VES清洁压裂液基本体系的确定

2023-11-18 理论教育版权反馈

【摘要】：体系中各主要物质的加量最终通过正交试验来确定。很多关于清洁压裂液的研究中都提到使用KCl作为黏土稳定剂，因为它与表面活性剂配伍使用后，会有效地防止黏土膨胀。表7-2正交实验表7.2.2.3温度稳定剂VES清洁压裂液的体系基本确定以后，对这个基本体系进行了耐温耐剪切实验。也就是说，目前确定的VES体系可以基本满足45℃下的施工要求。

实验用煤岩样所处的储层位于地下300～1 000m之间，岩样所在的辽宁阜新地区的地温梯度为3℃/100m，地表的温度为7.5～15℃，地层水的温度约为42℃，因此地层的温度为40～45℃，在此温度下能满足携砂要求的前提下，使配方中各个物质的加量降到最低，不但可以节约成本，还可以减少对煤层的伤害。

VES压裂液中常用的表面活性剂是阳离子型的，当所用盐的反离子或者表面活性剂本身所带的反离子能与离子型表面活性剂强烈结合时，就可以形成线型柔性棒状胶束。本节对多种常用的阳离子型表面活性剂和反离子进行了筛选实验，最终选定了阳离子型表面活性剂SL-16和反离子助剂水杨酸根。因为相比之下，它们在很低的浓度下就呈现出较理想的黏度。体系中各主要物质的加量最终通过正交试验来确定。

7.2.2.1　阳离子型表面活性剂与反离子助剂

在45℃的温度下，黏度与表面活性剂的浓度的变化关系见图7-3。

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图7-3　黏度随着SL-16的浓度的变化关系（在45℃下）

随着表面活性剂的量的增大，体系的黏度先增大，然后减小，最后变化趋于平稳。从图7-3中可以看出，无论水杨酸钠是哪个浓度，体系的黏度都会出现一个最大值，然后再慢慢减小，只是最大值出现时的表面活性剂浓度不同。当水杨酸钠浓度为0.5%、出现黏度的最大值时，表面活性剂的用量最小。

黏度随水杨酸钠的浓度的变化关系见图7-4。

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图7-4　黏度随着水杨酸钠的浓度的变化关系（在45℃下）

在图7-4中，随着水杨酸钠的量的增大，体系的黏度也逐渐增大，SL-16的浓度为1.5%时，水杨酸钠的用量最小而且达到了比较理想的黏度。并且，当表面活性剂SL-16的量一定时，水杨酸钠的量加大到一定程度时，体系中会出现白色物质，且基本无黏度。而且盐的量加入越多，溶液的矿化度也越大，这样对泡沫的稳定性会产生很大的影响。所以考虑将SL-16的量初定为1.5%、2%、2.5%，水杨酸钠的量初定为0.4%、0.5%、0.6%，以它们作为体系正交实验的因子水平。

7.2.2.2　黏土稳定剂

考虑到煤层黏土矿物的膨胀，因此需要选择一种黏土稳定剂。很多关于清洁压裂液的研究中都提到使用KCl作为黏土稳定剂，因为它与表面活性剂配伍使用后，会有效地防止黏土膨胀。无机盐黏土稳定剂中最常用的稳定剂也是KCl。它提供的阳离子可以防止黏土阳离子交换作用引起的浸析作用，使黏土颗粒堆积的各层片保持凝结或浓缩状态，阻止黏土颗粒的分散。该防膨实验在泥土膨胀仪上进行，将岩心粉碎后，观察不同浓度的KCl的防膨效果，见表7-1。

表7-1　不同浓度的KCl防膨率

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但是，在实验中发现，氯化钾的加入会降低流体的黏度，本节选择了SL-16浓度为1.5%和水杨酸钠浓度为0.5%，这两者是黏度最理想的组合。加入不同浓度的KCl，观察黏度的变化，结果见图7-5。由图7-5可以看到，随着KCl的加量增大，体系的黏度在降低。所以需要试验确定KCl的加量，在不影响黏度的前提下，达到最大的防膨效果。

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图7-5　KCl的浓度对黏度的影响

综合考虑防膨率和对体系黏度的影响，最终选择了KCl的浓度为0.5%、1.0%、1.5%作为正交试验的因子水平。

至此，确定了1个三因素、三水平的正交实验表，其结果见表7-2。由表7-2可以得出第2组和第9组在黏度上相差无几，但是本着尽可能减少侵入煤层的外来物质的量的原则，确定第2组为VES粘弹体系的配方。

表7-2　正交实验表

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7.2.2.3　温度稳定剂

VES清洁压裂液的体系基本确定以后，对这个基本体系进行了耐温耐剪切实验。该体系的耐温能力曲线见图7-6。VES体系的耐剪切能力曲线如图7-7所示的加入温度稳定剂前的曲线。

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图7-6　VES体系的耐温能力

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图7-7　VES体系的耐温耐剪切曲线

实验中发现，该体系在温度为50～55℃时，黏度下降到50mPa·s，并且将泡沫体系在45℃下剪切，黏度很快下降至37mPa·s。美国的Stim-Lab在大规模的压裂模拟器上进行输砂实验，结果认为，黏弹性表面活性剂在剪切速率为100s－1、溶液黏度为30mPa·s时能够有效地输送支撑剂，这主要是因为VES压裂液具有黏弹性。也就是说，目前确定的VES体系可以基本满足45℃下的施工要求。为了保证施工的万无一失，需要在该体系中加入一种温度稳定剂，使该体系的抗温能力更强，以防因为地层中温度的小范围变化就引起整个压裂作业失败。

温度稳定剂是一种辅助剂，常用的有硫代硫酸钠、亚硫酸氢钠、三乙醇胺和Tween20等。在煤层的压裂中，首选无机盐类温度稳定剂。实验发现，硫代硫酸钠的抗温能力较好。45℃时体系的黏度与硫代硫酸钠的加量的关系见图7-8。

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图7-8　不同的硫代硫酸钠的浓度对黏度的影响

由图7-8可知，当硫代硫酸钠的量增大到0.4%时，黏度在45℃时有所增大。但是再增加温度稳定剂的加量，黏度的变化基本上趋于不变。因此确定硫代硫酸钠的量为0.4%。此时，再对VES体系在45℃下进行剪切，发现体系的黏度基本上不发生大的变化。图7-7所示的加入温度稳定剂后的曲线证明，加入温度稳定剂后，体系耐温的能力提高了。

VES清洁压裂液基本体系的确定

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