趙 健,申金偉,鮑文輝,陳 磊,李 夢(mèng),孫厚臺(tái)
(中海油田服務(wù)股份有限公司油田生產(chǎn)增產(chǎn)中心,天津 300459)
壓裂作為海上增產(chǎn)防砂的重要手段,近年來(lái)的應(yīng)用正在逐步增長(zhǎng)[1-2]。淡水基壓裂液需要用到大量淡水,且存在運(yùn)輸、儲(chǔ)存、成本等各種因素限制[3],而運(yùn)用海水配制壓裂液可以有效避免這些缺點(diǎn)。但海水的高礦化度和復(fù)雜的離子組成會(huì)對(duì)壓裂液性能造成很大的影響,主要有以下幾個(gè)方面:(1)海水的高礦化度會(huì)造成稠化劑溶脹困難,基液黏度不達(dá)標(biāo);(2)通常壓裂液在堿性條件下交聯(lián),而海水中的高Ca2+、Mg2+會(huì)大量消耗交聯(lián)時(shí)的OH-,生成氫氧化鈣和氫氧化鎂沉淀,影響交聯(lián)反應(yīng),導(dǎo)致體系耐溫耐剪切性能下降;(3)生成的沉淀會(huì)對(duì)裂縫導(dǎo)流造成一定傷害[4-7]。針對(duì)這些問題,通過向海水中加入螯合劑可以有效減弱海水中二價(jià)金屬離子的影響[8-9],改善海水配液性能。
螯合劑中因含有負(fù)電性較大的配位原子,能與金屬離子形成強(qiáng)結(jié)合作用,生成環(huán)狀化合物,從而阻止金屬離子起作用。通常配位原子有氧、氮、硫、磷等,螯合劑大致有以下幾類:無(wú)機(jī)多磷酸鹽類(如六偏磷酸鹽)、有機(jī)多元膦酸類(如羥基亞乙基二膦酸)、羧酸型類(如乙二胺四乙酸)、天然有機(jī)類(如磺化木質(zhì)素)等[10]。李陽(yáng)等[8]針對(duì)高礦化度水配制壓裂液開發(fā)了一種弱酸性有機(jī)酸螯合劑,研究了其對(duì)壓裂液性能的影響;楊文軒等[9]研究了穩(wěn)定劑三聚氰胺六乙酸(ELX)對(duì)金屬離子的螯合能力、對(duì)高礦化度水的穩(wěn)定效果及對(duì)羥丙基胍膠壓裂液性能的影響,現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果良好;劉玉婷等[11]開發(fā)了羥基酸螯合劑AO-1螯合鈣、鎂離子,減少參與生成沉淀的鈣、鎂離子的量,有效解決了胍膠壓裂液分層的問題。上述研究主要針對(duì)螯合劑對(duì)壓裂液性能的影響及配伍性方面,對(duì)螯合效果的影響因素和作用機(jī)理未進(jìn)行深入分析。有機(jī)膦酸中含有C—P鍵,穩(wěn)定性強(qiáng),能耐較高溫度,且具有優(yōu)異的螯合能力。本文以甲醛、亞磷酸、多乙烯多胺為原料制備了有機(jī)膦酸類螯合劑SW-CA,研究了影響螯合效果的因素,分析其作用機(jī)理,評(píng)價(jià)了其與壓裂液的適應(yīng)性。
氯化鉀、氯化鈣、六水氯化鎂、氫氧化鈉、氯化銨、氨水、乙酸鈣、甲醛、亞磷酸、多乙烯多胺、無(wú)水乙醇、過硫酸銨,分析純,國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;胍膠、氟碳類助排劑、有機(jī)堿類pH調(diào)節(jié)劑、有機(jī)硼類交聯(lián)劑,新鄉(xiāng)市玄泰實(shí)業(yè)有限公司;陶粒,20數(shù)40 目(850數(shù)425 μm),河南天祥新材料股份有限公司;南海海水,礦化度35700 mg/L,含Ca2+391 mg/L、Mg2+1304 mg/L;高礦化度水(1 g/L Ca2++2 g/L Mg2+),用2.775 g氯化鈣和16.917 g六水氯化鎂配制。
Bruker Tensortm 紅外光譜儀,德國(guó)Bruker 光譜儀器公司;Turb550 濁度測(cè)試儀,德國(guó)WTW 公司;S210 臺(tái)式pH 計(jì),美國(guó)梅特勒-托利多公司;SU8010冷場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡,日本日立公司;RS-6000流變儀,德國(guó)賽默飛世爾科技公司;RV3 旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀,德國(guó)IKA公司;1833毛細(xì)管黏度計(jì),上海壘固儀器有限公司。
(1)螯合劑SW-CA的制備
結(jié)合文獻(xiàn)方法[12-13],在三口燒瓶中加入一定量的甲醛和亞磷酸,邊攪拌邊升溫至40℃,然后滴加一定量的多乙烯多胺,滴加完畢后緩慢升溫至100數(shù)105℃,反應(yīng)2 h 后將產(chǎn)物轉(zhuǎn)入旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀中,并加入少量水,旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)除去未反應(yīng)的單劑,最后加入無(wú)水乙醇進(jìn)行重結(jié)晶得到略顯黃色的固體SW-CA。
(2)結(jié)構(gòu)表征
用KBr壓片法制備SW-CA樣品,采用紅外光譜儀表征分子結(jié)構(gòu),波數(shù)范圍4000數(shù)400 cm-1,分辨率0.01 cm-1。
(3)濁度的測(cè)定
調(diào)整高礦化度水中螯合劑加量、礦化度、溫度、pH值,采用濁度測(cè)試儀測(cè)定不同溶液的濁度。
(4)螯合值的測(cè)定
采用滴定法測(cè)量SW-CA螯合金屬離子的能力[9],螯合能力的大小以螯合值[8]表示。螯合鈣的能力以每克螯合劑螯合Ca2+的量(以CaCO3計(jì))表示,單位為mg/g;螯合鎂的能力以每克螯合劑螯合Mg2+的量(以MgCO3計(jì))表示,單位為mg/g。按式(1)計(jì)算螯合值:
其中,c—乙酸鈣滴定溶液的濃度,mol/L;V—滴定消耗的乙酸鈣溶液體積,mL;M—碳酸鹽的摩爾質(zhì)量,g/mol;m—螯合劑的質(zhì)量,g。
(5)晶體的微觀形貌表征
采用掃描電子顯微鏡觀察高礦化度水加入氫氧化鈉后結(jié)晶晶體的形貌和加入1%螯合劑SW-CA后晶體的形貌。采用掃描電鏡觀察陶粒的原始形態(tài),并觀察不加或加入螯合劑壓裂液破膠后在陶粒表面吸附的形貌,陶粒在破膠液中浸泡4 h。
(6)與壓裂液的配伍性
基液配方為:南海海水+0.4%胍膠+0.4%助排劑。耐溫耐剪切性能測(cè)試條件為:90℃下剪切120 min,剪切速率為170 s-1。取4 份交聯(lián)后的壓裂液(南海海水+0.4%胍膠+0.4%助排劑+1% pH 調(diào)節(jié)劑+1%螯合劑SW-CA+0.5%交聯(lián)劑),分別加入0.04%數(shù)0.15%破膠劑過硫酸銨,放入90℃水浴鍋中,觀察不同時(shí)間下的破膠效果。在90℃下采用毛細(xì)管黏度計(jì)測(cè)量破膠液的黏度。
研發(fā)螯合劑的目的是壓裂施工時(shí)屏蔽海水中鈣鎂離子對(duì)基液性能的影響,并在高pH值條件下,通過螯合劑可以在一定程度上阻止鈣鎂離子沉淀的生成和長(zhǎng)大,保證壓裂液整體性能。自制的有機(jī)膦酸螯合劑SW-CA的紅外光譜圖(見圖1)中,3419 cm-1為—OH的伸縮振動(dòng)吸收峰,1407 cm-1為—OH的面內(nèi)彎曲振動(dòng)吸收峰;2868 cm-1為—CH2—的伸縮振動(dòng)峰,1594 cm-1為—CH2—的彎曲振動(dòng)峰;1223 cm-1為膦酸基上的P=O 鍵的伸縮振動(dòng)峰;1067 cm-1為C—N 鍵的特征吸收峰;994 cm-1為P—O 的伸縮振動(dòng)峰;722 cm-1為P—C鍵的振動(dòng)峰。紅外測(cè)試結(jié)果表明,合成產(chǎn)物分子中具有亞甲基和膦酸基基團(tuán),這是有機(jī)膦酸的特征官能團(tuán),能與鈣鎂離子形成環(huán)狀螯合物,從而減少溶液中游離的鈣鎂離子,降低對(duì)壓裂液的影響。通過滴定法測(cè)得螯合劑SW-CA對(duì)Ca2+的螯合值為276 mg/g、Mg2+的螯合值為218 mg/g。其螯合能力和已報(bào)道的三聚氰胺六乙酸(ELX)穩(wěn)定劑的能力相當(dāng)[9]。
圖1 螯合劑SW-CA的紅外光譜圖
海水礦化度一般為33數(shù)36 g/L[3,14],其中鎂離子含量1100數(shù)1500 mg/L,鈣離子含量300數(shù)500 mg/L。因此,用高鈣鎂礦化水研究螯合效果影響因素。濁度是表現(xiàn)水中懸浮物對(duì)光線透過時(shí)所發(fā)生的阻礙程度[15-16],在過量堿存在下,Ca2+、Mg2+會(huì)與OH-結(jié)合生成沉淀,沉淀的產(chǎn)生會(huì)導(dǎo)致溶液濁度發(fā)生變化。因此采用濁度法可以反映螯合劑螯合能力的強(qiáng)弱[17]。
2.2.1 螯合劑濃度對(duì)螯合效果的影響
在高鈣鎂礦化水中加入不同濃度的SW-CA后,調(diào)節(jié)體系pH 值至10,SW-CA 加量對(duì)體系濁度的影響見圖2。不加SW-CA 時(shí)溶液的濁度為287 NTU,隨著SW-CA 的加入溶液濁度迅速下降,并趨于平緩。隨著螯合劑的加入,溶液中的鈣鎂離子被螯合,游離的鈣鎂離子減少,生成的沉淀減少,導(dǎo)致溶液濁度降低。當(dāng)SW-CA 加量超過1%后,體系濁度變化不大,因此實(shí)際使用中螯合劑SW-CA適宜的加量約為1%。
圖2 螯合劑加量對(duì)螯合效果的影響
2.2.2 礦化度對(duì)螯合效果的影響
在pH=10 的高鈣鎂礦化水中加入1%SW-CA,用KCl 調(diào)節(jié)溶液礦化度,體系濁度的變化見圖3。隨著礦化度的升高,體系濁度增加。這是由于螯合劑在水中能離解出膦酸基,從而與Ca2+、Mg2+螯合形成大分子螯合物。礦化度越高,溶液中大量的離子會(huì)影響螯合劑的電離,從而影響與Ca2+、Mg2+的螯合,導(dǎo)致濁度增大。但礦化度從10 g/L增至100 g/L時(shí),體系的濁度上升幅度并不大,可見螯合劑SW-CA具有一定的耐鹽性,可在較高礦化度下使用。
圖3 礦化度對(duì)螯合效果的影響
2.2.3 溫度對(duì)螯合效果的影響
在高鈣鎂礦化水中加入1% SW-CA,當(dāng)溶液pH=10 時(shí),體系在不同溫度下的濁度變化見圖4。溫度升高體系濁度增大,這是由于溫度升高,Ca(OH)2和Mg(OH)2的溶度積變小,即Ca2+、Mg2+更易與OH-結(jié)合生成沉淀,使得溶液濁度增加。溫度從10℃增至90℃時(shí),體系濁度從1 NTU 增至3.7 NTU,可見螯合劑的螯合效果受溫度影響較小。螯合劑SW-CA的耐溫性較好。
圖4 溫度對(duì)螯合效果的影響
2.2.4 pH對(duì)螯合效果的影響
在高鈣鎂礦化水中加入1% SW-CA 后調(diào)節(jié)溶液pH,體系的濁度變化見圖5。pH 值在6數(shù)10 時(shí),溶液的濁度均在較低水平;當(dāng)pH值超過10后,溶液中OH-量增加,而Ca(OH)2和Mg(OH)2在溶液中的溶度積一定,更多的Ca2+、Mg2+生成沉淀,導(dǎo)致濁度逐漸增大,但增幅較小??梢婒蟿┰谳^寬的pH范圍內(nèi)均能很好的螯合鈣鎂離子,并且對(duì)生成的鈣鎂垢具有較好的分散和增溶作用,使得體系維持較低的濁度。常規(guī)胍膠壓裂液交聯(lián)時(shí)的pH 值為9數(shù)10,因此該螯合劑在胍膠交聯(lián)pH 范圍內(nèi)能保證溶液中的Ca2+、Mg2+被螯合屏蔽,從而減小對(duì)壓裂液性能的影響。
圖5 pH對(duì)螯合效果的影響
Ca2+、Mg2+遇到大量OH-后生成Ca(OH)2和Mg(OH)2沉淀,導(dǎo)致溶液變渾濁,這是微溶性鹽從溶液中結(jié)晶沉淀的一種過程。通過觀察對(duì)比晶體形態(tài),探究螯合劑SW-CA 的作用機(jī)理。由圖6 可見,水中有鈣離子(50 mL 1 g/L Ca2+)存在時(shí),加入10 mL 10%NaOH得到了粒徑為0.1 μm的球形顆粒(圖6(a));水中有鎂離子(50 mL 2 g/L Mg2+)存在時(shí),加入10 mL 10%NaOH 得到了長(zhǎng)約0.1 μm 的棒狀顆粒(圖6(b));鈣鎂離子(50 mL 1 g/L Ca2++2 g/L Mg2+)同時(shí)存在時(shí),加入10 mL 10%NaOH得到了球形顆粒與棒狀顆粒的混合物(圖6(c))。3 幅圖中,無(wú)論是單獨(dú)的顆粒晶體還是混合顆粒晶體,均呈現(xiàn)出明顯的有序性和規(guī)則性,且結(jié)構(gòu)緊密。
在鈣鎂離子(50 mL 1 g/L Ca2++2 g/L Mg2+)同時(shí)存在時(shí),加入0.5 mL 1%螯合劑SW-CA 和過量的堿(20 mL 10%NaOH)后,從圖6(d)中可明顯看出形成的晶體顆粒發(fā)生變形、完整性下降、碎片增多、疏松細(xì)小。這主要是由于有機(jī)膦酸SW-CA 能吸附在晶體的活性生長(zhǎng)點(diǎn)上,使晶格歪曲而形成形狀不規(guī)則的晶體;同時(shí)有機(jī)膦酸SW-CA與鈣鎂離子的螯合吸附,會(huì)改變?cè)械碾姾煞植?,使其表面帶有相同的?fù)電荷,形成雙電層,顆粒相互排斥,抑制鈣鎂離子在晶核表面進(jìn)一步凝結(jié),阻止晶體長(zhǎng)大。作用機(jī)理可歸結(jié)為螯合作用和晶格畸變作用[18-19]。
圖6 螯合劑對(duì)鈣鎂沉淀晶體形貌的影響
2.4.1 對(duì)交聯(lián)性能的影響
海水基壓裂液無(wú)色透明,25℃、170 s-1下的黏度為51 mPa·s,加入1%pH 調(diào)節(jié)劑后微渾,加入0.5%交聯(lián)劑90 s 后形成的凍膠較脆;在海水基壓裂液中加入1%SW-CA 后的黏度為60 mPa·s,加入1%pH調(diào)節(jié)劑前后壓裂液均為無(wú)色透明,加入0.5%交聯(lián)劑90 s 后形成的膠體透明均一,可挑掛。螯合劑的加入有助于胍膠溶脹,改善基液黏度,增強(qiáng)交聯(lián)性能。
實(shí)際施工中要求壓裂液體系具有一定的耐溫耐剪切性能,在施工過程中具有較高的黏度,達(dá)到造縫攜砂的目的。由圖7 可見,加入1%SW-CA 的海水基壓裂液在90℃、170 s-1下剪切120 min后的黏度為186 mPa·s,高于不加螯合劑體系的30 mPa·s,表明加入螯合劑后壓裂液體系具有較好的耐溫耐剪切性能,可以滿足現(xiàn)場(chǎng)施工要求。
圖7 螯合劑對(duì)海水基壓裂液交聯(lián)性能的影響
2.4.2 對(duì)破膠性能的影響
90℃下,過硫酸銨加量對(duì)壓裂液破膠性能的影響見表1。由表1可見,加有1%SW-CA的壓裂液破膠時(shí)間可控,破膠性能良好。
表1 過硫酸銨加量對(duì)壓裂液破膠性能的影響(90℃)
通過掃描電子顯微鏡觀察破膠液對(duì)支撐劑陶粒表面性能的影響,結(jié)果如圖8所示。圖8(a)為20數(shù)40目陶粒原始形貌。圖8(b)為未加SW-CA壓裂液破膠液在陶粒表面的吸附形貌。陶粒表面有白色顆粒狀物質(zhì)聚集,結(jié)合前文分析為析出的氫氧化鈣/氫氧化鎂沉淀晶體顆粒。圖8(c)為加入SW-CA壓裂液破膠液在陶粒表面的吸附形貌。陶粒表面只有少量的膜狀物,分析為胍膠殘?jiān)?duì)比測(cè)定不加螯合劑體系破膠后殘?jiān)|(zhì)量濃度為892 mg/L,而加入螯合劑體系破膠后的殘?jiān)挥?13 mg/L。海水配制胍膠壓裂液不加螯合劑時(shí),水中大量的鈣鎂離子在遇到pH 調(diào)節(jié)劑后會(huì)產(chǎn)生沉淀,導(dǎo)致殘?jiān)可仙?,進(jìn)而會(huì)對(duì)裂縫支撐劑導(dǎo)流能力造成很大影響;而加入螯合劑后殘?jiān)看蠓档?,與采用淡水配制同體系的破膠液殘?jiān)|(zhì)量濃度102 mg/L 相近。說明螯合劑不影響海水基壓裂液的破膠性能。
圖8 破膠液對(duì)支撐劑陶粒表面性能的影響
有機(jī)膦酸螯合劑SW-CA對(duì)Ca2+、Mg2+的螯合值分別為276、218 mg/g。螯合效果隨著螯合劑加量增大而增大,隨著礦化度、溫度、pH 增大而減小,但降幅較小,其適應(yīng)范圍較寬。在高鈣鎂礦化水(1 g/L Ca2++2 g/L Mg2+)中,SW-CA 適宜的加量約為1%。SW-CA作用機(jī)理主要為螯合作用和晶格畸變作用。
向海水中添加SW-CA 后能有效改善壓裂液性能,提高基液黏度、增強(qiáng)交聯(lián)狀態(tài)、提高耐溫耐剪切能力。壓裂液中加入螯合劑后不影響破膠,破膠液殘?jiān)鼮?13 mg/L,陶粒表面吸附物較少,可保證支撐劑的高導(dǎo)流通道。螯合劑SW-CA 與壓裂液整體配伍性良好,可滿足現(xiàn)場(chǎng)施工要求。