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        CO2刺激響應型清潔壓裂液的室內(nèi)研究

        2017-11-01 20:37:44李雨威黃志宇楊玲玲敬顯武魯紅升
        石油與天然氣化工 2017年5期
        關鍵詞:體系

        李雨威 黃志宇 楊玲玲 敬顯武 魯紅升

        1.西南石油大學化學化工學院 2.中國石化西南工程有限公司固井分公司

        CO2刺激響應型清潔壓裂液的室內(nèi)研究

        李雨威1,2黃志宇1楊玲玲1敬顯武1魯紅升1

        1.西南石油大學化學化工學院 2.中國石化西南工程有限公司固井分公司

        合成正辛酸酰胺丙基叔胺(DOAPTA)與陰離子表面活性劑油酸鈉(NaOA)復配,得到一種能夠?qū)O2刺激響應的清潔壓裂液。當DOAPTA-NaOA以物質(zhì)的量比為0.8∶1配制成總濃度為100 mmol/L的溶液,在CO2作用下,黏度上升最高達2.92 Pa·s。流變性測試表明:體系具有黏彈性流體行為;之后滴加NaOH溶液,體系即可轉(zhuǎn)變至最初的低黏狀態(tài),實現(xiàn)徹底破膠。該體系增黏和破膠均容易進行,懸砂能力較強(1.64~1.8 cm/h),耐溫性能好(60 ℃),有望用于油田壓裂作業(yè)中。

        清潔壓裂液 蠕蟲狀膠束 CO2刺激響應 性能評價

        壓裂是改善低滲透油藏的主要開發(fā)手段,是提高低滲透油田開采效率的有效措施之一。由于低滲透油藏的物性條件復雜,對壓裂液的敏感性強。因此,有效控制和降低壓裂液的傷害,進一步提高壓裂措施效果,是低滲透油田開發(fā)的關鍵[1]。目前,常規(guī)壓裂液主要采用改性羥丙基瓜膠壓裂液,但始終存在水不溶物和破膠不徹底現(xiàn)象,不可避免地對儲層造成傷害[2-3]。

        黏彈性清潔壓裂液是指在鹽水中添加表面活性劑形成的網(wǎng)絡結構凝膠體系,具有配制簡單、懸砂能力強、破膠徹底、無殘渣、返排徹底、對儲層巖石無傷害等優(yōu)點[2,4]。基于此,本實驗通過合成正辛酸酰胺丙基叔胺(DOAPTA),與油酸鈉(NaOA)復配,制備了一種能夠?qū)O2刺激響應的清潔壓裂液體系[5-6]。該體系在通入CO2后,形成有一定黏彈性的蠕蟲狀膠束[6-8],具有明顯的懸砂性能[9];之后滴加NaOH,體系又轉(zhuǎn)變至最初的低黏狀態(tài),實現(xiàn)壓裂液的破膠。

        1 實驗部分

        1.1試劑與儀器

        正辛酸、N,N-二甲基-1,3-丙二胺、氫氧化鈉(NaOH),AR,成都科龍化學試劑廠;油酸鈉(NaOA),AR,國藥集團化學試劑有限公司;CO2、N2純度均為99.5%,成都勁力氣體有限公司。WQF-520型紅外光譜儀,北京瑞利分析儀器公司; Brookfield DV-Ⅲ型旋轉(zhuǎn)黏度計,美國博勒飛公司;CVOR200型流變儀,英國Bohlin 儀器有限公司。

        1.2正辛酸酰胺丙基叔胺(DOAPTA)合成路線

        正辛酸酰胺丙基叔胺(DOAPTA)合成路線如式(1)。

        (1)

        1.3DOAPTA合成方法

        按文獻[6]中的方法進行DOAPTA的合成。FT-IR ( KBr壓片):3 285.1 cm-1處為酰胺的N-H伸縮振動吸收峰;2 927.4 cm-1和2 857.1 cm-1處為甲基與亞甲基的C-H伸縮振動吸收峰;1 645.9 cm-1處為酰胺的C=O伸縮振動吸收峰。紅外光譜數(shù)據(jù)說明,合成的產(chǎn)物符合DOAPTA結構特征。

        1.4清潔壓裂液的配制

        稱取一定量的NaOA溶于100 mL去離子水中,待其充分溶解后向溶液中加入一定量的DOAPTA,在磁力攪拌下使溶液混合均勻。靜置冷卻至室溫,以0.1 L/min的速率通入CO2,直至形成黏彈性流體。

        1.5清潔壓裂液性能評價

        1.5.1表觀黏度測定

        使用NDJ-8SN數(shù)顯黏度計,在室溫下用3﹟轉(zhuǎn)子測定樣品的表觀黏度,記下讀數(shù)。操作時間不超過1 min。重復測量3次取平均值,以提高測量的準確性。

        1.5.2流變性能測定

        25 ℃下,用CVOR200型流變儀及其配套的轉(zhuǎn)子進行測試,測定樣品表觀黏度隨剪切速率的變化情況。

        1.5.3懸砂性能測定

        室溫下,向配制好的試樣中加入一定量的陶粒(直徑為0.6~0.8 cm)并攪拌均勻,然后倒入100 mL的具塞量筒中靜置,測定陶粒在量筒中沉降所需的時間。

        沉降速度計算方法:沉降速度=沉降高度/沉降時間。

        1.5.4耐溫性能測定

        室溫下測定配制好的試樣的表觀黏度,然后將裝有試樣的燒杯放置在恒溫水浴鍋中加熱,同時以0.1 L/min的速率通入CO2,體系達到一定溫度時,測量其表觀黏度。從室溫到60 ℃,每間隔10 ℃記錄體系的表觀黏度數(shù)據(jù),每個樣品平行測量3次取平均值,以提高測量的準確性。

        2 結果與討論

        2.1DOAPTA-NaOA溶液配制CO2刺激響應型清潔壓裂液的理論基礎

        DOAPTA-NaOA溶液通入CO2后,DOAPTA分子被質(zhì)子化形成季銨鹽型陽離子DOAPTA·H+,可以屏蔽掉陰離子表面活性劑NaOA的部分負電荷,降低OA-分子間的靜電斥力,誘導體系進行自組裝,形成蠕蟲狀膠束。此外,短鏈的DOAPTA·H+與帶負電的OA-在靜電吸引作用下相互纏結,促進蠕蟲狀膠束的生長,使得體系具有良好的黏彈性;之后向體系中加入NaOH,使得DOAPTA·H+去質(zhì)子化,變回非離子狀態(tài),而少部分仍處于質(zhì)子化的DOAPTA·H+會和中性的DOAPTA形成黏度較低的乳狀液,即壓裂液破膠[6]。

        2.1.1DOAPTA-NaOA濃度對體系性質(zhì)的影響

        室溫下,向100 mmol/L的NaOA水溶液中加入濃度為20 mmol/L、40 mmol/L、60 mmol/L、80 mmol/L及100 mmol/L的DOAPTA,攪拌均勻后,以0.1 L/min的速率通入CO2,待形成均勻透明的黏彈性體系后,測量體系的表觀黏度。實驗結果如圖1所示,DOAPTA-NaOA體系的黏度受物質(zhì)的量比(XD=c(DOAPTA)/c(NaOA))影響很大:在XD=0.8時,體系黏度達到最大值;當XD較小時,隨著DOAPTA濃度的增加,體系活性成分越多,有利于蠕蟲狀膠束的形成及相互纏結,增加體系的黏度;而當XD超過0.8時,過量的DOAPTA·H+有可能向體系提供H+,促進HOA沉淀的形成,纏結的蠕蟲狀膠束聚集體結構即遭到破壞,同時體系的黏度也顯著降低。因此,本實驗DOAPTA-NaOA體系兩者物質(zhì)的量比取0.8。

        在25 ℃下,以0.8∶1的物質(zhì)的量比分別制備不同濃度的DOAPTA-NaOA水溶液,其中NaOA濃度分別為20 mmol/L、40 mmol/L、60 mmol/L、80 mmol/L及100 mmol/L。攪拌均勻后,以0.1 L/min的速率通入CO2,待形成均勻透明的黏彈性體系后,測量體系的表觀黏度。實驗結果如圖2所示,黏彈性體系的表觀黏度隨兩種單體濃度的增加而不斷增大,當NaOA濃度為100 mmol/L時,體系的黏度達到最大。因此,選取物質(zhì)的量比為0.8∶1、NaOA濃度為100 mmol/L的DOAPTA-NaOA水溶液進行實驗。

        2.1.2CO2通入時間對體系性質(zhì)的影響

        為了觀察DOAPTA-NaOA溶液體系在通入CO2過程中的黏度和pH值的變化規(guī)律,以0.1 L/min的速率不斷向溶液中通入CO2,同時測定體系的黏度和pH值變化,測量時間為10 min。體系的黏度和pH值變化如圖3所示:在通入CO2的前6 min,體系pH值不斷降低,體系的黏度不斷升高,這是因為在通氣的過程中,CO2與溶液中水發(fā)生反應生成碳酸,DOAPTA在此過程中被質(zhì)子化成為季銨鹽陽離子,對NaOA的誘導作用與結合能力增強,使得體系的黏度不斷增加,并在通入CO2至6 min時黏度達到最高值;隨著CO2的繼續(xù)通入,該體系的黏度卻不斷降低,體系pH值繼續(xù)降低,此時溶液中過量的H+極易與OA-相互結合生成HOA沉淀,從溶液中析出,使得溶液中參與形成蠕蟲狀膠束的活性成分OA-大大降低,從而導致體系中相互纏結的蠕蟲狀膠束數(shù)目減少,體系的黏度也會隨之降低。在后續(xù)實驗中,該體系均以0.1 L/min的速率通入6 min的CO2進行研究。

        2.1.3體系的開關性能

        本實驗中制備的清潔壓裂液體系具有黏度可逆性,如圖4所示。由圖4可知:當向100 mmol/L DOAPTA-NaOA(XD=0.8)水溶液中通入CO2后,體系的黏度不斷增大,由最初的水溶液狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槟z狀態(tài),黏度跳躍3個數(shù)量級,溶液pH值從10.92降低到9.6;而向黏彈性流體中滴加1%(w)NaOH溶液后,溶液pH值從9.6上升至10.92,體系的黏度回到最初的低黏狀態(tài)。整個過程操作條件簡單,并能多次重復此過程,具有很好的重復利用性。

        2.2清潔壓裂液體系的性能評價

        2.2.1破膠性能

        室溫下,對制備好的黏彈性流體以0.1 mL/min的速率滴加質(zhì)量分數(shù)為1%的NaOH溶液,每隔5 min測試體系的表觀黏度,實驗結果如圖5所示。由圖5可知:制備的清潔壓裂液在滴加NaOH后能自行破膠,隨著滴加時間的增加,體系黏度不斷降低,并在30 min時達到最低,接近水的黏度;滴加NaOH后,OH-與溶液中HCO3-反應生成CO32-,DOAPTA·H+發(fā)生去質(zhì)子化作用,靜電引力作用消失,體系的黏度又回到最初的低黏狀態(tài)。

        2.2.2流變性能

        分別配制濃度為60 mmol/L、80 mmol/L、100 mmol/L的清潔壓裂液,測定體系的剪切黏度隨剪切速率的變化,實驗結果如圖6所示。由圖6可知:在低剪切速率下,體系剪切黏度不隨剪切速率的改變而改變,即牛頓平臺;在高剪切速率下,體系的剪切黏度逐漸變小,表現(xiàn)出剪切稀釋性,流動行為符合黏彈性體系的流變行為,說明體系中形成了蠕蟲狀膠束。樣品的濃度越高,表現(xiàn)出的黏度平臺值就越高。

        2.2.3懸砂性能

        室溫下,向濃度為100 mmol/L的清潔壓裂液試樣中加入一定量的陶粒,測定體系的懸砂性能。實驗計算結果見表1。從表1 可知,陶粒在該清潔壓裂液中的沉降速度很低。綜合前面的研究數(shù)據(jù)可見,該體系的表觀黏度比較低,但其懸砂性能良好。也從另一角度證明,黏彈性清潔壓裂液體系不僅是靠其黏度攜砂,更靠其膠束間相互纏繞形成的空間網(wǎng)絡結構來提高懸砂性能。

        表1 清潔壓裂液懸砂性能Table1 Sandsuspensionperformanceofcleanfracturingfluid試樣編號陶粒加量/g沉降速度/(cm·h-1)1101.642201.713301.8

        2.2.4耐溫性能

        配制濃度為100 mmol/L的清潔壓裂液試樣,逐步升高溫度,測定體系的表觀黏度,實驗結果如圖7所示。從圖7可知,壓裂液的表觀黏度受溫度影響非常大,溫度增加時清潔壓裂液的黏度降低。當溫度達到65 ℃時,黏度仍然大于1.8 Pa·s,仍能有效懸砂;待溶液冷卻后,測量溶液的黏度,黏度又回到最高狀態(tài)。說明該清潔壓裂液的耐溫性能良好。

        3 結 論

        (1) 設計合成了正辛酸酰胺基丙基叔胺(DOAPTA),與油酸鈉(NaOA)復配,制備了一種CO2刺激響應型清潔壓裂液體系。向DOAPTA-NaOA溶液中通入CO2后,蠕蟲狀膠束結構的形成,體系黏度大幅增加并具有良好黏彈性;滴加NaOH溶液后,體系迅速轉(zhuǎn)變至低黏狀態(tài),壓裂液破膠,且該過程能夠多次重復進行。

        (2) 當DOAPTA- NaOA以物質(zhì)的量比為0.8∶1配制成濃度為100 mmol/L的溶液,并以0.1 L/min的速率向溶液中通入CO2, 6 min后,流體黏度最高,達2.92 Pa·s。

        (3) 室內(nèi)評價了該清潔壓裂液的破膠性能、流變性能、懸砂性能和耐溫性能,各項性能優(yōu)良,有望用于油田壓裂液作業(yè)中。

        (4) 該壓裂液配制簡單,僅通入CO2即可實現(xiàn)大幅度增黏,使用NaOH即可徹底破膠,不會造成環(huán)境污染,且對于簡化施工現(xiàn)場的配液流程是有利的。

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        LaboratorystudyoftheCO2-responsivecleanfracturingfluid

        LiYuwei1,2,HuangZhiyu1,YangLingling1,JingXianwu1,LuHongsheng1

        1.CollegeofChemistryandChemicalEngineering,SouthwestPetroleumUniversity,Chengdu,Sichuan,China; 2.CementingCompanyofSinopecXinanOilfieldServiceCorporation,Deyang,Sichuan,China

        N, N-dimethyl octylamide-propyl tertiaryamine (DOAPTA) was synthesized and then interacted with the anionic surfactant sodium oleate (NaOA), a CO2-responsive clean fracturing fluid system was obtained. When the mixed solution of DOAPTA-NaOA was prepared at the concentration of 100 mmol/L with the molar ratio of 0.8∶1, followed by the introduction of CO2, the apparent viscosity of solution reached up to the maximum (2.92 Pa·s). Rheological test indicated that the solution system behaved as a viscoelastic fluid, which confirmed the formation of wormlike micelle structure. Moreover, it switched back to the original low-viscosity state by subsequent adding 1% aqueous solution of NaOH, then led to the breakdown of fracturing fluid. The thickening and breaking glue of the system are easy to carry out, sand-carrying ability is strong (1.64-1.8 cm/h), and temperature performance is very good (60 ℃). It is expected to be used in oilfield fracturing operation.

        clean fracturing fluid, wormlike micelle, CO2-response, performance evaluation

        TE357.1+2

        A

        10.3969/j.issn.1007-3426.2017.05.015

        2017-02-24;編輯馮學軍

        四川省教育廳創(chuàng)新團隊項目(13TD0025)。

        李雨威(1989-),助理工程師,2012年畢業(yè)于西南石油大學應用化學專業(yè)?,F(xiàn)就讀于西南石油大學化學化工學院化學工程專業(yè)碩士2016級。E-mail825991601@qq.com

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