免混配海水基聚合物壓裂液流變性研究

雋鵬,張天壤,梁媛,郭浩龍

(中海油天津化工研究設計院有限公司,天津 300131)

目前,海上壓裂施工面臨著淡水運輸儲存成本高、操作空間有限等問題,導致壓裂液無法進行即配即用而影響施工進程[1-2]。近年來,提出了免混配技術,將乳液型稠化劑直接注入混砂車中再泵送,泵送系統對流量進行準確控制,施工效率得到有效提高[3-4]。為實現海上平臺的免混配工藝,開發與之配套的免混配壓裂液十分必要。但目前對免混配海水基壓裂液的研究還相對較少。

適用于陸地油田的免混配壓裂液已有報道,如:羅磊等[5]利用一體化多功能稠化劑與高礦化度水配制得到的壓裂液具有良好的耐溫耐剪切性能和減阻性能;蒲松齡等[6]研制的抗鹽免混配乳液壓裂液已在蘇77區塊得到了良好的應用。在海水基壓裂液種類中,合成聚合物類因抗鹽性強、熱穩定性好而備受青睞[7],如:劉福建等[8]研發的耐鹽聚合物壓裂液在高礦化度下其黏度仍在保持在50 mPa·s以上;張勝傳等[9]合成了可耐150 ℃高溫在酸性條件下交聯的聚合物壓裂液。因此,聚合物類免混配海水基壓裂液被認為具有良好的發展優勢。

本工作通過反相乳液聚合制備了一種速溶耐鹽稠化劑(XF-1),搭配湛江海水、EDTMPS螯合劑(ZX-1)及有機鋯交聯劑(BN-2)配制了免混配海水基聚合物壓裂液(以下簡稱為一體化壓裂液),對一體化壓裂液進行了流變學測試。

1 實 驗

1.1 試劑與儀器

哈克MARS40旋轉流變儀,賽默飛世爾科技(中國)有限公司;D90-300攪拌機,青島海通達專用儀器有限公司;DF-101S恒溫水浴鍋,山東鄄城華魯電熱儀器有限公司。

1.2 制備方法

1.2.1 XF-1稠化劑

1.2.2 ZX-1螯合劑

將EDTMPS配制成質量分數為10%的水溶液,即得ZX-1螯合劑。

1.2.3 BN-2交聯劑

量取60 mL蒸餾水置于50 ℃水浴中,在攪拌下加入40 g乳酸鈉溶液、1 g氫氧化鈉、1 g乙酰丙酮,再緩慢加入18 g氧氯化鋯,待溶液澄清時得到BN-2交聯劑。

1.2.4 一體化壓裂液基液

將96.5 mL湛江海水倒入500 mL燒杯中,在機械攪拌下,將1.7 mL XF-1稠化劑緩慢加入到燒杯中,攪拌均勻后加入0.8 mL破乳防膨助排一體劑、0.6 mL ZX-1螯合劑,待充分混合后即完成基液配制。

1.2.5 一體化壓裂液

向配制好的基液中加入0.4 mL BN-2交聯劑,再用玻璃棒沿一個方向攪拌4～5 min后得到一體化壓裂液。

1.2.6 100 ℃下交聯后的一體化壓裂液

將配制好的一體化壓裂液放入流變儀的高溫密閉單元中,采用PZ38轉子,剪切速率設為5 s-1,起始溫度設為30 ℃,以3 ℃/min的速率升溫到100 ℃,停止流變儀運行,待儀器冷卻至室溫后,取出得到交聯成凍狀的壓裂液。

1.3 測試方法

臨界締合濃度、剪切恢復性能、流變參數、耐溫耐剪切性能采用流變儀的高溫密閉單元及PZ38轉子測試,屈服應力、黏彈性采用流變儀的錐板單元及P20/Ti/SE轉子測試,具體測試條件如下。

稠化劑臨界締合濃度:25 ℃,剪切速率8.5 s-1。

基液剪切恢復性能:溫度設為25 ℃,剪切速率開始設為50 s-1,10 min后變為500 s-1,20 min后恢復至50 s-1,繼續剪切10 min后結束。

基液流變參數:測試溫度為25 ℃,首先在170 s-1的速率下預剪切20 min,再進行階梯式變剪切,剪切速率階梯為:170、150、125、100、75、50、25 s-1。

壓裂液耐溫耐剪切性能:剪切速率170 s-1;起始溫度設為30 ℃,以3 ℃/min的速率升到150 ℃,在該溫度下剪切2 h。

壓裂液流變參數:首先將剪切速率設為170 s-1,起始溫度設為30 ℃,以3 ℃/min的速率升溫到150 ℃,在該溫度下繼續剪切20 min。再進行變剪切,剪切速率階梯為:170、150、130、110、90、70、50、30、10 s-1。

壓裂液屈服應力:在25 ℃下得出剪切速率-剪切應力的變化曲線,進而確定屈服應力。

壓裂液黏彈性:進行應力掃描時,頻率為0.1 Hz,應力范圍為0.01～200 Pa,在測試結果中選定線性黏彈區域內的應力為后續測試應力;時間掃描的測試時間為5 min;頻率及損耗角掃描的測試頻率范圍為0.01～10 Hz。以上測試皆在25 ℃下進行。

2 結果與討論

2.1 基液的流變性能

2.1.1 稠化劑的臨界締合濃度

從圖1的XF-1稠化劑的臨界締合濃度曲線中可見,臨界締合濃度為0.8%。開始階段主要發生聚合物分子內締合降黏反應,聚合物分子鏈由于其分子內部締合而發生蜷曲,從而降低基液的黏度[10],因此壓裂液基液黏度隨其質量分數增大變化不大。當稠化劑質量分數達到臨界締合濃度后,開始發生聚合物分子間締合增黏反應,聚合物相對分子質量隨著基液質量分數變大而增加,締合空間充足使得分子間作用更為顯著,此時壓裂液基液黏度隨其質量分數增大而明顯上升。

圖1 XF-1稠化劑的臨界締合濃度曲線

2.1.2 基液的流變參數

圖2為常溫下基液所受切應力與剪切速率之間的關系。由圖2可見,曲線的線性方程為:y=0.371 17x+0.598 91(R2=0.992 11),說明該基液為冪律流體,稠度系數K[11]為1.820 13 Pa·s,流動行為指數n為0.371 17。由于K值是反映流體結構強度的指標,K值越大流體結構越強,n值則是反應流體非牛頓性程度的指標,n值越小流體非牛頓性越強[12]。K值較大而n值較小,說明基液中聚合物所締合的網狀結構具有良好的強度,并對基液的表觀黏度有較大的 貢獻。

圖2 一體化壓裂液基液的ln[τ/Pa]-ln[γ/s-1]曲線

2.1.3 基液的剪切恢復性能

為確定一體化壓裂液基液中聚合物分子的締合穩定性,選取質量分數為1.7%的基液,對其進行剪切恢復性能測試,結果如圖3所示。由圖3可見,開始時,基液在低剪切速率下的表觀黏度約為150 mPa·s,隨后基液的黏度在高剪切速率下急劇降低,最后將剪切速率降至開始時的數值,此時基液的表觀黏度約為120 mPa·s。

以上說明,由于高剪切的作用,基液中的聚合物分子所締合形成的網狀結構遭到破壞,使得基液的表觀黏度降低,當剪切速率恢復至初始數值后,聚合物分子再次締合,網狀結構得以重建,基液的表觀黏度發生回升,恢復率為80%,證明了該基液具有良好的剪切恢復性。

2.2 壓裂液的流變性能

2.2.1 耐溫耐剪切性能

對所配制的一體化壓裂液進行耐溫耐剪切性能測試,結果如圖4所示。由圖4可見,起初壓裂液的黏度大約為50 mPa·s,隨著溫度的升高和轉子的剪切,黏度略有降低,但當溫度達到80 ℃左右時,黏度開始急劇增加,在溫度為100 ℃時達到最高,黏度值為420 mPa·s。這說明BN-2交聯劑在高溫下開始明顯發揮作用,使基液發生交聯反應,導致壓裂液黏度增高,這與文獻報道結果一致[13-14]。溫度升至150 ℃后保持不變,并以170 s-1的速率剪切2 h后,壓裂液的黏度值約為76 mPa·s,表現出良好的耐溫耐剪切性能。

圖4 一體化壓裂液的耐溫耐剪切性能

2.2.2 流變參數

圖5為150 ℃下壓裂液所受切應力與剪切速率的關系。由圖5可見,lnτ與lnγ仍然呈線性關系,對圖中散點擬合后可得到線性方程:y=0.335 08x+1.317 44(R2=0.997 24),證明一體化壓裂液在150 ℃的高溫下仍表現為冪律流體。經計算,稠度系數K為3.733 85 Pa·sn,流動行為指數n為0.335 08,相較于基液,150 ℃下的壓裂液K值更大、n值更小,說明高溫時在BN-2交聯劑的作用下,一體化壓裂液的空間結構得到進一步強化,這再次為一體化壓裂液具有良好的耐溫耐剪切性能做了解釋。

圖5 150 ℃下一體化壓裂液的ln[τ/Pa]-ln[γ/s-1]曲線

2.2.3 屈服應力

屈服應力是反映壓裂液攜砂性能好壞的重要參數[15]。對常溫下所配制的一體化壓裂液及其在100 ℃下交聯的產物進行屈服應力的測定,結果見圖6。由圖6可見,常溫下一體化壓裂液的屈服應力較小,僅為1 Pa。高溫交聯后的一體化壓裂液其屈服應力值增加到43 Pa,這是因為高溫下的交聯反應加強了聚合物分子鏈間的纏結現象,因此需要更高的剪切應力才能將其結構破壞。具有較高屈服應力值的壓裂液,其攜砂能力一般較強,這有助于提高支撐劑的懸浮效果,以實現良好的裂縫導流性能。

圖6 一體化壓裂液的屈服應力曲線

2.2.4 黏彈性

2.2.4.1 應力掃描

圖7和圖8分別為常溫、100 ℃下交聯后的一體化壓裂液的應力掃描曲線。

圖7 常溫一體化壓裂液的應力掃描曲線

圖8 100 ℃交聯后的一體化壓裂液的應力掃描曲線

可以看出,τ為0.1～0.6 Pa時,常溫下一體化壓裂液處于線性黏彈區間,故其后續測試剪切應力選定為0.3 Pa。在高溫交聯后,一體化壓裂液的線性黏彈區域明顯變大,τ在0.1～3 Pa范圍內時,其始終處于線性黏彈區間,故選定1 Pa的剪切應力進行后續測試。

2.2.4.2 時間掃描

圖9是常溫和100 ℃交聯后一體化壓裂液的時間掃描曲線。

圖9 常溫和100 ℃交聯后一體化壓裂液的時間掃描曲線

從圖9可以看到,常溫下隨著時間的變化,儲能模量G′曲線與損耗模量G″曲線呈平穩趨勢,G′、G″分別為0.55 Pa和0.38 Pa。100 ℃交聯后G′、G″都明顯地增大,最終分別穩定在7.9 Pa和1.3 Pa,且G′始終高于G″,這是因為壓裂液中的聚合物分子鏈形成了更加穩固的超分子結構?？梢?一體化壓裂液在高溫下具有更優異的黏彈性。

2.2.4.3 頻率掃描

圖10為常溫和100 ℃交聯后一體化壓裂液化頻率掃描曲線。由圖10可以得知,常溫下τ設定為0.3 Pa時,隨著頻率的變化,G′、G″曲線時而發生交錯或重疊,二者差值較小,說明常溫下一體化壓裂液的黏彈性不強。100 ℃交聯后,當τ設定為1 Pa,頻率范圍在2 Hz以內時,一體化壓裂液的兩條模量曲線較為平行,且總體皆呈緩慢上升趨勢,這是因為隨著作用力的頻率增加,需要消耗的能量增多,并且試樣形變加強產生更多的彈性勢能。與在常溫下的狀態相比,100 ℃下交聯后的一體化壓裂液的兩個模量值均有明顯增大,G′恒高于G″,且差值變大,說明其黏彈性更強。當頻率超過2 Hz時,剪切力破壞了聚合物分子網狀結構,出現剪切變稀現象,進入非線性黏彈區。

圖10 常溫和100 ℃交聯后一體化壓裂液化頻率掃描曲線

2.4.4.4 損耗角

用損耗角δ(tanδ=G″/G′)表示流體在外剪切力下的能量損耗,進而分析其黏彈性,圖11為一體化壓裂液的損耗角曲線。從圖11得知,常溫下一體化壓裂液的損耗角曲線波動較為明顯,tanδ值時而大于1時而小于1,黏彈性不穩定,100 ℃下交聯后的一體化壓裂液在其線性黏彈區間內時,tanδ值較為穩定且恒小于1,相較于前者,tanδ值明顯減小,說明此時一體化壓裂液的彈性占為主導,具有更好的攜砂效果。

圖11 常溫、100 ℃下交聯后的一體化壓裂液的損耗角曲線

3 結 論

a.XF-1稠化劑臨界締合濃度為0.8%,一體化壓裂液基液在常溫下為非牛頓冪律流體,其剪切恢復率可達到80%。

b.一體化壓裂液適用于礦化度為35 750 mg/L的湛江海水,在80 ℃下開始發生交聯,100 ℃時交聯效果達到最佳,在150 ℃下仍具有較高的結構強度,并以170 s-1的速率剪切2 h后,其黏度值仍在50 mPa·s以上。

c.相比常溫條件,一體化壓裂液在高溫交聯后,其屈服應力大幅度增加,同時黏彈性也明顯增強,表現出彈性為主導的狀態。