一種非離子表面活性劑壓裂液的實驗研究

周佩齡，王煦，趙瑩子，付萍

(1.西南石油大學 材料科學與工程學院，四川 成都 610500;2.四川省威爾敦化工有限公司，四川 德陽 618304)

粘彈性表面活性劑壓裂液(VES 壓裂液)，又稱為無聚合物壓裂液、清潔壓裂液，是1997 年由Schulumberger 公司提出的概念［1］，它是由特殊表面活性劑在一定條件下形成蠕蟲狀膠束，并相互纏繞成動態(tài)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的新型壓裂液體系。由VES 形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)有別于聚合物的不可逆結(jié)構(gòu)，因此又被稱作“活性聚合物”，這種可逆結(jié)構(gòu)在剪切下結(jié)構(gòu)會拆散，停止剪切后又自動恢復，具有很好的粘彈性。

與常規(guī)的聚合物壓裂液體系相比，VES 壓裂液具有本身無固相、破膠徹底無殘渣、彈性攜砂、粘度低、摩阻小、配制簡單、操作方便等優(yōu)勢［2-6］。近年來瓜爾膠成本的升高，更為VES 壓裂液的研制和推廣提供了有利條件。

隨著我國對schlumberger 公司的Clear FARC 的引進，近十多年VES 壓裂液的研制和應用在我國發(fā)展迅速［7-13］;但是VES 壓裂液主劑主要還是陽離子季銨鹽型［8，10，11，13］，品種相對單一。為了豐富VES壓裂液的種類，本研究優(yōu)化出了一種非離子表面活性劑的壓裂液的配方，并考察了這種VES 壓裂液的性能。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

芥酸，工業(yè)級;N，N'-二甲基-1，3-丙二胺、2-丙烯酰胺基-甲基丙磺酸(AMPS)、甲醇、甘油均為分析純;20 ～40 目陶粒。

ZNN-D6 型六速旋轉(zhuǎn)粘度計;HAAKE RS600 流變儀;Thermo Fisher 6700 紅外吸收光譜儀。

1.2 實驗方法

1.2.1 非離子表面活性劑的合成芥酸與N，N'-二甲基-1，3-丙二胺以一定的摩爾比在140 ～170 ℃油浴下回流反應5 h。真空蒸餾去除過量的N，N'-二甲基-1，3-丙二胺，得到初產(chǎn)品。在80 ℃恒溫熔融，轉(zhuǎn)入40 ℃冷卻、結(jié)晶、過濾，濾液為非離子表面活性劑。

1.2.2 壓裂液的配制將一定量的非離子表面活性劑、甲醇和甘油混合均勻，得到增稠劑VES-A。稱量一定量VES-A 加入到裝有400 mL 蒸餾水的燒杯中，攪拌至形成穩(wěn)定的乳濁液后，再加入一定量的AMPS，繼續(xù)攪拌1 ～2 min，至形成澄清的粘彈性壓裂液。使用六速旋轉(zhuǎn)粘度計測量在25 ℃、300 r/min轉(zhuǎn)速下的表觀粘度。

1.3 清潔壓裂液性能評價方法

將SY/T 6376—2008 中粘彈性表面活性劑壓裂液通用技術指標作為評價標準，根據(jù)SY/T 5107—2005 標準的方法評價壓裂液的耐溫耐剪切能力、攜砂能力和破膠性能。

1.3.1 攜砂性測試用量筒量取100 mL 蒸餾水，倒入燒杯中，按表面活性劑質(zhì)量分數(shù)2. 8% 和3.6%、甲醇(質(zhì)量分數(shù)1.2%)配制好壓裂液。用電子天平準確稱量20，40，60 g 陶粒，倒入裝有壓裂液的燒杯中。在玻璃棒攪拌下，使陶粒均勻懸浮于壓裂液中。將攜帶陶粒的壓裂液倒入100 mL 量筒，秒表記錄陶粒的沉降時間。

1.3.2 破膠性測試測試溫度為90 ℃，測試時間分別為30，60，120 min。

2 結(jié)果與討論

2.1 紅外波譜分析

芥酸和產(chǎn)物的紅外譜光圖見圖1。

圖1 芥酸與產(chǎn)物的紅外光譜對比圖Fig.1 The comparison chart of the IR spectrum of erucic acid and the product

由圖1 可知，直觀發(fā)現(xiàn)兩條紅外曲線存在差異。在3 286.64，1 647.76，1 539.89，1 033.83 cm－1出現(xiàn)了強吸收峰，與芥酸的紅外譜圖有明顯的區(qū)別，說明反應生成了新的物質(zhì)，結(jié)合反應原理和特征峰，可初步推測官能團為—CH2—CO—NH—，產(chǎn)物可能為芥酸酰胺類化合物。

2.2 體系表觀粘度與表面活性劑質(zhì)量分數(shù)的關系

當甲醇和甘油的質(zhì)量比為2 ∶1(總質(zhì)量分數(shù)1.2%)，AMPS 質(zhì)量分數(shù)為0.027 5%時，不同表面活性劑質(zhì)量分數(shù)的溶液的表觀粘度見圖2。

由圖2 可知，其它條件一定時，隨著溶液中表面活性劑質(zhì)量分數(shù)的增加，溶液的表觀粘度先增加后降低，3.6%時達峰值;并且當表面活性劑濃度某值時，溶液表觀粘度會出現(xiàn)驟升。這說明當交聯(lián)劑AMPS 量足夠時，溶液表觀粘度主要由表面活性劑濃度決定。實驗結(jié)果表明，當表面活性劑質(zhì)量分數(shù)＞2. 4% 時才可能形成強凝膠;高于3. 7% 后，0.027 5%的AMPS 加量不能使溶液澄清，說明表面活性劑和AMPS 加量存在最佳配比。

圖2 表觀粘度與表面活性劑質(zhì)量分數(shù)的關系Fig.2 The relationship between the apparent viscosity and the mass fraction of the surfactant

2.3 體系表觀粘度與AMPS 質(zhì)量分數(shù)的關系

當表面活性劑質(zhì)量分數(shù)為3.6%，甲醇質(zhì)量分數(shù)為1.2%，不同AMPS 質(zhì)量分數(shù)的溶液的表觀粘度見圖3。

圖3 表觀粘度與AMPS 質(zhì)量分數(shù)的關系Fig.3 The relationship between the apparent viscosity and the mass fraction of AMPS

由圖3 可知，隨AMPS 加量的增加，溶液表觀粘度在經(jīng)歷兩個驟升之后趨于平穩(wěn)，這可能是因為隨AMPS 的加入，溶液中先形成了稍短鏈蠕蟲狀膠束后，又隨著蠕蟲狀膠束的生長，膠束間發(fā)生纏結(jié)，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，而這種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)在適量AMPS 作用下呈動態(tài)平衡。但超過某一值后出現(xiàn)下降趨勢。這可能是因為當AMPS 超過一定量后，再繼續(xù)增加AMPS 的量，將破壞膠束聚集體的結(jié)構(gòu)而使表觀粘度下降。實驗結(jié)果表明，當AMPS 質(zhì)量分數(shù)為0.025% ～0.047 5%時，表觀粘度＞80 mPa·s，當表面活性劑質(zhì)量分數(shù)為3. 6% 時，選擇加量0.027 5%作為壓裂液優(yōu)化配方。

2.4 體系表觀粘度與助溶劑A 和B 質(zhì)量分數(shù)的關系

當表面活性劑質(zhì)量分數(shù)為2.8%，甲醇和甘油的總質(zhì)量分數(shù)為1. 2%，AMPS 質(zhì)量分數(shù)為0.027 5%時，不同甲醇質(zhì)量分數(shù)溶液的表觀粘度見圖4。

圖4 表觀粘度與甲醇質(zhì)量分數(shù)的關系Fig.4 The relationship between the apparent viscosity and the mass fraction of methanol

由圖4 可知，甲醇和甘油的質(zhì)量分數(shù)對溶液表觀粘度影響很大，甲醇更有利于表面活性劑分子蠕蟲狀膠束的形成。

綜上所述，清潔壓裂液的最優(yōu)配方為:AMPS 0.027 5%，表面活性劑3.6%，甲醇1.2%和水。

2.5 體系的耐溫耐剪切能力

對最優(yōu)配方進行耐溫耐剪切測試，結(jié)果見圖7、圖8。

圖5 30 ℃時體系表觀粘度與時間的關系Fig.5 The relationship between the apparent viscosity and time at 30 ℃

圖6 95 ℃時體系表觀粘度與時間的關系Fig.6 The relationship between the apparent viscosity and time at 95 ℃

由圖7、圖8 可知，隨溫度的升高體系的表觀粘度均有所下降，當溫度穩(wěn)定在設定溫度后，表觀粘度趨于穩(wěn)定。說明在一段時間內(nèi)，體系表觀粘度基本不受剪切時間影響，但受溫度影響較大。體系的低溫(30 ℃)表觀粘度較中高溫(95 ℃)高，但在95 ℃時仍高于40 mPa·s，根據(jù)標準，該體系能用作壓裂液。

2.6 體系的攜砂性能和破膠性能

2.6.1 攜砂性能結(jié)果表明，兩個體系在200 ～400 砂比時靜置7 d 均無沉降，而2.8%體系在600砂比時10 min 沉降1/3，3.6%體系靜置7 d 仍無沉降。

2.6.2 破膠性能測試結(jié)果見表1，破膠前的表觀粘度為120 mPa·s。

表1 破膠劑加量對清潔壓裂液的破膠性能的影響Table 1 Impact on the gel-breaking property of the amount of the gel-breaker

由表1 可知，破膠劑加量在3.5%以上，壓裂液在60 ～120 min 可破膠，破膠粘度為3 mPa·s，符合標準。破膠液離心后的殘渣量為0，說明破膠完全無殘渣，不會對地層的滲透率造成傷害。

3 結(jié)論

(1)合成了一種芥酸酰胺類非離子表面活性劑，與AMPS 的配合作用下，可在水溶液中產(chǎn)生粘彈性，能用作清潔壓裂液的主劑。

(2)在甲醇的作用下，當表面活性劑質(zhì)量分數(shù)為2.4% ～3.8%，AMPS 為0.025% ～0.048%時，溶液表觀粘度均≥30 mPa·s，可用作清潔壓裂液的配方。最優(yōu)配方為:3. 6% 表面活性劑，0. 027 5%AMPS，甲醇1.2%和水。

(3)評價了體系的耐溫耐剪切性能和攜砂性能，最優(yōu)配方耐溫達95 ℃，適合低溫和中高溫地層;體系具有優(yōu)良的攜砂性，通過調(diào)節(jié)表面活性劑的濃度，即可達到不同的攜砂要求。

(4)加入3. 5% 的破膠劑后，壓裂液在60 ～120 min 破膠，破膠徹底，無殘渣。

［1］ Slaheddine K，Jesse L，Timothy L P，et al.Expanding application for viscoelastic surfactants［J］.Oilfield Review，2004，16(4):10-23.

［2］ 劉新全，易明新，趙金鈺，等.粘彈性表面活性劑(VES)壓裂液［J］.油田化學，2001，18(3):273-277.

［3］ Mathew Samuel，Dan Polson，Don Graham，et al. Viscoelastic surfactant fracturing fluid:Applications in low permeability reservoirs［J］.SPE 60322，2000.

［4］ 江波，張燈，李東平，等.耐溫VES 壓裂液SCF 的性能［J］.油田化學，2003，20(4):332-334.

［5］ 劉友權(quán)，王小紅，唐永帆.清潔壓裂液在四川氣田的應用［J］.鉆采工藝，2003，26(增刊):116-120.

［6］ 劉偉，劉建權(quán).VES-80 清潔壓裂液實驗研究［J］.鉆井液與完井液，2004，21(3):16-18.

［7］ 王滿學，劉易非. 低傷害清潔壓裂液VES-1 的研制與應用［J］.石油與天然氣化工，2004，33(3):188-192.

［8］ 盧擁軍，方波，房鼎業(yè)，等. 粘彈性表面活性劑壓裂液VES-70 工藝性能研究［J］. 油田化學，2004，21(2):120-123.

［9］ 崔會杰，王國強，馮三利，等. 清潔壓裂液在煤層氣井壓裂中的應用［J］.鉆井液與完井液，2006，23(4):58-91.

［10］羅明良，賈自龍，劉佳林，等. 壓裂酸化用粘彈性表面活性劑溶液研究進展［J］.應用化工，2010，39(6):912-915.

［11］高潔，吳金橋，許亮，等. 新型連續(xù)混配性清潔壓裂液體系研究［J］.應用化工，2011，40(11):1932-1934.

［12］張福銘，李學軍，陳小華，等. 海水基清潔壓裂液體系PA-VES90 的制備及性能研究［J］. 科學技術與工程，2012，12(8):1760-1764.

［13］苑光宇，侯吉瑞，羅煥，等. 清潔壓裂液的研究與應用現(xiàn)狀及未來發(fā)展趨勢［J］. 日用化學工業(yè)，2012，42(4):288-297.