VES壓裂液的性能研究與循環(huán)使用

魯大麗，陳 勇，熊青山

（1.長江大學 工程技術學院 油氣田開發(fā)實驗室，湖北 荊州 434020；2.長江大學 油氣鉆井技術國家工程實驗室，湖北 武漢 430100）

水力壓裂作為油田開采的一種重要增產(chǎn)措施，壓裂液是其中的核心液體，也是研究熱點［1-2］。目前，水基壓裂液稠化劑主要以天然聚合物瓜爾膠類和人工合成的聚合物為主。分析相關現(xiàn)場的壓裂返排液可知，壓裂時泵送的瓜爾膠壓裂液約有55%～65%在返排期滯留在地層［3-5］。清潔壓裂液（VES）適用于中低滲的壓裂作業(yè)，在低黏度下仍具有較強的攜砂能力，具有相對分子質(zhì)量較小、摩擦阻力低、現(xiàn)場配液溶解迅速、易配制、無需添加交聯(lián)劑、能有效延長裂縫長度等優(yōu)點［6-7］。VES體系是黏彈性表面活性劑，當濃度超過臨界膠束濃度時，自身形成蠕蟲狀膠束纏繞構成網(wǎng)狀結(jié)構，溶液黏彈性明顯變大，達到壓裂液的要求［8-10］。VES壓裂液的破膠不同于聚合物體系［11-13］，當有機物質(zhì)溶解到這種膠束結(jié)構的核心時，最終會導致膠束結(jié)構的破壞，網(wǎng)狀膠束會轉(zhuǎn)變?yōu)榍驙罱Y(jié)構而黏度降低，達到破膠。

本工作采用陽離子雙子黏彈性表面活性劑和KCl制備了一種清潔壓裂液（VES），并采用5%（w）的煤油對該壓裂液進行破膠，破膠液用鹽酸純化析出，過濾得到其中的表面活性劑再次進行配液回收循環(huán)使用。采用FTIR和SEM方法對回收前后的VES壓裂液結(jié)構進行表征。對回收前后VES壓裂液的黏彈性、流變性、攜砂性等性能進行研究，并進行了巖心傷害實驗和破膠實驗。

1 實驗部分

1.1 主要試劑與儀器

長鏈油酸（化學純）、乙醇胺（分析純）、二甲胺基丙胺（分析純）、環(huán)氧氯丙烷（分析純）：安耐吉科技有限公司；KCl，NaOH，Na2CO3：分析純，湖北普星特化學試劑有限公司。

Haake MARS Ⅲ型流變儀：美國賽默飛世爾科技公司；Nicolet 6700型傅里葉變換紅外光譜儀：美國賽默飛世爾科技公司；EM-30型掃描電子顯微鏡：北京天耀科技有限公司。

1.2 VES壓裂液合成

黏彈性雙子表面活性劑的合成：將環(huán)氧氯丙烷緩慢滴入不斷攪拌的乙醇胺中，n（乙醇胺）∶n（環(huán)氧氯丙烷）= 1∶2，然后在室溫下反應10 h，得到中間體A；以少量的KOH溶液為催化劑，將油酸和N，N-二甲基-1，3-丙二胺按n（油酸）∶n（N，N-二甲基-1，3-丙二胺）= 1∶1的比例混合，在160 ℃下反應12 h，得到中間體B；將得到的兩種中間體以n（中間體A）∶n（中間體B）= 1∶2的比例混合，乙醇為溶劑，在90 ℃下反應12 h后得到黏彈性雙子表面活性劑，用丙酮純化后，干燥待用。

先將2.5%（w）的黏彈性雙子表面活性劑加入適量水中配成水溶液，然后采用1.0%（w）KCl（反離子鹽）使表面活性劑在水溶液中形成具有黏彈性的蠕蟲狀膠束結(jié)構，即為VES壓裂液。然后按照標準［14-15］對所配制的VES壓裂液進行評價。

1.3 VES壓裂液的破膠與回收

在VES壓裂液中加入5%（w）的煤油進行混合，在50 ℃的恒溫水浴中保持3 h實現(xiàn)破膠。

破膠后溶液分成兩相（上清液為煤油，下層為表面活性劑溶液），將表面活性劑從溶液中高效地提取出來重新利用即為回收。常規(guī)的加熱蒸發(fā)滿足不了實際回收需求，大量實驗結(jié)果表明，加入鹽酸可有效促進表面活性劑與溶液的分離。為了降低應用成本，本工作將回收后的表面活性劑直接用水稀釋配成壓裂液再次使用。

1.4 表征與性能測試

對合成的黏彈性雙子表面活性劑及回收后的循環(huán)產(chǎn)物進行FTIR表征，比較表面活性劑分子結(jié)構的變化；采用流變儀測試回收前后相同含量的表面活性劑所配置的VES壓裂液的流變性能，25 ℃，振蕩模式，應變幅度為12%，且頻率掃描在均線性黏彈性區(qū)域內(nèi)；對回收前后相同含量的表面活性劑所配置的VES壓裂液進行巖心傷害實驗和破膠實驗。

2 結(jié)果與討論

2.1 FTIR表征結(jié)果

圖1為表面活性劑的FTIR譜圖。

圖1 表面活性劑的FTIR譜圖Fig.1 FTIR spectra of surfactants.

由圖1可知，回收前后的表面活性劑的FTIR譜圖特征峰幾乎相同，曲線上3 357 cm-1處歸屬于—OH基團特征峰，2 925 cm-1和2 857 cm-1處歸屬于—CH3和—CH2特征峰，1 652 cm-1處歸屬于C==O雙鍵特征峰，1 543 cm-1處歸屬于—NH特征峰，1 085 cm-1和1 465 cm-1處歸屬于仲醇上C—O和甲基上C—H的彎曲振動吸收峰。因此，回收前后的表面活性劑結(jié)構未發(fā)生變化，VES壓裂液可重復使用。

2.2 黏彈性測試結(jié)果

圖2為以回收后的表面活性劑所制備的壓裂液黏彈性測試結(jié)果。

圖2 模量與掃描頻率的關系Fig.2 The relationship between modulus and scanning frequency.

由圖2可知，在整個頻率掃描范圍內(nèi)彈性模量（G′）明顯大于黏性模量（G″），而當頻率接近10 Hz時，G″略有增加。這表明在測試頻率范圍內(nèi)，流體具有很好的彈性性質(zhì)，說明以回收后的表面活性劑所制備的壓裂液適用于支撐劑懸浮液。實驗結(jié)果表明，以經(jīng)1～5次回收循環(huán)后的表面活性劑所制備的壓裂液仍具有良好的彈性性質(zhì)。

2.3 流變性能測試結(jié)果

圖3為VES壓裂液剪切性能測試結(jié)果。由圖3可知，剛開始剪切時各試樣迅速降低，到一定值后，出現(xiàn)波動，20 min后所有試樣的黏度都維持穩(wěn)定。原始試樣中由于表面活性劑含量較高，所以黏度明顯高于其他回收循環(huán)試樣；而經(jīng)1～5次回收循環(huán)后的試樣黏度幾乎沒有差別，在60 min內(nèi)各回收循環(huán)試樣黏度緩慢下降至約50 mPa·s，仍可滿足生產(chǎn)應用的要求。

圖3 VES壓裂液剪切性能測試結(jié)果Fig.3 Shear performance test results of VES fracturing fluid.

2.4 SEM表征結(jié)果

圖4為VES試樣的SEM照片。由圖4可知，膠束緊密纏繞聚集，形成多層無規(guī)則的結(jié)構；回收循環(huán)試樣依舊具有清晰的膠束層結(jié)構，進一步說明回收循環(huán)試樣可達到壓裂液黏度要求。

圖4 VES試樣的SEM照片F(xiàn)ig.4 The SEM images of VES samples.

2.5 巖心傷害實驗結(jié)果

采用低滲油藏的砂巖巖心，黏土礦物含量為11%（w），主要成分為綠泥石和伊利石。平均孔隙度為5.46%，平均滲透率為0.21 μm2。先用飽和食鹽水驅(qū)替巖心，測得傷害前的滲透率，再用VES壓裂液實驗，測得傷害后滲透率，結(jié)果見表1。由表1可知，VES壓裂液原樣傷害率為4.88%，遠小于瓜爾膠體系（20%～35%）［16］；在回收循環(huán)次數(shù)增多的情況下，鹽酸分離的表面活性劑的含量降低，雜質(zhì)增加，導致傷害率增加，經(jīng)5次回收循環(huán)后傷害率為9.22%，該值仍處于在指標范圍（20%）內(nèi)。

表1 VES試樣巖心傷害實驗結(jié)果Table 1 Core damage experiment results of VES samples

2.6 攜砂性能

采用單顆粒靜態(tài)沉降法來測定支撐劑在壓裂液中的沉降速率。實驗采用40～60目的陶粒支撐劑與各壓裂液試樣混合，同組重復測量3次計算平均沉降速率。表2為VES壓裂液的靜態(tài)攜砂實驗結(jié)果。由表2可知，在30 ℃下，觀察量筒中混合陶粒的壓裂液，基本保持穩(wěn)定不動；在120 ℃下平均沉降速率僅為0.032 8 mm/s，沉降速率均小于最佳單顆粒支撐劑沉降速率（0.08 mm/s）。因此，VES壓裂液具有優(yōu)良的攜砂性能。

表2 VES壓裂液的靜態(tài)攜砂實驗結(jié)果Table 2 Static sand-carrying experiment results of VES fracturing fluid

2.7 破膠性能

以5%（w）煤油為凝膠破壞劑，對多次回收循環(huán)的VES壓裂液進行破膠性能實驗。選取50，70，90 ℃三個溫度點，恒溫2 h（或3 h）進行壓裂液的破膠實驗。實驗結(jié)果表明，經(jīng)1～5次回收循環(huán)后的VES壓裂液試樣在2 h之內(nèi)均可徹底破膠，破膠后的試樣黏度均小于5 mPa·s，且無殘渣，滿足實際應用要求。

3 結(jié)論

1）回收前后的表面活性劑結(jié)構未發(fā)生變化，VES壓裂液可重復使用。

2）以經(jīng)1～5次回收循環(huán)后的表面活性劑所制備的壓裂液仍具有良好的彈性性質(zhì)；而各回收循環(huán)試樣黏度幾乎沒有差別，在60 min內(nèi)各試樣黏度緩慢下降至約50 mPa·s，仍可滿足生產(chǎn)應用的要求。

3）回收循環(huán)試樣依舊具有清晰的膠束層結(jié)構。

4）VES壓裂液原樣傷害率為4.88%，遠小于瓜爾膠體系；經(jīng)5次回收循環(huán)后傷害率為9.22%，仍處于在指標范圍內(nèi)。

5）VES壓裂液具有優(yōu)良的攜砂性能。

6）經(jīng)1～5次回收循環(huán)后的VES壓裂液試樣在2 h之內(nèi)均可徹底破膠，破膠后的試樣黏度均小于5 mPa·s，且無殘渣，滿足實際應用要求。

［1］ 胡文瑞. 開發(fā)非常規(guī)天然氣是利用低碳資源的現(xiàn)實最佳選擇［J］.天然氣工業(yè)，2010，30（9）：23-25.

［2］ 王順武，趙曉非，李子旺，等. 油田壓裂返排液處理技術研究進展［J］.化工環(huán)保，2016，36（5）：493-499.

［3］ 莊照峰，張士誠. 硼交聯(lián)羥丙基瓜爾膠壓裂液回收再用可行性研究［J］.油田化學，2006，23（2）：120-123.

［4］ Yang Chunpeng，Hu Zhiyuan，Song Zhaozheng，et al. Selfassembly properties of ultra-long-chain gemini surfactant with high performance in a fracturing fluid application［J］.J Appl Polym Sci，2016，134（11）：44602.

［5］ 王坤，趙晨君，陳剛. 可循環(huán)利用環(huán)保型壓裂液在安塞油田叢式井組的應用［J］.鉆采工藝，2017，40（4）：98-100.

［6］ 嚴志虎，戴彩麗，趙明偉，等. 清潔壓裂液的研究與應用進展［J］.油田化學，2015，32（1）：141-145.

［7］ Feng Yujun，Han Yixiu. Effect of counter-ion size on wormlike micelles formed by a C22-tailed anionic surfactant［J］.J Mol Liq，2016，218：508-514.

［8］ Dennet D. Hydraulic fracturing：Internal breakers for viscoelasticsurfactant fracturing fluids［J］.J Pet Sci Technol，2008，60（3）：70-71.

［9］ 牟善波，張士誠，張梅，等. 陰離子表面活性壓裂液循環(huán)應用的可行性［J］.大慶石油地質(zhì)與開發(fā)，2012，31（3）：93-96.

［10］ Jensen G V，Lund R，Gummel J，et al. Monitoring the transition from spherical to polymer-like surfactant micelles using small-angle X-ray scattering［J］.Angew Chem，2014，53（43）：11524-11528.

［11］ 萬鵬，熊青山. 改性瓜膠壓裂液的合成與性能評價［J］.當代化工，2017，46（12）：2471-2473.

［12］ 楊春鵬，宋昭崢，胡智淵，等. 一種超長鏈雙子表面活性劑壓裂液的性能評價［J］.科學技術與工程，2017，17（22）：208-213.

［13］ 盧擁軍，房鼎業(yè)，楊振周，等. 改性聚合物壓裂液的合成及其性能［J］.石油與天然氣化工，2004，33（2）：113-114.

［14］ 國家能源局. SY/T 5107—2016 水基壓裂液性能評價方法［S］.北京：石油工業(yè)出版社，2016.

［15］ 中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會. SY/T 6376—2008壓裂液通用技術條件［S］.北京：石油工業(yè)出版社，2008.

［16］ 蒲祖鳳，庾文靜，李嘉，等. 可重復使用壓裂液體系開發(fā)與試驗［J］.鉆采工藝，2014，37（1）：91-94.