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甜菜堿陽離子表面活性劑壓裂液的破膠液表面張力測定
來源：石油化工應用 瀏覽 1006 次 發布時間:2024-10-28
油層水力壓裂，是20世紀40年代發展起來的一項改變油層滲流特性的工藝技術，是油氣井增產、注水井增注的一項重要工藝措施，傳統聚合物壓裂液在返排過程中由于破膠不徹底，對油氣藏滲透率造成很大的傷害的問題而開發研制了一種新型壓裂液體系，即黏彈性表面活性劑壓裂液。黏彈性表面活性劑壓裂液VES（Visco-Elasitic Surfactant）由低分子長鏈脂肪酸衍生物季銨鹽陽離子表面活性劑、鹽溶液、激活劑和穩定劑幾種添加劑組成。
其中，表面活性劑相當于常規壓裂液中胍膠增稠劑，其分子質量比胍膠小5 000倍，分子結構中含有親水基和長鏈疏水基，在水中疏水基被周圍親水基包裹形成球狀膠束，在鹽介質中，引進的陰離子能平衡表面活性劑陽離子間的電荷斥力，形成蠕蟲狀或柔性棒狀膠束，當黏彈性表面活性劑達到臨界濃度時，蠕蟲狀或柔性棒狀膠束相互纏繞而形成高黏彈性的空間網狀膠束結構，能有效攜帶支撐劑和造縫；遇地層中的油氣和水后，網狀膠束結構中的親油基和親水基使油氣和水增溶而崩解成低黏度球狀膠束，實現黏彈性表面活性劑壓裂液的自動破膠以利于殘液的返排；表面活性劑壓裂液不含聚合物，破膠后沒有胍膠壓裂液那樣在地層中殘留固體殘渣而導致油氣層的嚴重傷害。
1實驗部分
1.1主要實驗材料和儀器
十八酸、SOCl2、H2SO4、三甲胺水溶液、Br2，均為分析純；長鏈醇，為化學純；航空煤油。
數字大氣壓力計、氣體滲透率儀、氣體孔隙度測試儀、巖心流動評價實驗裝置、表面張力儀、玻璃毛細管黏度計、旋轉黏度計、洗油儀、泥漿失水量測定儀、傅立葉紅外光譜儀、循環水式真空泵、電熱恒溫水浴鍋、紅外線快速干燥器、精密定時電動攪拌器、砂芯活動過濾裝置、電熱恒溫鼓風干燥箱。
1.2甜菜堿陽離子表面活性劑的合成
1.2.1α-鹵代酸的合成將0.1 mol十八酸加入三口瓶中并在水浴中加熱，使其溶化。再緩慢加入0.06 mol氯化亞砜。等三口瓶中的反應減緩后，再緩慢的加入0.1 mol溴素，繼續攪拌6 h，保持水浴溫度90℃。反應接近終了時，向反應液中滴加適量的濃硫酸，使反應液由暗褐色逐漸變成淺黃色。反應結束后，將水浴溫度升高至100℃，除去水分及溴化氫等反應副產物，得到初產物。初產物再通過減壓蒸餾提純得到醇產品。
1.2.2甜菜堿的制備將0.1 mol合成的α-溴代十八酸加入磨口三口燒瓶中在水浴中加熱，使其溶化；保持水浴溫度30℃，在攪拌中通過常壓分液漏斗加入0.1 mol的三甲胺水溶液；反應結束，將產物靜置48 h；所得產物通過減壓蒸餾提純得到深土黃色的產品。
1.3壓裂液評價方法
壓裂液抗溫性能、抗剪切性能、殘渣含量、破膠液黏度、破膠液的表面張力/濾失性能/壓裂液與地層配伍性/壓裂液傷害性能評價實驗步驟和方法參照行業標準SY/T 5107-2016《水基壓裂液性能評價方法》進行。
2實驗數據分析與討論
2.1甜菜堿型陽離子表面活性劑的檢驗
由硬脂酸合成的甜菜堿型表面活性劑及其中間產物的檢驗是通過紅外譜圖進行的，具體（見圖1～圖3）。
由圖1～圖3知2 920 cm-1，2 860 cm-1的峰為長鏈烷基。1 700 cm-1的峰為羰基。圖1～圖2中3 300 cm-1～2 500 cm-1的寬峰為羧基的峰。C-Br的峰在圖1中600 cm-1～500 cm-1無峰，圖2中600 cm-1～500 cm-1有峰，圖3又無峰，得到預期的產物。
圖2α-鹵代硬脂酸的紅外譜圖
2.2甜菜堿型陽離子清潔壓裂液配方的確定
甜菜堿陽離子壓裂液體系中主劑是甜菜堿陽離子表面活性劑；使用無機鉀鹽作為促進表面活性劑成為膠束，并有防膨及黏土穩定作用；增稠劑使用天然的高分子材料，既有增稠的作用又有降濾失作用。
壓裂液配方的篩選（見表1）。
表1壓裂液配方的篩選
由表1可知④號配方當VES的含量為4%，長鏈醇為0.25%,無機鉀鹽含量為4%，增稠劑含量為0.3%時可以挑掛且殘渣量少，為最佳的配比。甜菜堿型陽離子清潔壓裂液的配方（見表2）。
2.3壓裂液的破膠液的表面張力
表面張力影響破膠液的返排，表面張力小，溶液的液珠變形通過砂巖粒間的毛細孔時，對流體產生的阻力效應相應較小，越易返排。破膠液的表面張力（見表3）。
表3破膠液表面張力
由表3可知，甜菜堿陽離子清潔壓裂液的破膠液的表面張力比水的表面張力明顯要低，為35.5 N/m。壓裂液易于返排，對油氣層的損害低。
3小結
（1）甜菜堿型陽離子清潔壓裂液最優配比為4%VES+0.25%長鏈醇+0.3%增稠劑+4%無機鉀鹽。
（2）甜菜堿型陽離子清潔壓裂液在170 s-1的轉速下經歷1 h后黏度仍能達到30 mPa·s以上，在60℃以內黏度可以達到30 mPa·s以上可以達到攜砂要求；壓裂液破膠后殘渣少，為175 mg/L，但破膠液的黏度偏高，為2.518 mPa·s，但滿足破膠要求；壓裂液的乳化率偏高，破乳不徹底，不產生不溶性沉淀；表面張力小，為35.5 N/m，但濾失相對比較大。