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(shí)驗(yàn)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(shí)間、破膠粘度及破膠液的表面張力，實(shí)驗(yàn)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(shí)間，破膠液產(chǎn)生大量的絮狀沉淀。

表1 60℃時(shí)K2S2O8破破膠液在不同破膠時(shí)間下的粘度和表面張力

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，溫度為60℃時(shí)，隨著K2S2O8破膠劑濃度增加，破膠時(shí)間縮短，破膠液粘度和表面張力逐漸降低，當(dāng)K2S2O8加入量為100mg·L-1時(shí)，6h后破膠液粘度為5.236mPa·s，表面張力為9.72mN·m-1。當(dāng)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(xì)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(shí)驗(yàn)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(shí)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(shí)驗(yàn)溫度為70℃重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。

表2 70℃時(shí)過硫酸鉀破破膠液在不同破膠時(shí)間下的粘度和表面張力

表2結(jié)果表明，溫度為70℃時(shí)，隨著破膠時(shí)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(dāng)K2S2O8加入量為100mg·L-1時(shí)，4h后破膠液粘度為4.9572mPa·s、8.71mN·m-1，當(dāng)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(shí)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(shí)間越短。分析過硫化物破膠機(jī)理，論述了破膠時(shí)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(shí)驗(yàn)溫度為60℃與70℃的對比，70℃時(shí)K2S2O8半衰期為495min比60℃的半衰期2310min分解速度更快，破膠時(shí)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?jiān)康挠绊?

用K2S2O8破膠后，壓裂液中殘?jiān)恳妶D4。

由圖4可知，壓裂液用K2S2O8破膠后的殘?jiān)暮侩S著K2S2O8濃度的增加，殘?jiān)肯陆档?，溫度?0℃時(shí)，當(dāng)K2S2O8濃度為100mg·L-1時(shí)，壓裂液殘?jiān)繛?98mg·L-1，破膠時(shí)間需要6h。而當(dāng)K2S2O8濃度為400mg·L-1時(shí)，壓裂液殘?jiān)繛?32mg·L-1，低于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)500mg·L-1，但破膠時(shí)間需要3h。

圖4濃度對殘?jiān)康挠绊?

通過對比溫度對破膠液殘?jiān)繙y定實(shí)驗(yàn)，溫度越高壓裂液越易破膠，破膠時(shí)間越短，殘?jiān)肯鄬档驮矫黠@。殘?jiān)扛叩椭苯佑绊懍F(xiàn)場壓裂效果的好壞，壓裂液殘?jiān)鼈κ菍χ瘟芽p的導(dǎo)流能力影響的關(guān)鍵因素之一，壓裂液殘?jiān)鼈墒箤?dǎo)流能力降低90%以上，若殘?jiān)扛撸瑫毫岩寒a(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(hù)具有重大的意義。

3結(jié)論

（1）在實(shí)驗(yàn)溫度60℃下，通過對比過硫酸鹽濃度不同，濃度越高，破膠時(shí)間縮短，破膠液粘度和表面張力逐漸降低。

（2）室內(nèi)實(shí)驗(yàn)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(shí)間越短，破膠液粘度和表面張力降低。

（3）K2S2O8破膠后的殘?jiān)暮侩S著K2S2O8濃度的增加，殘?jiān)恐饾u下降，溫度越高，殘?jiān)肯鄬档驮矫黠@，對地層損害越小。