一種清潔壓裂液的室內(nèi)性能評價

黃 瑋，胡良培，劉芷君，張春雪，徐 磊，叢玉鳳(遼寧石油化工大學(xué)化學(xué)化工與環(huán)境學(xué)部，遼寧撫順 113001)

一種清潔壓裂液的室內(nèi)性能評價

黃 瑋，胡良培，劉芷君，張春雪，徐 磊，叢玉鳳
(遼寧石油化工大學(xué)化學(xué)化工與環(huán)境學(xué)部，遼寧撫順 113001)

選出一種由長鏈烷基季銨鹽與烷基磺酸鹽復(fù)配的黏彈性表面活性劑作為清潔壓裂液的稠化劑，并以此表面活性劑為主劑；向其中添加黏土穩(wěn)定劑等其它添加劑，并通過單因素分析和正交實(shí)驗(yàn)方法，優(yōu)選出新型清潔壓裂液體系的配方；對其抗溫性能、耐剪切性能、懸砂性能、破膠性能及黏彈性進(jìn)行了室內(nèi)分析。結(jié)果表明,該清潔壓裂液體系具有良好的抗溫穩(wěn)定性，耐剪切能力強(qiáng)，懸砂性能好，破膠完全，破膠后殘渣量較少，并且配制簡單。

清潔壓裂液；表面活性劑；懸砂性；黏彈性

壓裂液性能是壓裂增產(chǎn)技術(shù)的關(guān)鍵影響因素之一，其對于延長地層中新造的裂縫長度與寬度、攜帶支撐劑以及整個裂縫中輸送并傳遞壓力發(fā)揮了至關(guān)重要的作用，而且壓裂增產(chǎn)作業(yè)過程當(dāng)中，油氣井的增產(chǎn)效率及施工的成功率都與壓裂液的性能息息相關(guān)。自20世紀(jì)90年代末，斯倫貝謝公司研發(fā)具有黏彈性的表面活性劑壓裂液體系并在油氣田現(xiàn)場作業(yè)中應(yīng)用成功，開辟了清潔壓裂液體系的先河，由此掀起了一股研究熱潮[1]。由于具有黏彈性的表面活性劑在溶液中能形成具有一定黏度的彼此纏繞的蠕蟲狀膠束，而這種膠束，會隨著表面活性劑濃度的增大，尤其在水溶液中親油基疏水作用下自動相互纏繞而形成具有三維空間的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而構(gòu)成一種具有高黏彈性和抗剪切型的黏彈體溶液，使得體系符合了壓裂液的性能[2-3]。這種清潔壓裂液體系不僅降低了壓裂作業(yè)難度，減少了添加劑種類，配制工藝流程簡單，壓裂液流變性能穩(wěn)定，攜砂能力強(qiáng)，而且對油氣藏儲層的傷害小[4-6]。本實(shí)驗(yàn)根據(jù)清潔壓裂液的成膠機(jī)理和流變特性[7-9]，自配優(yōu)選的黏彈性表面活性劑(VES)壓裂液進(jìn)行了室內(nèi)研究，并對其抗溫性能、耐剪切性能、懸砂性能、破膠性能及黏彈性進(jìn)行了分析。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑及儀器

十八烷基三甲基氯化銨，分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；氯化鉀，分析純，沈陽化學(xué)試劑廠；異丙醇、十二烷基苯磺酸鈉、油酸，分析純，天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所。

NDJ-79旋轉(zhuǎn)黏度計，上海平軒科學(xué)儀器有限公司；YXS數(shù)顯超級恒溫水浴，鄄城華魯電熱儀器有限公司；ES-200A分析天平，沈陽市龍騰電子稱量儀器有限公司；Hakee RS-300流變儀，Thermo Electron Corporation Material Characterization Business International/Germany；DJ-1型精密電動攪拌器，金壇市大地自動化儀器廠。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)采用L9(33)正交實(shí)驗(yàn)分析各因素對清潔壓裂液體系表觀黏度的影響，得到配制清潔壓裂液的最佳方案，其中表面活性劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(A)、黏土穩(wěn)定劑KCl的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(B)及有機(jī)鹽的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(C)為實(shí)驗(yàn)的3個因素，反應(yīng)溫度在80 ℃。表1為正交實(shí)驗(yàn)因素與水平設(shè)置。

表1 正交實(shí)驗(yàn)因素與水平設(shè)置Table 1 Setting of the orthogonal experiment factor and levels

2 結(jié)果與討論

2.1 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2，利用極差分析法分析各因素對壓裂液黏度的影響程度，結(jié)果見表3。

表2 L9(33)正交實(shí)驗(yàn)方案Table 2 Orthogonal test scheme

表3 正交實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)極差分析結(jié)果Table 3 The range analysis result about orthogonal test data

極差值越大與之相對應(yīng)的這種因素對目標(biāo)產(chǎn)物黏度的影響越大，反之越小。由表3可以看出，3種因素對壓裂液黏度的影響程度依次為:A>B>C，即VES的質(zhì)量分?jǐn)?shù)>KCl的質(zhì)量分?jǐn)?shù)>有機(jī)鹽的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。可以看出雖然表面活性劑的添加量相對于整個壓裂液體系來說微乎其微，但是對壓裂液體系的表觀黏度的影響是比較大的，其次就是無機(jī)鹽KCl的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，這兩種添加劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)直接影響整個體系的性能。綜合以上評論，本實(shí)驗(yàn)中壓裂液主要添加劑的優(yōu)化配方為A3B2C2。

2.2 壓裂液的配方

通過正交實(shí)驗(yàn)方法，對實(shí)驗(yàn)因素的各個水平進(jìn)行優(yōu)化分析，得出實(shí)驗(yàn)室自配的VES清潔壓裂液的配比(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為:5.5%VES+4.0%有機(jī)鹽+3.0%黏土穩(wěn)定劑+1%其它助劑，pH在8.0左右，室溫條件下外觀呈乳白色黏稠狀流體，溫度升高后為無色透明狀。

2.3 性能評價

根據(jù)我國對油田石油化學(xué)品的行業(yè)通用技術(shù)SY/T 6376—2008《壓裂液通用技術(shù)條件》[10]以及評價標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5107—2005《水基壓裂液性能評價方法》[11]對清潔壓裂液進(jìn)行抗溫耐剪切性、破膠性能及流變性等基本性能進(jìn)行室內(nèi)分析評價。

2.3.1 黏溫特性和耐剪切性能 實(shí)驗(yàn)考察壓裂液的黏度隨溫度的變化，結(jié)果見圖1?？疾靿毫岩旱目辜羟行阅?，結(jié)果見圖2。

圖1 清潔壓裂液的黏度隨溫度的變化曲線

Fig.1Theviscositytemperaturecurveof
cleanfracturingfluid

圖2 清潔壓裂液的抗剪切曲線

Fig.2Shearresistancecurveofcleanfracturingfluid

從圖1和圖2中可以看出，由于溫度的不斷上升，壓裂液體系黏度逐漸下降，這是由于隨著溫度的升高清潔壓裂液體系內(nèi)的表面活性劑所構(gòu)造的三維空間的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性開始改變，溫度升高，離子布朗運(yùn)動劇烈，膠束離子運(yùn)動也隨著加強(qiáng)，空間結(jié)構(gòu)受到動搖。當(dāng)溫度達(dá)到預(yù)先設(shè)定的溫度時，繼續(xù)保持剪切，體系黏度不再發(fā)生大的變化，可能的主要原因是由于表面活性劑在壓裂液體系中形成的三維空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)在不斷的毀壞和重組，最終達(dá)到了一種動態(tài)平衡。壓裂液的表觀黏度不再隨著剪切時間的增加而出現(xiàn)大的變化，在一個小的范圍內(nèi)保持恒定。由此可以得出在90 ℃時，該體系擁有穩(wěn)定而又優(yōu)良的抗剪切性能。

2.3.2 懸砂性 實(shí)驗(yàn)對壓裂液的懸砂性進(jìn)行分析，結(jié)果見表4。

表4 VES清潔壓裂液在不同溫度下的沉降速度Table 4 The sedimentation velocity of VES clean fracturing fluid at different temperatures

從表4中可以看出，在一定范圍內(nèi)隨著溫度的上升，黏度逐漸減小，沉降速度也減小，說明壓裂液的懸砂能力與其黏度的確存在密不可分的關(guān)系:表觀黏度越大，自由沉降速度越小，壓裂液體系的懸砂能力越強(qiáng)。由表4數(shù)據(jù)可以看出，該壓裂液體系的懸砂能力較強(qiáng)。

2.3.3 破膠性 將壓裂液分別與柴油、乙醇及自來水以體積比1∶1混合，攪拌均勻后，在水浴鍋中恒溫靜置，考察壓裂液的破膠性，結(jié)果見表5。從表5中看到，該清潔壓裂液與柴油、乙醇及自來水的破膠時間都比較短，破膠后黏度都比較小，而且破膠后無殘渣。

表5 清潔壓裂液體系的破膠性能Table 5 Gel breaking performance of VES clean fracturing fluid system

2.3.4 黏彈性 物質(zhì)的黏彈性是在受到外力作用時而體現(xiàn)出的黏性和彈性等兩面性質(zhì)[12]。儲能模數(shù)G′是衡量彈性的尺度，與之相反衡量黏性的一個尺度是耗能模數(shù)G″。我國對壓裂液體系的要求標(biāo)準(zhǔn)為:儲能模量G′≥2.0 Pa，耗能模量G″≥0.3 Pa。Hoffmann等人提出一種判斷溶液黏彈性的方法:在0.1～10 Hz內(nèi)G′>G″并且滿足G′>0.1 Pa，就認(rèn)為在特定溫度下具有黏彈性[13]。實(shí)驗(yàn)考察壓裂液的黏彈性，結(jié)果見表6。

由表6可以看出，該壓裂液體系在不同溫度條件下，儲能模量遠(yuǎn)高于耗能模量。通過兩組溫度下的數(shù)據(jù)對比，說明該壓裂液體系具有黏彈性并且以彈性為主，具有良好的攜砂性能，足夠滿足壓裂施工對攜砂能力的要求。

表6 VES清潔壓裂液在不同溫度下的黏彈性Table 6 The viscoelastic performance of VES clean fracturing fluid at different temperatures

3 結(jié)論

(1)清潔壓裂液配方的正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化條件為:十八烷基三甲基季銨鹽的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.5%，有機(jī)鹽十二烷基硫酸鈉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.0%，黏土穩(wěn)定劑KCl的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.0%，其它助劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%。

(2)優(yōu)化出的清潔壓裂液體系擁有穩(wěn)定的耐溫性能和優(yōu)異的抗剪切能力，在90 ℃下，能保持一定的黏彈性能；并且具有很好的懸砂性能與破膠性，而且破膠后的溶液的黏度非常小，不含有固體殘渣，可以順利的返排出地層，壓裂殘液不會對地層造成損傷。

[1]Samuel M.Polymer-free liquid for hydraulic fracturing[R]．SPE 38622，1997．

[2]Centurion S，Rengifo Metal．Successful application of a novel fracturing fluid in the Chicon-tepec Basin，Mexico[R].SPE 103879,2006．

[3]賈振福，郭擁軍.清潔壓裂液的研究與應(yīng)用[J]．精細(xì)石油化工進(jìn)展，2005，6(5):4-7． Jia Zhenfu，Guo Yongjun．Research on and application of clean fracturing fluids[J]．Advances in Fine Petrochemicals，2005，6(5):4-7．

[4]姚同玉．季銨鹽型表面活性劑的吸附特性研究[J]．西安石油大學(xué)學(xué)報，2003，18(1):36-38． Yao Tongyu．Adsorptive property of quaternary cationic surfactants[J]．Journal of Xi’an Petroleum Institute,2003，18(1):36-38．

[5]畢只初．十六烷基三甲基溴化銨在二氧化硅表面吸附的研究[J]．化學(xué)試劑，1997，19(6):331-333． Bi Zhichu．Research cetyl trimethyl ammonium bromide adsorption on the surface of silica[J]．Chemical Reagents，1997，19(6):331-333．

[6]宋新旺．潤濕性對油水滲透特性的影響[J]．油田化學(xué)，2008，25(4):305-307． Song Xinwang．Influence of wettability on water permeability characteristics[J]．Oilfield Chemistry，2008，25(4):305-307．

[7]仵彥卿，張倬元．巖體水力學(xué)導(dǎo)論[M]．成都:西南交通大學(xué)出版社，1995．

[8]楊天鴻，唐春安，劉紅元，等．承壓水底板突水失穩(wěn)過程的數(shù)值模型初探[J]．地質(zhì)力學(xué)學(xué)報，2003，9(3):281-288． Yang Tianhong，Tang Chun’an，Liu Hongyuan,et al．Numerical model of the instability-failure process of the coal bed floor due toconfined water inrush[J]．Journal of Geomechanics，2003，9(3):281-288．

[9]王連國，宋揚(yáng)．煤層底板突水突變模型[J]．工程地質(zhì)學(xué)報，2002，8(2):160-163． Wang Lianguo，Song Yang．A catastrophic model of water-inrush from coal floor[J]．Journal of Engineering Geology，2002，8(2):160-163．

[10]國家發(fā)展和改革委員會.SY/T 6376—2008壓裂液通用技術(shù)條件[S]．北京:石油工業(yè)出版社，2008.

[11]國家發(fā)展和改革委員會.SY/T 5107—2005水基壓裂液性能評價標(biāo)準(zhǔn)[S]．北京:石油工業(yè)出版社，2005.

[12]劉彥鋒，郭學(xué)輝，張穎,等．VES清潔壓裂液的研制及應(yīng)用[J]．應(yīng)用化工，2012，41(10):1777-1780． Liu Yanfeng，Guo Xuehui，Zhang Ying，et al．Preparation and application of VES clean fracturing fluid[J]．Applied Chemical Industry，2012，41(10):1777-1780．

[13]王維明．VES-18清潔壓裂液性能實(shí)驗(yàn)與應(yīng)用[J]．煤田地質(zhì)與勘探，2010，38(3):24-31． Wang Weiming．Experiment and application of VES-18 clean fracturing fluid[J]．Coal Geology & Exploration，2010，38(3):24-31．

(編輯 閆玉玲)

Laboratory Performance Analysis of Clean Fracturing Fluid

Huang Wei，Hu Liangpei，Liu Zhijun，Zhang Chunxue，Xu Lei，Cong Yufeng
(CollegeofChemistry，ChemicalEngineeringandEnvironmentalEngineering，LiaoningShihuaUniversity，F(xiàn)ushunLiaoning113001，China)

A viscoelastic surfactant which contained a long chain alkyl quaternary ammonium compound with a kind of alkyl sulfosalt as the thickening agent of clean fracturing fluid was selected.Then this surface active agent was used as main agent, clay stabilizer and others additives were added.The formulation of new clean fracturing fluid was obtained through single factor analysis and orthogonal test method.The temperature resistance, shear resistance, sand-suspend, gel breaking and viscoelastic performance were analyzed in the laboratory.The results showed that the clean fracturing fluid system had good temperature stability, strong shear resistance, good sand-suspend performance, and the residue and viscosity of the system after gel breaking were at a low level, which can be easy prepared.

Clean fracturing fluid; Surfactant; Sand-suspend performance; Viscoelasticity

1006-396X(2014)06-0072-04

2014-05-25

:2014-07-28

遼寧省教育廳資助項(xiàng)目(PYF 149)。

黃瑋(1962-)，男，博士,教授，從事石油化學(xué)品的研制與開發(fā);E-mail:Huangwei6210@163.com。

TE357.1+2

: A

10.3969/j.issn.1006-396X.2014.06.015