硼交聯(lián)羥丙基瓜爾膠壓裂液回收再用可行性研究

王彬(長(zhǎng)城鉆探工程有限公司壓裂公司 壓裂酸化技術(shù)研究所 遼寧盤(pán)錦 124107)

前言

瓜爾膠應(yīng)用于水力壓裂始于20世紀(jì)60年代，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的完善與發(fā)展，以硼交聯(lián)為主要形式的羥丙基瓜爾膠已成為現(xiàn)階段應(yīng)用最為廣泛的水基壓裂體系。本文通過(guò)對(duì)硼交聯(lián)與非降解性破膠機(jī)理進(jìn)行研究，并結(jié)合硼交聯(lián)羥丙基瓜爾膠壓裂液的反排監(jiān)測(cè)方法，對(duì)硼交聯(lián)羥丙基瓜爾膠壓裂液的回收再利用的可行性展開(kāi)了深入的研究。

一、硼交聯(lián)與非降解性的破膠機(jī)理

1.硼交聯(lián)機(jī)理

由于普通瓜爾膠的分子量通常在200萬(wàn)以上，且包含了4000多種半乳甘露糖的重復(fù)單元，因此瓜爾膠分子內(nèi)部的順勢(shì)羥基和Pe H-（硼酸根離子）可以形成較為穩(wěn)定的氫鍵，且通過(guò)上述分子間的交聯(lián)作用所生成的高黏凍膠具有較強(qiáng)的優(yōu)良變性。另一方面，由于在以C3H8O2瓜爾膠為代表的瓜爾佳衍生物與以田菁膠、香豆膠為代表的瓜爾膠類(lèi)似物中，只需要在其高分子鏈中含有一定比例的順勢(shì)羥基，則可以進(jìn)行相應(yīng)的硼交聯(lián)[1]。

2.非降解破膠機(jī)理

由于硼交聯(lián)的程度是由瓜爾膠壓裂液中硼酸根的具體含量所決定的，因此無(wú)論是無(wú)機(jī)硼還是有機(jī)碰，均需要將其進(jìn)行解離并使其產(chǎn)生硼酸根才可以起到交聯(lián)作用。硼酸根的化學(xué)平衡式為B（OH）3+OH →B（OH）4-，因?yàn)樯鲜龌瘜W(xué)平衡式也可以進(jìn)行逆向反應(yīng)，依據(jù)化學(xué)平衡原理，對(duì)瓜爾膠壓裂液（以下簡(jiǎn)稱(chēng)壓裂液）的PH值與溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)就可以控制其自身的交聯(lián)程度。調(diào)節(jié)原理為：當(dāng)壓裂液中交聯(lián)劑的用量處于正常范圍內(nèi)且硼酸根的分布分?jǐn)?shù)小于20%時(shí)，壓裂液無(wú)法形成有效交聯(lián)，所以壓裂液中的凍膠則將降黏，并蛻化成原膠[2]。

二、非降解性的破膠途徑

為驗(yàn)證1.2中的破膠機(jī)理，本文對(duì)一組流變實(shí)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，且主要配液材料為：H PG（羥丙基瓜爾膠）、C 150（有機(jī)硼交聯(lián)劑）、自配緩釋酸以及燒堿等其他添加劑。下文著重分析了緩釋酸與溫度兩種因素破壞交聯(lián)平衡的具體過(guò)程，從而驗(yàn)證交聯(lián)平衡被破壞后，對(duì)瓜爾膠壓裂液進(jìn)行再回收的可行性。

1.緩釋酸破壞交聯(lián)平衡

為了降低泵注前置液與攜砂液所釋放出的酸量對(duì)壓裂液交聯(lián)性能的影響，因此，在壓裂液中加入緩釋酸，且在上述操作結(jié)束后，將瓜爾膠壓裂液的PH降至適當(dāng)值，從而降低壓裂液內(nèi)硼酸根離子的濃度并使其實(shí)現(xiàn)非降解性破膠。實(shí)驗(yàn)中對(duì)溫度在120.C下，壓裂液的一組流變曲線(xiàn)進(jìn)行了具體分析，分析過(guò)程和分析結(jié)果如下：配置含有0.45%羥基瓜爾膠以及0.25%有機(jī)硼交聯(lián)劑的硼交聯(lián)羥基瓜爾膠壓裂液，并在其中加入濃度為0.1%的燒堿和0.3%的緩釋酸，通過(guò)對(duì)初始狀態(tài)下壓裂液的流變曲線(xiàn)以及反應(yīng)結(jié)束后，向其中補(bǔ)加緩釋酸與燒堿的壓裂液流變曲線(xiàn)進(jìn)行分析可知，在向初始狀態(tài)下的瓜爾膠壓裂液中加入緩釋酸，可以使壓裂液破膠，且當(dāng)壓裂液的年度將至40 mPa?s以下時(shí)，有利于其自身快速反排。而在反應(yīng)結(jié)束后的壓裂液中補(bǔ)加緩釋酸與燒堿所得到最終狀態(tài)的壓裂液內(nèi)，通過(guò)測(cè)得其溶液的PH值發(fā)現(xiàn)，可將壓裂液進(jìn)行重復(fù)使用。因此，實(shí)驗(yàn)說(shuō)明當(dāng)溫度在120.C、粘度在200 mPa?s（加入燒堿與緩蝕劑后的壓裂液粘度）時(shí)，可滿(mǎn)足大規(guī)模壓裂液施工的要求，并可以通過(guò)調(diào)節(jié)壓裂液的PH值使其進(jìn)行再利用[3]。

2.溫度破壞交聯(lián)平衡

配置與2.1實(shí)驗(yàn)中相同的硼交聯(lián)羥基瓜爾膠壓裂液，并分別對(duì)溫度在85。C與135。C下溶液的流變曲線(xiàn)進(jìn)行描繪。實(shí)驗(yàn)結(jié)果為：在剪切速率在170 s-1時(shí)將溶液進(jìn)行90 mi n s的剪切，可得溫度在85。C下溶液的凍膠粘度為500 mPa?s，而溫度在135。C時(shí)，溶液的凍膠粘度則穩(wěn)定在150 mPa?s左右。實(shí)驗(yàn)說(shuō)明了通過(guò)調(diào)節(jié)瓜爾膠壓裂液的溫度可以有效改變其溶液的粘度，且的溫度越高，凍膠的粘度越低，越容易實(shí)現(xiàn)破膠。

三、硼交聯(lián)羥丙基瓜爾膠壓裂液的反排監(jiān)測(cè)與重復(fù)利用

由于一般壓裂液中凍膠的粘度在100 mPa?s，而原膠的粘度則在30-100 mPa?s，因此，單純地依靠加入緩蝕劑來(lái)改變壓裂液的PH值只能起到降低其原膠粘度的作用，并不能真正達(dá)到使硼交聯(lián)羥基瓜爾膠壓裂液進(jìn)行破膠再利用的目的，因此，需要利用反排技術(shù)對(duì)壓裂液進(jìn)行氧化性破膠。由于壓裂液的反排速度和與反排效率除了受到壓裂液破膠粘度的影響外，還受到前置液與攜砂液的影響，所以，凍膠在未破膠狀態(tài)下的反排比例反而要高一些，這說(shuō)明了當(dāng)在硼交聯(lián)羥基瓜爾膠壓裂液中全程使用緩蝕劑或調(diào)節(jié)溫度進(jìn)行破膠所得到的效果不明顯時(shí)，需要調(diào)節(jié)壓裂液的總返排率對(duì)其進(jìn)行破膠，從而提高其再利用的可能性。通過(guò)對(duì)回收來(lái)的壓裂液進(jìn)行分析可知，其增產(chǎn)效果反而高于新配置出的瓜爾膠壓裂液，其原因的為：當(dāng)壓裂液內(nèi)部為實(shí)現(xiàn)完全破膠時(shí)具有較強(qiáng)的攜帶能力，且可將更多的不溶物排于溶液外，從而使壓裂液具有更強(qiáng)的導(dǎo)流能力。而壓裂液中所含的部壓裂液的增產(chǎn)效果[4]。

結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)非降解性破膠與硼交聯(lián)機(jī)理進(jìn)行闡述，并結(jié)合非降解性的破膠途徑，對(duì)硼交聯(lián)羥丙基瓜爾膠壓裂液的反排監(jiān)測(cè)與重復(fù)利用進(jìn)行了具體研究。可見(jiàn)，未來(lái)加強(qiáng)對(duì)硼交聯(lián)羥丙基瓜爾膠壓裂液回收再用的研究力度對(duì)于促進(jìn)流體礦工業(yè)的發(fā)展具有重要的歷史作用和現(xiàn)實(shí)意義。

[1]管保山，汪義發(fā)，何治武，杜彪，劉靜.CJ2-3型可回收低分子量瓜爾膠壓裂液的開(kāi)發(fā)[J].油田化學(xué)，2006，01（12）：27-31.

[2]王棟，王俊英，劉洪升，周達(dá)飛.高溫低傷害的有機(jī)硼鋯CZB-03交聯(lián)羥丙基瓜爾膠壓裂液研究[J].油田化學(xué)，2004，02（11）：116-119.

[3]陳靜.延長(zhǎng)油田水基壓裂液用有機(jī)硼交聯(lián)劑的合成、評(píng)價(jià)與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用[D].西北大學(xué)，2012.

[4]張菅.壓裂液重復(fù)利用技術(shù)研究[D].西安石油大學(xué)，2012.