一种Gemini季铵盐清洁压裂液的研制*

王显赫，黄　伟，陈远芳，慕　朝，许　波*（.北京石油化工学院，北京067；.江西富祥药业股份有限公司，江西景德镇333000）



一种Gemini季铵盐清洁压裂液的研制*

王显赫1，黄伟1，陈远芳2，慕朝1，许波*1
（1.北京石油化工学院，北京102617；2.江西富祥药业股份有限公司，江西景德镇333000）

摘要：利用一种Gemini季铵盐表面活性剂WHX与有机盐复配出VES压裂液体系并进行了室内性能评价。结果表明，该压裂液体系具有粘弹性，破胶性能好，配制简单方便，3%WHX+3%有机酸盐压裂液体系可在70℃下使用。压裂液为假塑性流体类型，其稠度指数K'=4.059mPa·s0.3748，流体行为指数n'=0.3748。

关键词：Gemini季铵盐表面活性剂；性能；流变参数

压裂是提高低渗透油气藏生产能力的主要措施之一，压裂液是压裂施工的核心技术。水基冻胶压裂液是目前应用最广泛的一类压裂液，其增稠剂是大分子聚合物改性胍胶、羧甲基纤维素、聚丙烯酰胺等，成胶质量好，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，增稠剂与交联剂形成的大分子水不溶物和一部分未能彻底破胶的物质，驻留在压裂施工后的地层裂缝中，造成地层渗透率下降、储层伤害。

粘弹性表面活性剂（VES）压裂液（又称清洁压裂液），是在盐水中添加表面活性剂形成一种粘弹性流体，配制容易、施工简单、摩阻小、无残渣、对储层的伤害低、清洁、携砂能力强，具有良好的流变性能，施工效果良好，投入商业使用后，迅速得到推广。但该类产品存在不耐温、成本高等方面的缺陷，严重限制了它的应用［1-5］。

本文采用一种具有特殊结构的Gimini季铵盐阳离子表面活性剂作主剂研制清洁压裂液体系，Gimini表面活性剂比传统的表面活性剂具有更高的表面活性、更低的临界胶束浓度及更低的Kraft点，并对压裂液的主要性能进行研究。

1　实验部分

1.1试剂与仪器

Gemini季铵盐表面活性剂WHX（纯度70%，河南省道纯化工公司）；水杨酸钠（A.R.天津永晟精细化工有限公司）。

HJ-4多头磁力搅拌器（上海英化仪器设备有限公司）；AR-G2流变仪（美国TA仪器公司）。

1.2实验方法

1.2.1压裂液的制备使用磁力搅拌器，制备一定浓度WHX溶液，加入一定量水杨酸钠，继续搅拌至漩涡闭合，形成凝胶，然后放入恒温水浴，待凝胶中气泡完全消失。

1.2.2压裂液的性能评价方法参照中国石油天然气行业标准SY /T5107-2005《水基压裂液性能评价方法》、SY/T6376-2008《压裂液通用技术条件》。

2　结果与讨论

2.1表面活性剂WHX浓度对压裂液表观粘度的影响

在室温（25℃）、水杨酸钠1%条件下，测定不同浓度表面活性剂溶液（剪切速率170s-1、剪切5min）的表观粘度，考察表面活性剂浓度对溶液表观粘度的影响，结果见表1。

表1　表面活性剂浓度对压裂液表观粘度的影响Tab.1 Influence of surfactant concentration on the apparent viscosity of fracturing fluid

由表1可见，在表面活性剂浓度1%～6%之间，随浓度的增大，表观粘度增加，至7%时，表观粘度迅速降低。表面活性剂浓度从2%升至3%，溶液表观粘度急剧增加，3%时表观粘度已达到120.5mPa·s。

由于考虑经济效益的影响采用表面活性剂用量尽量少的原则，初步选定表面活性剂3%的配方。

2.2有机酸盐的用量对压裂液表观粘度的影响

室温（25℃）、表面活性剂浓度3%条件下，测定不同用量有机酸盐的压裂液（剪切速率170s-1、剪切5min）的表观粘度，考察有机酸盐用量对溶液表观粘度的影响，结果见表2。

表2　有机酸盐用量对溶液表观粘度的影响（表面活性剂浓度3%）Tab.2 Influence of organic acid salt dosage on the apparent viscosity of solution（surfactant concentration 3%）

由表2可见，随有机酸盐用量从1%升至5%，溶液的表观粘度先升高后减低。在有机盐用量为3%时，溶液的表观粘度值最大，为218.6mPa·s。

因此，确定选择3%WHX+ 3%有机酸盐配方制备压裂液体系。

2.3压裂液的破胶性能

破胶是压裂液的关键技术指标［6］。VES压裂液接触到原油或其它烃类物质后，其原有的胶束结构被破坏，使体系中的蠕虫棒状胶束转变为球型，失去缠结性，致使其网状结构及粘度均消失。

向所制压裂液中加入一定量柴油，搅拌静置30min后，测定粘度降至4mPa·s。符合SY/T6376-2008（中华人民共和国石油天然气通用标准《压裂液通用技术条件》）中对于表面活性剂类压裂液破胶性能的要求，即720min内粘度降至5mPa·s以下。

2.4压裂液的粘温性

测定了所制压裂液在剪切速率为170s-1，升温速度3℃·min-1，从30～90℃的表观粘度随温度变化趋势。结果见图1。

图1　VES压裂液的粘温性Fig.1 Viscosity-temperature properties of VES fracturing fluid

由图1可见，压裂液的表观粘度随着温度的升高逐渐下降，在36～40℃时下降较为迅速，在40～50℃时出现一个小的平台，然后继续下降。在70℃时，其粘度为28.5mPa·s，粘度高于SY/T6376-2008（中华人民共和国石油天然气通用标准《压裂液通用技术条件》）中对于表面活性剂类压裂液耐温耐剪切性能的要求（≥20mPa·s），可满足携砂及其它要求。根据实验结果判定其可以用于地层温度低于70℃的油气井压裂。

2.5压裂液粘弹性的评价

在25℃，测定储能模量G'和损耗模量G"在角频率0.01～10rad·s-1范围之间的变化关系，测量结果见图2。

图2　压裂液粘弹性的评价结果Fig.2 Evaluation result of fracturing fluid elasticity

由图2可见，低频时G''＞G',随着角频率逐渐增大, G'不断增大, G''先增大后减小;高频时, G'＞G'' , G'基本保持不变。一般来说,储能模量G'和耗能模量G''分别代表流体的弹性和粘性,若G'＞G'',则流体表现出以弹性行为为主。所以根据储能模量G'和耗能模量G'' ,Hoffmann提出了判断溶液是否具有粘弹性的方法［7］:测定储能模量G'和耗能模量G'',如果在0.1～10rad·s-1的范围内有G'＞G'' ,且G'＞10-1Pa,则在给定的温度下就认为溶液具有粘弹性。由图2可知,在25℃时,该压裂液水溶液体系具有粘弹性。

2.6流变参数的计算

在常温下测定了压裂液剪切应力和剪切速率的关系。流变参数K'和n'按假塑性幂律流体公式计算：τ=K·'Dn'。其中τ：剪切应力，Pa；K'：稠度系数，mPa·sn'；D：剪切速率，s-1；n'：流动行为指数。在双对数坐标上作出τ-D曲线，见图3。lgτ=lgK'+n'lgD，所以得出稠度指数K'=4.059mPa·s0.3748，流体行为指数n'=0.3748。

图3　压裂液剪切应力随剪切速率的变化关系Fig.3 Variable relationship of fracturing fluid shearing stress with shearing rate

3　结论

利用一种Gemini季铵盐表面活性剂WHX与有机盐复配出的VES压裂液体系具有粘弹性，破胶性能好，配制简单方便，3%WHX+ 3%有机酸盐压裂液体系可在70℃下使用。压裂液为假塑性流体类型，其稠度指数K'=4.059mPa·s0.3748，流体行为指数n'=0.3748。

参考文献

［1］陈馥，王安培，李凤霞，等.国外清洁压裂液的研究进展［J］.西南石油学院学报，2002，24（5）：65-67.

［2］张朝举，何兴贵，关兴华.国内低中温清洁压裂液研究进展及应用展望［J］.钻采工艺，2009，32（3）: 93-96．

［3］胡忠前，马喜平，王红，等.粘弹性蠕虫状胶束及其应用［J］.高分子通报，2007，（8）：24-27.

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

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［7］王维明. VES-18清洁压裂液性能试验与应用［J］.煤田地质与勘探，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

中图分类号：O647.2：TE357.1+2

文献标识码：A

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

收稿日期：2016-04-06

基金项目：北京市级大学生研究训练（URT）计划项目2015J00019

作者简介：王显赫（1993-），大学生。

通讯作者：许波（1969-），女，博士，副教授，主要研究方向：精细化学品的开发、研制，对俄在石化领域技术交流合作。