清洁压裂液黏度与其悬砂性关系影响因素研究

何静

（西安石油大学石油与天然气工程学院，陕西 西安 710065 陕西延长石油 （集团）有限责任公司研究院，陕西 西安 710075）

李天太，王满学

（西安石油大学石油与天然气工程学院，陕西 西安 710065）

房鑫

（西安石油大学石油与天然气工程学院，陕西 西安 710065 陕西延长石油 （集团）有限责任公司研究院，陕西 西安 710075）

南蓓蓓

（陕西延长石油 （集团）有限责任公司研究院，陕西 西安 710075）

压裂是靠具有一定黏弹性的液体将支撑剂输送到裂缝，是油气井增产水井增注的主要措施之一。压裂液质量影响其携砂效率和压裂施工效果［1－2］。一般认为，压裂液黏度越高其悬砂性越好。近年研究表明，压裂黏度特性与其输送支撑剂能力并不成正比关系。因此，在优化压裂配方时，应该将压裂液的黏度特性与其悬砂性同时考虑，保证压裂液在低黏度下，表现出优良的悬砂特性，这样可以避免高黏度低砂比造成液体浪费。

清洁压裂液是一种具有特殊性胶束的黏弹性胶体。这种黏弹性胶在形成过程中受外界诸多因素影响，如温度、盐、反离子浓度、表面活性剂类型与体积分数等［3－9］。关于压裂液黏度与其在静态情况下的悬砂性研究，目前在国内未见报道。笔者以Stoke’s砂沉定律为依据，首次研究了不同影响因素下清洁压裂液黏度与沉砂性之间的关系，找出压裂液在低黏度下与最佳悬砂性之间关系，这种评价方法对优化压裂液配方，降低液体成本具有一定的现实意义。

1 试验部分

1.1 试验试剂和仪器

稠化剂 （西安石油大学生产，35%的阳离子表面活性剂＋10%二乙基丙醇＋5%渗透剂＋5%互溶剂＋45%水，密度1.004g／cm3，25℃黏度25.4mPa·s）；氯化钾 （上海试剂二厂，95%）；氯化钠 （天津市天大化工试验厂，分析纯，≥95%）；氯化钙 （上海试剂二厂，95%）；EDTA （西安化学试剂厂，95%）；碳酸钠 （西安化学试剂厂，99.95%）；椰子油脂肪酸二乙醇酰胺 （6501） （上海试剂二厂，95%）；十二烷基硫酸钠 （K12，60%工业品）。

流变测量用德国HAAKE公司的RS6000流变仪，剪切试验采用速率控制模式，剪切速率170s－1进行试验。

1.2 试验方法

在室温下，按照稠化剂2%～6%＋2%KCl＋水制备清洁压裂液，然后在压裂液中加入其他助剂，分别考察压裂液黏度和悬砂性之间关系。利用SY／T5107－2005《水基压裂液性能评价方法》对F－VES清洁压裂液性能和沉砂进行评价。配制后压裂液静置6～12h以上，确保溶液内无气泡再进行试验。

2 试验原理

压裂液的悬砂性是压裂施工重要的参数。在静态条件下，通常依据Stoke’s砂沉规律来判断支撑砂下降速率:

式中，V代表支撑剂下沉速度，cm／s；d代表支撑剂直径，cm；g代表重力加速度，m／s2；Dp和Df分别代表支撑剂和压裂液的密度，g／cm3；μ代表压裂液的黏度，mPa·s。

由Stoke’s公式可以看出，支撑剂的下沉速度与支撑剂本身的性质有关外，还与压裂液的黏度相关；压裂液的黏度越大，沉砂速度越小，悬砂性能越强，但是压裂液黏度过大，会增加施工时摩阻力，加大动力消耗。因此，在优化压裂液配方时，确保压裂液悬砂安全条件下，降低压裂液黏度是一种经济合理的方法。

3 结果与讨论

3.1 稠化剂对压裂液黏度和沉砂性的影响

稠化剂是影响清洁压裂液黏度和悬砂性的重要因素。在室温下，试验考察了稠化剂加量对压裂液的黏度及其静态沉砂速度之间关系，如图1所示。由图1可以看出，随着稠化剂浓度增加，压裂液黏度随之增大，沉砂速度下降，静态悬砂性能增强；当稠化剂浓度增加到4%时，压裂液静态悬砂性最好为0.015cm／s；当稠化剂浓度增加到大于4%时，压裂液黏度继续增加，但是此刻压裂液黏度对其悬砂性影响不大。由此可见，压裂液黏度与其悬砂性在一定条件下并不符合Stoke’s定律，优化压裂液配方时，在考虑压裂液黏度的同时，兼顾其与悬砂特定之间的关系对优化配方意义重大。

图1 稠化剂浓度对压裂液黏度与沉砂速度影响

3.2 表面活性剂对压裂液黏度与沉砂性的影响

笔者研究的清洁压裂液是由阳离子型表面活性剂制备。在室温下，试验考察了6501非离子型和K12阴离子表面活性剂对压裂液黏度及其沉砂性的影响，如图2和图3所示。

图2 6501浓度对压裂液黏度与沉砂速度影响

图3 K12浓度对压裂液黏度与沉砂速度影响

由图2和图3可以看出，随着6501浓度增加，压裂液的黏度随着增加，沉砂速度减少，静态悬砂性随之增强；当6501浓度大于0.8%时，压裂液黏度随着6501浓度的增加而继续升高，悬砂性变化不大；对K12而言，随着表面活性剂浓度的增加，压裂液黏度随着增大，其静态悬砂性随之增强，当K12加量为6.25%，此时压裂液黏度下的悬砂性最好，随着K12浓度的继续增加，压裂液黏度逐渐上升，但其悬砂性逐渐减弱。由此可见，非离子和阴离子型表面活性剂对压裂液特性影响不同，压裂液的黏度与其悬砂性之间并不存在唯一的对应关系。

3.3 无机盐对压裂液黏度与沉砂性的影响

表面活性剂型清洁压裂液是在一定盐度的存在下，通过反离子作用后将球型胶束转化成棒状胶束而使其水溶液增稠。由此可见，无机盐对清洁压裂液特性影响很大。试验考察了KCl、NH4Cl和CaCl23种无机盐对压裂液黏度和沉砂性影响，如图4、图5和图6所示。

由图4、图5、图6可以看出，随着KCl、NH4Cl和CaCl23种无机盐浓度增加，压裂液黏度随之减小，沉砂速度随之下降，悬砂性变差，其中二价盐较一价盐对压裂液黏度和悬砂性影响显著。由此看见，无机盐对压裂液黏度和沉砂性影响很大，在配制清洁压裂液时尽量减少二价盐对压裂液黏度的影响。

图4 KCl浓度对压裂液黏度与沉砂速度影响

图5 NH4Cl浓度对压裂液黏度与沉砂速度影响

图6 CaCl2浓度对压裂液黏度与沉砂影响

图7 Na2CO3浓度对压裂液黏度与沉砂影响

3.4 Na2CO3对压裂液黏度和沉砂性影响

Na2CO3的加入改变了溶液的pH值，影响了胶束的形成环境。在室温下，试验考察了Na2CO3加量对压裂液黏度以及沉砂性影响，如图7所示。由图7可以看出，随着Na2CO3浓度增加，压裂液pH值随着升高，其黏度呈现先增加然后呈现缓慢下降趋势，其悬砂性也呈现先增强然后急剧减弱趋势；当Na2CO3加量为0.75%时，压裂液黏度最大为66mPa·s，沉砂性最好为0.017cm／s；当Na2CO3加量大于0.75%时，压裂液黏度随着Na2CO3增加而呈现下降趋势。由此可见，溶液碱性对压裂液的黏度和悬砂性影响很大，该体系的压裂液最佳Na2CO3加量为0.75%。

4 结论与认识

1）稠化剂、胶束稳定剂、6501、K12和Na2CO3对压裂液的黏度有促进作用，无机盐对压裂液的黏度有负面作用，尤其是二价盐对压裂液黏度和悬砂性影响更大。

2）研究发现压裂液的黏度与其悬砂性之间并不是一一对应关系。

3）优化压裂液配方不能单纯以黏度为指标，应把压裂液黏度和悬砂特性兼顾考虑，这样才能使优化出的压裂液配方达到低黏度高携砂比的目标。

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