董兵強(qiáng)， 邱正松， 王偉吉， 鐘漢毅， 宋丁丁

(中國石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院，山東青島 266580)

?

新型頁巖氣儲層保護(hù)劑SDME-2的制備及特性

董兵強(qiáng)， 邱正松， 王偉吉， 鐘漢毅， 宋丁丁

(中國石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院，山東青島 266580)

頁巖氣鉆探開采過程中，鉆井液濾液侵入頁巖儲層易導(dǎo)致嚴(yán)重的水敏損害和液相圈閉，嚴(yán)重影響了頁巖氣地層鉆井安全及頁巖氣產(chǎn)能。針對頁巖氣儲層特性及儲層損害主要因素，基于納米乳液制備理論及頁巖儲層保護(hù)基本原理，利用Gemini季銨鹽型表面活性劑GTN、Tween80、正戊醇和正辛烷作為主要原料，制備出了納米乳液儲層保護(hù)劑SDME-2。性能評價結(jié)果表明，SDME-2具有超低的界面張力，可使頁巖表面由水濕轉(zhuǎn)變成中性潤濕，顯著降低巖心殘余水飽和度，提高超低滲頁巖巖心滲透率恢復(fù)值，降低儲層水鎖傷害；可顯著降低頁巖對甲烷的吸附量，有利于甲烷分子的低壓解吸。以納米乳液SDME-2作為儲層保護(hù)劑，構(gòu)建了頁巖氣儲層保護(hù)水基鉆井液。性能評價結(jié)果表明，該鉆井液流變性良好，抑制性強(qiáng)，具有優(yōu)良的儲層保護(hù)性能。

納米乳液； 儲層保護(hù)； 頁巖氣； 水基鉆井液

頁巖氣是一種重要的非常規(guī)天然氣資源。由于頁巖地層裂縫發(fā)育、水敏性強(qiáng)，在長水平段鉆井中，濾液侵入儲層不僅容易造成儲層損害，還會引起井漏、垮塌、縮徑等問題[1-3]。因此，在頁巖氣水平井鉆井中，鉆井液選擇和設(shè)計的關(guān)鍵是解決頁巖儲層損害以及井壁失穩(wěn)等問題。針對頁巖氣儲層特性及儲層損害主要因素，基于納米乳液制備理論及頁巖儲層保護(hù)基本原理，利用Gemini季銨鹽型表面活性劑GTN、Tween80、正戊醇和正辛烷等作為主要原料，通過室內(nèi)實驗研制出納米乳液頁巖儲層保護(hù)劑SDME-2，并構(gòu)建出一套頁巖氣儲層保護(hù)水基鉆井液，為未來開展現(xiàn)場應(yīng)用試驗奠定基礎(chǔ)。

1 頁巖儲層保護(hù)劑的研制與特性表征

1.1 納米乳液的制備

將具有超低界面張力的Gemini季銨鹽型表面活性劑GTN、具有較好耐鹽性能的Tween80與正戊醇按一定體積比在55 ℃下恒溫攪拌混合15 min，所得溶液作為表面活性劑組分(記為Sa)。選取正辛烷為油相，室溫條件下，首先將油相與表面活性劑組分以不同體積比混合，用去離子水逐滴滴入油相與表面活性劑組分的混合溶液中得到不同相態(tài)、不同微觀構(gòu)型(油包水、雙連續(xù)、水包油3種)的微乳液，再采用電導(dǎo)率法[4-5]確定25 ℃時H2O/Sa/正辛烷體系單相微乳液的微觀結(jié)構(gòu)類型，從而確定該體系的擬三相圖,實驗結(jié)果如圖1所示。

圖1 H2O/Sa/正辛烷微乳液體系擬三相圖

Fig.1 Division in ternary-phase diagram for H2O/Sa/N-octane systems

微乳液稀釋后形成的納米乳液具有良好的頁巖儲層保護(hù)作用[6]，而雙連續(xù)構(gòu)型微乳液(B.C)稀釋后形成的納米乳液粒徑小且動力學(xué)過程更穩(wěn)定[7-8]。由此將圖1中A、B兩點處配比的雙連續(xù)微乳液作為母液，將其按一定體積分?jǐn)?shù)稀釋成納米乳液作為儲層保護(hù)劑，分別記為SDME-1、SDME-2。

1.2 納米乳液的特性表征

1.2.1 表面張力的測定 25 ℃下，用BZY-1全自動表面張力儀采用鉑金板法[9]測量不同體積分?jǐn)?shù)納米乳液(靜置8 h)SDME-1、SDME-2的表面張力值，實驗結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，隨納米乳液體積分?jǐn)?shù)增大，溶液中的表面活性劑組分與油相協(xié)同作用鋪展在溶液表面，使表面張力值降低。SDME-1中表面活性劑組分含量更高，故其體積分?jǐn)?shù)為0.04%時表面張力即達(dá)到最小值17.8 mN/m，而SDME-2在體積分?jǐn)?shù)為0.1%時達(dá)到表面張力最小值。

圖2 納米乳液表面張力隨體積分?jǐn)?shù)的變化

Fig.2 Variations of surface tension change of nanoemusion as a function of volume fraction

1.2.2 接觸角和粒度的測定 選取勝利油田SFD2井沙三下段儲層頁巖試樣的磨光片在2000號金相砂紙上拋光、去氧化膜，在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.0%的NaOH溶液中煮沸4 min，然后用實驗液浸泡8 h，室溫條件下晾干后測量蒸餾水與頁巖表面的接觸角。同時，利用Nanotrac Wave納米粒度儀測量納米乳液的平均粒徑，實驗結(jié)果如圖3和表1所示。結(jié)果表明，納米乳液可顯著改變頁巖表面潤濕性，且油相含量更高的SDME-2的潤濕改變作用比SDME-1更強(qiáng)。當(dāng)SDME-2體積分?jǐn)?shù)為1.0%時，對應(yīng)的接觸角為93.42°，使頁巖表面由親水轉(zhuǎn)變?yōu)橹行詽櫇?。這是由于納米乳液中的納米級微膠團(tuán)帶正電，受靜電引力作用吸附在頁巖表面，微膠團(tuán)中的油相與表面活性劑中的疏水基團(tuán)協(xié)同作用改變界面潤濕性。

表1 納米乳液基本特性測量結(jié)果

1.2.3 巖心滲透率恢復(fù)實驗 利用PDP-200型脈沖衰減氣體滲透率測量儀測量勝利油田SFD2井沙三下段儲層頁巖巖心經(jīng)試液真空飽和前后的克氏滲透率，同時考察驅(qū)替壓力與巖心含水飽和度的關(guān)系，實驗結(jié)果如表2和圖4所示。

圖3 試液處理后頁巖表面的水滴接觸角

Fig.3 Water contact angles on the shale surface for different test fluids

表2 巖心氣測滲透率恢復(fù)實驗結(jié)果

圖4 驅(qū)替壓力與含水飽和度的關(guān)系

Fig.4 Relationship between displacement pressure gradient and water saturation

由表2可知，納米乳液SDME-1和SDME-2均可顯著提高超低滲頁巖儲層巖心氣測滲透率恢復(fù)值，后者對孔隙度極低的巖心滲透率恢復(fù)效果更佳，滲透率恢復(fù)值最高達(dá)91.41%。由圖4可知，隨著驅(qū)替壓力的增加，由于飽和巖心試液中納米乳液的加入，致使巖心含水飽和度降低幅度顯著提高，且在相同驅(qū)替壓力下，SDME-2試液飽和后的巖心含水飽和度降低幅度大于SDME-1試液飽和后的巖心。這是由于納米乳液具有超低的界面張力，可改變頁巖表面的潤濕性，致使頁巖微孔縫中的試液所受毛管力大幅降低，且表面張力值越小、潤濕角越大，對巖心恢復(fù)滲透率的效果越好[10-11]。因此在較低的氣驅(qū)壓力下便可返排液體，減少巖心殘余水飽和度，提高超低滲頁巖巖心滲透率恢復(fù)值，降低水鎖傷害，有效保護(hù)儲層和提高頁巖氣井產(chǎn)能。

1.2.4 頁巖吸附特性評價 與常規(guī)氣藏不同，頁巖氣的產(chǎn)出經(jīng)歷解析-擴(kuò)散-滲流三個過程，因此還需考慮外來流體對頁巖氣解析過程的影響[12]。通過測定一定壓力下儲層頁巖對甲烷的吸附量，發(fā)現(xiàn)儲層頁巖對甲烷的吸附遵循蘭繆爾等溫吸附關(guān)系[13-14]。利用不同試液將勝利油田SFD2井沙三下段儲層頁巖巖樣飽和，考察它們對頁巖吸附甲烷氣性能的影響，實驗結(jié)果如圖5所示。蘭繆爾等溫吸附公式中，蘭氏體積VL是每克頁巖的表面覆蓋滿單層甲烷分子時的吸附量，蘭氏壓力pL是甲烷氣解吸速率常數(shù)與吸附常數(shù)的比值。因此，吸附等溫實驗中VL越小，pL越大，則越有利于頁巖氣的解吸[15]。通過將蘭繆爾等溫吸附公式變形，換算出不同試液對應(yīng)的VL、pL值，結(jié)果見表3。

圖5 試液飽和頁巖巖樣吸附等溫曲線

Fig.5 Adsorption isotherms of shale samples saturated with test liquids

表3 頁巖吸附等溫線 Langmiur 參數(shù)

由圖5和表3可知，與干燥巖樣相比，經(jīng)試液飽和的頁巖巖樣的甲烷氣吸附量要少，這主要是由于試液占據(jù)頁巖巖樣表面致使巖樣吸附甲烷氣的有效表面積減小，進(jìn)而導(dǎo)致巖樣對甲烷的吸附量也相應(yīng)減少。相對于清水，經(jīng)納米乳液飽和的巖樣對甲烷氣吸附量最小，吸附甲烷氣后更易解吸，且0.5%SDME-2的作用效果較好。這是由于黏土礦物具有較高的微孔隙體積和較大的比表面積，在靜電力作用下，荷正電的納米乳液吸附在帶負(fù)電的黏土表面并填充孔隙，致使黏土顆粒表面與甲烷氣體分子的接觸面積減少。此外，表面活性劑組分與油相相互協(xié)同作用，吸附到巖樣有機(jī)質(zhì)表面，外層水分子與表面活性劑的極性基團(tuán)作用形成一層隔離膜，鋪展在頁巖有機(jī)質(zhì)表面，致使甲烷氣體分子溶解吸附量減少，最終表現(xiàn)為甲烷的吸附量下降[14]。

2 保護(hù)頁巖氣儲層的水基鉆井液構(gòu)建

選取SDME-2作為頁巖儲層保護(hù)劑，通過單劑優(yōu)選及配伍性實驗構(gòu)建了頁巖氣儲層保護(hù)水基鉆井液(以下簡稱SRPDLⅡ鉆井液)，配方如下(質(zhì)量分?jǐn)?shù))：4%膨潤土漿+0.5%SDME-2+2.0%CMS+0.3%PAM+3.0%磺化瀝青LCZY+0.5%SDPA-1+2.0%SDR。

2.1 抑制性能

選取勝利油田SFD2井沙三下段儲層頁巖作為實驗巖樣，通過頁巖分散和膨脹試驗，對比評價3種鉆井液體系的抑制性能，結(jié)果如圖6和圖7所示。結(jié)果表明，SRPDLⅡ鉆井液一次頁巖回收率遠(yuǎn)高于聚合醇鉆井液，與油基鉆井液相當(dāng)；且SRPDLⅡ鉆井液的最大線膨脹率明顯小于聚合醇鉆井液體系，略高于油基鉆井液。這主要是由于SRPDLⅡ鉆井液中的高性能聚胺強(qiáng)抑制劑SDPA-1和包被劑PAM的協(xié)同作用，表現(xiàn)為SRPDLⅡ鉆井液具有優(yōu)異的抑制頁巖水化分散和膨脹性能，有利于維護(hù)井壁穩(wěn)定。

圖6 不同鉆井液的回收率

Fig.6 Recovery rates for different drilling fluids

圖7 儲層頁巖在不同鉆井液濾液中膨脹曲線

Fig.7 Results of linear swelling tests for different drilling fluids

2.2 儲層保護(hù)性能

使用PDP-200型脈沖衰減氣體滲透率測量儀，通過測定巖心動態(tài)污染前后的滲透率，考察不同鉆井液體系對頁巖巖心滲透率的損害情況，結(jié)果如表4所示。結(jié)果表明，SRPDLⅡ鉆井液大幅降低了超低滲頁巖巖心的滲透率損害率Ro，儲層保護(hù)效果與油基鉆井液相當(dāng)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于聚合醇鉆井液體系。這是因為SRPDLⅡ鉆井液優(yōu)良的抑制頁巖水化膨脹作用減弱了孔喉水化膨脹縮徑效果，且其濾液的表面張力比聚合醇鉆井液小的多，從而減小了濾液的毛管力和侵入深度。因此，SRPDLⅡ鉆井液可以大幅降低其對超低滲頁巖儲層的水鎖傷害，減少液相圈閉，有助于在鉆井開發(fā)過程中的保護(hù)儲層，利于頁巖氣產(chǎn)出。

表4 鉆井液對頁巖巖心滲透率損害性評價

注：巖心選取勝利油田SFD2井沙三下段儲層頁巖巖樣。

2.3 流變性能

測試了3種鉆井液120 ℃、16 h熱滾前后的流變性，結(jié)果如表5所示。結(jié)果表明，與聚合醇鉆井液和油基鉆井液相比，SRPDLⅡ鉆井液熱滾前后流變性能穩(wěn)定，降濾失性能和極壓潤滑性能優(yōu)良。

表5 鉆井液流變性能評價結(jié)果

3 結(jié)論

(1) 制備出了一種高效頁巖氣儲層保護(hù)劑納米乳液SDME-2。SDME-2具有超低界面張力，可使頁巖表面發(fā)生潤濕反轉(zhuǎn)，減少濾液入侵，顯著提高頁巖儲層滲透率恢復(fù)值。SDME-2能夠吸附于頁巖表面，可顯著削弱頁巖對甲烷氣的吸附能力，有利于甲烷分子的低壓解吸。

(2) 以納米乳液SDME-2作為儲層保護(hù)劑，構(gòu)建了保護(hù)頁巖氣儲層的水基鉆井液。該鉆井液流變性良好，抑制性較強(qiáng)，具有良好的極壓潤滑性能和儲層保護(hù)性能。

[1] 盧運(yùn)虎，陳勉，安生.頁巖氣井脆性頁巖井壁裂縫擴(kuò)展機(jī)理[J].石油鉆探技術(shù)，2012，40(4)：13-16.

Lu Yunhu，Chen Mian，An Sheng.Brittle shale wellbore fracture propagation mechanism[J].Petroleum Drilling Techniques，2012，40(4)：13-16.

[2] 黃維安，邱正松，岳星辰，等.頁巖氣儲層損害機(jī)制及保護(hù)水基鉆完井液技術(shù)[J].中國石油大學(xué)學(xué)報，2014，38(3)：99-105.

Huang Wei’an，Qiu Zhengsong，Yue Xingchen，et al. Damage mechanism and water-based drilling fluid protection technology for shale gas reservoir[J].Journal of China University of Petroleum，2014，38(3)：99-105.

[3] 姜政華，童勝寶，丁錦鶴.彭頁HF-1頁巖氣水平井鉆井關(guān)鍵技術(shù)[J].石油鉆探技術(shù)，2012，40(4)：28-31.

Jiang Zhenghua，Tong Shengbao，Ding Jinhe.Key technologies adopted for shale gas horizontal well Pengye HF-1[J].Petroleum Drilling Techniques，2012，40(4)：28-31.

[4] 萬濤，王躍川.以石油醚為油相的微乳液結(jié)構(gòu)研究[J].石油學(xué)報(石油加工)，2006，22(2)：27-32.

Wan Tao，Wang Yuechuan.Study on the structure of microemulsion formed by petroleum ether as oil phase[J].Acta Petrolei Sinica(Petroleum Processing Section)，2006，22(2)：27-32.

[5] 翁建新，黃婷婷.電導(dǎo)法研究陽離子表面活性劑微乳液[J].西南民族大學(xué)學(xué)報，2006，31(6)：899-902.

Weng Jianxin，Huang Tingting.Conductometric study of microemulsion with cationic surfactant[J].Journal of Southwest University for Nationalities，2006，31(6)：899-902.

[6] 李紅梅，李偉，于小龍，等.納米乳化石蠟鉆井液在延長低滲油田的應(yīng)用[J].石油化工應(yīng)用，2012，31(11)：37-40.

Li Hongmei，Li Wei，Yu Xiaolong，et al.Application of nano-wax emulsion environmental protection drilling fluid in YanChang low permeability oilfield[J].Petrochemical Industry Application，2012，31(11)：37-40.

[7] Wang L，Li X，Zhang G，et al.Oil-in-water nanoemulsions for pesticide formulations[J].Journal of Colloid and Interface Science，2007，314(1)：230-235.

[8] Bouchemal K，Briancon S，Perrier E，et al.Nano-emulsion formulation using spontaneous emulsification：Solvent，oil and surfactant optimization[J].International Journal of Pharmaceutics，2004，280(1/2)：241-251.[9] 尹東霞，馬沛生，夏淑倩.液體表面張力測定方法的研究進(jìn)展[J].科技通報，2007，23(3)：424-429.

Yin Dongxia，Ma Peisheng，Xia Shuqian.Progress on methods for measuring surface tension of liquids[J].Bulletin of Science and Technology，2007，23(3)：424-429.

[10] Quintero L，Jones T A，Pietrangeli G.Phase boundaries of microemulsion systems help to increase productivity[R].SPE 144209，2011.

[11] Zelenev A S，Ellena L.Microemulsion technology for improved fluid recovery and enhanced core permeability to gas[R].SPE 122109，2009.

[12] Ramos S.The effect of shale composition on the gas sorption potential of organic-rich mud rocks in the western Canadian sedimentary basin[D].Vancouver：The University of British Columbia，2004:30-34.

[14] Chalmers G，Bustin R.The organic matter distribution and methane capacity of the Lower Cretaceous strata of Northeastern British Columbia[J].International Journal of Coal Geology，2007，70(1)：223-239.

[15] Ross D J K，Bustin R M.The importance of shale composition and pore structure upon gas storage potential of shale gas reservoirs[J].Marine and Petroleum Geology，2009，26(6)：916-927.

[16] 煤炭工業(yè)部煤礦安全標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.煤的甲烷吸附量測定方法(高壓容量法):MT/T 752—1997[S].北京：中華人民共和國煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，1998.

(編輯 宋官龍)

Preparation and Performance of Novel Reservoir Protection Agent SDME-2 Used for Shale Gas Reservoirs

Dong Bingqiang， Qiu Zhengsong， Wang Weiji， Zhong Hanyi， Song Dingding

(CollegeofPetroleumEngineering，ChinaUniversityofPetroleum(EastChina)，QingdaoShandong266580，China)

Water sensitive damage and liquid trap caused by water-based drilling fluid invasion are very prominent problems in the process of shale gas drilling and exploitation, which seriously affect drilling safety and production of shale gas well. According to the shale gas reservoir characterization and reservoir damage factor, based on nanoemulsion theory and basic reservoir protection principle, a novel nanoemulsion agents named SDME-2 were developed by employing Gemini hyamine surfactant GTN, plus Tween 80,n-amyl alcohol and n-octane as major raw materials. The results showed that the novel nanoemulsion agent could effectively reduce the surface tension of external fluid, increase contact angle, decrease water saturation in core, and increase recovery of low permeability reservoir permeability. The novel nanoemulsion agent was also conducive to shale gas desorption. Taking the newly developed shale gas reservoir protection agent as one of primary treatment agents, a new type of water-based drilling fluid for shale gas reservoir protection was developed and its performance was good.

Nanoemulsion; Reservoir protection; Shale gas; Water-based drilling fluid

1006-396X(2015)06-0061-05

2015-03-27

2015-04-29

國家自然科學(xué)基金(51474236)；中國石油集團(tuán)公司重點項目(2014A-4212)；中國博士后科學(xué)基金(2014M551986)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金(14CX06093A)。

董兵強(qiáng)(1990-)，男，碩士研究生，從事鉆井液技術(shù)研究；E-mail：dbqs123@163.com。

邱正松(1964-)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，從事油氣層保護(hù)和鉆井液技術(shù)方面的研究；E-mail：qiuzs63@sina.com。

TE254

A

10.3969/j.issn.1006-396X.2015.06.012