延长油田低渗油藏纤维素泡沫压裂液稳定剂性能研究*

金永辉，王 娟，蒋 杨

（1.延长油田股份有限公司 横山采油厂，陕西 榆林 719000；2.韩城市自然资源局，陕西 韩城 715400；3.西北大学 地质学系 大陆动力学国家重点实验室，陕西 西安 710000）

水力压裂是开发油气的关键技术，而压裂液在水力压裂中发挥着重要作用[1-3]。泡沫压裂是一种无水压裂技术。高黏度支撑剂可携带性高，低密度支撑剂有利于流体清洗[4-8]。此外，泡沫中的表面活性剂由于表面活性剂类型和含盐量与页岩相互作用，降低了水的保存率，提高了油气采收率。由于泡沫排液会影响气泡的粗化和聚结，因此，增加泡沫液的黏度和防止排液可以有效提高泡沫的稳定性[9]。此外，纳米颗粒在界面之间形成了空间屏障，在液膜上吸附纳米颗粒可以提高泡沫的稳定性[10,11]。在本文中，使用TEMPO（2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧基）氧化纤维素纳米纤维（NXW）作为泡沫稳定剂。NXW是一种来自木材的材料，可大规模生产，且可生物降解，不会对储层造成重大破坏。此外，纤维相互缠绕，使其具有良好的黏度特性，可以提高泡沫的稳定性。

由于NXW表面是带负电荷的，因此，有必要评价NXW与各种表面活性剂之间的相互作用。通过使用4种不同电学性质的表面活性剂（SDS：十二烷基硫酸钠，DTAC：十二烷基三甲基氯化铵，Tween 80：聚氧乙烯山梨醇单油酸酯和LB：十二烷基甜菜碱）来评估相互作用对泡沫稳定性的影响。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

TEMPO（2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧基）氧化纤维素纳米纤维（NXW三思科技材料有限公司）；羧甲基纤维素钠盐（NaCMC）、十二烷基硫酸钠（SDS）、十二烷基三甲基氯化铵（DTAC）、聚氧乙烯山梨醇单油酸酯（Tween 80）、十二烷基甜菜碱（LB），均为分析纯，上海阿拉丁有限公司；每种溶液的浓度分别为8.0mM（SDS）、22mM（DTAC）、1.5×10-2mM（Tween 80）和1.2mM（LB）。

SV-10A型音叉振动黏度计（A&D公司）。

1.2 温度对泡沫黏度的影响

使用音叉振动黏度计利用峰值振幅和频率分别约为0.4mm和30Hz，传感器板速度（剪切速度）从零到峰值周期性地变化。用黏度标准液测得的牛顿流体黏度（μ）与由传感器板驱动得到的等效剪切速率（γ）之间的关系，可以估算出被测黏度的等效剪切速率，其关系可近似表示为式（1）。

为估计温度对泡沫稳定性的影响，在70℃恒温浴中加热溶液24h，使用SV黏度计在室温下测量溶液的黏度和温度1.5h。

1.3 表面活性剂与NXW的相互作用

将100mL 0.15（wt）%NXW悬浮液加入到500mL烧杯中，加入表面活性剂，5000r·min-1搅拌2min。将生成的泡沫倒入500mL刻度的圆筒中，开口用玻璃膜密封。用半衰期来评价泡沫的稳定性。在本实验中，记录50mL液体出现在圆筒底部的时间为半衰期。

1.4 浓度对泡沫的稳定性评价

将100mL NXW悬浮液溶液置于500mL烧杯中，加入0.23g（8mM）的SDS。实验中使用的NXW悬浮液的浓度分别为0.05、0.08、0.10、0.13和0.15（wt）%，为了研究相互作用对泡沫稳定性的影响，制备黏度与NXW悬浮液相当的NaCMC溶液，并比较它们对泡沫的稳定性的影响。NaCMC溶液的浓度分别为0.03、0.05、0.08、0.10和0.13（wt）%。通过测定半衰期来评价泡沫的稳定性。

1.5 泡沫随温度变化的稳定性评价

将100mL 0.10（wt）% NXW悬浮液或0.10（wt）%NaCMC溶液加入500mL烧杯中，加入0.23g（8mM）的SDS。将溶液、量筒和烧杯置于恒温槽中放置24h，用搅拌器以5000r·min-1搅拌2min，形成泡沫。将生成的泡沫倒入加热过的量筒中，置于恒温槽中，保持室温规定温度至80℃左右，开始半衰期测试。

1.6 泡沫随压力变化的稳定性评价

采用实验室自制实验装置观察泡沫随压力变化。系统内部的压力通过调节器调节到3～8MPa。溶液中NXW浓度为0.10（wt）%，SDS浓度为8mM。以半衰期作为稳定性评价指标。

2 结果与讨论

2.1 温度对泡沫黏度的影响

NXW悬浮液和NaCMC溶液在室温下的黏度测量结果见图1。

图1 室温下的黏度测量结果Fig.1 Viscosity at room temperature

由式（1）可知，当剪切速率为11.5mPa·s时，等效剪切速率为103s-1；当剪切速率为2.22mPa·s时，等效剪切速率为215s-1。在小于或等于0.10（wt）%的浓度范围内，NaCMC溶液比NXW悬浮液更黏稠，在0.10（wt）%以上，NXW悬浮液比NaCMC溶液黏稠。NaCMC溶液的黏度随浓度的增加几乎呈线性增加，而NXW悬浮液的黏度在0.10（wt）%以上的浓度范围内显著增加。图1还给出了加入8mM SDS时的黏度结果。在6.18mPa·s时，等效剪切速率为136s-1，在1.20mPa·s时，等效剪切速率为282s-1。NXW悬浮液和NaCMC溶液的黏度均随SDS的加入而降低。SDS分子吸附在水溶性聚合物上时，黏度会降低。因此，观察到的现象被认为是由于SDS分子在NXW上的吸附，从而抑制了NXWs的纠缠。

图2为温度变化引起的黏度变化。

图2 黏度和黏度比随温度的变化Fig.2 Variation of viscosity and viscosity ratio with temperature

等效剪切速率变化范围为147s-1（5.21mPa·s）～203s-1（2.51mPa·s）。NXW悬浮液和NaCMC溶液的黏度随着温度的升高而降低，这是因为液体分子的运动随着温度的升高而变得更加活跃[12,13]。在NXW悬浮液黏度随温度的下降速率小于在NaCMC溶液中的黏度下降率。

2.2 表面活性剂与NXW的相互作用

表1为悬浮液与表面活性剂混合溶液黏度值。

表1 表面活性剂溶液的黏度为0.15% NXW悬浮液Tab.1 Viscosity of the surfactant solution is 0.15% NXW suspension

由表1可知，当NXW悬浮液与表面活性剂的临界胶束浓度混合时，其黏度降低的效果依次为DTAC、SDS、Tween 80、LB。

表2为每一种含0.15（wt）% NXW的表面活性剂溶液和不同表面活性剂溶液产生的泡沫的初始泡沫体积（搅拌完成后的泡沫体积）和半衰期。

表2 有无0.15（wt）% NXW的表面活性剂的半衰期和初始泡沫体积Tab.2 Half-life and initial foam volume of surfactant with and without 0.15（wt）% NXW

由表2可以看出，NXW对初始泡沫体积的影响不大，但使半衰期显著增加，SDS和LB的半衰期尤其明显。从初始泡沫体积可以看出，表面活性剂的发泡性。因此，DTAC和SDS比Tween 80和LB具有更高的发泡性。

半衰期结果表明，DTAC的半衰期很低，可能是由于DTAC分子与NXWs形成聚集，阻止NXW在泡沫膜中分散所致。用SDS和LB对NXW悬浮液的半衰期进行了比较，使用SDS的NXW悬浮液的半衰期较低。在NXW悬浮液中加入SDS，增加了悬浮液中Na+的浓度，抑制了NXW表面COONa的电离，使NXW更难分散。黏度测量结果验证这一结论，在NXW悬浮液中加入SDS后，其黏度小于加入Tween 80或LB时的黏度。当NXW的分散受到抑制时，泡沫膜中捕获液体的能力降低。当使用SDS时，其半衰期可能更短。因此,纤维素泡沫压裂液的起泡表面活性剂优先选择LB。

2.3 浓度和黏度对泡沫稳定性评价

图3为在实验室压力和温度条件下（1 atm,（23±1）℃），在每种NXW浓度下含NXW泡沫的半衰期测量值。

图3 在实验室压力和温度条件下，NXW浓度与半衰期的变化Fig.3 Variation of NXW concentration and half-life under laboratory pressure and temperature

由图3可知，泡沫稳定性的半衰期随NXW浓度的增加呈指数增加。在浓度为0.10（wt）%或以上的范围内，半衰期显著增加。NXW在该浓度范围内呈网状结构，因此，泡沫稳定性的提高被认为与NXW特有的网状结构有关。

图4为在相同的实验室压力和温度条件下（1atm，（23±1）℃），NXW悬浮液和NaCMC溶液的半衰期和黏度之间的关系。

图4 在实验室压力和温度条件下，半衰期与黏度的关系Fig.4 Relationship between half-life and viscosity under laboratory pressure and temperature conditions

由图4可知，黏度约为1mPa·s的SDS的半衰期用方点表示。观察到含有NXW的泡沫比其他泡沫更稳定。NaCMC溶液的半衰期随黏度的增加呈线性增加，而NXW溶液的半衰期则呈指数增加。对于含NXW的泡沫，NXWs吸附在泡沫膜上引起的表面力的增加显著提高了泡沫的稳定性。当NXWs覆盖膜的气液界面时，液体倾向于被NXWs的网状结构捕获，阻止了液体的排出和气体扩散引起的气泡聚并更好的稳定性泡沫。

2.4 泡沫随温度变化的稳定性评价

在大气压力下，23～80℃的温度范围内进行了半衰期测量。NXW 0.10（wt）%+SDS 8mM和NaCMC 0.10（wt）%+SDS 8mM的结果见图5。

图5 半衰期随温度变化的关系Fig.5 Half-life as a function of temperature

由图5可知，在实验室压力和温度条件下，两种泡沫液产生的泡沫黏度相等。各半衰期随温度的升高而降低，这是因为泡沫液的黏度随温度的升高而降低。如果储层温度较高，黏度下降幅度较大，其半衰期会降低，泡沫作为压裂液的应用也会出现困难。NXW这一特性有可能克服高温下泡沫的稳定性问题。

2.5 泡沫随压力变化的稳定性评价

在室温压力范围为3～8MPa下进行泡沫稳定性评价实验，研究泡沫稳定性与压力的关系。图6为上述压力范围内，SDS-8mM和0.10（wt）% NXW+SDS 8mM溶液所产生泡沫的半衰期。

图6 半衰期随压力变化的关系Fig.6 Relationship of half-life with pressure

由图6可以看出，两种泡沫的半衰期都随着压力的增加而增加，在相同压力下，含有NXW的泡沫的半衰期约是不含NXW的泡沫的3倍。同样在实验室压力和温度条件下，由图6可知，含有NXW的泡沫的半衰期比不含NXW的泡沫的半衰期大约长3倍。0.10（wt）%NXW+SDS 8mM溶液的黏度约为图4中的3mPa·s，NXW即使在高压条件下也能在同样程度上提高稳定性。

3 结论

本文通过4种不同表面活性剂（SDS；DTAC；Tween 80；LB）评价了表面活性剂对含NXW泡沫初始发泡体积和稳定性的影响，可以得出以下结论：

（1）含NXW泡沫的初始发泡体积和稳定性强烈依赖于表面活性剂的类型，当加入DTAC的临界胶束浓度时，NXW悬浮液变得浑浊并形成聚集体，泡沫稳定性极差。Tween 80的临界胶束浓度不能产生足够的泡沫体积进行半衰期测量。纤维素泡沫压裂液的起泡表面活性剂优先选择LB。

（2）在实验室压力和温度条件下，当NXW质量分数大于0.10（wt）%的范围内，两种泡沫液的黏度相同时，含NXW泡沫的半衰期比含NaCMC泡沫的半衰期长。

（3）泡沫的稳定性随温度的升高而降低，随压力的升高而增大。室温，压力范围为3～8MPa，含有NXW的泡沫的半衰期比不含NXW的泡沫的半衰期大约长3倍。