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過硫酸鉀、K2S2O8對壓裂液破膠性能與表面張力的影響——結(jié)果與討論、結(jié)論
來源：化學(xué)工程師 瀏覽 1183 次 發(fā)布時間:2024-10-28
2結(jié)果與討論
2.1 K2S2O8濃度的影響
過硫酸鹽氧化劑破膠，溫度只能適用于60～130℃的地層，從過硫化物活性（分解速率常數(shù)或半衰期來表示）角度分析，在50℃以下，過硫化物破膠分解太慢，活性下降較快，不能作為壓裂液破膠劑。在60～130℃的地層過硫酸鹽分解速度才可以滿足壓裂液完成任務(wù)后快速破膠，迅速反排的要求。
因此，選擇在實驗溫度60℃條件下探究過硫酸鹽破膠性能，室溫下配制好壓裂液備用，分別加入不同濃度的過硫酸鉀靜置，測定其破膠時間、破膠粘度及破膠液的表面張力，實驗數(shù)據(jù)見表1。破膠過程中，發(fā)現(xiàn)初始破膠液較澄清，在完全破膠后（表觀粘度≤5mPa·s）并繼續(xù)靜置一段時間，破膠液產(chǎn)生大量的絮狀沉淀。
表1 60℃時K2S2O8破破膠液在不同破膠時間下的粘度和表面張力
實驗結(jié)果表明，溫度為60℃時，隨著K2S2O8破膠劑濃度增加，破膠時間縮短，破膠液粘度和表面張力逐漸降低，當K2S2O8加入量為100mg·L-1時，6h后破膠液粘度為5.236mPa·s，表面張力為9.72mN·m-1。當K2S2O8加入量為400mg·L-1h破膠液粘度為3.784mPa·s，表面張力為9.32mN·m-1。地層中的多孔介質(zhì)可以形象的比作是相互連通的毛細血管網(wǎng)絡(luò)，降低其壓力作用，破膠液必須具有較低的表面張力，才有助于壓裂液的返排。破膠液的表面張力一般要求低于28m N·m-1。
本實驗使用的主要壓裂液稠化劑是羥丙基胍膠，主要原料天然植物瓜爾膠豆胚乳中提取的一種天然高分子，由甘露糖和半乳糖兩種單糖組成的多糖，如圖1。分子主鏈由甘露糖單元通過β-1,4苷鍵連接，側(cè)基的半乳糖通過α-1,6苷鍵連接到分子主鏈上。
而過硫酸鹽破膠實質(zhì)是過硫酸根分解產(chǎn)生游離基，破壞羥丙基胍膠交聯(lián)結(jié)構(gòu)（主鏈）使大分子破膠成小分子而破膠。以（NH4）2S2O8化學(xué)方程式為例。
2.2破膠溫度的影響
為探究破膠溫度對過硫酸鹽破膠性能的影響，筆者在實驗溫度為70℃重復(fù)上述實驗，實驗數(shù)據(jù)見表2。
表2 70℃時過硫酸鉀破破膠液在不同破膠時間下的粘度和表面張力
表2結(jié)果表明，溫度為70℃時，隨著破膠時間增加，K2S2O8作為破膠劑的破膠液破膠粘度和表面張力是逐漸降低，當K2S2O8加入量為100mg·L-1時，4h后破膠液粘度為4.9572mPa·s、8.71mN·m-1，當K2S2O8加入量為400mg·L-1，2.3h破膠后破膠液粘度為4.516mPa·s、8.61mN·m-1。
圖2溫度對破膠時間的影響
圖3溫度對破膠粘度的影響
由圖2,3可知，通過對比溫度對破膠液表面張力和粘度測定數(shù)據(jù)，溫度越高壓裂液越易破膠，破膠時間越短。分析過硫化物破膠機理，論述了破膠時間快慢主要取決于過硫酸鉀的分解速度。溫度主要影響過硫酸鉀的反應(yīng)，其反應(yīng)屬于一級反應(yīng)，半衰期t1/2與速率常數(shù)K的關(guān)系。
表3溫度影響過K2S2O8的反應(yīng)
室內(nèi)實驗溫度為60℃與70℃的對比，70℃時K2S2O8半衰期為495min比60℃的半衰期2310min分解速度更快，破膠時間更短，適用于現(xiàn)場壓裂作業(yè)。吳錦平得到結(jié)論50℃以下，過硫化物破膠能力減弱，不再適合做水基壓裂液的破膠劑。
2.3殘渣含量的影響
用K2S2O8破膠后，壓裂液中殘渣含量見圖4。
由圖4可知，壓裂液用K2S2O8破膠后的殘渣的含量隨著K2S2O8濃度的增加，殘渣含量下降的，溫度為60℃時，當K2S2O8濃度為100mg·L-1時，壓裂液殘渣含量為498mg·L-1，破膠時間需要6h。而當K2S2O8濃度為400mg·L-1時，壓裂液殘渣含量為432mg·L-1，低于行業(yè)標準500mg·L-1，但破膠時間需要3h。
圖4濃度對殘渣含量的影響
通過對比溫度對破膠液殘渣含量測定實驗，溫度越高壓裂液越易破膠，破膠時間越短，殘渣含量相對降低越明顯。殘渣含量高低直接影響現(xiàn)場壓裂效果的好壞，壓裂液殘渣傷害是對支撐裂縫的導(dǎo)流能力影響的關(guān)鍵因素之一，壓裂液殘渣傷害可使導(dǎo)流能力降低90%以上，若殘渣含量高，會對壓裂液產(chǎn)生的充填層造成堵塞，給壓裂液反排造成巨大的困難，會給地層造成無法想象的傷害。固研究壓裂液中各種化學(xué)試劑的性能好壞，對壓裂作業(yè)及后續(xù)地層保護具有重大的意義。
3結(jié)論
（1）在實驗溫度60℃下，通過對比過硫酸鹽濃度不同，濃度越高，破膠時間縮短，破膠液粘度和表面張力逐漸降低。
（2）室內(nèi)實驗溫度為60℃與70℃的對比，伴隨著溫度升高，過硫酸鹽分解速度增加，壓裂液越易破膠，破膠時間越短，破膠液粘度和表面張力降低。
（3）K2S2O8破膠后的殘渣的含量隨著K2S2O8濃度的增加，殘渣含量逐漸下降，溫度越高，殘渣含量相對降低越明顯，對地層損害越小。