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      水中常見離子對水基壓裂液性能影響的研究

      2014-12-24 03:36:18陳雁南王章河
      石油化工應(yīng)用 2014年8期
      關(guān)鍵詞:抗溫交聯(lián)劑壓裂液

      吳 萌,陳雁南,李 強(qiáng),王章河

      (北京礦冶研究總院,北京 102600)

      壓裂施工在油氣田的開采作業(yè)中占據(jù)著越來越重要的地位,目前全世界正在開采的油氣井中,80 %以上需要采用壓裂施工開采,而我國現(xiàn)在有超過90 %的油氣井在使用壓裂方式開采。在眾多的壓裂開采方式中以水力壓裂為主,水基壓裂液的配制和使用則是該工藝的核心技術(shù)之一。增稠劑、各種添加劑、交聯(lián)劑和水是構(gòu)成水基壓裂液的主要成分。眾多機(jī)構(gòu)和研究人員對前三種成分格外重視,而往往忽略了占壓裂液組成中95 %以上的水。許多油田在壓裂用水的選擇上是就地取材,使用地表水、地下水或處理過的廢水。不同水源,其成分變化較大,例如地表水,礦化度較低,但是機(jī)械雜質(zhì)較多;而地下水,礦化度較高,例如在鄂爾多斯盆地可以達(dá)到5 000 mg/L,此外又分為多種水型(如:Na2SO4型、Na2CO3型、CaCl2和MgCl2型)、水組、水亞組和水類等[1-2]。在一些缺水的地方,也開始使用處理過的廢水配制壓裂液[3-4],其成分更加復(fù)雜。因此,使用不同的水源配置壓裂液時,其性能就會有較大差別。

      本文主要研究水中離子(包括:K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Al3+、Cl-、SO42-)對壓裂液的黏度和交聯(lián)后抗溫抗剪切性能的影響。并以此為參考,在使用不同水源配制壓裂液時,可針對性的去除對壓裂用水有害的離子。

      1 試驗

      1.1 材料和儀器

      羥丙基瓜爾膠(一級品),北京礦冶研究總院生產(chǎn);硼砂、氯化鈉、氯化鉀、氯化鈣、氯化鎂、硫酸鈉和氫氧化鈉,以上試劑均為化學(xué)純,由北京化學(xué)試劑公司提供。

      Fann35 黏度計,F(xiàn)ann instrument company,美國。RS-75 控制應(yīng)力流變儀,Haake,德國。

      1.2 試驗方法

      1.2.1 壓裂液及交聯(lián)劑的制備 制備不同濃度的氯化鈉、氯化鉀、氯化鈣、氯化鎂、硫酸鈉溶液,以上述溶液加入濃度0.42 %的羥丙基瓜爾膠制備壓裂液。pH 調(diào)節(jié)使用氫氧化鈉。制備1 %硼砂溶液作為交聯(lián)劑。

      1.2.2 黏度測試 對上述制備好的壓裂液, 使用Fann35 黏度計測試黏度。

      測試條件及方法: 30 ℃水浴恒溫保存10 800 s后,使用Fann35 測定100 r/min 下的黏度。

      1.2.3 抗溫抗剪切性能測試 分別在中性條件(pH=7.0)和堿性條件(pH=10.0)下,將壓裂液和交聯(lián)劑按交聯(lián)比20:1 混合攪拌,形成交聯(lián)狀態(tài)。并使用RS-75 流變儀繪制時間-粘度曲線,用以表示壓裂液的抗溫抗剪切性能。

      測試條件及方法:60 ℃,5 400 s,170 s-1,要求最終壓裂液黏度大于60 mPa·s。

      2 結(jié)果和討論

      2.1 Na+和K+的影響

      在地下水或是地表水中,Na+和K+是水中較常見的離子。特別是在配液時,需要加入KCl 作為粘土穩(wěn)定劑,加量在10 000~30 000 mg/L。因此,需要考察一下Na+和K+對壓裂液黏度及其抗溫抗剪切性能的影響。表1 中,在兩個pH 條件下,Na+濃度變化引起壓裂液黏度的變化。加入Na+后,壓裂液黏度開始下降。在Na+低濃度時,壓裂液黏度相差不大,隨濃度增加,降低較多。表2 中,K+濃度改變,壓裂液黏度相應(yīng)的變化。與Na+相似,同樣是在K+低濃度時,壓裂液黏度基本不變,隨濃度增加,降低較多。二者差別在于,同一濃度下,含有K+的壓裂液黏度略低于含有Na+的壓裂液。這是因為,K+的離子半徑大,對于瓜爾膠形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的破壞性較大,宏觀體現(xiàn)為,黏度較低。

      表1 Na+濃度變化對壓裂液黏度的影響

      表2 K+濃度變化對壓裂液黏度的影響

      圖1 和圖2 分別表示,在Na+和K+不同濃度時,壓裂液的抗溫抗剪切性能。與清水空白試驗比較,Na+和K+在試驗范圍內(nèi),對壓裂液的抗溫抗剪切性能影響較小。圖中只列出了在pH=10.0 時的試驗結(jié)果。因為在現(xiàn)場使用中,大都是在堿性條件下進(jìn)行交聯(lián),并完成壓裂施工。

      2.2 Cl-的影響

      Cl-是壓裂配液用水中常見的離子,例如使用CaCl2或MgCl2水型的地下水、或近似海水成分的地下水、或直接使用海水、還有使用一些處理過的廢水時,水中Cl-的含量均較高。在文中考察Na+和K+的影響時,分別配置的NaCl 溶液和KCl 溶液,由圖1 和圖2 的數(shù)據(jù)可知,相應(yīng)濃度的Cl-對壓裂液抗溫抗剪切性能影響也比較小。

      圖1 pH=10.0,Na+濃度變化對壓裂液抗溫抗剪切性能的影響

      2.3 Ca2+和Mg2+的影響

      由于Ca2+可以和瓜爾膠分子鏈上的羥基發(fā)生交聯(lián)作用,因此,Ca2+的存在可以增加壓裂液的黏度。而在堿性條件下,Ca(OH)2沉淀消除了Ca2+與瓜爾膠羥基的交聯(lián)作用,因此在pH=10.0 時,壓裂液黏度無影響(見表3)。而Mg2+對壓裂液黏度的影響和Ca2+不同,在pH=7.0 時,黏度沒有影響,而在pH=10.0 時,黏度略有增加(見表4)。

      表3 Ca2+濃度變化對壓裂液粘度的影響

      圖2 pH=10.0,K+濃度變化對壓裂液抗溫抗剪切性能的影響

      在壓裂液的抗溫抗剪切方面,同為二價離子,Ca2+和Mg2+也有著明顯的差別。在pH=7.0 時,Ca2+和交聯(lián)劑中的四羥基硼生成硼酸鈣沉淀[5],影響交聯(lián),進(jìn)而影響壓裂液的抗溫抗剪切性能(見圖3)。在pH=10.0 時,Ca(OH)2的生成一定程度上抑制了硼酸鈣生成,部分消除了Ca2+對硼交聯(lián)劑的影響(見圖4)。因而,在配制壓裂液時,應(yīng)根據(jù)體系的pH,適當(dāng)去除Ca2+,以減少對壓裂液抗溫抗剪切性的影響。雖然Mg2+和四羥基硼可以生成硼酸鎂,但其反應(yīng)溫度要達(dá)到750~950 ℃[6],因此在壓裂液的使用溫度下,Mg2+不會影響交聯(lián)劑,也就不會影響到壓裂液的抗溫抗剪切性能(見圖5、圖6)。

      圖3 pH=7.0,Ca2+濃度變化對壓裂液抗溫抗剪切性能的影響

      圖4 pH=10.0,Ca2+濃度變化對壓裂液抗溫抗剪切性能的影響

      表4 Mg2+濃度變化對壓裂液黏度的影響

      2.4 SO42-的影響

      SO42-對壓裂液的黏度和壓裂液的抗溫抗剪切性影響較?。ㄒ姳?、圖7)。

      表5 SO42-濃度變化對壓裂液黏度的影響

      圖5 pH=7.0,Mg2+濃度變化對壓裂液抗溫抗剪切性能的影響

      圖7 pH=10.0,SO42-濃度變化對壓裂液抗溫抗剪切性能的影響

      2.5 Al3+的影響

      水中少量的Al3+可以增加壓裂液的黏度(見表6)。因為Al3+可以和瓜爾膠分子鏈上的羥基產(chǎn)生交聯(lián)作用,作用原理有些類似四羥基硼的作用。但在壓裂液的抗溫抗剪切方面,當(dāng)pH 為7.0 時,Al3+濃度超過50 mg/L,壓裂液黏度在測試條件下低于60 mPa·s,已經(jīng)不能滿足抗溫抗剪切性能的要求(見圖8)。然而,在pH 為10.0 時,Al3+在測試的范圍內(nèi)是可以滿足要求的。因此,和Ca2+一樣,需要根據(jù)現(xiàn)場壓裂液使用的pH切性能方面,由于Ca2+和交聯(lián)劑硼砂中四羥基硼發(fā)生反應(yīng),生產(chǎn)不溶于水的硼酸鈣,影響瓜爾膠的交聯(lián),進(jìn)而減弱壓裂液的抗溫抗剪切性能。Al3+在pH=7.0 條件下使用時,會減弱壓裂液的抗溫抗剪切性;而在pH=10.0 時使用則影響較小。Mg2+在兩個pH 條件下,對壓裂液的抗溫抗剪切性影響均較小。

      圖8 pH=7.0,Al3+濃度變化對壓裂液抗溫抗剪切性能的影響

      針對上述分析,在選擇配液用水的水源時,需要檢測水中離子成分,并相應(yīng)的去除影響壓裂液性能的條件,適當(dāng)去除Al3+(見圖9)。

      圖6 pH=10.0,Mg2+濃度變化對壓裂液抗溫抗剪切性能的影響

      表6 Al3+濃度變化對壓裂液黏度的影響

      圖9 pH=10.0,Al3+濃度變化對壓裂液抗溫抗剪切性能的影響

      3 結(jié)論

      這些常見的離子中,陰離子(Cl-和SO42-)對壓裂液的黏度和其抗溫抗剪切性能影響較小。陽離子中的一價離子(如Na+和K+),會引起壓裂液的黏度的降低,而對壓裂液的抗溫抗剪切性能影響較小。高價金屬離子中Ca2+和Al3+對壓裂液的黏度影響較大,黏度會不同程度的增加;而Mg2+幾乎沒有影響。在壓裂液的抗溫抗剪離子。

      [1] 董維紅,蘇小四,侯光才,等.鄂爾多斯白堊系盆地地下水礦化度和主要離子濃度的分布規(guī)律[J]. 水文地質(zhì)工程地質(zhì),2008,(4):11-16.

      [2] 張兆虹.油田地下水地化特征及分析方法[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報,2011,(18):76.

      [3] 王滿學(xué),王奎,劉雪峰,等.用油田回注污水配置水劑壓裂液的研究與應(yīng)用[J].石油鉆探技術(shù),2006,36(4):67-70.

      [4] 于洪江,等.油層水配制壓裂液影響因素研究[J].化學(xué)工程師,2010,(11):50-53.

      [5] 李治陽,廖夢霞,鄧天龍.合成硼酸鈣的研究進(jìn)展[J].無機(jī)鹽工業(yè),2007,39(11):4-7.

      [6] 靳治良,李武,張志宏.硼酸鎂晶須的合成研究[J].無機(jī)鹽工業(yè),2003,35(3):22-24.

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