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    水基植物膠壓裂液流變特性研究與應用

    發布日期:2015-05-13 14:06:00
    植物膠聚合物
    在提髙石油天然氣采收率和日增產水平方面,水力植物膠聚合物壓裂起著重要作用,成為低滲進油氣藏 開采的主要手段水力壓裂是指將由多種添加劑組成的壓裂液在髙排量、離泵壓下注入地 層,在產層以水力劈開、延伸裂縫、并用支撣劑支#裂縫的過程。形成一條高導流能力的油氣通 道。水力壓裂過程包括:①植物膠獼化劑(粉末狀)在水溶液中分敢、溶解、增粘過程;②溶膠液 與交聯劑的動態交聯,形成具有網狀結構的交聯流體;③壓裂液在經管道注入的離剪切作用和 在裂縫內的低剪切過程;④壓裂過程中壓裂液經受的熱流變過程;⑤壓裂液在多孔介?的滲濾 作用I⑥壓裂液攜帶及輸送支撐劑,即攜砂壓裂液流變過程;⑦壓裂液硤膠、返排與傷窨地層等 流變過程。
     
    以瓜爾膠、香豆膠為主的植物膠壓裂液占全國壓裂液使用量的90%以上,年用童達6. 0X l〇sm3。壓裂液多為粘撣性流體,在現場壓裂施工條件下,研究其流變特性是很有必要的。國內 80年代對田菁膠壓裂液研究較多[〃\而對90年代開發的椬物膠壓裂液流變性能研究報道較 少。本文應用控制應力流變儀等手段,研究了瓜爾膠、香豆膠水溶液和交聯凍膠的流變特性,介 紹了在工程的應用情況。
     
    2.實驗2.1儀?與藥品RV-20旋轉粘度計(德國Haake公司產品),CSL-100控制應力流變儀(英國Carti-med公 司產品),髙溫髙壓濾失儀(美國Baroid公司產品),XD香豆膠,工業一級,壓裂酸化技術服務 中心產品;GRJ羥丙基瓜爾膠,工業一級(山東東黃油田化學劑聯營公兩產品;);BCL有機■交? 291 *聯劑,工業品(壓裂酸化技術服務中心產品);過疏酸銨,碳酸鈉均為化學純。
     
    2_ 2試驗方法使用Warring混調器配制不同濃度的香豆膠或羥丙基瓜爾膠溶液,3(TC下靜置4小時溶 解增粘后待用。
     
    流體穩態剪切實驗和濾失實驗詳細測定方法見文獻^,動態振蕩實驗方法見文獻W。試驗 中濃度為g/l〇〇mK&%表示3.結果與討論3.1植物膠的水合堆粘特性瓜爾膠、香豆膠和田菁膠均是一年生草本植物的內胚乳,經粉碎、研磨和過篩制成的淺黃 色粉末^它們不溶于有機溶劑,但可被水分散、水合、溶脹,形成粘稠液。其化學組成是以1,4卜 毗哺型甘鱔糖為主鏈、1,6心Z)-吡哺型半乳糖為側鏈的聚糖。在壓裂工程中,為減少壓裂液 殘渣對儲層孔除的堵塞,可加入瓜爾膠和田菁膠,但由于水不溶物含纛高,需經化學改性,降低 殘渣含量,才可使用^在堿性條件下,羥丙基化是其主要的改性途徑^它們的物化性能對比見 表1。
     
    表1不同植*鼓穩化拍性能對比項目瓜爾膠改性瓜爾膠香豆膠羥丙基田菁膠半乳糖與甘廨箒之比2 * 5?J-81 * 1- 5?U1 * a,2J * 2, 0?2]分子量190萬(霣均)190萬(霣均)25萬(粘均)39.1萬(粘均)
     
    希度/mPa ? a187?35】25卜2邱150?258肋?126水不溶物含量AK)1&?252?4卜104~18交聯特性與爾、鈦、磨交聯, 形成凍膠與鐵、交聯, 形成凍膠與鈦、錐交聯, 形成凍膠與■、鈦、瓣交聯, 形成凍膠應用成改性必爾通過"¥1?或 化學改性后才觴 可直接應用可直接應用可直接應用不同植物膠聚合物增粘能力不同。圖1是香豆膠、改性瓜爾膠和改性田菁膠在水溶液介質 中經充分溶脹后,在2〇_C、17〇Sw下測得的增粘能力對比試驗結果。從圖1可知,這三種植物膠 都具有良好的水溶性和較強的增粘能力,且增粘能力大小為:改性瓜爾膠>香豆膠>改性田菁 膠?在低濃度時,溶液粘度主要取決于聚合物在溶液的分子纛大小》在較高濃度C大于臨界接觸 濃度Cp”時,分子在溶液中的水動力體積開始重疊和纏繞,使流體粘度顯著增大03.2植物膠水溶液的流變特性圖2顯示了植物膠(瓜爾膠、羥丙基瓜爾膠和香豆膠)和合成聚合物(聚丙烯酰胺,分子量 為1200萬)水溶液剪切應力對剪切速率的依賴性??梢?,這些聚合物溶液屬典型的假塑性流 體,表現為帶有屈服應力的冪律特性。其水溶液的流變性符合H-B模型,即t=Tr+/C 卞式中ry為屈服應力,尺'為稠度系數,^為冪律指數,Y為剪切速率D不同聚合物水溶液的流變參 數見表2??梢?,這些聚合物水溶液具有較強的非牛頓流體特性,冪律指數均小于1. 〇;同時,由 于各聚合物分子量和分子構象不同,流變參數具有較大差異。
     
    (2〇r、170s 一 *)
     
    (0.5% 濃度、20TC)
     
    表2不同聚合*水溶液的流變參數聚合物類型聚丙嬸酰眩瓜爾膠羥丙基瓜爾膠香豆膠擁皮系數/0^*sw>0. 85610.98450.34130.1663冪律指數0.51860. 46760.64790.6868胭諷應力/P?1.3630. 85900.291603.3植物膠壓裂液的延遲交聯特性為改賽壓裂液的造縫和攜砂能力,降低植物膠使用濃度,通常將聚合物溶液交聯。植物膠 交聯是通過交聯離子將溶解于溶液中植物膠分子鏈上的膘式鄰位羥基相互連接起來,形成空 間網絡結構,使流體粘度大大增加。為降低施工摩阻和改著流變性能,壓裂工程中要求壓裂液 具有可控@的延遲交聯時間。不同的交聯體系具有不同交聯時間。使用混調*旋渦法[5],測得 不同壓裂掖交聯時間見表3??梢?,有機W交聯壓裂液具有明顯可調節的延遲交聯時間,且香 豆膠由于在單位分子鏈段中含有較多的順式鄰位羥基,交聯速度較快。
     
    表3不同交聯壓裂液的交聯時間交聯擁類壅礪砂BCL有機面有機梅交聯時間羥丙基瓜爾膠1560~90030 ?120/B香豆膠960 ?72030?95交聯可W節性不可雨調節范H大屬節范圍較小3.4交聯凍膠壓裂液的熱穩定性和鎵切恢復特性不同的壓裂液體系具有不同的耐溫耐剪切特性,有機礪交聯壓裂液由于具有良好淹變性 能和破膠性能,在油田得到廣泛應用[<"]。圖3是有機硼與無機硼交聯植物膠壓裂液在170s一1 剪切速率下的流變性能對比及髙低剪切速率動態模擬試驗曲線??梢娕c無機硼壓裂液耐溫 l〇〇_C相比,有機硼交聯壓裂液具有明顯的延遲交聯作用和更強的耐溫能力;由髙低動態剪切 試驗表明,有機覇交聯流體在高剪切作用(1000C1)下具有較低的粘度特性(37?65mPa ? S), 但剪切速率降低(4〇s_l)后流體粘度快速增加,并達到最大值<614mPa * s),爾后隨熱降解和 剪切作用粘度緩悝減少??梢?,交聯壓裂液具有隨著剪切速率降低,粘度迅速增加的流變特性, 即剪切恢復特性。同時這樣的“低-高-低”流變特性有利于滿足壓裂施工中壓裂液管道流動,降■293 *交聯壓裂液是粘彈性流體。通過小振幘的動態振蕩試驗,所產生的流體應力可分解為表示 流體彈性的同相分量,即儲能模鷥^和表示流體粘性的9CT相位差分量,即損耗棋量"。0. 6% 香豆膠溶液和有機■交聯香豆膠前后的動態模量隨振薄頻率變化圖分別見圖4和罔5??梢?, 未交聯流體在低中頻(0<6Orad/S)時,以粘性為在商軀時顯示出一交叉點,爾后 彈性增大。交聯凍膠具有較強的交聯網狀結構,流體以彈性為主,枯性較低即<?>G%且在低 頻時C接近一有限值,即平衡剪切模童。交聯前后對比試驗表明,交聯后壓裂液彈性大大增 加,特別是低頻振藹下更為顯著;而粘性變化較小,當頻本大于40rad/s后交聯前后損耗模量 基本一致。當溫度增加,動態模置發生變化,流體網狀結構遭到硤壞,由交聯凍膠返回到溶液 狀態,出現香豆膠交聯流體隨角軟率變化的溫度譜圖見圖6??梢?,在低濕中頻時流 體彈性出現明顯的峰值,并隨fi度的增加,峰值減小,以至消失。
     
    圖5香豆膠壓裂液交聯前后的癱籌試驗對比囲6有機礙交聯香豆肢壓裂液的殫性祖度譜圖(0■ 6%XD,30C>(0.5^XDH-0,25^BCU資料研究表明,壓裂液表征彈性的儲能模量大小直接影響支撐劑的攜帶能力,在試驗條 件下,當C?>1. 9Pa時流體就具有良好的輸砂能力^表4是不同壓裂液的粘彈特性對比結果。
     
    可見優化后的有機棚交聯植物膠壓裂液體系具有優異的攜砂能力,G'為10. 0?20. OPa。
     
    表4植物皎水基壓制液粘彈性對比壓裂液類型香豆膠水溶液有機硼交聯聚合物凍膠香豆膠(200改性瓜爾膠(80C)
     
    儲能祺置C/Pa0. 1220. 2410.12損耗棋童0. 982. 283.25支撣劑沉降速豐/(mm/s>1. 5633. 524X10-*0. 02783.6 *失與破膠特性壓裂液流經巖石多孔介質表面時,由于壓差的存在將發生濾失作用,以初濾失量和濾失系 數表征。使用髙溫高壓as失儀在丄5Mpa壓差下測得不同溫度壓裂液的濾失特性(表sh由表 5可見,瓜爾膠水溶液流變性能較差,不能及時形成濾餅,濾失量很大;交聯凍膠具有網絡結 構,流變性能好,濾失量大大降低,并隨溫度的増加,粘度洚低,濾失量增大。
     
    表5不同壓裂液ft失性覦對比壓裂液類塑改性瓜爾膠水*液有機m交聯改性瓜爾膠試sa度/x:252560100濾失總董/mt8613. 516*224. 3初濾失童/(mVm2)0.1540.02170.03790. 0483濾失系數/im/minM )3, 436X10^*4. 248X10^*6. 068 X10-39, 128X10-3為改善壓裂液的壓后返排能力,降低對儲層的堵塞,要求流體在施工結束實現快速徹底破 膠。其主要途徑是通過玻膠劑(過氧化物或酶)化學作用和熱降散作用,離解壓裂液的網絡結 構,降解高聚物分子長鏈。在試賒溫度下,有機蘭交聯植物膠水基壓裂液在4?8小時內,最終 破膠液粘度僅為1_ 50?3. 25mPa ? s。
     
    4.現場應用水基植物膠壓裂液體系在全國各油田得到了廣泛應用。有機硼交聯香豆膠和改性瓜爾膠 壓裂液體系在1995年一1998年期間先后在勝利、吐哈、塔里木等12個油田試驗與推廣應用 達258#次,滿足了近6000m的塔里木超深井壓裂,勝利153C商溫邊際低滲儲層區塊整體壓 , 裂與吐哈油田髙砂比(83. 8%)重復壓裂施工等的需要,取得了 100%的施工成功率和良好的 增產(注)經濟效益。統計91 口油井壓裂改造,目前已為油田增產原油186973噸,壓裂創收達 21447萬元,投人產出比1 : 9_ 52?,F場應用表明,有機蘭交聯植物膠壓裂液體系具有優異的流 變性能、施工雎a低、攜砂能力強、施工簡便、成本低、應用效果明顯等特點。
     
    5.結論(1)壓裂液流變特性受溫度、剪切速率、化學添加劑和1:程應用條件等多種因素的影響,壓 裂過程是流變學在復雜工程的典型應用實例。
     
    (2)植物膠聚合物具有良好的水溶性、增粘能力和流變特性,溶液流變特性符號H-B模型。
     
    (3)有機硼交聯植物膠具有可控制的延遲交聯、耐髙溫能力和剪切恢復特性。
     
    (4)植物膠水溶液以粘性為主,交聯凍膠彈性顯著增強,攜砂能力強。
     
    (5)水基植物膠壓裂液具有良好的溶解、增粘、延遲交聯、耐溫耐剪切、粘彈特性和濾失與 破膠等流變綜合性能,滿足了壓裂工程復雜的應用需要。
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