减阻剂对表面活性剂性能的影响研究

丁飞，柳志齐

(长江大学化学与环境工程学院，湖北 荆州 434023)

余维初

吴军

(长江大学非常规油气湖北省协同创新中心，湖北 武汉 430100)

张颖

(长江大学化学与环境工程学院，湖北 荆州 434023)

银伟

(中原石油工程井下特种作业公司，河南 濮阳 457001)



减阻剂对表面活性剂性能的影响研究

丁飞，柳志齐

(长江大学化学与环境工程学院，湖北 荆州 434023)

余维初

吴军

(长江大学非常规油气湖北省协同创新中心，湖北 武汉 430100)

张颖

(长江大学化学与环境工程学院，湖北 荆州 434023)

银伟

(中原石油工程井下特种作业公司，河南 濮阳 457001)

滑溜水压裂施工过程中的用液量大，为减少压裂液滞留而引起的储层伤害，需加入促返排的表面活性剂。研究了油基乳液类、粉末类以及JHFR纳米复合减阻剂对TMAC(四甲基氯化铵)、BTAC(丁基三甲基氯化铵)、OTAC(辛基三甲基氯化铵)和DTAC(十二烷基三甲基氯化铵)4种表面活性剂的影响，结果表明JHFR纳米复合减阻剂对多数表面活性剂具有增效作用，如二者协同使用，则可增强表面活性剂的促返排效果。该研究成果可为滑溜水中化学剂的选择提供参考依据，并为研究滑溜水中化学剂之间的相互作用提供借鉴。

滑溜水压裂；促返排；减阻剂；表面活性剂；增效作用

页岩气的勘探开发不仅是我国能源战略的重点，也是全世界的热点。与常规储层相比，页岩气储层具有低孔、低渗的特点，单井一般无自然工业产量[1～3]。因此需要采取一定的增产改造措施，才能实现非常规油气的高效开发，其中的关键技术是水平井分段压裂和滑溜水压裂液2项技术。滑溜水压裂液由99.5%左右的水与一定比例的减阻剂、表面活性剂和黏土稳定剂等化学添加剂组成。

虽然滑溜水在降低施工摩阻方面己经能够满足页岩气压裂现场的要求，但由于其自身黏度较低，其携砂能力低，限制了施工砂比。为了增加施工加砂量，就需要增加滑溜水的用液量。大液量的滑溜水压裂液会附带产生储层伤害等问题[4～6]，如滑溜水无法及时返排，就会在储层内滞留，从而对储层造成永久性伤害，导致单井产量降低，甚至丧失产能，这严重限制了我国页岩气产业的发展[6～11]。有学者在前期研究中发现，滑溜水压裂液中的减阻剂会影响表面活性剂的性能，因此研究减阻剂与表面活性剂之间的相互作用显得尤为重要[12]。笔者通过试验研究了3种减阻剂对4种表面活性剂的性能的影响，从而为滑溜水中化学添加剂的选择提供依据，并为研究滑溜水中化学添加剂之间的相互作用提供借鉴。

1 试验设备与试剂

1.1 试验设备

JHJZ减阻仪、全自动表面张力仪(QBZY系列)、恒温水浴锅(0.1℃)、搅拌器、电子天平。

1.2 试验试剂

季铵盐类表面活性剂：TMAC(四甲基氯化铵)、BTAC(丁基三甲基氯化铵)、OTAC(辛基三甲基氯化铵)和DTAC(十二烷基三甲基氯化铵)。

减阻剂：1#(油基乳液类减阻剂)、2#(粉末类减阻剂)和3#(JHFR纳米复合减阻剂，一种绿色清洁类减阻剂)。

2 试验方法

1)在20、40、60和80℃条件下，利用全自动表面张力仪测定TMAC、BTAC、OTAC和DTAC的表面张力。

2)在20、40、60和80℃条件下，利用全自动表面张力仪测定在TMAC、BTAC、OTAC和DTAC中分别加入0.1%的3种减阻剂(1#、2#和3#)后其混合溶液的表面张力。

选用挂片法测定溶液的表面张力，主要测试步骤如下：首先预热和校正仪器，使挂片的初值为零；将待测样品倒入表面皿中，启动仪器进行自动测试，待表盘读数稳定后读取测试值即可，该值即为样品的表面张力值。具体测试步骤参见标准SY/T 5370-1999[13]。

3 试验结果及分析

在滑溜水压裂液中加入表面活性剂，可以增强滑溜水的返排能力，降低滑溜水对储层的伤害[14，15]。滑溜水的表面张力越低，越有利于其在页岩气储层中的返排。

通过测定4种季铵盐类表面活性剂的表面张力，然后与加入不同减阻剂后各自的表面张力进行对比分析。试验中采用的季铵盐类表面活性剂的主要区别是取代基不同。测试温度为分别为20、40、60和80℃，各减阻剂加量为0.1%，表面活性剂加量为0.1%。

3.1 不同类型减阻剂的减阻性能试验

减阻剂是滑溜水中的最关键的添加剂，其主要性能就是减阻。试验中选取国内现场常用的具有代表性的3种减阻剂进行试验，分别为1#(油基乳液类减阻剂)、2#(粉末类减阻剂)和3#(JHFR纳米复合减阻剂)。在评价减阻剂对表面活性剂的影响之前，首先对3种减阻剂进行减阻性能的测试。以减阻率表征减阻剂的减阻效果，利用JHJZ减阻仪进行测试，配制溶液用水为清水(对水质无特殊要求)。减阻率计算如式(1)：

(1)

图1 3种减阻剂的减阻率

式中，DR为减阻率，%；ΔP为同一流速下添加减阻剂后的摩阻压降，kPa；ΔP0为同一流速下未添加减阻剂的摩阻压降，kPa。

测试结果如图1所示。由图1可以看出，3种减阻剂的减阻率均≥70%(根据标准NB/T 14003-1-2015页岩气储层改造第2部分：滑溜水性能指标及评价方法，减阻率指标≥70%)，差距较小，都具有良好的减阻效果，都能够满足现场压裂施工中降低摩阻的需求[16]。因此笔者对选用的3种减阻剂进行研究均具有代表性。

3.2 不同类型减阻剂对季铵盐类表面活性剂的影响

试验中，配制溶液用水为自来水，减阻剂和表面活性剂的加量均为0.1%，分别测试了表面活性剂单剂的表面张力值与减阻剂和表面活性剂的混合溶液的表面张力值，测试温度分别为20、40、60、80℃，试验结果如图2～图5所示。

图2 TMAC在3种减阻剂溶液中的表面张力 图3 BTAC在3种减阻剂溶液中的表面张力

图4 OTAC在3种减阻剂溶液中的表面张力 图5 DTAC在3种减阻剂溶液中的表面张力

图6 JHFR纳米复合减阻剂的分子示意图

由图2～5可以看出，与初始值(即图中的空白值)相比，4种表面活性剂在1#溶液中的表面张力都上升了，说明1#抑制了该4种表面活性剂的性能； TMAC、BTAC和OTAC在2#和3#溶液中的表面张力都下降了，其中在3#溶液中的下降幅度更大，说明3#比2#对TMAC、BTAC和OTAC的增效作用强； 3种减阻剂都对DTAC具有抑制作用，2#最强，3#次之，1#最弱。

3.3 试验分析

1#减阻剂由于其难溶于水，因此对4种表面活性剂都有抑制作用，且无法与4种表面活性剂形成均一的溶液，故而降低了4种表面活性剂的表面活性；2#减阻剂虽然难溶于水，但可与TMAC、BTAC和OTAC这3种表面活性剂形成均一的溶液，加上自身的表面活性，就与这3种表面活性剂产生了协同、增效作用；3#减阻剂由于其自身具有表面活性，易溶于水，可与TMAC、BTAC和OTAC这3种表面活性剂形成均一的溶液，且在合成时加入了特殊成分，具有分散剂的效果，产生增效作用(见图6)。同样，2#和3#减阻剂由于无法与DTAC形成均一的溶液，所以对DTAC具有抑制作用。

4 结语

JHFR纳米复合减阻剂在高效减阻的同时，对多种表面活性剂具有增效作用，应用前景广阔，可推广应用于滑溜水的配制。研究仅针对了减阻剂对季铵盐类表面活性剂的影响，还未进行反向研究，关于二者之间的相互作用，乃至滑溜水中化学剂之间的相互作用，还有待进一步研究，这也是拓荒性的研究工作，可以推动滑溜水压裂液的发展，有助于页岩气开发过程中的节本增效。

[1]蒋裕强，董大忠，漆麟，等.页岩气储层的基本特征及其评价[J].天然气工业，2010，30(10)：7～12.

[2] 聂海宽，张金川.页岩气储层类型和特征研究[J].石油试验地质，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] 卢占国，李强，李建兵，等.页岩储层伤害机理研究进展[J].断块油气田，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] 刘有权，陈鹏飞，吴文刚，等.加砂压裂用滑溜水返排液重复利用技术[J].石油与天然气化工，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] 兰昌文，刘通义，唐文越，等.一种压裂用水溶性减阻剂的研究[J].石油化工应用，2016，35(2)：119～122.

[9] 乔振亮，熊党生.减阻表面活性剂的研究进展[J].精细化工，2007，24(1)：39～43.

[10] 张春辉.低渗透油田压裂液返排规律研究[D].大庆：大庆石油学院，2008.

[11] 王尤富，周克厚，汪伟英，等.入井液表面张力与储层损害关系的实验室研究[J].江汉石油学院学报，1999，21(2)：35～37.

[12] 廖锐全，徐永高，胡雪滨.水锁效应对低渗透储层的损害及抑制和解除方法[J].天然气工业，2002，22(6)：87～89.

[13] SY/T 5370，表面及界面张力测定方法[S].

[14] 高树生，胡志明，郭为，等.页岩储层吸水特征与返排能力[J].开发工程，2013，33(12)：71～76.

[15] 邵立民，靳宝军，李爱山，等.非常规油气藏滑溜水压裂液的研究与应用[J].吐哈油气，2012，17(4)：383～387.

[16] NB/T 14003-1-2015，滑溜水性能指标及评价方法[S].

[编辑] 辛长静

2016-05-13

国家自然科学基金项目(51274048)。

丁飞(1990-)，男，硕士生，现主要从事油气井工程应用化学方面的研究工作。

余维初(1965-)，男，博士，教授，博士生导师，现主要从事油田应用化学方面的教学与研究工作；E-mail:yuweichu@126.com。

TQ423

A

1673-1409(2016)25-0042-04

[引著格式]丁飞，柳志齐，余维初，等.减阻剂对表面活性剂性能的影响研究[J].长江大学学报(自科版)，2016,13(25)：42～45.