甘秀玉,馬 玄,胡 偉,岳前升
(長江大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院,湖北 荊州 434000)
基于煤層氣的新型壓裂用有機硼交聯(lián)劑BX-Y
甘秀玉,馬 玄,胡 偉,岳前升
(長江大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院,湖北 荊州 434000)
采用硼酸鹽和有機配體D-果糖制備了新型有機硼交聯(lián)劑BX-Y,并將BX-Y與羥丙基胍膠進行交聯(lián)反應(yīng)配制了BX-Y交聯(lián)壓裂液??疾炝薆X-Y的合成條件對其交聯(lián)性能的影響,并利用高溫濾失儀對BX-Y交聯(lián)壓裂液的室內(nèi)性能進行了評價。實驗結(jié)果表明,合成BX-Y適宜的條件為:m(硼酸鹽)∶m(配體)= 1∶2,硼酸鹽用量13%(w)(用量均基于反應(yīng)體系質(zhì)量),催化劑用量2%(w),反應(yīng)時間6 h,反應(yīng)溫度80 ℃。BX-Y交聯(lián)壓裂液體系的靜態(tài)濾失量小,耐剪切性能較好,形成的壓裂液凍膠在60 ℃、170 s-1下剪切60 min,體系表觀黏度大于200 mPa·s,破膠徹底,破膠液黏度低,滿足現(xiàn)場應(yīng)用需求。采用D-果糖制備的BX-Y交聯(lián)壓裂液的滲透率恢復(fù)值達85%以上,傷害低,具有較好的儲層保護效果。
煤層氣;壓裂液;有機硼交聯(lián)劑;D-果糖;儲層保護
隨著我國現(xiàn)代工業(yè)的飛速發(fā)展和對能源需求的不斷增長,供需矛盾愈見突出,煤層氣是煤層本身自生自儲式的非常規(guī)天然氣,儲存于煤層及臨近巖層中,具有獨特的優(yōu)勢[1]。但我國煤層氣氣藏地質(zhì)條件較復(fù)雜,儲層物性差,自然產(chǎn)能低,普遍滲透率偏低,大多小于50×10-3μm2,具有低含氣飽和度、低滲透率及低壓力的“三低”特征[2-4],必須經(jīng)過壓裂改造措施后才有工業(yè)開采價值。而實踐表明,常規(guī)的植物凍膠壓裂液對煤儲層損害大,且壓裂液破膠后殘渣較多存在返排較困難的問題[5]。壓裂液體系中交聯(lián)劑是關(guān)鍵因素,而常規(guī)的有機硼交聯(lián)劑主要以葡萄糖為配位體,因此有必要開發(fā)有別于常規(guī)有機硼交聯(lián)劑的新型交聯(lián)劑,以降低壓裂液對煤層的傷害。有機硼交聯(lián)劑的合成機理和與羥丙基胍膠交聯(lián)的原理已有許多報道[6-8]。
本工作在不使用助劑的條件下,以硼酸鹽和多羥基有機配體D-果糖為主要原料,合成了有機硼交聯(lián)劑BX-Y,并將BX-Y與羥丙基胍膠進行交聯(lián)反應(yīng)配制了BX-Y交聯(lián)壓裂液??疾炝薆X-Y的合成條件對其交聯(lián)性能的影響,并利用高溫濾失儀與BX-Y交聯(lián)壓裂液的室內(nèi)性能進行了評價。
1.1 主要試劑和儀器
無水碳酸鈉、氫氧化鈉:分析純,天津市天力化學(xué)試劑有限公司;硼酸鹽:工業(yè)品,鄒平縣潤梓化工有限公司;D-果糖:工業(yè)品,河南興源化工產(chǎn)品有限公司;羥丙基胍膠:工業(yè)品,河北燕興化工有限公司。
NDJ-79型旋轉(zhuǎn)黏度儀:德州市昊誠實驗儀器有限公司;RS6000型流變儀:河北潤聯(lián)機械設(shè)備有限公司;GGS71-B高溫高壓濾失儀:青島奧思特石油科技有限公司。
1.2 合成方法
在裝有溫度計、分水器、回流冷凝管的三口燒瓶中加入固體硼酸鹽,待硼酸鹽全部溶解加催化劑氫氧化鈉調(diào)節(jié)pH,加熱至設(shè)計溫度時加入有機配體D-果糖反應(yīng)6 h,即可得有機硼交聯(lián)劑BX-Y。BX-Y為均一棕黃色液體,長時間放置不析出固體物質(zhì),pH = 9~11,25 ℃時密度為1.12~1.25 g/cm3,與水任意比互溶。
1.3 BX-Y交聯(lián)壓裂液的制備和性能評價
BX-Y交聯(lián)壓裂液配方:0.45%(w)羥丙基胍膠+ 0.05%(w)低溫激活劑+ 0.5%(w)黏土穩(wěn)定劑+ 0.2%(w)助排劑+ 0.1%(w)殺菌劑+ 0.15%(w)碳酸鈉+ 0.15%(w)破膠劑+ 0.33%(w)交聯(lián)劑BX-Y。
BX-Y交聯(lián)壓裂液性能評價參照SY/T6376—2008[9]規(guī)定的方法測試。
2.1 合成條件的影響
在不同的條件下合成了BX-Y,再以BX-Y為交聯(lián)劑與羥丙基胍膠進行交聯(lián)反應(yīng),考察了BX-Y的不同合成條件對其交聯(lián)性能的影響。
2.1.1 原料配比的影響
硼酸鹽和配體D-果糖的配比對BX-Y的交聯(lián)性能影響很大[10-11]。不同原料配比對BX-Y交聯(lián)性能的影響見表1。從表1可看出,當(dāng)硼酸鹽過量時,BX-Y與羥丙基胍膠的交聯(lián)時間短;當(dāng)配體過量時,交聯(lián)時間長,交聯(lián)產(chǎn)物的交聯(lián)強度弱。這是因為,當(dāng)硼酸鹽過量時,BX-Y上過量的硼酸鹽優(yōu)先與羥丙基胍膠上的順式鄰位羥基反應(yīng),導(dǎo)致交聯(lián)速度不可控,交聯(lián)時間短;當(dāng)配體過量時,BX-Y上過量的配體和羥丙基胍膠競爭與硼離子絡(luò)合,導(dǎo)致可交聯(lián)的硼離子減少,使交聯(lián)時間延長,但交聯(lián)強度弱。故合成BX-Y適宜的原料配比為:m(硼酸鹽)∶m(配體)= 1∶2。
表1 不同原料配比對BX-Y交聯(lián)性能的影響Table 1 Effects of different ratio of raw materials on the crosslinking properties of BX-Y
2.1.2 硼酸鹽用量的影響
硼酸鹽用量對BX-Y交聯(lián)性能的影響見表2。從表2可看出,當(dāng)硼酸鹽用量為13%(w)(用量均基于反應(yīng)體系質(zhì)量)時,BX-Y與羥丙基胍膠的交聯(lián)效果最好。這是因為,當(dāng)硼酸鹽用量過小時,可與配體作用的羥基少,導(dǎo)致交聯(lián)產(chǎn)物的可交聯(lián)強度弱,抗溫性能低;當(dāng)硼酸鹽用量過多時,BX-Y上過量的硼酸根離子優(yōu)先與羥丙基胍膠上的順式鄰位羥基反應(yīng),因此交聯(lián)速度快,交聯(lián)時間短。
表2 硼酸鹽用量對BX-Y交聯(lián)性能的影響Table 2 Effect of borax dosage on the crosslinking properties of BX-Y
2.1.3 催化劑用量的影響
硼酸鹽與有機配體反應(yīng)時需加入催化劑,從而促進硼酸鹽水解釋放硼酸根離子,以利于絡(luò)合反應(yīng)進行[12]。本工作采用氫氧化鈉為催化劑。氫氧化鈉用量對BX-Y交聯(lián)性能的影響見表3。從表3可看出,氫氧化鈉用量為1%(w)時,BX-Y與羥丙基胍膠的交聯(lián)速度快,交聯(lián)時間短;氫氧化鈉用量為3%(w)時,BX-Y與羥丙基胍膠的交聯(lián)時間長,交聯(lián)強度差;氫氧化鈉用量為2%(w)時,BX-Y與羥丙基胍膠的交聯(lián)時間長,但交聯(lián)產(chǎn)物形成的凍膠挑掛性好。這是因為,氫氧化鈉用量過少時,硼酸鹽水解不完全,與配體絡(luò)合程度較低,當(dāng)BX-Y與羥丙基胍膠交聯(lián)時,溶液中游離的硼酸鹽可直接與羥丙基胍膠上的順式鄰位羥基反應(yīng),其反應(yīng)速度遠大于配體的交聯(lián)速度,故交聯(lián)時間短;當(dāng)氫氧化鈉用量過大時,硼酸鹽水解完全,與配體絡(luò)合作用強,因此很難被羥丙基胍膠上的順式鄰位羥基競爭吸附,導(dǎo)致交聯(lián)時間延長,但交聯(lián)產(chǎn)物的凍膠強度差,不易挑掛,故優(yōu)選氫氧化鈉用量為2%(w)。
表3 氫氧化鈉用量對BX-Y交聯(lián)性能的影響Table 3 Effects of NaOH dosage on the crosslinking properties of BX-Y
2.1.4 反應(yīng)時間的影響
反應(yīng)時間對BX-Y交聯(lián)性能的影響見圖1。
圖1 反應(yīng)時間對BX-Y交聯(lián)性能的影響Fig.1 Effects of reaction time on the crosslinking properties of BX-Y.
從圖1可看出,隨反應(yīng)時間的延長,BX-Y與羥丙基胍膠的交聯(lián)時間先延長后縮短,交聯(lián)強度先增強后減小;當(dāng)反應(yīng)時間為6 h時,交聯(lián)時間為57 s,交聯(lián)產(chǎn)物的挑掛性好,綜合性能好。當(dāng)反應(yīng)時間過短時,硼酸鹽與有機配體絡(luò)合程度低,硼酸根與配體作用力弱,絡(luò)合物中硼酸根離子易與羥丙基胍膠上的順式鄰位羥基反應(yīng),導(dǎo)致交聯(lián)時間短,交聯(lián)強度差[13]。隨反應(yīng)時間的延長,硼酸鹽與有機配體反應(yīng)完全,交聯(lián)時間逐漸變長;當(dāng)反應(yīng)時間過長時,硼酸鹽與有機配體的絡(luò)合程度高,形成絡(luò)合物的相對分子質(zhì)量大,因此與羥丙基胍膠上的順式鄰位羥基交聯(lián)時間縮短,導(dǎo)致交聯(lián)產(chǎn)物的可挑掛性差,故合成BX-Y適宜的反應(yīng)時間為6 h。
2.1.5 反應(yīng)溫度的影響
反應(yīng)溫度對BX-Y交聯(lián)性能的影響見圖2。從圖2可看出,隨反應(yīng)溫度的升高,BX-Y與羥丙基胍膠的交聯(lián)時間縮短,交聯(lián)產(chǎn)物的交聯(lián)強度先增大后減小。當(dāng)反應(yīng)溫度較低時,只有部分硼酸鹽與有機配體進行絡(luò)合,部分硼酸鹽仍以游離態(tài)存在于溶液中,當(dāng)BX-Y與羥丙基胍膠反應(yīng)時,未反應(yīng)的硼酸鹽優(yōu)先與羥丙基胍膠交聯(lián),導(dǎo)致交聯(lián)產(chǎn)物的交聯(lián)強度弱。當(dāng)反應(yīng)溫度超過100 ℃,溶劑中的水含量減少,生成的BX-Y縮合程度高,相對分子質(zhì)量大,因此與羥丙基胍膠上的順式鄰位羥基交聯(lián)時間縮短,且生成的交聯(lián)產(chǎn)物較黏稠,故合成BX-Y適宜的反應(yīng)溫度為80 ℃。
圖2 反應(yīng)溫度對BX-Y交聯(lián)性能的影響Fig.2 Effects of reaction temperature on the crosslinking properties of BX-Y.
綜上可知,合成BX-Y適宜的反應(yīng)條件為:m(硼酸鹽)∶m(配位體)= 1∶2,硼砂用量13%(w),催化劑用量2%(w),反應(yīng)時間6 h,反應(yīng)溫度80 ℃。
2.2 BX-Y交聯(lián)壓裂液的室內(nèi)評價
2.2.1 靜態(tài)濾失性能評價
采用高溫高壓濾失儀對BX-Y交聯(lián)壓裂液的濾失性能進行評價[14]。60℃下不同時間內(nèi)的累計濾失量與時間的平方根曲線見圖3。
圖3 BX-Y交聯(lián)壓裂液的累計濾失量與時間的平方根曲線Fig.3 Cumulative filtrate loss of BX-Y crosslinked fracturing fluid vs. square root of time.
從圖3可看出,累計濾失量與時間的平方根呈線性關(guān)系:y= 3.339x+ 0.717。BX-Y交聯(lián)壓裂液體系的濾失性能見表4。從表4可看出,BX-Y交聯(lián)壓裂液的濾失系數(shù)、濾失速率和初始濾失量均滿足標準要求,說明該體系的高溫高壓濾失量小,具有較好的失水造壁性。
表4 BX-Y交聯(lián)壓裂液體系的濾失性能Table 4 Filtration performances of the BX-Y fracturing fluid system
2.2.2 耐溫耐剪切性能評價
BX-Y交聯(lián)壓裂液體系表觀黏度隨時間的變化見圖4。
從圖4可看出,在剪切初始階段,體系黏度下降較快,這是因為BX-Y交聯(lián)壓裂液為凍膠體系,解交聯(lián)作用較大,宏觀表現(xiàn)為體系的表觀黏度下降,符合假塑性流體剪切變稀的特性。在60℃、剪切速率170 s-1下剪切60 min后,體系表觀黏度仍在200 mPa·s以上,其中,剪切20 min之后,表觀黏度就不再變化,說明體系在儲層條件下具有較好的耐溫耐剪切性能,大于壓裂施工要求(50 mPa·s)。
圖4 BX-Y交聯(lián)壓裂液體系表觀黏度隨時間變化的關(guān)系Fig.4 Apparent viscosity of the BX-Y crosslinked fracturing fluid system vs. time.
2.2.3 破 膠性能評價
在壓裂施工結(jié)束后由于聚合物膠液仍滯留在地層裂縫,若不能排除地層,對儲層裂縫導(dǎo)流能力和產(chǎn)能都會造成損害[15],故選用過硫酸銨作為破膠劑,但由于煤層氣地層溫度低,需加入亞硫酸鈉激活劑促進過硫酸銨分解以提高破膠效率。不同溫度下BX-Y交聯(lián)壓裂液的破膠性能見圖5。從圖5可看出,溫度越高,破膠速率越快;破膠速率隨時間的延長越來越小。其中,20 ℃下采用過硫酸銨與亞硫酸鈉復(fù)配,4.5 h可完全破膠,破膠后BX-Y交聯(lián)壓裂液的表觀黏度為5 mPa·s。
圖5 不同溫度下BX-Y交聯(lián)壓裂液的破膠性能Fig.5 Breaking properties of the BX-Y crosslinked fracturing fluid at different temperature.
2.2.4 體系儲層保護效果評價
BX-Y交聯(lián)壓裂液濾液對巖心基質(zhì)滲透率的影響見表5。從表5可看出,巖心經(jīng)濾液污染后,采用D-果糖制備的BX-Y交聯(lián)壓裂液的滲透率恢復(fù)值達85%以上,而采用葡萄糖制備的交聯(lián)壓裂液的滲透率恢復(fù)值只有60%左右,說明采用D-果糖為配體制備的BX-Y交聯(lián)壓裂液濾液對巖心基質(zhì)滲透率損害程度較小,儲層保護效果較好。
表5 壓裂液濾液對巖心基質(zhì)滲透率的影響Table 5 Effect of the fracturing fluid filtrate on the permeability of core matrix
1)合成BX-Y適宜的反應(yīng)條件為:m(硼酸鹽)∶m(配體)= 1∶2,硼酸鹽用量13%(w),催化劑用量2%(w),反應(yīng)時間6 h,反應(yīng)溫度80 ℃。該工藝操作簡單,成本低。
2)BX-Y交聯(lián)壓裂液體系的靜態(tài)濾失量小,具有較好的耐剪切性能,形成的壓裂液凍膠在60℃、170 s-1條件下剪切60 min,體系表觀黏度大于200 mPa·s,破膠徹底,破膠液黏度低,滿足現(xiàn)場應(yīng)用需求。
3)采用D-果糖制備的BX-Y交聯(lián)壓裂液的滲透率恢復(fù)值達85%以上,是一種低傷害壓裂液,具有較好的儲層保護效果,有較好的應(yīng)用前景。
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(編輯 鄧曉音)
A new organic boron crosslinker BX-Y for coalbed methane fracturing fluid
Gan Xiuyu,Ma Xuan,Hu Wei,Yue Qiansheng
(College of Chemical Engineering,Yangtze University,Jingzhou Hubei 434000,China)
A new organic boron crosslinking agent(BX-Y) was synthesized from borate and D-fructose as organic ligand,and a BX-Y cross-linked fracturing f l uid was prepared from BX-Y and hydroxypropyl guar gum through cross-linking reaction. The effects of synthesis conditions on the crosslinking properties of BX-Y were investigated. The indoor properties of the BX-Y cross-linked fracturing fluid were evaluated by means of high temperature filter. The results indicated that the optimum conditions for synthesizing BX-Y werem(borate)∶m(ligand) 1∶2,borate dosage 13%(w) (based on the mass of reaction system),catalyst dosage 2%(w),reaction time 6 h and reaction temperature 80 ℃. The static filtration loss of the BX-Y cross-linked fracturing f l uid system was small and its shear resistance was good. The apparent viscosity of the fracturing f l uid was more than 200 mPa·s under the conditions of 60 ℃ and shearing 60 min at 170 s-1. The system could be broken down and the viscosity of the gel was low,which could meet the demand of scene application. The permeability recovery of the BX-Y crosslinker fracturing f l uid prepared from D-fructose was more than 85% with low damage and good reservoir protection.
coalbed methane;fracturing f l uid;organic boron crosslinker;D-fructose; reservoir protection
1000-8144(2017)05-0614-05
TQ 316.64
A
10.3969/j.issn.1000-8144.2017.05.015
2016-12-12;[修改稿日期]2017-02-26。
甘秀玉(1993—),女,湖北省黃岡市人,碩士生,電話 13797269762,電郵 861261185@qq.com。聯(lián)系人:岳前升,電話13886578978,電郵 358207446@qq.com。
國家自然科學(xué)基金資助項目(51574040)。