王顯赫，黃　偉，陳遠(yuǎn)芳，慕　朝，許　波*（.北京石油化工學(xué)院，北京067；.江西富祥藥業(yè)股份有限公司，江西景德鎮(zhèn)333000）

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一種Gemini季銨鹽清潔壓裂液的研制*

王顯赫1，黃偉1，陳遠(yuǎn)芳2，慕朝1，許波*1
（1.北京石油化工學(xué)院，北京102617；2.江西富祥藥業(yè)股份有限公司，江西景德鎮(zhèn)333000）

摘要：利用一種Gemini季銨鹽表面活性劑WHX與有機(jī)鹽復(fù)配出VES壓裂液體系并進(jìn)行了室內(nèi)性能評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，該壓裂液體系具有粘彈性，破膠性能好，配制簡(jiǎn)單方便，3%WHX+3%有機(jī)酸鹽壓裂液體系可在70℃下使用。壓裂液為假塑性流體類型，其稠度指數(shù)K'=4.059mPa·s0.3748，流體行為指數(shù)n'=0.3748。

關(guān)鍵詞：Gemini季銨鹽表面活性劑；性能；流變參數(shù)

壓裂是提高低滲透油氣藏生產(chǎn)能力的主要措施之一，壓裂液是壓裂施工的核心技術(shù)。水基凍膠壓裂液是目前應(yīng)用最廣泛的一類壓裂液，其增稠劑是大分子聚合物改性胍膠、羧甲基纖維素、聚丙烯酰胺等，成膠質(zhì)量好，但因其溶解分散性差，水不溶物多，使聚合物的利用率大大降低。此外，增稠劑與交聯(lián)劑形成的大分子水不溶物和一部分未能徹底破膠的物質(zhì)，駐留在壓裂施工后的地層裂縫中，造成地層滲透率下降、儲(chǔ)層傷害。

粘彈性表面活性劑（VES）壓裂液（又稱清潔壓裂液），是在鹽水中添加表面活性劑形成一種粘彈性流體，配制容易、施工簡(jiǎn)單、摩阻小、無殘?jiān)?、?duì)儲(chǔ)層的傷害低、清潔、攜砂能力強(qiáng)，具有良好的流變性能，施工效果良好，投入商業(yè)使用后，迅速得到推廣。但該類產(chǎn)品存在不耐溫、成本高等方面的缺陷，嚴(yán)重限制了它的應(yīng)用［1-5］。

本文采用一種具有特殊結(jié)構(gòu)的Gimini季銨鹽陽離子表面活性劑作主劑研制清潔壓裂液體系，Gimini表面活性劑比傳統(tǒng)的表面活性劑具有更高的表面活性、更低的臨界膠束濃度及更低的Kraft點(diǎn)，并對(duì)壓裂液的主要性能進(jìn)行研究。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1試劑與儀器

Gemini季銨鹽表面活性劑WHX（純度70%，河南省道純化工公司）；水楊酸鈉（A.R.天津永晟精細(xì)化工有限公司）。

HJ-4多頭磁力攪拌器（上海英化儀器設(shè)備有限公司）；AR-G2流變儀（美國(guó)TA儀器公司）。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1壓裂液的制備使用磁力攪拌器，制備一定濃度WHX溶液，加入一定量水楊酸鈉，繼續(xù)攪拌至漩渦閉合，形成凝膠，然后放入恒溫水浴，待凝膠中氣泡完全消失。

1.2.2壓裂液的性能評(píng)價(jià)方法參照中國(guó)石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY /T5107-2005《水基壓裂液性能評(píng)價(jià)方法》、SY/T6376-2008《壓裂液通用技術(shù)條件》。

2　結(jié)果與討論

2.1表面活性劑WHX濃度對(duì)壓裂液表觀粘度的影響

在室溫（25℃）、水楊酸鈉1%條件下，測(cè)定不同濃度表面活性劑溶液（剪切速率170s-1、剪切5min）的表觀粘度，考察表面活性劑濃度對(duì)溶液表觀粘度的影響，結(jié)果見表1。

表1　表面活性劑濃度對(duì)壓裂液表觀粘度的影響Tab.1 Influence of surfactant concentration on the apparent viscosity of fracturing fluid

由表1可見，在表面活性劑濃度1%～6%之間，隨濃度的增大，表觀粘度增加，至7%時(shí)，表觀粘度迅速降低。表面活性劑濃度從2%升至3%，溶液表觀粘度急劇增加，3%時(shí)表觀粘度已達(dá)到120.5mPa·s。

由于考慮經(jīng)濟(jì)效益的影響采用表面活性劑用量盡量少的原則，初步選定表面活性劑3%的配方。

2.2有機(jī)酸鹽的用量對(duì)壓裂液表觀粘度的影響

室溫（25℃）、表面活性劑濃度3%條件下，測(cè)定不同用量有機(jī)酸鹽的壓裂液（剪切速率170s-1、剪切5min）的表觀粘度，考察有機(jī)酸鹽用量對(duì)溶液表觀粘度的影響，結(jié)果見表2。

表2　有機(jī)酸鹽用量對(duì)溶液表觀粘度的影響（表面活性劑濃度3%）Tab.2 Influence of organic acid salt dosage on the apparent viscosity of solution（surfactant concentration 3%）

由表2可見，隨有機(jī)酸鹽用量從1%升至5%，溶液的表觀粘度先升高后減低。在有機(jī)鹽用量為3%時(shí)，溶液的表觀粘度值最大，為218.6mPa·s。

因此，確定選擇3%WHX+ 3%有機(jī)酸鹽配方制備壓裂液體系。

2.3壓裂液的破膠性能

破膠是壓裂液的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)［6］。VES壓裂液接觸到原油或其它烴類物質(zhì)后，其原有的膠束結(jié)構(gòu)被破壞，使體系中的蠕蟲棒狀膠束轉(zhuǎn)變?yōu)榍蛐停ダp結(jié)性，致使其網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)及粘度均消失。

向所制壓裂液中加入一定量柴油，攪拌靜置30min后，測(cè)定粘度降至4mPa·s。符合SY/T6376-2008（中華人民共和國(guó)石油天然氣通用標(biāo)準(zhǔn)《壓裂液通用技術(shù)條件》）中對(duì)于表面活性劑類壓裂液破膠性能的要求，即720min內(nèi)粘度降至5mPa·s以下。

2.4壓裂液的粘溫性

測(cè)定了所制壓裂液在剪切速率為170s-1，升溫速度3℃·min-1，從30～90℃的表觀粘度隨溫度變化趨勢(shì)。結(jié)果見圖1。

圖1　VES壓裂液的粘溫性Fig.1 Viscosity-temperature properties of VES fracturing fluid

由圖1可見，壓裂液的表觀粘度隨著溫度的升高逐漸下降，在36～40℃時(shí)下降較為迅速，在40～50℃時(shí)出現(xiàn)一個(gè)小的平臺(tái)，然后繼續(xù)下降。在70℃時(shí)，其粘度為28.5mPa·s，粘度高于SY/T6376-2008（中華人民共和國(guó)石油天然氣通用標(biāo)準(zhǔn)《壓裂液通用技術(shù)條件》）中對(duì)于表面活性劑類壓裂液耐溫耐剪切性能的要求（≥20mPa·s），可滿足攜砂及其它要求。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果判定其可以用于地層溫度低于70℃的油氣井壓裂。

2.5壓裂液粘彈性的評(píng)價(jià)

在25℃，測(cè)定儲(chǔ)能模量G'和損耗模量G"在角頻率0.01～10rad·s-1范圍之間的變化關(guān)系，測(cè)量結(jié)果見圖2。

圖2　壓裂液粘彈性的評(píng)價(jià)結(jié)果Fig.2 Evaluation result of fracturing fluid elasticity

由圖2可見，低頻時(shí)G''＞G',隨著角頻率逐漸增大, G'不斷增大, G''先增大后減小;高頻時(shí), G'＞G'' , G'基本保持不變。一般來說,儲(chǔ)能模量G'和耗能模量G''分別代表流體的彈性和粘性,若G'＞G'',則流體表現(xiàn)出以彈性行為為主。所以根據(jù)儲(chǔ)能模量G'和耗能模量G'' ,Hoffmann提出了判斷溶液是否具有粘彈性的方法［7］:測(cè)定儲(chǔ)能模量G'和耗能模量G'',如果在0.1～10rad·s-1的范圍內(nèi)有G'＞G'' ,且G'＞10-1Pa,則在給定的溫度下就認(rèn)為溶液具有粘彈性。由圖2可知,在25℃時(shí),該壓裂液水溶液體系具有粘彈性。

2.6流變參數(shù)的計(jì)算

在常溫下測(cè)定了壓裂液剪切應(yīng)力和剪切速率的關(guān)系。流變參數(shù)K'和n'按假塑性冪律流體公式計(jì)算：τ=K·'Dn'。其中τ：剪切應(yīng)力，Pa；K'：稠度系數(shù)，mPa·sn'；D：剪切速率，s-1；n'：流動(dòng)行為指數(shù)。在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)上作出τ-D曲線，見圖3。lgτ=lgK'+n'lgD，所以得出稠度指數(shù)K'=4.059mPa·s0.3748，流體行為指數(shù)n'=0.3748。

圖3　壓裂液剪切應(yīng)力隨剪切速率的變化關(guān)系Fig.3 Variable relationship of fracturing fluid shearing stress with shearing rate

3　結(jié)論

利用一種Gemini季銨鹽表面活性劑WHX與有機(jī)鹽復(fù)配出的VES壓裂液體系具有粘彈性，破膠性能好，配制簡(jiǎn)單方便，3%WHX+ 3%有機(jī)酸鹽壓裂液體系可在70℃下使用。壓裂液為假塑性流體類型，其稠度指數(shù)K'=4.059mPa·s0.3748，流體行為指數(shù)n'=0.3748。

參考文獻(xiàn)

［1］陳馥，王安培，李鳳霞，等.國(guó)外清潔壓裂液的研究進(jìn)展［J］.西南石油學(xué)院學(xué)報(bào)，2002，24（5）：65-67.

［2］張朝舉，何興貴，關(guān)興華.國(guó)內(nèi)低中溫清潔壓裂液研究進(jìn)展及應(yīng)用展望［J］.鉆采工藝，2009，32（3）: 93-96．

［3］胡忠前，馬喜平，王紅，等.粘彈性蠕蟲狀膠束及其應(yīng)用［J］.高分子通報(bào)，2007，（8）：24-27.

［4］盧擁軍，方波，房鼎業(yè)，等.粘彈性膠束壓裂液的形成與流變性質(zhì)［J］.油田化學(xué)，2003，20（4）：327-330.

［5］Denney D. Technology applications：CO2-based viscoe-lastic-surfactantfracturingfluid［J］.JournalofPetroleumTechnology，2005，57 （5）：19.

［6］黃霞，郭麗梅，姚培正，等.煤層氣井清潔壓裂液破膠劑的篩選［J］.煤田地質(zhì)與勘探，2009，37（2）：26-28.

［7］王維明. VES-18清潔壓裂液性能試驗(yàn)與應(yīng)用［J］.煤田地質(zhì)與勘探，2010，38（3）：24-27.

Development of Gemini quaternary ammonium clean fracturing fluid

WANG Xian-he1，HUANG Wei1，CHEN Yuan-fang2，MU Zhao1，XU Bo*1
（1.Beijing Institute of Petrochemical Technology，Beijing 102617；2.Jiangxi Fushine Pharmaceutical Co., Ltd）

Abstract:VES fracturing fluid system was prepared from a Gemini quaternary ammonium surfactant WHX with organic salt compound to make indoor performance evaluation. The result shows that this fracturing fluid system has viscoelasticity. The gel breaking performance is good. Besides, it's easy to be prepared. 3%WHX+ 3%organic acid salt fracturing system can be used below 70℃. The fracturing fluid is pseudoplastic fluid. The consistency index is K'=4.059mPa·s0.3748, and fluid behavior index is n'=0.3748.

Key words:Gemini quaternary ammonium surfactant；performance；rheological parameter

中圖分類號(hào)：O647.2：TE357.1+2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.16247/j.cnki.23-1171/tq. 20160564

收稿日期：2016-04-06

基金項(xiàng)目：北京市級(jí)大學(xué)生研究訓(xùn)練（URT）計(jì)劃項(xiàng)目2015J00019

作者簡(jiǎn)介：王顯赫（1993-），大學(xué)生。

通訊作者：許波（1969-），女，博士，副教授，主要研究方向：精細(xì)化學(xué)品的開發(fā)、研制，對(duì)俄在石化領(lǐng)域技術(shù)交流合作。