硼交联羟丙基瓜尔胶压裂液回收再用可行性研究

2023-02-16

前言

瓜尔胶应用于水力压裂始于20世纪60年代, 经过长期的完善与发展, 以硼交联为主要形式的羟丙基瓜尔胶已成为现阶段应用最为广泛的水基压裂体系。本文通过对硼交联与非降解性破胶机理进行研究, 并结合硼交联羟丙基瓜尔胶压裂液的反排监测方法, 对硼交联羟丙基瓜尔胶压裂液的回收再利用的可行性展开了深入的研究。

一、硼交联与非降解性的破胶机理

1. 硼交联机理

由于普通瓜尔胶的分子量通常在200万以上, 且包含了4000多种半乳甘露糖的重复单元, 因此瓜尔胶分子内部的顺势羟基和Pe H- (硼酸根离子) 可以形成较为稳定的氢键, 且通过上述分子间的交联作用所生成的高黏冻胶具有较强的优良变性。另一方面, 由于在以C3H8O2瓜尔胶为代表的瓜尔佳衍生物与以田菁胶、香豆胶为代表的瓜尔胶类似物中, 只需要在其高分子链中含有一定比例的顺势羟基, 则可以进行相应的硼交联[1]。

2. 非降解破胶机理

由于硼交联的程度是由瓜尔胶压裂液中硼酸根的具体含量所决定的, 因此无论是无机硼还是有机碰, 均需要将其进行解离并使其产生硼酸根才可以起到交联作用。硼酸根的化学平衡式为B (OH) 3+OH→B (OH) 4-, 因为上述化学平衡式也可以进行逆向反应, 依据化学平衡原理, 对瓜尔胶压裂液 (以下简称压裂液) 的PH值与温度进行调节就可以控制其自身的交联程度。调节原理为:当压裂液中交联剂的用量处于正常范围内且硼酸根的分布分数小于20%时, 压裂液无法形成有效交联, 所以压裂液中的冻胶则将降黏, 并蜕化成原胶[2]。

二、非降解性的破胶途径

为验证1.2中的破胶机理, 本文对一组流变实验进行设计, 且主要配液材料为:HPG (羟丙基瓜尔胶) 、C150 (有机硼交联剂) 、自配缓释酸以及烧碱等其他添加剂。下文着重分析了缓释酸与温度两种因素破坏交联平衡的具体过程, 从而验证交联平衡被破坏后, 对瓜尔胶压裂液进行再回收的可行性。

1. 缓释酸破坏交联平衡

为了降低泵注前置液与携砂液所释放出的酸量对压裂液交联性能的影响, 因此, 在压裂液中加入缓释酸, 且在上述操作结束后, 将瓜尔胶压裂液的PH降至适当值, 从而降低压裂液内硼酸根离子的浓度并使其实现非降解性破胶。实验中对温度在120.C下, 压裂液的一组流变曲线进行了具体分析, 分析过程和分析结果如下:配置含有0.45%羟基瓜尔胶以及0.25%有机硼交联剂的硼交联羟基瓜尔胶压裂液, 并在其中加入浓度为0.1%的烧碱和0.3%的缓释酸, 通过对初始状态下压裂液的流变曲线以及反应结束后, 向其中补加缓释酸与烧碱的压裂液流变曲线进行分析可知, 在向初始状态下的瓜尔胶压裂液中加入缓释酸, 可以使压裂液破胶, 且当压裂液的年度将至40m Pa∙s以下时, 有利于其自身快速反排。而在反应结束后的压裂液中补加缓释酸与烧碱所得到最终状态的压裂液内, 通过测得其溶液的PH值发现, 可将压裂液进行重复使用。因此, 实验说明当温度在120.C、粘度在200m Pa∙s (加入烧碱与缓蚀剂后的压裂液粘度) 时, 可满足大规模压裂液施工的要求, 并可以通过调节压裂液的PH值使其进行再利用[3]。

2. 温度破坏交联平衡

配置与2.1实验中相同的硼交联羟基瓜尔胶压裂液, 并分别对温度在85。C与135。C下溶液的流变曲线进行描绘。实验结果为:在剪切速率在170s-1时将溶液进行90mins的剪切, 可得温度在85。C下溶液的冻胶粘度为500m Pa∙s, 而温度在135。C时, 溶液的冻胶粘度则稳定在150m Pa∙s左右。实验说明了通过调节瓜尔胶压裂液的温度可以有效改变其溶液的粘度, 且的温度越高, 冻胶的粘度越低, 越容易实现破胶。

三、硼交联羟丙基瓜尔胶压裂液的反排监测与重复利用

由于一般压裂液中冻胶的粘度在100m Pa∙s, 而原胶的粘度则在30-100m Pa∙s, 因此, 单纯地依靠加入缓蚀剂来改变压裂液的PH值只能起到降低其原胶粘度的作用, 并不能真正达到使硼交联羟基瓜尔胶压裂液进行破胶再利用的目的, 因此, 需要利用反排技术对压裂液进行氧化性破胶。由于压裂液的反排速度和与反排效率除了受到压裂液破胶粘度的影响外, 还受到前置液与携砂液的影响, 所以, 冻胶在未破胶状态下的反排比例反而要高一些, 这说明了当在硼交联羟基瓜尔胶压裂液中全程使用缓蚀剂或调节温度进行破胶所得到的效果不明显时, 需要调节压裂液的总返排率对其进行破胶, 从而提高其再利用的可能性。通过对回收来的压裂液进行分析可知, 其增产效果反而高于新配置出的瓜尔胶压裂液, 其原因的为:当压裂液内部为实现完全破胶时具有较强的携带能力, 且可将更多的不溶物排于溶液外, 从而使压裂液具有更强的导流能力。而压裂液中所含的部压裂液的增产效果[4]。

结论

本文通过对非降解性破胶与硼交联机理进行阐述, 并结合非降解性的破胶途径, 对硼交联羟丙基瓜尔胶压裂液的反排监测与重复利用进行了具体研究。可见, 未来加强对硼交联羟丙基瓜尔胶压裂液回收再用的研究力度对于促进流体矿工业的发展具有重要的历史作用和现实意义。

摘要：本文以硼交联羟丙基瓜尔胶压裂液回收再利用的可行性作为研究目的, 以PH值、温度和破胶液粘度所能达到的最低基液水平为具体控制因素, 分析了硼交联与非降解性破胶机理, 并对硼交联羟丙基瓜尔胶压裂液的反排监测方法进行了具体研究, 从而说明了硼交联羟丙基瓜尔胶压裂液的重复利用可以有效提高压裂液的增产效果。

关键词：硼交联,瓜尔胶,压裂液