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        CO2響應(yīng)性清潔壓裂液的研究與評價

        2019-10-11 03:06:48魯大麗
        石油化工 2019年9期
        關(guān)鍵詞:體系

        張 俊,魯大麗,楊 雪

        (長江大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院,湖北 荊州 434020)

        水力壓裂是低滲及致密油藏開采的高效手段之一,壓裂液作為壓裂改造油氣層過程中的工作液,起著傳遞壓力、形成延伸裂縫、攜帶支撐劑進入裂縫的作用。非常規(guī)油氣藏水力體積壓裂對壓裂液和水資源需求量大,各油氣田壓裂施工所用的壓裂液通常都是一次性的,所需壓裂液體積從幾百立方到幾千立方不等[1-3],且壓裂施工后返排液到地面,返排液中含有大量的化學(xué)藥劑,嚴重影響周圍的生態(tài)環(huán)境,成為油田不容忽視的問題。

        國外開發(fā)了具有較低相對分子質(zhì)量的可回收胍膠壓裂液,有效減少了大分子聚合物對儲層的傷害,采用pH 進行控制,發(fā)現(xiàn)低分子胍膠壓裂液體系可以迅速增稠與破膠,最終實現(xiàn)了壓裂液的循環(huán)使用[4-6]。國內(nèi)近些年來也有相關(guān)研究,對循環(huán)壓裂施工現(xiàn)場進行全程的跟蹤檢測,發(fā)現(xiàn)可以實現(xiàn)部分胍膠壓裂液的回收,循環(huán)利用破膠液的黏度均可達到現(xiàn)場施工要求[7-8],但重復(fù)利用低分子壓裂液存在一些不足:1)僅可適用于低溫儲層;2)循環(huán)利用的壓裂液的黏度偏小,攜砂性變差,還需要加入部分稠化劑。而利用CO2響應(yīng)表面活性劑材料,通過可逆轉(zhuǎn)的物理化學(xué)變化,設(shè)計出可循環(huán)使用的CO2響應(yīng)清潔壓裂液體系,在低傷害的基礎(chǔ)上,可有效解決返排液的處理問題,同時CO2的利用對環(huán)保節(jié)能具有一定的實用價值。

        本工作合成了CO2響應(yīng)性的黏彈性表面活性劑TAV,將其作為清壓裂液稠化劑的主劑,篩選反離子鹽,測定了TAV 溶液接觸CO2質(zhì)子化前后的油水界面張力,考察了壓裂液的流變性、攜砂性、破膠與循環(huán)性能及對巖心傷害程度。

        1 實驗部分

        1.1 試劑與儀器

        1-溴十八烷、二乙醇胺、甲醇、乙腈、KCl、乙醚和乙酸乙酯:分析純,安耐吉科技有限公司;甲苯磺酸鈉(NaSp)、水楊酸鈉(NaSal):分析純,上海國藥集團化學(xué)試劑有限公司;20~40 目、40~70 目和70~100 目的石英砂:上海銀聰試劑有限公司。

        TX-500C 型旋轉(zhuǎn)界面張力儀:北京盛維基業(yè)科技有限公司;DDS-JWA 型電導(dǎo)率儀、Brookfield DV 型黏度計:美國Brookfield 公司;Haake MARSⅢ型流變儀:美國賽默飛世爾科技公司。

        1.2 CO2響應(yīng)性黏彈性稠化劑的合成

        按摩爾比1.15∶1 向500 mL 的單口燒瓶中分別加入1-溴十八烷和二乙醇胺,以甲醇和乙腈(體積比3∶1)混合液為溶劑,在磁力攪拌條件下加熱回流18 h。停止攪拌取出燒瓶,冷卻至室溫,使用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀蒸去溶劑,再用乙醚洗滌數(shù)次,抽濾得到白色粉末狀試樣,取出固體用乙酸乙酯重結(jié)晶,最終得白色晶狀固體試樣,即目標化合物TAV。

        1.3 性能測試

        表觀黏度的測試:配制不同濃度的TAV 溶液,采用黏度計,從TAV 溶液未通入CO2時開始測量,每次測量時間設(shè)置為2 min,通氣時間每增加30 s進行一次測量。

        流變性能的測試:配制壓裂液100 mL,在通入CO2的時間大于90 s 時,放入流變儀容器中在170 s-1下進行剪切,且控制升溫速率為10 ℃/min,然后在110 ℃、170 s-1下剪切120 min 進行流變性能的測定。

        靜態(tài)攜砂性能測試:按照一定的比例,分別把20~40 目、40~70 目和70~100 目的石英砂和配好的溶液置于100 mL 的量筒中,并充分混合,靜置觀察,通過沉降時間考察壓裂液的靜態(tài)攜砂性能。

        響應(yīng)破膠性能測試:分別在40,50,60 ℃下,向響應(yīng)壓裂液中通入N2,以黏度為指標,考察破膠能力,并記錄通入N2破膠的時間。

        巖心傷害測試:選取干凈的巖心,采用飽和食鹽水進行驅(qū)替,得到巖心傷害前的滲透率,再采用通入N2響應(yīng)破膠后的壓裂液體系進行驅(qū)替得到巖心傷害后的滲透率,計算巖心傷害率。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 TAV 的CO2質(zhì)子化響應(yīng)

        在合成的叔胺基型表面活性劑TAV的溶液中,改變pH 或者通入CO2/N2會使分子結(jié)構(gòu)發(fā)生質(zhì)子化和非質(zhì)子化的轉(zhuǎn)換,反應(yīng)式見圖1。表面活性劑質(zhì)子化結(jié)構(gòu)與非質(zhì)子化結(jié)構(gòu)具有不同的表界面活性[9-10]。

        圖1 叔胺基型表面活性劑在pH 和CO2響應(yīng)下的構(gòu)型轉(zhuǎn)換Fig.1 Configuration conversion of tertiary amino-based surfactants in response to pH and CO2.

        通過加入一定量0.2 mol/L 氫氧化鈉或鹽酸溶液調(diào)節(jié)溶液的pH,測試不同pH 下TAV 溶液的油水界面張力,實驗結(jié)果見圖2。由圖2可知,當(dāng)pH=5.45時,溶液的油水界面張力為0.027 1 mN/m,當(dāng)pH 增加到7.64 時,溶液的油水界面張力達到31.524 mN/m,隨著pH 的增加,溶液的油水界面張力迅速上升了三個數(shù)量級。而當(dāng)pH 由3.40 增加至5.45 時,溶液的油水界面張力逐漸降低。當(dāng)通入CO2后,油水表面張力下降。TAV 溶液通入CO2與采用pH 調(diào)節(jié),性能的變化是相似的,即體系油水界面活性與溶液中分子的質(zhì)子化程度有關(guān),質(zhì)子化結(jié)構(gòu)具有較高的表界面活性,而非質(zhì)子化結(jié)構(gòu)則界面活性較低。

        2.2 CO2接觸時間對稠化劑TAV 黏度的影響

        黏彈性表面活性劑作為壓裂液稠化劑時用量普遍高于常規(guī)聚合物型稠化劑,只有表面活性劑達到一定的濃度后,才會形成蠕蟲狀膠束[11-12],具有黏度。實驗采用3 種不同濃度的TAV 配制溶液,考察了通入CO2接觸時間對溶液黏度的影響,實驗結(jié)果見圖3。從圖3 可看出,剛通入CO2時體系黏度變化均較小,這是因為開始通入CO2的時間過短,氣體與溶液中的水接觸反應(yīng)較慢,TAV 溶液被質(zhì)子化的數(shù)目較少,因此溶液的黏度很低;當(dāng)通入的CO2氣體進一步增加時,體系黏度明顯上升,大量的CO2通入后體系產(chǎn)生了大量的質(zhì)子化的TAV。在靜電、氫鍵等作用下,由球形膠束到棒狀膠束再到蠕蟲狀膠束,蠕蟲狀膠束相互纏繞形成三維網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu),宏觀表現(xiàn)為體系黏度的增加;當(dāng)通入CO2時間達到90 s后,溶液黏度無明顯變化,這說明在CO2與水作用下,TAV 分子的質(zhì)子化反應(yīng)已經(jīng)完成,達到了動態(tài)平衡,因此體系黏度無明顯上升的趨勢。實驗結(jié)果表明,2.5%(w)的TAV溶液最高黏度可達到38.5 mPa·s。

        圖2 pH 變化與通入CO2后溶液對油水界面張力的影響Fig.2 Effect of pH change and solution on oil-water interface tension after CO2introduction.

        圖3 1.5%,2.0%和2.5%的質(zhì)量濃度的TAV 溶液黏度隨通入CO2時間的變化曲線Fig.3 The viscosity of TAV solution with 1.5%(w),2.0%(w) and 2.5%(w) varies with the time of CO2introduction.

        2.3 TAV 稠化劑的助劑的優(yōu)選

        黏彈性表面活性劑具有較強的反離子效應(yīng),少量的反離子加入會促進溶液膠束的形成,表現(xiàn)為體系黏度的上升[13-14]。2.5%(w)的TAV 最高黏度為38.5 mPa·s,未能滿足要求,為了降低TAV 主劑的用量與成本,同時要滿足行業(yè)要求,以2.5%(w)的TAV 為主劑,用反離子助劑NaSp、NaSal 和KCl進行篩選復(fù)配,實驗結(jié)果見圖4。由圖4 可知,當(dāng)NaSp 和NaSal 反離子助劑含量增加到0.4%(w)時,體系黏度明顯上升,當(dāng)繼續(xù)增加反離子含量時體系黏度略有下降;KCl 反離子助劑加入時,體系黏度的增大程度明顯高于NaSp 和NaSal,在KCl含量為0.2%(w)時,溶液體系黏度為達到78 mPa·s,溶液黏度增加近一倍,繼續(xù)增加KCl 含量,體系的黏度大幅上升。這是由于反離子的加入有效屏蔽了表面活性劑的頭基電荷,有助于表面活性分子的自組裝,由球形膠束向蠕蟲狀膠束的轉(zhuǎn)變,宏觀表現(xiàn)為溶液黏度的顯著上升。當(dāng)增加到一定的量時,三種體系的黏度均呈現(xiàn)出相同的下降趨勢,表明過量的反離子對體系是不利的。

        圖4 溶液添加不同反離子鹽后黏度隨濃度的變化Fig.4 Variation of viscosity with concentration of solution with different counter-ion salt.

        2.4 壓裂液體系的流變性

        根據(jù)壓裂液的要求標準[15],以2.5%(w)TAV+0.2%(w)KCl 為清潔壓裂液的稠化劑,在110 ℃、170 s-1條件下進行流變性能的測試,實驗結(jié)果見圖5。從圖5 可看出,開始升溫時,溶液的表觀黏度急劇下降,當(dāng)溫度達到110 ℃時,溶液的表觀黏度為43 mPa·s,之后黏度緩慢上升,繼續(xù)在110 ℃下剪切120 min,稠化劑溶液黏度保持穩(wěn)定,始終維持在50 mPa·s 以上,因此,壓裂液在110 ℃的中低溫儲層滿足要求。

        圖5 110 ℃下壓裂液體系的耐溫抗剪切性能測試Fig.5 Temperature and shear resistance test of fracturing fluid system at 110 ℃.

        2.5 壓裂液體系的靜態(tài)攜砂性能

        壓裂液攜砂性能的好壞決定著壓裂施工效果,較高的攜砂水平可避免砂子在裂縫中下沉與砂堵現(xiàn)象。通常室內(nèi)評價方法主要是通過靜態(tài)攜砂,計算支撐劑在壓裂液中的自由沉降速率,沉降速率越低,攜砂性越好。實驗采用20~40 目、40~70目和70~100 目的石英砂為支撐劑,按25%(w)的混合比例加入到2.5%(w)TAV+0.2%(w)KCl體系中,觀察石英砂在體系中的沉降,實驗結(jié)果見圖6。從圖6 可看出,在室溫下,2.5%(w)TAV+0.2%(w)KCl 體系對不同目數(shù)石英砂的攜砂能力在120 min 后都保持很好的懸浮效果,砂子分布很均勻,仍然處于相對均勻的狀態(tài),表明該體系具有很好的攜砂效果。

        2.6 TAV 體系的循環(huán)與破膠

        電導(dǎo)率循環(huán)測試是驗證CO2/N2響應(yīng)的可逆性循環(huán)的簡單方法。選擇較低濃度的TAV 水溶液進行室溫電導(dǎo)率測試實驗,結(jié)果見圖7。由圖7 可知,體系電導(dǎo)率隨著通入CO2時間的逐漸延長,由稍渾濁液體完全變?yōu)槌吻鍟r,即5 min 時,體系的電導(dǎo)率達到最大值103 μs/cm,此時體系中的TAV 達到最大的質(zhì)子化率,繼續(xù)通入CO2則體系的電導(dǎo)率無明顯變化;當(dāng)轉(zhuǎn)變通入N2時,體系的電導(dǎo)率隨后迅速下降,降低至18 μs/cm,表明體系去質(zhì)子化完成。重復(fù)該操作3 次,表現(xiàn)出相同的變化趨勢,該體系CO2/N2響應(yīng)的電導(dǎo)率實驗表明體系電導(dǎo)率具有良好的可循環(huán)性。

        圖6 壓裂液對不同目數(shù)石英砂的攜砂效果Fig.6 Sand-carrying effect of fracturing fluid on quartz sand with different mesh.

        壓裂施工完成后,要求壓裂液在1~2 h 內(nèi)迅速破膠,提高液體的返排效率,以減少液體在地層的滯留。壓裂液的破膠液黏度盡量低,可以降低黏滯阻力,提高返排效果確保壓裂施工的最終效果。作為清潔壓裂液遇地層礦化度水、原油可破膠外,研究響應(yīng)性清潔壓裂液通入N2驅(qū)除體系中的CO2實現(xiàn)破膠。分別在40,50,60 ℃下通入N2,每隔一定時間測定體系的黏度,實驗結(jié)果見圖8。由圖8 可知,通入N2后,2.5%(w)TAV+0.2%(w)KCl 體系的黏度變化很明顯,在3 個不同溫度段體系黏度下降趨勢保持一致。在通入N2的前2 min內(nèi)體系黏度變化較小,由于初始體系黏度較高,CO2被替出的速度較緩慢;隨著N2的繼續(xù)通入,約8 min 后體系黏度降至5 mPa·s 以下,表明溶液內(nèi)部的自組裝結(jié)構(gòu)基本都解散,滿足壓裂液的破膠標準。

        圖7 TAV 溶液在室溫條件下的電導(dǎo)率隨時間的變化曲線Fig.7 The change of conductivity of TAV solution at room temperature with time.

        2.7 壓裂液體系的巖心傷害性

        采用的中低滲天然巖心,滲透率分布在30.12×10-3~152×10-3μm2之間,平均孔隙度21.03%,黏土礦物含量為15.6%(w),其中,伊利石含量32.4%~63.1%(w),高嶺石含量3.6%~28.3%(w),蒙綠混合層9.3%~18.6%(w)。對比了飽和食鹽水與通入N2后響應(yīng)的清潔壓裂液體系(2.5%(w)TAV+0.2%(w)KCl)驅(qū)替后的滲透率,結(jié)果見表1。從表1 可看出,三塊巖心的傷害率相差較小,2.5%(w)TAV+0.2%(w)KCl體系對中低滲巖心傷害最低可達到12.7%,該體系的整體滲透率傷害要低于傳統(tǒng)的天然與人工聚合物類[10],這是由于體系是由小分子表面活性劑組成,體系的成膠破膠過程只是由于體系內(nèi)分子自組裝的構(gòu)型由蠕蟲狀膠束變?yōu)榍蛐文z束所導(dǎo)致的,破膠徹底,在孔道縫隙中不會造成固相殘留。

        圖8 不同溫度下通入N2的時間對壓裂液破膠的影響Fig.8 Effect of N2introduction on gel breaking of fracturing fluid under different temperatures.

        表1 TAV 壓裂液體系對巖心基質(zhì)滲透率傷害參數(shù)Table 1 Damage parameters of TAV fracturing fluid system to core matrix

        3 結(jié)論

        1)黏彈性表面活性劑TAV 作為壓裂液稠化劑主劑,溶液對CO2具有很好響應(yīng)性能,通入CO290 s,TAV 溶液完成質(zhì)子化,達到動態(tài)平衡。

        2)優(yōu)選出的反離子鹽得到滿足壓裂液黏度要求的配方:2.5%(w)TAV+0.2%(w)KCl。

        3)TAV 清潔壓裂液具有很好的攜砂性能,在120 min 內(nèi)能滿足20~100 目石英砂的懸浮要求,同時滿足在110 ℃下的流變剪切要求。

        4)TAV 溶液可以在CO2/N2變換的條件下具有很好地的循環(huán)性,8 min 就可以實現(xiàn)TAV 壓裂液迅速破膠,且對中低滲巖心傷害最低達12.7%。

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