pH值對(duì)適于頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的SDBS壓裂液性能的影響研究

馮科瑋，曹 函，3，施皆能，吳 坤，魯曉敏

(1．中南大學(xué)有色金屬成礦預(yù)測(cè)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南長(zhǎng)沙410083;2．中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410083;3．頁(yè)巖氣資源利用湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南湘潭411201)

0 引言

頁(yè)巖氣儲(chǔ)層具有低滲、低孔隙率的特點(diǎn)，勘探開(kāi)發(fā)難度較大，大多數(shù)頁(yè)巖氣井需要壓裂改造才能獲得比較理想的產(chǎn)量，而頁(yè)巖氣藏壓裂液是頁(yè)巖氣藏實(shí)施壓裂增產(chǎn)的關(guān)鍵，是頁(yè)巖氣高效增產(chǎn)的核心技術(shù)。由于頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的特殊性，要求壓裂液具有良好的造縫和穩(wěn)縫效果。SDBS壓裂液是一種表面活性劑凝膠壓裂液，擁有著很好的粘度、抗剪切和流動(dòng)性能，能在很高的流速和剪切速率下攜帶支撐劑，低濾失量，較好的膨脹抑制性。目前，陰離子表面活性劑在頁(yè)巖氣的開(kāi)采中占據(jù)著愈來(lái)愈重要的作用，可以有效解決陽(yáng)離子表面活性劑在帶負(fù)電的頁(yè)巖層表面吸附的問(wèn)題，降低壓裂液對(duì)頁(yè)巖層基質(zhì)的傷害，提高壓裂效率。

在前期工作中發(fā)現(xiàn)，壓裂液體系的pH值是影響陰離子表面活性劑壓裂液性能的重要因素［1］。但目前僅在陰離子表面活性劑壓裂液的流變性、攜砂性和濾失性等方面做了許多的研究［2］，對(duì)于壓裂液體系中的酸堿性問(wèn)題卻重視不夠，缺乏深入的研究。為了詳細(xì)研究這種影響，本文分析pH對(duì)SDBS壓裂液在頁(yè)巖層中性能的影響。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1．1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)主要以陰離子表面活性劑(SDBS)壓裂液為研究對(duì)象，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，選用SDBS的濃度為0.4%［3］，添加不同濃度的腐植酸鉀和CMC，確定壓裂液的基漿;再通過(guò)改變多組不同比例的陰離子表面活性劑壓裂液的pH值并測(cè)定體系的性能參數(shù)(粘度、表面張力和頁(yè)巖膨脹量)，從而分析pH值對(duì)壓裂液體系性能的影響。

1．2 試驗(yàn)基漿優(yōu)選

(1)確定試驗(yàn)基漿配方。由表1可知，隨著SDBS壓裂液中CMC加入量的增加，壓裂液的失水量逐漸減小，且當(dāng)增加的CMC濃度達(dá)到0.4%時(shí)，壓裂液體系的結(jié)構(gòu)粘度達(dá)到最大，有效地減少了失水量。此時(shí)壓裂液無(wú)明顯分層現(xiàn)象，攜砂性能好。因此CMC最優(yōu)加量為0.4%。

表1 不同CMC濃度下SDBS壓裂液的性能參數(shù)

SDBS壓裂液體系中添加的腐植酸鉀能夠在粘土粒表面形成水化膜，提高其分散穩(wěn)定性，從而降低失水量。由表2可知，隨著壓裂液體系中腐植酸鉀的增加，體系的失水量逐漸減小。當(dāng)添加的腐植酸鉀濃度為0.08%時(shí)，極大地提高了壓裂液體系的降失水效果。

因此確定試驗(yàn)基漿配方為:0.08%腐植酸鉀+0.4%CMC。

表2 不同腐植酸鉀濃度下SDBS壓裂液的性能參數(shù)

(2)在基漿中分別加入 0.01%、0.03%和0.05%的SDBS，高速攪拌均勻，待用。

(3)調(diào)節(jié)NaOH試劑和濃HCl試劑的加量改變壓裂液體系的pH值，使得體系的pH值分別為3、5、7、9、11、13。

(4)測(cè)定體系的粘度、表面張力以及頁(yè)巖在該壓裂液體系中的膨脹量。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2．1 pH值對(duì)SDBS壓裂液粘度的影響

圖1～3給出了pH值對(duì)不同SDBS濃度下陰離子表面活性劑壓裂液表觀粘度、塑性粘度和結(jié)構(gòu)粘度的影響。

從圖1～3可以得出:在陰離子表面活性劑壓裂液體系中加入的SDBS濃度一定(0.01%、0.03%或0.05%)時(shí)，當(dāng)體系pH值＜9時(shí)，壓裂液體系的表觀粘度、塑性粘度和結(jié)構(gòu)粘度隨著體系pH值的增大而增大，且在pH值=9時(shí)達(dá)到最大值。這是由于在酸性條件下(pH值3～7)，SDBS陰離子表面活性劑壓裂液體系的性能不穩(wěn)定，粘度較低，且當(dāng)pH值＜3時(shí)，壓裂液體系中添加的CMC能夠發(fā)生降解反應(yīng)，釋放出游離酸HCMC，有效地降低體系的粘度。當(dāng)體系的pH值＞9時(shí)，隨著壓裂液體系的pH值的增大，體系的表觀粘度、塑性粘度和結(jié)構(gòu)粘度都有一定程度的降低，這是因?yàn)楫?dāng)增大SDBS壓裂液體系的pH值時(shí)，隨著NaOH試劑用量的不斷增加，鈉離子濃度逐漸增大，而CMC處理劑在低鹽濃度范圍內(nèi)表現(xiàn)出一定的聚電解質(zhì)的性質(zhì)，粘度有輕微的下降［4］。

圖1 pH值對(duì)不同SDBS濃度壓裂液表觀粘度的影響

圖2 pH值對(duì)不同SDBS濃度壓裂液塑性粘度的影響

圖3 pH對(duì)不同SDBS濃度壓裂液結(jié)構(gòu)粘度的影響

陰離子表面活性劑壓裂液體系的表觀粘度和塑性粘度能夠表現(xiàn)出壓裂液的造縫性能。一定條件下，壓裂液體系的粘度越高，造縫能力越強(qiáng)。因此，提高壓裂液體系的表觀粘度和塑性粘度是獲得良好的壓裂效果的有效手段［5］。當(dāng)SDBS壓裂液體系的pH值=9時(shí)，體系的表觀粘度和塑性粘度最高，能有效提高體系的造縫能力。

陰離子表面活性劑壓裂液體系的結(jié)構(gòu)粘度反應(yīng)了分散相顆粒之間的相互作用或空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)而增加的流動(dòng)阻力。壓裂液的結(jié)構(gòu)粘度越高，形成的空間結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定，裂縫的穩(wěn)定性越好。當(dāng)SDBS壓裂液體系的pH值=9時(shí)，體系的結(jié)構(gòu)粘度最高，此時(shí)在壓裂液作用下，增強(qiáng)了裂縫的穩(wěn)定性。

因此，當(dāng)SDBS壓裂液體系的pH值=9時(shí)，此時(shí)體系的粘度最高，可以提高體系的造縫和穩(wěn)縫效果。

2．2 pH值對(duì)SDBS壓裂液表面張力的影響

為了研究pH值對(duì)壓裂液體系表面張力的影響，測(cè)定了不同SDBS濃度下的陰離子表面活性劑壓裂液表面張力隨pH值的變化，結(jié)果如圖4所示。

圖4 pH值對(duì)不同SDBS濃度壓裂液表面張力的影響

從圖4可以得出以下結(jié)果。

(1)當(dāng)壓裂液體系中添加的 SDBS濃度為(0.01%、0.03%或0.05%)時(shí)，在pH值=5的條件下，壓裂液的表面張力最小，表面活性最高，主要是由于在壓裂液體系為弱酸的條件下加入的H+能壓縮SDBS表面活性劑的擴(kuò)散雙電層結(jié)構(gòu)，使SDBS表面活性劑分子極性頭基上所帶的電荷對(duì)周圍分子極性頭基的作用力范圍減弱，雙電層平均厚度變薄，有利于形成膠束，有效地降低體系的表面張力，如圖5所示。而在pH值=3的條件下，SDBS壓裂液體系酸性太強(qiáng)導(dǎo)致表面活性降低。當(dāng)壓裂液體系pH值＞5時(shí)，體系的表面張力先增大再降低，且在pH值=7時(shí)達(dá)到最大值。這是因?yàn)樵趬毫岩簆H值＞7時(shí)，增加的Na+有著很好的壓縮SDBS表面活性劑雙電層的能力，減少它們之間的靜電排斥作用，從而使表面活性劑易于聚集形成膠束，降低體系的表面張力［6］。

圖5 H+對(duì)SDBS壓裂液體系擴(kuò)散雙電層的影響

(2)酸性條件下增加的H+有著更好地降低SDBS壓裂液體系表面張力的能力。H+的水化體積比Na+小，可以更容易地壓縮SDBS極性頭的水化層，減少極性頭之間的靜電排斥作用，在界面上排列更加緊密，降低體系的表面張力［7］。

(3)在壓裂液體系pH值一定(pH值=3、5、7、9、11或13)時(shí)，SDBS濃度為0.01%下的陰離子表面活性劑壓裂液的表面張力較大，而SDBS的濃度為0.03%和0.05%下的表面張力都相對(duì)較小，且兩者基本一致。陰離子表面活性劑是活性劑分子不斷占據(jù)體系的表面，降低體系表面張力的一個(gè)過(guò)程，當(dāng)活性劑分子完全占據(jù)體系的表面時(shí)，表面張力不再下降，開(kāi)始在體系中形成膠束［8］。因此，在SDBS的濃度為0.03%時(shí)，陰離子表面活性劑基本達(dá)到臨界膠束濃度(cmc值)。

因此，SDBS壓裂液體系的表面張力在pH值=5時(shí)達(dá)到最小值，pH值=7時(shí)達(dá)到最大值，且在濃度為0.03%時(shí)，SDBS表面活性劑基本達(dá)到cmc值。

2．3 pH值對(duì)SDBS壓裂液頁(yè)巖膨脹抑制性的影響

頁(yè)巖氣儲(chǔ)層中粘土所占比例大，且粘土分散度高，親水性強(qiáng)，容易發(fā)生水化反應(yīng)，引起粘土的水化膨脹［9］。為了分析體系的pH值對(duì)陰離子表面活性劑體系的膨脹抑制性的影響，測(cè)定了頁(yè)巖在不同濃度SDBS陰離子表面活性劑壓裂液下隨pH變化的膨脹量，結(jié)果如圖6所示。

由圖6可以看出，在陰離子表面活性劑壓裂液體系中添加的SDBS濃度一定(0.01%，0.03%或0.05%)時(shí)，當(dāng)體系的pH值＜7，頁(yè)巖層的膨脹量隨著體系pH值的增大而增大，并在pH值=7時(shí)膨脹量達(dá)到最大值;當(dāng)體系的pH值＞7，隨著體系pH值的增大，頁(yè)巖的膨脹量先下降后上升，在pH值=9時(shí)膨脹量最小，并最終趨于平緩。

圖6 pH值對(duì)不同SDBS濃度壓裂液的膨脹抑制效果

當(dāng)SDBS壓裂液體系pH值＜7時(shí)，溶液中存在大量的 H+，逐漸置換位于晶格表面的 Ca2+和Mg2+，使粘土變成氫土;且H+直徑小，易與粘土顆粒表面結(jié)合，所以比其它陽(yáng)離子難以解離;也因H+的體積小，水化差，吸附水的能力弱，從而抑制了粘土的水化膨脹，所以頁(yè)巖儲(chǔ)層的膨脹量隨著體系pH值增大而增大［10］。當(dāng)壓裂液體系pH值＞7且處于弱堿性條件下(pH值=7～9)時(shí)，在粘土與溶液的接觸面上，有不具膨脹性的次生礦物氫氧鎂石產(chǎn)生;另外，晶格邊緣裸露的Fe－OH、Al－OH等羥基離解而產(chǎn)生負(fù)電荷，吸附陽(yáng)離子;且－OH基團(tuán)與粘土發(fā)生作用，引起硅氧鍵斷裂重新形成更穩(wěn)定的結(jié)晶形式，減少其水化膨脹，所以頁(yè)巖儲(chǔ)層的膨脹量在弱堿條件下隨著體系pH值的不斷增大而減小。當(dāng)SDBS壓裂液體系在強(qiáng)堿條件下(pH值=9～13)時(shí)，體系堿性過(guò)強(qiáng)，－OH基團(tuán)吸附在粘土表面，加快頁(yè)巖的水化膨脹和分散，此時(shí)頁(yè)巖儲(chǔ)層的膨脹量開(kāi)始增大，并最終趨于穩(wěn)定［11］。

當(dāng)陰離子表面活性劑壓裂液體系的pH值一定(3、5、7、9、11 或 13)時(shí)，膨脹量 ε(0.03%)＜ ε(0.05%)＜ε(0.01%)，即分別添加SDBS濃度為0.01%、0.03%和0.05%時(shí)，頁(yè)巖的膨脹量先減小后增大，膨脹抑制效果在SDBS濃度為0.03%的時(shí)候最佳。由上述2．2可知，濃度為0.03%時(shí)，SDBS陰離子表面活性劑基本達(dá)到cmc值，且表面活性劑濃度接近c(diǎn)mc值時(shí)溶解度達(dá)到最低值，此時(shí)SDBS壓裂液與巖層中的金屬離子完全反應(yīng)，生成帶正電的絡(luò)合離子，如Ca(RSO3)+，如公式(1)所示，絡(luò)合離子吸附在帶負(fù)電的巖層表面，起到較好的膨脹抑制作用［12］。

綜上所述，當(dāng)SDBS壓裂液體系的pH值=7時(shí)，頁(yè)巖儲(chǔ)層的體積膨脹量最大;在pH值=9時(shí)，由于次生礦物的產(chǎn)生和－OH基團(tuán)的作用，抑制了頁(yè)巖儲(chǔ)層的膨脹性;在 pH值 =3，SDBS濃度為0.03%，基本達(dá)到壓裂液cmc值時(shí)，對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層擁有較好的抑制效果。

3 結(jié)論

本文通過(guò)改變不同SDBS濃度下的陰離子表面活性劑壓裂液體系的pH值，對(duì)該壓裂液體系的性能進(jìn)行了測(cè)定，探討了壓裂液體系酸堿性的變化對(duì)壓裂液的粘度、表面張力和頁(yè)巖儲(chǔ)層膨脹抑制效果的影響。

(1)當(dāng)SDBS壓裂液體系的pH值=9時(shí)，此時(shí)體系的粘度最高，可以提高體系的造縫和穩(wěn)縫效果。

(2)當(dāng)SDBS壓裂液體系的pH值=5時(shí)，表面活性劑聚集形成膠束，降低體系的表面張力，體系表面張力最小;當(dāng)pH值＞5，體系的表面張力先增大再降低，在pH值=7時(shí)達(dá)到最大值;在弱酸性(pH值=5～7)條件下H+對(duì)溶液表面張力的影響強(qiáng)于Na+對(duì)溶液表面張力的影響。

(3)當(dāng)SDBS壓裂液體系的pH值＜7時(shí)，隨著體系pH值的增大，氫土抑制性減弱，粘土水化性能增強(qiáng)，頁(yè)巖儲(chǔ)層的膨脹量增大;當(dāng)體系的pH值＞7時(shí)，隨著體系pH值的增大，粘土吸附的陽(yáng)離子增強(qiáng)其穩(wěn)定性，頁(yè)巖儲(chǔ)層的膨脹量先下降后上升，在pH值=9時(shí)達(dá)到最小值，并趨于平緩。

(4)當(dāng)確定SDBS壓裂液體系的pH值=3時(shí)，在SDBS濃度為0.03%，基本達(dá)到壓裂液cmc值下，能與金屬離子完全反應(yīng)，最大程度抑制頁(yè)巖的膨脹。

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