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復(fù)合型清潔壓裂液的性能評價(jià)

文檔作者：何敏張金生李麗華吳限馬誠文檔來源：遼寧石油化工大學(xué)石油化工學(xué)院		更新日期： 2026年05月14日	點(diǎn) 擊數(shù)：
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32
精細(xì)石油化工
SPECIA LITY PETROCHEM ICALS
第33卷第2期
2016年3月
復(fù)合型清潔壓裂液的性能評價(jià)
何敏，張金生 ，李麗華，吳限，馬誠
(遼寧石油化工大學(xué)石油化工學(xué)院，遼寧撫順113001)
摘要：運(yùn)用RS300型流變儀對以銨鹽陽離子、磺酸鹽陰離子表面活性劑及助劑為原料配制的新型清潔壓裂液
進(jìn)行流變能評價(jià)。結(jié)果表明：該壓裂液的流體類型屬于假塑性非牛頓流體。在170 S一，90℃下，體系表觀黏
度仍可以達(dá)到85．63 mPa·S，隨著剪切速率降低，黏度可以恢復(fù)。比值約為15．3，具有較高彈性。對壓裂液在
25～300 S 范圍內(nèi)來回剪切，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，滯回曲線并未重合，證明具有觸變性。流變性測試可知，該壓裂液體
系同時(shí)具有剪切稀釋性及剪切恢復(fù)性，是一種低黏高彈的中低溫清潔壓裂液，放置時(shí)間長達(dá)5個(gè)月。
關(guān)鍵詞：流變性模量黏彈性蠕蟲狀膠束
中圖分類號：TE357．1 2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A
表面活性劑在水溶液中有自組裝的能力，組
裝成的微觀結(jié)構(gòu)有球狀、棒狀、蠕蟲狀、反膠束、囊
泡等 ]。黏彈性表面活性劑壓裂液的形成機(jī)理正
是這種自組裝行為，且蠕蟲狀膠束纏結(jié)而成的網(wǎng)
格結(jié)構(gòu)具有可逆性l2]，這一特點(diǎn)及其獨(dú)特的流變
性是其應(yīng)用優(yōu)于常規(guī)壓裂液的主要原因。目前，
黏彈性表面活性劑壓裂液蠕蟲狀膠束體系應(yīng)用最
廣范的組成是陽離子表面活性劑與水助溶劑，如
季銨鹽陽離子表面活性劑及水助溶劑r3]，但其耐
溫程度普遍低于80℃l4]，相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道L5 ]，兩種
或多種黏彈性表面活性劑復(fù)合形成的壓裂液耐溫
性更好，如陰一陽離子體系，離子一非離子體系，離
子一雙子體系，非離子一雙子體系，在不同表面活性
劑復(fù)配體系中，陰陽離子表面活性劑復(fù)配體系具
有最強(qiáng)的配位性、協(xié)同性。因此，筆者針對自制的
陰陽離子復(fù)合型清潔壓裂液體系的兩種配方進(jìn)行
研究，體系CMV1組成為3．0 CM—A、2．5
CM—B以及助劑，體系CMV2組成為3．0 CM—
A、2．5 CM-B以及助劑。壓裂液的流變性對施
工效果有很大影響，對壓裂液流變性的研究是必
要的，本文要進(jìn)行的流變性測試包括確定該壓裂
液的流動(dòng)曲線，剪切速率對壓裂液流變性的影響，
流體的黏彈性及觸變性，最后，考察壓裂液的穩(wěn)定
性，結(jié)果令人滿意。
1 實(shí)驗(yàn)部分
1．1 主要藥劑與儀器
季銨鹽陽離子表面活性劑(CM-A)，分析純，
天津市瑞金特化學(xué)品有限公司；磺酸鹽陰離子表
面活性劑(CM—B)，工業(yè)級(cu≥ 86．0 9／6)，沈陽新
興試劑廠；氯化鉀，分析純，沈陽化學(xué)試劑廠；氫氧
化鈉，分析純，沈陽化學(xué)試劑廠；實(shí)驗(yàn)用水為二次
蒸餾水。
Haake RS300高溫高壓流變儀，德國HAA—
HE公司。
1．2 流變性測試
使用RS300型控制應(yīng)力流變儀完成流變測
試，測試采用共軸圓筒旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)，使用Z38Ti轉(zhuǎn)
子，測量轉(zhuǎn)子的半徑為14 mm，測量杯的半徑為
15 mm 。
1)對7O℃ 溶液進(jìn)行剪切，剪切速率范圍為
25 s~300 S_。，測定不同剪切速率下對應(yīng)的切應(yīng)
力，根據(jù)非牛頓流體冪律方程的導(dǎo)出式：log r—
log K + log r作圖，其中，log r為縱坐標(biāo)，log r
為橫坐標(biāo)，計(jì)算稠度系數(shù)K、流態(tài)指數(shù) 的值。
2)改變剪切速率，對壓裂液進(jìn)行剪切，考察切
應(yīng)力與剪切速率的關(guān)系，分為3個(gè)測試溫度：70，
8O，90℃ ，并且分別對壓裂液剪切后的恢復(fù)性進(jìn)
行測試。
3)在100℃ ，設(shè)定應(yīng)力值為0．01 Pa，振蕩頻
率范圍在0．01～10 Hz，測試體系模量，設(shè)定剪切
收稿日期：2015一10—16；修改稿收到日期：2016一O2—29。
作者簡介：何敏(1990一)，女，在讀碩士，主要從事新型添加
劑在石油化工領(lǐng)域中的應(yīng)用。E—mail：min960406013@l63．corn。
*通信聯(lián)系人，E—mail：11h72@ 163．com。
第33卷第2期 何敏，等．復(fù)合型清潔壓裂液的性能評價(jià)
速率為170 S_。，控制升溫速率為(3±0．2)℃／
min，從室溫升至120℃ ，測量模量隨溫度的變化
情況。
4)在6O S內(nèi)，剪切速率由25 S 上升到
300 S 。隨后，在60 s內(nèi)，由300 S 下降到25 S_。，
測量相應(yīng)的剪切應(yīng)力，分析壓裂液滯回曲線。
2 結(jié)果與討論
2．1 流體性質(zhì)分析
首先對流體的性質(zhì)進(jìn)行分析，見圖1。由圖1
可以看出，剪切應(yīng)力與剪切速率的關(guān)系曲線類似
r—K ，符合假塑性非牛頓流體冪律方程[7]，證明
該復(fù)合型清潔壓裂是一種假塑性非牛頓流體。并
根據(jù)其推出式：log r：：：logK-+-nlog7，繪制壓裂液流
變曲線，見圖2。對曲線進(jìn)行擬合，得到 、K值，對
于體系CMV1， 1—0．360，K1—5．145 mPa·S ，體
系2， 2—0．5，K2—19．054。體系CMV2的稠度系
數(shù)K較大，流態(tài)指數(shù)，z相對較小，說明CMV2體系
的非牛頓性更強(qiáng)，更有利于支撐劑的運(yùn)輸。
R
恩
器
剪切速率／s
圖1 剪切應(yīng)力與剪切速率關(guān)系曲線
l0g
圖2 復(fù)合型清潔壓裂液流變曲線
2．2 剪切恢復(fù)性考察
圖3是CMV2體系壓裂液表觀黏度隨剪切
速率的變化曲線。從圖3可以看出，隨著剪切速
率的增大，CMV2體系的表觀黏度緩慢降低，體
系具有剪切變稀的特征，這符合黏彈性表面活性
劑壓裂液體系的流變特征[8 ]。復(fù)合型清潔壓裂
液體系的黏彈性是黏彈性表面活性劑在溶液中形
成的蠕蟲狀膠束相互纏繞而產(chǎn)生，外加機(jī)械的剪
切作用會破壞膠束的纏結(jié)，從而導(dǎo)致體系黏度下
降，隨著剪切速率不斷增大，機(jī)械的剪切作用對膠
束纏結(jié)結(jié)構(gòu)的破壞能力同時(shí)增大，膠束從靜態(tài)時(shí)
的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)逐漸采取分子間并排排列的方式，體
系的表觀黏度下降，在高剪切速率區(qū)域表觀黏度
趨于平穩(wěn)，因此，CMV2壓裂液具有良好的流變
性。此外，從耐溫程度來看，體系溫度的上升會引
起表觀黏度的下降，但在170 S_。，90℃ ，體系表
觀黏度仍可以達(dá)到85．63 mPa·S，所以從體系懸
砂性考慮，該壓裂液體系適合中低溫儲層。
●
宣
棵
鼷
懈
●
呂
一
磺
剪切速率／s
圖3 剪切速率對表觀黏度的影響
褂
恩
淼
舅切時(shí)]hi／rain
圖4 復(fù)合壓裂液黏度剪切恢復(fù)性曲線
圖4是CMV2復(fù)合型壓裂液在室溫下黏度
隨剪切速率的剪切恢復(fù)曲線。由圖4可以看出，
當(dāng)從低剪切速率升至高剪切速率時(shí)，體系黏度迅
速降低，表現(xiàn)出剪切變稀特征，而當(dāng)從高剪切速率
降至低剪切速率時(shí)，黏度可以短時(shí)間恢復(fù)到低剪
切速率時(shí)的黏度，表現(xiàn)為黏度恢復(fù)性，這是因?yàn)閺?fù)
合壓裂液的交聯(lián)機(jī)理是物理締合，在高剪切速率
下，高剪切力會破壞膠束之間的締合，靜態(tài)網(wǎng)狀結(jié)
構(gòu)消失，黏性降低，當(dāng)恢復(fù)到低剪切速率，溶液中
的膠束重新締合成互相纏繞的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，體系的
34 精細(xì)石油化工 2016年3月
黏度得到恢復(fù)。而常規(guī)高分子壓裂液在剪切過
后，撤去外力作用，體系黏度無法恢復(fù)L1 。因此，
與高分子壓裂液相比，黏彈性表面活性劑壓裂液
黏度通過進(jìn)口炮眼之后會恢復(fù)，攜砂性能更好。
2．3 黏彈性考察
黏彈性是黏彈性表面活性劑壓裂液對地層造
裂縫以及攜帶運(yùn)輸支撐劑的前提，所以對壓裂液
的黏彈性進(jìn)行測試是必要的。通常我們用儲能模
量(G )大小來衡量體系的彈性大小(彈性效應(yīng))；
用耗能模量(G”)大小來衡量體系的黏性大小(黏
性效應(yīng))[1 。用的相對值評價(jià)壓裂液的綜合性
能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。測試結(jié)果表明，
CMV2壓裂液體系的儲能模量G 均大于耗能模
量G”，G ／G”比值約為15．3，高于常規(guī)胍膠壓裂
液(G ／G”一3．2)_1 。說明該壓裂液是一種低黏
高彈的理想型清潔壓裂液，與清潔壓裂液的攜砂
機(jī)理相符，與常規(guī)壓裂液僅靠高黏度來攜砂不同，
清潔壓裂液同時(shí)依靠彈性來攜砂，因此減少了流
體攜砂所需的黏度，黏度下降同時(shí)摩阻也會相對
下降 ”]。
溫度，℃
圖6 壓裂液模量隨溫度的變化關(guān)系
2．4 模量與溫度關(guān)系考察
圖6是在170s一1下，測定儲能模量G 、耗能
模量G”隨溫度的變化曲線，由圖可以看出，溫度
的升高會導(dǎo)致兩種模量不同程度的變化，100℃
是一個(gè)臨界點(diǎn)，體系溫度在100℃ 之前，G >G”，
體系以彈性為主，當(dāng)體系溫度達(dá)到100℃之后，G

G”，體系以彈性為主，T>100℃ ，G

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