VES压裂液的性能研究与循环使用

鲁大丽，陈 勇，熊青山

（1.长江大学 工程技术学院 油气田开发实验室，湖北 荆州 434020；2.长江大学 油气钻井技术国家工程实验室，湖北 武汉 430100）

水力压裂作为油田开采的一种重要增产措施，压裂液是其中的核心液体，也是研究热点［1-2］。目前，水基压裂液稠化剂主要以天然聚合物瓜尔胶类和人工合成的聚合物为主。分析相关现场的压裂返排液可知，压裂时泵送的瓜尔胶压裂液约有55%～65%在返排期滞留在地层［3-5］。清洁压裂液（VES）适用于中低渗的压裂作业，在低黏度下仍具有较强的携砂能力，具有相对分子质量较小、摩擦阻力低、现场配液溶解迅速、易配制、无需添加交联剂、能有效延长裂缝长度等优点［6-7］。VES体系是黏弹性表面活性剂，当浓度超过临界胶束浓度时，自身形成蠕虫状胶束缠绕构成网状结构，溶液黏弹性明显变大，达到压裂液的要求［8-10］。VES压裂液的破胶不同于聚合物体系［11-13］，当有机物质溶解到这种胶束结构的核心时，最终会导致胶束结构的破坏，网状胶束会转变为球状结构而黏度降低，达到破胶。

本工作采用阳离子双子黏弹性表面活性剂和KCl制备了一种清洁压裂液（VES），并采用5%（w）的煤油对该压裂液进行破胶，破胶液用盐酸纯化析出，过滤得到其中的表面活性剂再次进行配液回收循环使用。采用FTIR和SEM方法对回收前后的VES压裂液结构进行表征。对回收前后VES压裂液的黏弹性、流变性、携砂性等性能进行研究，并进行了岩心伤害实验和破胶实验。

1 实验部分

1.1 主要试剂与仪器

长链油酸（化学纯）、乙醇胺（分析纯）、二甲胺基丙胺（分析纯）、环氧氯丙烷（分析纯）：安耐吉科技有限公司；KCl，NaOH，Na2CO3：分析纯，湖北普星特化学试剂有限公司。

Haake MARS Ⅲ型流变仪：美国赛默飞世尔科技公司；Nicolet 6700型傅里叶变换红外光谱仪：美国赛默飞世尔科技公司；EM-30型扫描电子显微镜：北京天耀科技有限公司。

1.2 VES压裂液合成

黏弹性双子表面活性剂的合成：将环氧氯丙烷缓慢滴入不断搅拌的乙醇胺中，n（乙醇胺）∶n（环氧氯丙烷）= 1∶2，然后在室温下反应10 h，得到中间体A；以少量的KOH溶液为催化剂，将油酸和N，N-二甲基-1，3-丙二胺按n（油酸）∶n（N，N-二甲基-1，3-丙二胺）= 1∶1的比例混合，在160 ℃下反应12 h，得到中间体B；将得到的两种中间体以n（中间体A）∶n（中间体B）= 1∶2的比例混合，乙醇为溶剂，在90 ℃下反应12 h后得到黏弹性双子表面活性剂，用丙酮纯化后，干燥待用。

先将2.5%（w）的黏弹性双子表面活性剂加入适量水中配成水溶液，然后采用1.0%（w）KCl（反离子盐）使表面活性剂在水溶液中形成具有黏弹性的蠕虫状胶束结构，即为VES压裂液。然后按照标准［14-15］对所配制的VES压裂液进行评价。

1.3 VES压裂液的破胶与回收

在VES压裂液中加入5%（w）的煤油进行混合，在50 ℃的恒温水浴中保持3 h实现破胶。

破胶后溶液分成两相（上清液为煤油，下层为表面活性剂溶液），将表面活性剂从溶液中高效地提取出来重新利用即为回收。常规的加热蒸发满足不了实际回收需求，大量实验结果表明，加入盐酸可有效促进表面活性剂与溶液的分离。为了降低应用成本，本工作将回收后的表面活性剂直接用水稀释配成压裂液再次使用。

1.4 表征与性能测试

对合成的黏弹性双子表面活性剂及回收后的循环产物进行FTIR表征，比较表面活性剂分子结构的变化；采用流变仪测试回收前后相同含量的表面活性剂所配置的VES压裂液的流变性能，25 ℃，振荡模式，应变幅度为12%，且频率扫描在均线性黏弹性区域内；对回收前后相同含量的表面活性剂所配置的VES压裂液进行岩心伤害实验和破胶实验。

2 结果与讨论

2.1 FTIR表征结果

图1为表面活性剂的FTIR谱图。

图1 表面活性剂的FTIR谱图Fig.1 FTIR spectra of surfactants.

由图1可知，回收前后的表面活性剂的FTIR谱图特征峰几乎相同，曲线上3 357 cm-1处归属于—OH基团特征峰，2 925 cm-1和2 857 cm-1处归属于—CH3和—CH2特征峰，1 652 cm-1处归属于C==O双键特征峰，1 543 cm-1处归属于—NH特征峰，1 085 cm-1和1 465 cm-1处归属于仲醇上C—O和甲基上C—H的弯曲振动吸收峰。因此，回收前后的表面活性剂结构未发生变化，VES压裂液可重复使用。

2.2 黏弹性测试结果

图2为以回收后的表面活性剂所制备的压裂液黏弹性测试结果。

图2 模量与扫描频率的关系Fig.2 The relationship between modulus and scanning frequency.

由图2可知，在整个频率扫描范围内弹性模量（G′）明显大于黏性模量（G″），而当频率接近10 Hz时，G″略有增加。这表明在测试频率范围内，流体具有很好的弹性性质，说明以回收后的表面活性剂所制备的压裂液适用于支撑剂悬浮液。实验结果表明，以经1～5次回收循环后的表面活性剂所制备的压裂液仍具有良好的弹性性质。

2.3 流变性能测试结果

图3为VES压裂液剪切性能测试结果。由图3可知，刚开始剪切时各试样迅速降低，到一定值后，出现波动，20 min后所有试样的黏度都维持稳定。原始试样中由于表面活性剂含量较高，所以黏度明显高于其他回收循环试样；而经1～5次回收循环后的试样黏度几乎没有差别，在60 min内各回收循环试样黏度缓慢下降至约50 mPa·s，仍可满足生产应用的要求。

图3 VES压裂液剪切性能测试结果Fig.3 Shear performance test results of VES fracturing fluid.

2.4 SEM表征结果

图4为VES试样的SEM照片。由图4可知，胶束紧密缠绕聚集，形成多层无规则的结构；回收循环试样依旧具有清晰的胶束层结构，进一步说明回收循环试样可达到压裂液黏度要求。

图4 VES试样的SEM照片Fig.4 The SEM images of VES samples.

2.5 岩心伤害实验结果

采用低渗油藏的砂岩岩心，黏土矿物含量为11%（w），主要成分为绿泥石和伊利石。平均孔隙度为5.46%，平均渗透率为0.21 μm2。先用饱和食盐水驱替岩心，测得伤害前的渗透率，再用VES压裂液实验，测得伤害后渗透率，结果见表1。由表1可知，VES压裂液原样伤害率为4.88%，远小于瓜尔胶体系（20%～35%）［16］；在回收循环次数增多的情况下，盐酸分离的表面活性剂的含量降低，杂质增加，导致伤害率增加，经5次回收循环后伤害率为9.22%，该值仍处于在指标范围（20%）内。

表1 VES试样岩心伤害实验结果Table 1 Core damage experiment results of VES samples

2.6 携砂性能

采用单颗粒静态沉降法来测定支撑剂在压裂液中的沉降速率。实验采用40～60目的陶粒支撑剂与各压裂液试样混合，同组重复测量3次计算平均沉降速率。表2为VES压裂液的静态携砂实验结果。由表2可知，在30 ℃下，观察量筒中混合陶粒的压裂液，基本保持稳定不动；在120 ℃下平均沉降速率仅为0.032 8 mm/s，沉降速率均小于最佳单颗粒支撑剂沉降速率（0.08 mm/s）。因此，VES压裂液具有优良的携砂性能。

表2 VES压裂液的静态携砂实验结果Table 2 Static sand-carrying experiment results of VES fracturing fluid

2.7 破胶性能

以5%（w）煤油为凝胶破坏剂，对多次回收循环的VES压裂液进行破胶性能实验。选取50，70，90 ℃三个温度点，恒温2 h（或3 h）进行压裂液的破胶实验。实验结果表明，经1～5次回收循环后的VES压裂液试样在2 h之内均可彻底破胶，破胶后的试样黏度均小于5 mPa·s，且无残渣，满足实际应用要求。

3 结论

1）回收前后的表面活性剂结构未发生变化，VES压裂液可重复使用。

2）以经1～5次回收循环后的表面活性剂所制备的压裂液仍具有良好的弹性性质；而各回收循环试样黏度几乎没有差别，在60 min内各试样黏度缓慢下降至约50 mPa·s，仍可满足生产应用的要求。

3）回收循环试样依旧具有清晰的胶束层结构。

4）VES压裂液原样伤害率为4.88%，远小于瓜尔胶体系；经5次回收循环后伤害率为9.22%，仍处于在指标范围内。

5）VES压裂液具有优良的携砂性能。

6）经1～5次回收循环后的VES压裂液试样在2 h之内均可彻底破胶，破胶后的试样黏度均小于5 mPa·s，且无残渣，满足实际应用要求。

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