现代化工

现代化工 ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (S2) : 232-237. DOI: 10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2025.S2.041

科研与开发

水基压裂液的制备与性能优化

孙雨 ¹ ,
戴毅 ² ,
刘健 ¹ ,
金奇杰 ² ,
李妍妍 ¹ ,
安晓洁 ¹ ,
宋静 ²^,³ ,
徐慕涛 ² ,
徐海涛 ²^,³^,^*

作者信息 +

Preparation and performance optimization of water-based fracturing fluid

SUN Yu ¹ ,
DAI Yi ² ,
LIU Jian ¹ ,
JIN Qi-jie ² ,
LI Yan-yan ¹ ,
AN Xiao-jie ¹ ,
SONG Jing ²^,³ ,
XU Mu-tao ² ,
XU Hai-tao ²^,³^,^*

Author information +

文章历史 +

Received		Published
2025-03-14		2025-09-30
Issue Date	Revised Date
2025-10-29	2025-03-14

PDF (6359K)

摘要

研制了分别基于瓜尔胶基、田菁胶基和羧甲基纤维素钠稠化剂体系的水基压裂液,根据表观粘度、挑挂性能、破胶性能、耐温性能、悬砂性能、残渣含量等6个方面对3种压裂液进行性能研究。结果表明,基于瓜尔胶为稠化剂的水基压裂液表观粘度值为37.5 mPa·s,在60℃时降至50 mPa·s以下,可实现挑挂,10 h后破胶彻底,悬砂性能为6 mm/min,残渣含量为 376 mg/L,各项指标均满足SY/T 6376—2008《压裂液通用技术条件》评价标准,综合性能优异。该水基压裂液体系的研制可为未来常规压裂液体系的拓展优化和粘性土壤压裂增渗技术提供一定的借鉴。

Abstract

Three kinds of hydraulic fracturing fluid,respectively based on guar gum,sesbania gum and sodium carboxymethyl cellulose as thickener,are developed.Their performances are investigated from perspectives of apparent viscosity,picking and hanging performances,gel-breaking performance,temperature resistance,sand-suspending performance and residue content.It is found that the water-based fracturing fluid with guar gum as thickener exhibits the best among the three kinds,its apparent viscosity is 37.5 mPa·s,which drops to less than 50 mPa·s at 60℃.It can realize good picking and hanging performances,and its gel-breaking is completed after 10 h.Its sand-suspending performance is 6 mm/min,and the residue content is 376 mg/L.All indexes of this guar gum-based fracturing liquid meet the requirements of SY/T 6376—2008 “General Technical Conditions for Fracturing Fluid” evaluation standard,showcasing an excellent comprehensive performance.This fracturing fluid system provides a certain reference for the expansion and optimization of conventional fracturing fluid system and the fracturing-permeability enhancement technology in viscous soil.

Graphical abstract

关键词

水基压裂液 / 性能优化 / 粘度 / 瓜尔胶 / 稠化剂

Key words

water-based fracturing fluid / performance optimization / viscosity / Guar gum / thickener

Author summay

孙雨(1995-),女,博士生,主要研究方向为环境污染防治,sunny317100@outlook.com

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孙雨,戴毅,刘健,金奇杰,李妍妍,安晓洁,宋静,徐慕涛,徐海涛. 水基压裂液的制备与性能优化[J]. 现代化工, 2025, 45(S2): 232-237 DOI:10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2025.S2.041

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近年来,我国有机污染场地数量及规模不断增长,化学氧化技术因其对污染物降解彻底、修复周期短等优势,已成为大规模应用前景最好的有机污染场地修复技术^[1-3]。然而,长三角地区的有机污染场地土壤粘度高,渗透性差,修复药剂难以在土壤中实现有效地扩散传质,导致低渗场地修复效果差^[4-6]。水力压裂技术通过压裂液的冲击作用,在土壤中人为构建可控裂缝网络,能够有效提升土壤渗透性,极具解决低渗有机污染土壤中化学氧化剂难以传质扩散难题的潜力^[7-9]。此外,水力压裂技术已广泛应用于石油、天然气开采领域,压裂液的研发是其技术核心之一。

目前,压裂液主要有水基、油基压裂液两类,其中水基压裂液由于其成本低,综合性能优异等优点,已成为水力压裂技术中使用最为广泛的压裂液体系^[10-12]。随着实际应用工况的不断变化,水基压裂液的性能面临新的要求和挑战。水基压裂液主体成分为水和各种添加剂,添加剂包括稠化剂、交联剂、破胶剂等,通过添加剂的种类筛选和组分占比优化可有效提升水基压裂液的综合性能,从而更好地适应工程对水力压裂技术的需求^[13-15]。根据稠化剂的不同,水基压裂液可以分为植物胶、纤维素衍生物和人工合成聚合物3种体系^[16-18]。其中,植物胶稠化剂和纤维素衍生物稠化剂因粘度高、悬砂性好、耐盐性佳等优点,被广泛应用于水力压裂领域^[19-21]。尽管水力压裂技术已有较大程度的应用,但水基压裂液的稠化剂体系筛选、其余添加剂(破胶剂、交联剂、杀菌剂等)与稠化剂复配后对水基压裂液综合性能的影响规律还有待研究^[22-23]。

本研究为了明确瓜尔胶(GG)、田菁胶(SG)、羧甲基纤维素(CMCC)3种不同稠化剂体系之间的差异,系统性测试、评价与比较3种压裂液体系表观粘度、挑挂性能、破胶性能、耐温性能、悬砂性能、残渣含量等6个方面的性能。根据压裂液性能测试结果,以SY/T 6376—2008《压裂液通用技术条件》为标准,评价3种压裂液体系的综合性能。

1 实验部分

1.1 实验试剂

田菁胶,BR,源叶生物科技有限公司生产;瓜尔胶,AR,希恩思生化科技有限公司生产;过硫酸铵,AR,国药集团化学试剂公司生产;三水硝酸铜,AR,阿拉丁生化科技有限公司生产;石膏粉,AR,南京海泰科学器材有限公司生产;羧甲基纤维素钠,CP、硼砂,AR、氢氧化钠,GR、亚硫酸氢钠,AR、十二烷基磺酸钠,AR、碳酸钠,AR,麦克林生化科技有限公司生产。

1.2 实验仪器

ZNN-D6型六速旋转粘度计,青岛神宇石油机械有限公司生产;JB90-SH型数显恒速强力电动搅拌器,上海标本模型厂生产;FA2004电子分析天平、1DHG-9053A电热鼓风干燥箱,南京晚晴化玻仪器有限公司生产;HH-2数显恒温水浴锅,上海力辰邦西仪器科技有限公司生产。

1.3 压裂液配制

按实验需求量取3 L清水置于塑料桶中,使用电子天平准确称取适量的稠化剂溶入其中,使用数显恒速强力电动搅拌器以1 200 r/min的转速搅拌30 min,配制成含稠化剂的压裂液基液;向配制好的基液中,加入实验所需质量的交联剂,并使用数显恒速强力电动搅拌器以1 200 r/min的转速搅拌 30 min,再依次加入破胶剂、杀菌剂等其他添加剂,配制得到压裂液。

1.4 压裂液性能评价方法

压裂液性能的优劣可以从多个方面进行评价,包括挑挂性能、基液表观粘度、耐温性能、破胶性能、悬砂性能、残渣含量等。压裂液表观粘度为600 r/min时压裂液粘度值的二分之一。本研究根据石油行业标准中SY/T 5107—2016《水基压裂液性能评价方法》对制备出的水基压裂液进行性能研究,采用 SY/T 6376—2008《压裂液通用技术条件》评价标准中各性能技术指标,具体见表1。

2 结果与讨论

2.1 添加组分对压裂液粘度的影响

2.1.1 稠化剂添加量对压裂液粘度的影响

不同稠化剂添加量下压裂液的粘度分布如图1所示。基于GG稠化剂的压裂液粘度随GG添加量的增加呈先升后降趋势,在GG添加量为8‰时粘度达到最大值;基于SG稠化剂的压裂液粘度随SG添加量的增加也呈先升后降趋势,在SG添加量为6‰时粘度达到最大值;基于CMCC稠化剂的压裂液粘度值在CMCC添加量为4‰~8‰时变化较大,在8‰~10‰时基本稳定,在10‰时粘度达到最大值。因此,优选出GG添加量为8‰、SG添加量为6‰、CMCC添加量为10‰的水基压裂液作为后续研究对象,分别命名为GG压裂液、SG压裂液、CMCC压裂液。

2.1.2 交联剂添加量对压裂液粘度的影响

选择硼砂(十水合四硼酸钠)作为交联实验的交联剂,添加量分别为0‰、2‰、4‰。不同硼砂添加量下GG压裂液、SG压裂液、CMCC压裂液的粘度分布如图2所示。由图2可知,在加入硼砂后压裂液的粘度均显著提升,3种压裂液的粘度均在硼砂添加量为2‰时达到最大值。其中GG压裂液、SG压裂液粘度变化较大,又以GG压裂液的交联效果为最佳,CMCC压裂液的粘度变化相对较小。这可能是硼砂交联剂与纤维素衍生物之间本来交联效果就不好导致的;而对于植物胶来说,硼砂交联剂可以很好地与其内部的线性高分子络合生成复杂的网状结构提高胶液粘性。因此,选2‰为最佳硼砂添加量。

2.1.3 破胶剂种类及添加量对压裂液粘度的影响

向GG压裂液、SG压裂液、CMCC压裂液中分别添加1‰的(NH₄)₂S₂O₈、1‰的NaHSO₃、1‰的(NH₄)₂S₂O₈+1‰的NaHSO₃,分别测试压裂液在不同时间的粘度值,结果如图3所示。由图3可知,添加不同破胶剂后GG压裂液、SG压裂液、CMCC压裂液的粘度值均随时间增长呈下降趋势,10 h后粘度值均降至50 mPa·s以下。在相同时间内,同时添加2种破胶剂比只添加(NH₄)₂S₂O₈或只添加NaHSO₃具有更好的破胶能力。

2.2 水基压裂液性能评价与分析

根据上述研究,已经确定了3种稠化剂体系压裂液基础配比,分别是GG添加量为8‰、SG添加量为6‰、CMCC添加量为10‰;硼砂交联剂添加量均为2‰。在此基础上,3种基础配比压裂液中均添加其他组分,包括1‰ (NH₄)₂S₂O₈+1‰ NaHSO₃(破胶剂)、0.5‰氢氧化钠+0.8‰碳酸钠(防腐剂)、2‰石膏粉(降滤失剂)、8‰过硫酸钠(氧化剂)、2‰三水硝酸铜(过渡金属)、1.5‰十二烷基磺酸钠(表面活性剂),最终形成了3种水基压裂液体系,分别记为PF-1(GG稠化剂体系);PF-2(SG稠化剂体系);PF-3(CMCC稠化剂体系)。进一步地考察3种水基压裂液体系的表观粘度、挑挂性能、耐温性能、破胶性能、悬砂性能、残渣含量等,从而获取各压裂液体系的性能对比。

2.2.1 表观粘度

PF-1、PF-2、PF-3的基液在600 r/min时粘度分别为75、65、72 mPa·s,则它们的表观粘度值为37.5、32.5、36 mPa·s。温度在20~60℃之间时,压裂液表观粘度值均满足在10~40 mPa·s之间的要求。

2.2.2 挑挂性能

压裂液的挑挂性能评价主要是看其能否被玻璃棒挑起或者在将烧杯倾斜时是否可以出现“吐舌”现象。在室温条件下,PF-1冻胶的挑挂性能如图4所示;PF-2冻胶的挑挂性能如图5所示;PF-3胶液不可挑挂。

2.2.3 破胶性能

压裂液的破胶性能主要通过压裂液的破胶时间和破胶液的表观粘度来进行评价。根据SY/T 5107—2016《水基压裂液性能评价方法》的要求,压裂液的破胶时间要≤720 min,破胶液的表观粘度值要≤5 mPa·s。3种压裂液体系的表观粘度值随时间的变化趋势见图6。通过对比可知,3种压裂液体系在10 h的时候均已破胶彻底,表观粘度值均小于 5 mPa·s,均满足标准要求。

2.2.4 耐温性能

以30℃为起始温度,然后以5℃/min的升温速率将3种压裂液体系加热。在此期间测其表观粘度值,当表观粘度值小于50 mPa·s时,说明压裂液已到其耐温极限,结果如图7所示。通过对比可知,PF-1表观粘度值在60℃时降至50 mPa·s以下,为47.5 mPa·s;PF-2、PF-3表观粘度值均在50℃时降至50 mPa·s以下,分别为46、42 mPa·s。综合比较下PF-1耐温性能要优于PF-2、PF-3。

2.2.5 悬砂性能

压裂液的悬砂性能主要取决于压裂液的粘性大小,粘性越大代表其悬砂性能越好。本研究通过石英砂(支撑剂)在压裂液中的沉降速率来对压裂液的悬砂性能进行评价,压裂液中支撑剂的沉降速率控制在40 mm/min之内是比较理想的。图8为 PF-1在0、15、30 min的沉降效果图。图9为PF-2在0、10、20 min的沉降效果图。图10为PF-3在0、10 min的沉降效果图。

由图8可以看出,石英砂支撑剂在开始时与压裂液均匀混合,15 min后烧杯下部出现了较多的石英砂,30 min后压裂液中的石英砂基本均已沉降至杯底,此时可以看做悬砂实验结束,得出支撑剂在PF-1中的沉降速率约为6 mm/min。由图9可以看出,支撑剂在开始时与压裂液均匀混合,10 min后烧杯下部出现了部分石英砂,20 min后压裂液中的石英砂基本均已沉降至杯底,得出支撑剂在PF-2中的沉降速率约为9 mm/min。由图10可以看出,支撑剂在开始时与压裂液均匀混合,10 min后压裂液中的石英砂基本均已沉降至杯底,得出支撑剂在PF-3中的沉降速率约为18 mm/min。支撑剂在3种压裂液中的沉降速率均小于标准参考值的40 mm/min,说明3种压裂液体系的悬砂性能均优异。

2.2.6 残渣含量

压裂液残渣指的是压裂液破胶后,破胶液中仍存在的不溶性物质。3种压裂液体系残渣含量对比如表2所示。

由表2可知,PF-1破胶后的残渣含量约为 376 mg/L;PF-2破胶后的残渣含量约为720 mg/L;PF-3破胶后的残渣含量约为145 mg/L。研究得出,PF-1、PF-3破胶后的残渣含量小于600 mg/L,符合SY/T 5107—2016《水基压裂液性能评价方法》的要求。PF-2破胶后的残渣含量大于600 mg/L,不符合要求。

3 结论

本研究通过制备基于瓜尔胶、田菁胶和羧甲基纤维素钠稠化剂的压裂液体系,筛选优化了水基压裂液的组成。其中性能最佳的是基于瓜尔胶的压裂液体系(PF-1),其配比为8‰瓜尔胶(稠化剂)、2‰硼砂(交联剂)、1‰过硫酸铵+1‰亚硫酸氢钠(破胶剂)、0.5‰氢氧化钠+0.8‰碳酸钠(防腐剂)、2‰石膏粉(降滤失剂)、8‰过硫酸钠(氧化剂)、2‰三水硝酸铜(过渡金属)、1.5‰十二烷基磺酸钠(表面活性剂)。基于瓜尔胶为稠化剂的水基压裂液表观粘度为37.5 mPa·s;挑挂性能优异;彻底破胶时间为10 h;耐温性能好,60℃时表观粘度降至50 mPa·s以下;悬砂性能为6 mm/min;残渣含量为376 mg/L,均优于行业标准要求。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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基金资助

山东省水资源与水环境重点实验室开放基金项目(2024-05)

国家重点研发计划项目(2021YFB3500600)

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