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化工产品CO2/N2开关型清洁压裂液的制备及其性能评价

发布日期: 2019-12-02

来源: www.qdf0605.com

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  • 资料类别: 化工论文
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  • 更新时间: 2019-12-02
  • 发布者: 清道夫环保网

基本简介

化工产品CO2/N2开关型清洁压裂液的制备及其性能评价

CO2/N2开关型清洁压裂液的制备及其性能评价

(1)设计合成了芥酸酰胺基丙基叔胺芥酸PKO),并通过与对甲苯亚磺酸钠(SPTS)的相互作用制备了一种具有CO2/N2开关特性的清洁压裂液体系。向芥酸PKO-SPTS溶液中通入CO2体系粘度大幅增加并具有一定的粘弹性有蠕虫状胶束结构的形成随后通入N2体系迅速转变至低粘状态压裂液破胶且该过程能够多次重复进行。

(2)当芥酸PKO-SPIS以摩尔比1:1的比例配制成浓度为100mmol/L的溶液,并以0.1L/min的速率向溶液中通入CO2 15min后,流体粘度高达2.82Pa·s

(3)通过室内实验系统评价了该清洁压裂液的破胶性能、流变性能、悬砂性能和耐温性能各项性能达标。

清洁压裂液是一种基于粘弹性表面活性剂(VES)的溶液在施工中清洁压裂液接触油、水可自行破胶。它是为了解决常规压裂液在返排过程中由于破胶不彻底对油气藏渗透率造成了很大伤害的问题而开发研制的一种新型压裂液体系。VES压裂液粘度低但能依靠流体的结构粘度有效地输送支撑剂同时能降低摩阻。该压裂液配制简单,不需要交联剂、破胶剂和其他化学添加剂,因此无地层伤害并能使填充层保持良好的导流能力然而,对于低渗、低产油藏由于无法接触到足量的原油或地层水不能使清洁压裂液彻底破胶。

基于此,本文通过合成芥酸酰胺基丙基叔胺芥酸PKO),与对甲苯亚磺酸钠(SPTS)相互作用,制备了一种具有CO2/N2开关特性的清洁压裂液体系该种体系在通入CO2后,形成有蠕虫状胶束,粘弹性较好入N2后,体系转变至低粘状态在施工工程中利用伴氮工艺通过控制通速率可实现压裂液的破胶。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

芥酸、N,N-二甲基-1,3-丙二胺、对甲苯亚磺酸钠(SPTS)均为分析纯二氧化碳、氮气均为99.5%

WQF-520型红外光谱仪;Brookfield DV-Ⅲ型旋转粘度计;CVOR200型流变仪;NDJ-8SN数显粘度计。

1.2 芥酸PKO合成路线

合成路线如下

CO2/N2开关型清洁压裂液的制备及其性能评价 

1.3 芥酸PKO合成方法

在带有冷凝回流分水器、温度计和带有搅拌装置的三口烧瓶中加芥酸(237.0g,0.7mol),油浴加热至熔点(33.5℃),使其完全熔化在氮气保护下用恒压滴液漏斗向烧瓶中缓慢滴加N,N-二甲基-1,3-两二胺(107.3g,1.05mol),滴加完毕后升温至16℃,搅拌下回流反应约8h,得到黄色油状液体。然后趁热将黄色液体减压蒸馏将水和过量的N,N-二甲基-1,3-丙二胺抽出,降温即得到最终产品。FTIR(KBr压片):3291.2cm-1处为酰胺的N-H伸缩振动吸收峰;2925.7,2860.5cm-1处为甲基与亚甲基的C-H伸缩振动吸收峰;1634.5cm-1处为酰胺的C=O伸缩振动吸收峰,1546.1cm-1处为仲酰胺特征吸收峰。红外光谱数据说明合成的产物符合芥酸PKO结构特征。

1.4 清洁压裂液的配制

称取一定量的SPTS溶于100mL去离子水中,然后于40恒温水浴中静置15min,待其充分溶解后向溶液中加入一定量的芥酸PKO,在磁力搅拌下使溶液混合均匀。静置冷却至室温0.1L/min的速率通入CO2直至形成粘弹性流体。

1.5 清洁压裂液性能评价

1.5.1 表观粘度测定 使用数显粘度计在室温下用3#转子测定样品的表观粘度记下读数。操作时间不超过1min。重复测量3次取平均值以达到测量的准确性。

1.5.2 流变性能测定 25℃条件下,使用流变仪及其配套的转子进行测试,测定样品表观粘度随剪切速率的变化情况。

1.5.3 悬砂性能测定 室温下向配制好的试样中加入一定量的陶粒直径0. ~0.8cm)并搅拌均匀然后倒入100mL的具塞量筒中静置测定陶粒在量筒中沉降所需的时间。沉降速度计算方法

沉降速度(V)=沉降高度(h)/沉降时间

1.5.4 耐温性能测定 室温下测定配制好的试样的表观粘度然后将装有试样的烧杯放置在恒温水浴锅中加热同时以0.1L/min的速率通入CO2体系到达一定温度时测量其表观粘度。从室温~60℃每间隔10℃记录体系的表观粘度数据,每个样品平行测量3次取平均值以达到测量的准确性。

2 结果与讨论

2.1 芥酸PKO-SPTS溶液性质研究

2.1.1 芥酸PKO-SPTS浓度对体系性质的影响 为了研究摩尔比对体系粘度的影响室温下分别向100mmol/L SPTS水溶液中加入浓度为20,40,60,80,100mmol/L的芥酸PKO入CO2待形成均匀透明的粘弹性体系后测量体系的表观粘度见图1。然后分别制备浓度为40,60,80,100mmol/L120mmol/LSPTS水溶液,向每个体系中加入浓度为100mmol/L的芥酸PKO入CO2待形成均匀透明的粘弹性体系后测量体系的表观粘度见图2

 

1 清洁压裂液在不同芥酸PKO浓度下的表观粘度曲线

Fig.1 Apparent viscosity of clean fracturing fluid based on different erucamidopropyl dimethylamine concentrations

 

2 清洁压裂液在不同SPTS浓度下的表观粘度曲线

Fig.2 Apparent viscosity of clean fracturing fluid based on different SPTS concentrations

由图1、图2可知粘弹性体系的表观粘度随两种单体浓度的增加而不断提高,当芥酸PKO浓度与SPTS的浓度相同时体系的粘度达到最大。因此本文选取配比为1:1,浓度为100mmol/L的芥酸PKO-SPTS水溶液进行实验。

2.1.2 CO2通入时间对体系性质的影响 为了观察芥酸PKO-SPTS溶液体系在通CO2过程中的粘度和pH的变化规律本实验中,配制了摩尔比为1:1,浓度100mmol/L的芥酸PKO-SPTS 溶液,以0.1L/min的速率不断向溶液中通入CO2同时测定体系的粘度和pH值变化至体系性质不再变化。体系的粘度和pH值变化见图3

 

3 CO2通入过程中清洁压裂液体系性质的变化

Fig.3 Properties changes of clean fracturing fluid in the process of bubbling CO2

向芥酸PKO-SPTS溶液中通入CO2,CO2与溶液中水反应芥酸PKO不断被质子化,溶液中自组装聚集体结构数逐渐增加从图中可以看出随着CO2的通入,该粘弹体系的粘度迅速增加与此同时pH值不断降低并在通CO214min后达到极值随后体系性质保持稳定这说明CO2与溶液中水的反应已完成芥酸PKO完全被质子化,体系中自组装形成的蠕虫状胶束已达到最大数目。在后续的实验中将以粘度最高的条件即以0.1L/min的速率向溶液中通入CO2 15min

2.1.3 体系的开关性能 本实验中制备的清洁压裂液能够对CO2/N2响应,见图4。当向100mmol/L芥酸PKO-SPTS水溶液中通入CO2后,体系的粘度不断增大,由最初的水溶液状态转变为凝胶状态粘度跳跃3个数量级而当向高粘体系中通入N2后,体系又从凝胶状转变至最初的低粘状态。整个过程操作条件简单并能多次重复此过程具有很好的重复利用性。

 

4 交替通入CO2N2过程中清洁压裂液体系表观粘度的变化

Fig.4 Apparent viscosity changes of clean fracturing fluid during the repeated cycles of bubbling CO2 and N2 at 25℃

2.1.4 芥酸PKO-SPTS清洁压裂液机理解释 向芥酸酰胺丙基叔胺芥酸PKO)溶液通入CO2后,芥酸PKO分子会被质子化成芥酸PKO·H+形成季铵盐类表面活性剂。而有机盐对甲苯亚磺酸钠(SPTS)在水溶液中电离生成带负电的离子基团,这种负离子基团不仅能够屏蔽掉芥酸PKO·H+上的部分正电荷减少表面活性剂分子之间的静电斥力使表面活性剂分子排列更为紧密有利于蠕虫状胶束的形成同时在静电相互作用下有机反离子也能插到表面活性剂的头基中与芥酸PKO·H+进行结合促进蠕虫状胶束的生长,蠕虫状胶束结构的形成使得体系粘度大幅增加并具有一定的粘弹性。而N2的通,促使溶解于溶液中的CO2被驱除芥酸PKO·H+逐渐被去质子化,恢复成芥酸PKO,从而溶液粘度恢复至初始值。

这种清洁压裂液具有较好的CO2/N2开关性能,通入CO2后体系具有一定的粘度以及较好的粘弹性,而通入N2后体系迅速破胶。

2.2 清洁压裂液体系的性能评价

2.2.1 破胶性能 室温下,配制摩尔比为1:1,浓度100mmol/L的芥酸PKO-SPTS溶液100mL0.1L/min的速率通入CO2 15min,制备成粘弹性流体。分别以0.2L/min 0.3L/min的速率通入N2每隔5min测试体系的表观粘度,结果见图5

 

5 N2通入过程中清洁压裂液体系表观粘度的变化曲线

Fig.5 Apparent viscosity changes of clean fracturing fluid in the process of bubbling N2

由图5可知制备的清洁压裂液在通入N2后能自行破胶随着通时间的增加粘度不断降低并在30min时达到最低(1mPa·s),接近水的粘度N2速率增加时,彻底破胶时间相差不大但破胶速率有所增大。

2.2.2 流变性能 压裂液的流变特性表现为非牛顿流体而表面活性剂主要以球状胶束为主,通常表现为牛顿流体行为。分别配制浓度为5,60,80,100mmol/L的清洁压裂液测定体系的剪切粘度随剪切速率的变化,结果见图6

 

6 不同浓度清洁压裂液体系的流变性能

Fig.6 Rheological property of clean fracturing fluid at different concentrations

由图6可知体系浓度为5mmol/L体系的剪切粘度不随剪切速率的改变而改变即流动行为符合牛顿运动定律是牛顿流体行为当体系浓度为60mmol/L或更大时低剪切速率下体系剪切粘度不随剪切速率的改变而改变即牛顿平台在高剪切速率下,体系的剪切粘度逐渐变小,表现出剪切稀释性流动行为符合粘弹性体系的流变行为说明体系中形,成了蠕虫状胶束。

2.2.3 悬砂性能 室温下,向浓度为100mmol/L的清洁压裂液试样中加入一- 定量的陶粒,测定体系的悬砂性能结果见表1

1 清洁压裂液悬砂性能

Table1 The sand suspension of clean fracturing fluid

试样编号

陶粒加量/g

沉降速度/(cm·h-1)

1

10

0.62

2

20

0.59

3

30

0.58

由表1可知陶粒在该清洁压裂液中的沉降速度很低。综合前面的研究数据显示该体系的表观粘度比较低但其携砂性能良好。也从另一角度证明粘弹性清洁压裂液体系不仅是靠其粘度携砂更靠其胶束间相互缠绕形成的空间网络结构来提高携砂性能。

2.2.4 耐温性能 配制浓度为100mmol/L的清洁压裂液试样,逐步升高温度测定体系的表观粘度结果见图7

 

由图7可知压裂液的表观粘度受温度影响非常大。温度增加时清洁压裂液的粘度降低,当温度达到50℃粘度仍然>90mPa·s,仍能有效悬砂当温度达到60℃体系的粘度降至最低接近纯水的粘度继续升高温度,粘度保持不变。当温度升高时,CO2的溶解率显著下降导致溶液粘度下降在施工中想得到粘度高的清洁压裂液可以对体系加压,增CO2的溶解率从而增加体系的粘度。

 

7 清洁压裂液体系的耐温性能

Fig.7 The temperature resistance of clean fracturing fluid

3 结论

(1)设计合成了芥酸酰胺基丙基叔胺芥酸PKO),并通过与对甲苯亚磺酸钠(SPTS)的相互作用制备了一种具有CO2/N2开关特性的清洁压裂液体系。向芥酸PKO-SPTS溶液中通入CO2体系粘度大幅增加并具有一定的粘弹性有蠕虫状胶束结构的形成随后通入N2体系迅速转变至低粘状态压裂液破胶且该过程能够多次重复进行。

(2)当芥酸PKO-SPIS以摩尔比1:1的比例配制成浓度为100mmol/L的溶液,并以0.1L/min的速率向溶液中通入CO2 15min后,流体粘度高达2.82Pa·s

(3)

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