAC、BTAC和OTAC在2#和3#溶液中的表面張力都下降了，其中在3#溶液中的下降幅度更大，說明3#比2#對TMAC、BTAC和OTAC的增效作用強； 3種減阻劑都對DTAC具有抑制作用，2#最強，3#次之，1#最弱。

3.3 試驗分析

1#減阻劑由于其難溶于水，因此對4種表面活性劑都有抑制作用，且無法與4種表面活性劑形成均一的溶液，故而降低了4種表面活性劑的表面活性；2#減阻劑雖然難溶于水，但可與TMAC、BTAC和OTAC這3種表面活性劑形成均一的溶液，加上自身的表面活性，就與這3種表面活性劑產生了協同、增效作用；3#減阻劑由于其自身具有表面活性，易溶于水，可與TMAC、BTAC和OTAC這3種表面活性劑形成均一的溶液，且在合成時加入了特殊成分，具有分散劑的效果，產生增效作用(見圖6)。同樣，2#和3#減阻劑由于無法與DTAC形成均一的溶液，所以對DTAC具有抑制作用。

4 結語

JHFR納米復合減阻劑在高效減阻的同時，對多種表面活性劑具有增效作用，應用前景廣闊，可推廣應用于滑溜水的配制。研究僅針對了減阻劑對季銨鹽類表面活性劑的影響，還未進行反向研究，關于二者之間的相互作用，乃至滑溜水中化學劑之間的相互作用，還有待進一步研究，這也是拓荒性的研究工作，可以推動滑溜水壓裂液的發展，有助于頁巖氣開發過程中的節本增效。

[1]蔣裕強，董大忠，漆麟，等.頁巖氣儲層的基本特征及其評價[J].天然氣工業，2010，30(10)：7～12.

[2] 聶海寬，張金川.頁巖氣儲層類型和特征研究[J].石油試驗地質，2011，33(3)：221～225.

[3] King G E .Thirty years of gas shale fracturing: what have we learned[A]. SPE Annual Technical Conference and Exhibition[C].Florence，Italy，2010.

[4] 盧占國，李強，李建兵，等.頁巖儲層傷害機理研究進展[J].斷塊油氣田，2012，19(5)：629～633.

[5] Bazin B，Bekri S，Vizika O，et al. Fracturing in tight gas reservoirs: Application of special-core-analysis methods to investigate formation damage mechanisms[R]. SPE 112460，2008.

[6] 劉有權，陳鵬飛，吳文剛，等.加砂壓裂用滑溜水返排液重復利用技術[J].石油與天然氣化工，2013，42(5)：492～495.

[7] Kaufman P， Penney G S. Critical evaluations of additives used in shale slickwater fracs[C]. SPE Shale Gas Production conference， Fort Worth， Texas， USA， 2008.

[8] 蘭昌文，劉通義，唐文越，等.一種壓裂用水溶性減阻劑的研究[J].石油化工應用，2016，35(2)：119～122.

[9] 喬振亮，熊黨生.減阻表面活性劑的研究進展[J].精細化工，2007，24(1)：39～43.

[10] 張春輝.低滲透油田壓裂液返排規律研究[D].大慶：大慶石油學院，2008.

[11] 王尤富，周克厚，汪偉英，等.入井液表面張力與儲層損害關系的實驗室研究[J].江漢石油學院學報，1999，21(2)：35～37.

[12] 廖銳全，徐永高，胡雪濱.水鎖效應對低滲透儲層的損害及抑制和解除方法[J].天然氣工業，2002，22(6)：87～89.

[13] SY/T 5370，表面及界面張力測定方法[S].

[14] 高樹生，胡志明，郭為，等.頁巖儲層吸水特征與返排能力[J].開發工程，2013，33(12)：71～76.

[15] 邵立民，靳寶軍，李愛山，等.非常規油氣藏滑溜水壓裂液的研究與應用[J].吐哈油氣，2012，17(4)：383～387.

[16] NB/T 14003-1-2015，滑溜水性能指標及評價方法[S].

[編輯] 辛長靜

2016-05-13

國家自然科學基金項目(51274048)。

丁飛(1990-)，男，碩士生，現主要從事油氣井工程應用化學方面的研究工作。

余維初(1965-)，男，博士，教授，博士生導師，現主要從事油田應用化學方面的教學與研究工作；E-mail:yuweichu@126.com。

TQ423

A

1673-1409(2016)25-0042-04

[引著格式]丁飛，柳志齊，余維初，等.減阻劑對表面活性劑性能的影響研究[J].長江大學學報(自科版)，2016,13(25)：42～45.