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過硫酸鉀、K2S2O8對壓裂液破膠性能與表面張力的影響——結(jié)果與討論、結(jié)論

來源:化學(xué)工程師 瀏覽 234 次 發(fā)布時間:2024-10-28

2結(jié)果與討論


2.1 K2S2O8濃度的影響


過硫酸鹽氧化劑破膠,溫度只能適用于60~130℃的地層,從過硫化物活性(分解速率常數(shù)或半衰期來表示)角度分析,在50℃以下,過硫化物破膠分解太慢,活性下降較快,不能作為壓裂液破膠劑。在60~130℃的地層過硫酸鹽分解速度才可以滿足壓裂液完成任務(wù)后快速破膠,迅速反排的要求。


因此,選擇在實(shí)驗(yàn)溫度60℃條件下探究過硫酸鹽破膠性能,室溫下配制好壓裂液備用,分別加入不同濃度的過硫酸鉀靜置,測定其破膠時間、破膠粘度及破膠液的表面張力,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。破膠過程中,發(fā)現(xiàn)初始破膠液較澄清,在完全破膠后(表觀粘度≤5mPa·s)并繼續(xù)靜置一段時間,破膠液產(chǎn)生大量的絮狀沉淀。

表1 60℃時K2S2O8破破膠液在不同破膠時間下的粘度和表面張力


實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,溫度為60℃時,隨著K2S2O8破膠劑濃度增加,破膠時間縮短,破膠液粘度和表面張力逐漸降低,當(dāng)K2S2O8加入量為100mg·L-1時,6h后破膠液粘度為5.236mPa·s,表面張力為9.72mN·m-1。當(dāng)K2S2O8加入量為400mg·L-1h破膠液粘度為3.784mPa·s,表面張力為9.32mN·m-1。地層中的多孔介質(zhì)可以形象的比作是相互連通的毛細(xì)血管網(wǎng)絡(luò),降低其壓力作用,破膠液必須具有較低的表面張力,才有助于壓裂液的返排。破膠液的表面張力一般要求低于28m N·m-1。


本實(shí)驗(yàn)使用的主要壓裂液稠化劑是羥丙基胍膠,主要原料天然植物瓜爾膠豆胚乳中提取的一種天然高分子,由甘露糖和半乳糖兩種單糖組成的多糖,如圖1。分子主鏈由甘露糖單元通過β-1,4苷鍵連接,側(cè)基的半乳糖通過α-1,6苷鍵連接到分子主鏈上。

而過硫酸鹽破膠實(shí)質(zhì)是過硫酸根分解產(chǎn)生游離基,破壞羥丙基胍膠交聯(lián)結(jié)構(gòu)(主鏈)使大分子破膠成小分子而破膠。以(NH4)2S2O8化學(xué)方程式為例。

2.2破膠溫度的影響


為探究破膠溫度對過硫酸鹽破膠性能的影響,筆者在實(shí)驗(yàn)溫度為70℃重復(fù)上述實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。

表2 70℃時過硫酸鉀破破膠液在不同破膠時間下的粘度和表面張力


表2結(jié)果表明,溫度為70℃時,隨著破膠時間增加,K2S2O8作為破膠劑的破膠液破膠粘度和表面張力是逐漸降低,當(dāng)K2S2O8加入量為100mg·L-1時,4h后破膠液粘度為4.9572mPa·s、8.71mN·m-1,當(dāng)K2S2O8加入量為400mg·L-1,2.3h破膠后破膠液粘度為4.516mPa·s、8.61mN·m-1。

圖2溫度對破膠時間的影響

圖3溫度對破膠粘度的影響


由圖2,3可知,通過對比溫度對破膠液表面張力和粘度測定數(shù)據(jù),溫度越高壓裂液越易破膠,破膠時間越短。分析過硫化物破膠機(jī)理,論述了破膠時間快慢主要取決于過硫酸鉀的分解速度。溫度主要影響過硫酸鉀的反應(yīng),其反應(yīng)屬于一級反應(yīng),半衰期t1/2與速率常數(shù)K的關(guān)系。

表3溫度影響過K2S2O8的反應(yīng)


室內(nèi)實(shí)驗(yàn)溫度為60℃與70℃的對比,70℃時K2S2O8半衰期為495min比60℃的半衰期2310min分解速度更快,破膠時間更短,適用于現(xiàn)場壓裂作業(yè)。吳錦平得到結(jié)論50℃以下,過硫化物破膠能力減弱,不再適合做水基壓裂液的破膠劑。


2.3殘?jiān)康挠绊?


用K2S2O8破膠后,壓裂液中殘?jiān)恳妶D4。


由圖4可知,壓裂液用K2S2O8破膠后的殘?jiān)暮侩S著K2S2O8濃度的增加,殘?jiān)肯陆档?,溫度?0℃時,當(dāng)K2S2O8濃度為100mg·L-1時,壓裂液殘?jiān)繛?98mg·L-1,破膠時間需要6h。而當(dāng)K2S2O8濃度為400mg·L-1時,壓裂液殘?jiān)繛?32mg·L-1,低于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)500mg·L-1,但破膠時間需要3h。

圖4濃度對殘?jiān)康挠绊?


通過對比溫度對破膠液殘?jiān)繙y定實(shí)驗(yàn),溫度越高壓裂液越易破膠,破膠時間越短,殘?jiān)肯鄬档驮矫黠@。殘?jiān)扛叩椭苯佑绊懍F(xiàn)場壓裂效果的好壞,壓裂液殘?jiān)鼈κ菍χ瘟芽p的導(dǎo)流能力影響的關(guān)鍵因素之一,壓裂液殘?jiān)鼈墒箤?dǎo)流能力降低90%以上,若殘?jiān)扛?,會對壓裂液產(chǎn)生的充填層造成堵塞,給壓裂液反排造成巨大的困難,會給地層造成無法想象的傷害。固研究壓裂液中各種化學(xué)試劑的性能好壞,對壓裂作業(yè)及后續(xù)地層保護(hù)具有重大的意義。


3結(jié)論


(1)在實(shí)驗(yàn)溫度60℃下,通過對比過硫酸鹽濃度不同,濃度越高,破膠時間縮短,破膠液粘度和表面張力逐漸降低。


(2)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)溫度為60℃與70℃的對比,伴隨著溫度升高,過硫酸鹽分解速度增加,壓裂液越易破膠,破膠時間越短,破膠液粘度和表面張力降低。


(3)K2S2O8破膠后的殘?jiān)暮侩S著K2S2O8濃度的增加,殘?jiān)恐饾u下降,溫度越高,殘?jiān)肯鄬档驮矫黠@,對地層損害越小。