胍胶压裂含硼返排液回用性能评价

2019-05-07陈新建屈撑囤李彦鱼涛

应用化工 2019年4期

陈新建，屈撑囤，2，李彦，鱼涛

(1.西安石油大学陕西省油气田环境污染控制与储层保护重点实验室，陕西西安 710065；2．石油石化污染物控制与处理国家重点实验室，北京 102206)

压裂返排液返排量大、成分复杂、处理难度大[1]。返排液的回收利用能够解决现场用水紧张、污染环境等问题[2]。传统处理返排液的方法为氧化絮凝，该方法简单易操作，但不能满足处理后返排液配水要求，其中pH对返排液提前交联影响较大[3-4]，钙镁离子含量影响较大，氯硫离子较小，影响返排液中pH为硼酸及硼酸根离子[5]。本文考察硼酸及硼酸根离子含量上限和钙镁氯硫离子含量，以基液粘度、耐温抗剪切性、流变参数进行测试，之后在硼酸及硼酸根离子的基础上添加Ca2+、Mg2+、Cl-、S2-，考察无机离子在返排液中所达上限，为返排液处理提供依据。

1 实验部分

1.1 药品与仪器

杀菌剂1227、助排剂、zp-3y破乳剂、羟丙基胍胶均为工业级；过硫酸铵、四硼酸钠、氯化镁、三乙醇胺、氯化钾、异戊醇、无水氯化钙、氢氧化钠、碳酸氢钠均为分析纯；压裂返排液，来源于陕北靖边，粘度2 mPa·s，pH处于酸性，钙镁离子含量分别为2 850，1 256 mg/L，氯离子含量38 562 mg/L，硫离子含量较少。

Thermo全自动表面张力仪；SITE100旋滴界面张力仪；CP114电子天平；CN60M/1835乌氏粘度计；HH-S4型热恒温水浴锅；202-00电热恒温干燥箱；QNQ型落球粘度计；TDL-5-A台式离心机；Thermo 复杂流体流动特性测定仪；ZNN-D6六速旋转黏度计；CJS-B12K高速搅拌器。

1.2 压裂液制备

返排液回用，pH≤9，不影响基液粘度；弱碱条件下，存在较低硼酸根离子，不会造成基液提前交联[6]。

使用高速搅拌器，量杯中加入400 mL蒸馏水，加入硼砂，pH值控制9以下，加入其它助剂，搅拌速度6 000 r/min下加入1.6 g胍胶，搅拌15 min后于30 ℃恒温水浴锅放置4 h，测定基液粘度。4 mg/L硼溶液中分别加入氯化钙、氯化镁、氯化钠、硫化钠，配制0.4%羟丙基胍胶基液，测定基液粘度、耐温抗剪切性、破胶液粘度、表界面张力、流变参数。

1.3 性能测试

1.3.1 耐温抗剪切及携砂性能 60 ℃剪切60 min，测定耐温抗剪切性；使用QNQ型落球粘度计测定压裂液携砂性能。

1.3.2 破胶性能及流变参数 0.05%破胶剂，温度60 ℃，时间60 min，恒温水浴锅中破胶。乌氏粘度计测定破胶液粘度，≤5 mPa·s，即为破胶[7-8]；按照SY/T 5370—1999“表面及界面张力测定方法”及SY/T 6296—1997“采油用聚合物冻胶强度的测定流变参数法”规定，测定破胶液表界面张力及冻胶流变参数，求出流性指数n、稠度系数k[9]。

压裂施工改造储层时，压裂液中存在残渣、滤饼，影响裂缝本身渗透能力，导致增产效果不佳[10]。测定残渣含量，公式如下：

式中η——压裂液残渣含量，mg/L；

m——残渣质量，mg；

V0——压裂液用量，mL。

2 结果与讨论

2.1 残留硼

李静群等[3]研究胍胶处在弱酸性条件下，能够很好起粘，处在弱碱性条件下分散快。加入硼砂，溶液pH值在弱碱性条件下，胍胶能在短时间分散，之后将pH值调节为弱酸性，使胍胶起粘，防止产生鱼眼，基液粘度见图1。

图1 基液粘度Fig.1 Viscosity of base liquid

由图1可知，溶液含4 mg/L硼，基液粘度在42～45 mPa·s，粘度正常，超过4 mg/L硼，烧杯底部出现“泥饼状”沉淀物，粘度骤降到30 mPa·s左右，控制在4 mg/L以下。

Na2B4O7+7H2O4H3BO3+2NaOH

H3BO3+2H2O

2.2 其它离子含量

4 mg/L硼的硼砂溶液，分别加入其它离子，配制压裂液，测定基液粘度、耐温抗剪切性。结果表明，Ca2+超过700 mg/L，基液粘度正常，耐温抗剪切方面性能变差。一方面，溶液显碱性，Ca2+与OH-反应生成Ca(OH)2沉淀；另一方面，Ca(OH)2溶解度随温度升高而降低，Ca(OH)2大量析出，导致原来形成三维网络结构塌陷，压裂液耐温抗剪切性能降低；Mg2+与OH-生成Mg(OH)2沉淀，Mg(OH)2极难溶于水，Ca(OH)2在室温下溶解度高，溶液中Mg(OH)2沉淀析出，温度升高，促进硼砂水解，OH-增多，与冻胶中Mg2+生成Mg(OH)2，使形成冻胶链断裂，Mg2+开始时大部分已经消耗，没有Ca2+影响大；溶液含有硼砂，温度升高，平衡向右移动，生成B(OH)4-，能够抵消Ca2+与Mg2+原本形成网络结构损失。返排液中Ca2+、Mg2+在含有适当硼时，总体性能能够满足要求。

表1 离子含量Table 1 Ion content

2.3 破胶及残渣含量

0.05%破胶剂加量，置于60 ℃恒温水浴锅中，60 min后使用乌氏粘度计测定破胶液粘度及残渣含量，结果见表2。

表2 破胶液粘度及残渣含量Table 2 Breaking glue viscosity and residue content

由表2可知，硼含量为4 mg/L时，Ca2+、Mg2+、Cl-、S2-离子浓度分别为700，700，80 000，200 mg/L制备的压裂液，0.05%破胶剂破胶，破胶液粘度均小于2 mPa·s，满足要求。压裂液破胶越彻底，破胶液粘度越小，返排液返排量越多，越迅速，地层受到损害越小，施工效果越有效[11]。

破胶后残渣含量均小于600 mg/L，符合标准[6]。根据庄熙锋等[12]研究，经过地层深处，有其它不溶物出现：①化工原料中如氯化钾等含有机械杂质；②吸附在支撑剂表面的大量灰尘；③携砂液在压裂施工过程中冲刷地层裂缝表面所产生碎屑等。根据不同地区不同区块结果会有所不同，满足现场对残渣含量要求。

2.4 表界面张力

采用旋滴界面张力仪及全自动表面张力仪，测试破胶液表界面张力，结果见表3。

表3 表界面张力Table 3 Surface tension

由表3可知，界面张力小于2 mN/m，破胶液表面张力均小于28 mN/m，符合要求。压裂液制备时，里面添加表面活性剂，破胶后表面张力明显降低[13]，高分子胍胶分子链上，疏水羧基和长链含量被引入多时，大量羟基在胍胶链上，压裂液中有表面活性剂，破胶液表面张力降低[14]。

2.5 携砂性能[15-18]

采用QNQ型落球粘度计测试钢球(直径8 mm)在不同离子配制的压裂液中落球时间[19]，结果见表4。

表4 沉降速度Table 4 Settling velocity

由表4可知，各压裂液携砂性能良好[20]，满足现场对压裂液携砂性能要求。

2.6 流变性

2.6.1 幂律方程压裂液体系为假塑性流体，符合Ostwald方程(幂律方程)。幂律方程被用于描述假塑性流体流变性[21]，形式表现为：

τ=Kγn

式中K——稠度系数(幂律系数)；

n——流变行为指数。

2.6.2 求解K、n幂律方程两边取对数，使线性化，如下：

lgτ=lgK+nlgγ

建立直角坐标系，绘点拟合，拟合后直线斜率为n，截距为lgK。

图2分别是在30 ℃下测定不同离子含量的HPG水溶液，在不同剪切速率下不同剪切力所对应线性化图，表5为各压裂液k、n值及直线拟合程度。假塑性流体，n为小于1的正数；根据幂率模型，n越小，非牛顿性越强，k越大，稠度越高；K的物理意义反映假塑性流体粘稠程度，n物理意义反映假塑性流体剪切变稀性，n值越小，假塑性流体剪切变稀性会越强[21]。