一种非离子表面活性剂压裂液的实验研究

周佩龄，王煦，赵莹子，付萍

(1.西南石油大学 材料科学与工程学院，四川 成都 610500;2.四川省威尔敦化工有限公司，四川 德阳 618304)

粘弹性表面活性剂压裂液(VES 压裂液)，又称为无聚合物压裂液、清洁压裂液，是1997 年由Schulumberger 公司提出的概念［1］，它是由特殊表面活性剂在一定条件下形成蠕虫状胶束，并相互缠绕成动态网状结构的新型压裂液体系。由VES 形成的网状结构有别于聚合物的不可逆结构，因此又被称作“活性聚合物”，这种可逆结构在剪切下结构会拆散，停止剪切后又自动恢复，具有很好的粘弹性。

与常规的聚合物压裂液体系相比，VES 压裂液具有本身无固相、破胶彻底无残渣、弹性携砂、粘度低、摩阻小、配制简单、操作方便等优势［2-6］。近年来瓜尔胶成本的升高，更为VES 压裂液的研制和推广提供了有利条件。

随着我国对schlumberger 公司的Clear FARC 的引进，近十多年VES 压裂液的研制和应用在我国发展迅速［7-13］;但是VES 压裂液主剂主要还是阳离子季铵盐型［8，10，11，13］，品种相对单一。为了丰富VES压裂液的种类，本研究优化出了一种非离子表面活性剂的压裂液的配方，并考察了这种VES 压裂液的性能。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

芥酸，工业级;N，N'-二甲基-1，3-丙二胺、2-丙烯酰胺基-甲基丙磺酸(AMPS)、甲醇、甘油均为分析纯;20 ～40 目陶粒。

ZNN-D6 型六速旋转粘度计;HAAKE RS600 流变仪;Thermo Fisher 6700 红外吸收光谱仪。

1.2 实验方法

1.2.1 非离子表面活性剂的合成芥酸与N，N'-二甲基-1，3-丙二胺以一定的摩尔比在140 ～170 ℃油浴下回流反应5 h。真空蒸馏去除过量的N，N'-二甲基-1，3-丙二胺，得到初产品。在80 ℃恒温熔融，转入40 ℃冷却、结晶、过滤，滤液为非离子表面活性剂。

1.2.2 压裂液的配制将一定量的非离子表面活性剂、甲醇和甘油混合均匀，得到增稠剂VES-A。称量一定量VES-A 加入到装有400 mL 蒸馏水的烧杯中，搅拌至形成稳定的乳浊液后，再加入一定量的AMPS，继续搅拌1 ～2 min，至形成澄清的粘弹性压裂液。使用六速旋转粘度计测量在25 ℃、300 r/min转速下的表观粘度。

1.3 清洁压裂液性能评价方法

将SY/T 6376—2008 中粘弹性表面活性剂压裂液通用技术指标作为评价标准，根据SY/T 5107—2005 标准的方法评价压裂液的耐温耐剪切能力、携砂能力和破胶性能。

1.3.1 携砂性测试用量筒量取100 mL 蒸馏水，倒入烧杯中，按表面活性剂质量分数2. 8% 和3.6%、甲醇(质量分数1.2%)配制好压裂液。用电子天平准确称量20，40，60 g 陶粒，倒入装有压裂液的烧杯中。在玻璃棒搅拌下，使陶粒均匀悬浮于压裂液中。将携带陶粒的压裂液倒入100 mL 量筒，秒表记录陶粒的沉降时间。

1.3.2 破胶性测试测试温度为90 ℃，测试时间分别为30，60，120 min。

2 结果与讨论

2.1 红外波谱分析

芥酸和产物的红外谱光图见图1。

图1 芥酸与产物的红外光谱对比图Fig.1 The comparison chart of the IR spectrum of erucic acid and the product

由图1 可知，直观发现两条红外曲线存在差异。在3 286.64，1 647.76，1 539.89，1 033.83 cm－1出现了强吸收峰，与芥酸的红外谱图有明显的区别，说明反应生成了新的物质，结合反应原理和特征峰，可初步推测官能团为—CH2—CO—NH—，产物可能为芥酸酰胺类化合物。

2.2 体系表观粘度与表面活性剂质量分数的关系

当甲醇和甘油的质量比为2 ∶1(总质量分数1.2%)，AMPS 质量分数为0.027 5%时，不同表面活性剂质量分数的溶液的表观粘度见图2。

由图2 可知，其它条件一定时，随着溶液中表面活性剂质量分数的增加，溶液的表观粘度先增加后降低，3.6%时达峰值;并且当表面活性剂浓度某值时，溶液表观粘度会出现骤升。这说明当交联剂AMPS 量足够时，溶液表观粘度主要由表面活性剂浓度决定。实验结果表明，当表面活性剂质量分数＞2. 4% 时才可能形成强凝胶;高于3. 7% 后，0.027 5%的AMPS 加量不能使溶液澄清，说明表面活性剂和AMPS 加量存在最佳配比。

图2 表观粘度与表面活性剂质量分数的关系Fig.2 The relationship between the apparent viscosity and the mass fraction of the surfactant

2.3 体系表观粘度与AMPS 质量分数的关系

当表面活性剂质量分数为3.6%，甲醇质量分数为1.2%，不同AMPS 质量分数的溶液的表观粘度见图3。

图3 表观粘度与AMPS 质量分数的关系Fig.3 The relationship between the apparent viscosity and the mass fraction of AMPS

由图3 可知，随AMPS 加量的增加，溶液表观粘度在经历两个骤升之后趋于平稳，这可能是因为随AMPS 的加入，溶液中先形成了稍短链蠕虫状胶束后，又随着蠕虫状胶束的生长，胶束间发生缠结，形成网状结构，而这种网状结构在适量AMPS 作用下呈动态平衡。但超过某一值后出现下降趋势。这可能是因为当AMPS 超过一定量后，再继续增加AMPS 的量，将破坏胶束聚集体的结构而使表观粘度下降。实验结果表明，当AMPS 质量分数为0.025% ～0.047 5%时，表观粘度＞80 mPa·s，当表面活性剂质量分数为3. 6% 时，选择加量0.027 5%作为压裂液优化配方。

2.4 体系表观粘度与助溶剂A 和B 质量分数的关系

当表面活性剂质量分数为2.8%，甲醇和甘油的总质量分数为1. 2%，AMPS 质量分数为0.027 5%时，不同甲醇质量分数溶液的表观粘度见图4。

图4 表观粘度与甲醇质量分数的关系Fig.4 The relationship between the apparent viscosity and the mass fraction of methanol

由图4 可知，甲醇和甘油的质量分数对溶液表观粘度影响很大，甲醇更有利于表面活性剂分子蠕虫状胶束的形成。

综上所述，清洁压裂液的最优配方为:AMPS 0.027 5%，表面活性剂3.6%，甲醇1.2%和水。

2.5 体系的耐温耐剪切能力

对最优配方进行耐温耐剪切测试，结果见图7、图8。

图5 30 ℃时体系表观粘度与时间的关系Fig.5 The relationship between the apparent viscosity and time at 30 ℃

图6 95 ℃时体系表观粘度与时间的关系Fig.6 The relationship between the apparent viscosity and time at 95 ℃

由图7、图8 可知，随温度的升高体系的表观粘度均有所下降，当温度稳定在设定温度后，表观粘度趋于稳定。说明在一段时间内，体系表观粘度基本不受剪切时间影响，但受温度影响较大。体系的低温(30 ℃)表观粘度较中高温(95 ℃)高，但在95 ℃时仍高于40 mPa·s，根据标准，该体系能用作压裂液。

2.6 体系的携砂性能和破胶性能

2.6.1 携砂性能结果表明，两个体系在200 ～400 砂比时静置7 d 均无沉降，而2.8%体系在600砂比时10 min 沉降1/3，3.6%体系静置7 d 仍无沉降。

2.6.2 破胶性能测试结果见表1，破胶前的表观粘度为120 mPa·s。

表1 破胶剂加量对清洁压裂液的破胶性能的影响Table 1 Impact on the gel-breaking property of the amount of the gel-breaker

由表1 可知，破胶剂加量在3.5%以上，压裂液在60 ～120 min 可破胶，破胶粘度为3 mPa·s，符合标准。破胶液离心后的残渣量为0，说明破胶完全无残渣，不会对地层的渗透率造成伤害。

3 结论

(1)合成了一种芥酸酰胺类非离子表面活性剂，与AMPS 的配合作用下，可在水溶液中产生粘弹性，能用作清洁压裂液的主剂。

(2)在甲醇的作用下，当表面活性剂质量分数为2.4% ～3.8%，AMPS 为0.025% ～0.048%时，溶液表观粘度均≥30 mPa·s，可用作清洁压裂液的配方。最优配方为:3. 6% 表面活性剂，0. 027 5%AMPS，甲醇1.2%和水。

(3)评价了体系的耐温耐剪切性能和携砂性能，最优配方耐温达95 ℃，适合低温和中高温地层;体系具有优良的携砂性，通过调节表面活性剂的浓度，即可达到不同的携砂要求。

(4)加入3. 5% 的破胶剂后，压裂液在60 ～120 min 破胶，破胶彻底，无残渣。

［1］ Slaheddine K，Jesse L，Timothy L P，et al.Expanding application for viscoelastic surfactants［J］.Oilfield Review，2004，16(4):10-23.

［2］ 刘新全，易明新，赵金钰，等.粘弹性表面活性剂(VES)压裂液［J］.油田化学，2001，18(3):273-277.

［3］ Mathew Samuel，Dan Polson，Don Graham，et al. Viscoelastic surfactant fracturing fluid:Applications in low permeability reservoirs［J］.SPE 60322，2000.

［4］ 江波，张灯，李东平，等.耐温VES 压裂液SCF 的性能［J］.油田化学，2003，20(4):332-334.

［5］ 刘友权，王小红，唐永帆.清洁压裂液在四川气田的应用［J］.钻采工艺，2003，26(增刊):116-120.

［6］ 刘伟，刘建权.VES-80 清洁压裂液实验研究［J］.钻井液与完井液，2004，21(3):16-18.

［7］ 王满学，刘易非. 低伤害清洁压裂液VES-1 的研制与应用［J］.石油与天然气化工，2004，33(3):188-192.

［8］ 卢拥军，方波，房鼎业，等. 粘弹性表面活性剂压裂液VES-70 工艺性能研究［J］. 油田化学，2004，21(2):120-123.

［9］ 崔会杰，王国强，冯三利，等. 清洁压裂液在煤层气井压裂中的应用［J］.钻井液与完井液，2006，23(4):58-91.

［10］罗明良，贾自龙，刘佳林，等. 压裂酸化用粘弹性表面活性剂溶液研究进展［J］.应用化工，2010，39(6):912-915.

［11］高洁，吴金桥，许亮，等. 新型连续混配性清洁压裂液体系研究［J］.应用化工，2011，40(11):1932-1934.

［12］张福铭，李学军，陈小华，等. 海水基清洁压裂液体系PA-VES90 的制备及性能研究［J］. 科学技术与工程，2012，12(8):1760-1764.

［13］苑光宇，侯吉瑞，罗焕，等. 清洁压裂液的研究与应用现状及未来发展趋势［J］. 日用化学工业，2012，42(4):288-297.