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改良粘弾性界面活性剤(VES)を用いた新規増粘性亀裂用流体の実験的検討と性能評価
Experimental Investigation and Performance Evaluation of Modified Viscoelastic Surfactant (VES) as a New Thickening Fracturing Fluid.
PMID: 32629958 DOI: 10.3390/polym12071470.
抄録
油圧破砕では、破砕液は、破砕部に輸送されたプロパントを介して炭化水素貯留層に亀裂を形成するために使用されます。多くの分野での適用は、従来のフラクチャリング流体は、貯留層の地層の深刻な目詰まりを引き起こし、したがって、これらの炭化水素貯留層の透水性を低下させることにつながる残留物（複数可）の欠点を有することを証明している。クリーンな（かつ費用対効果の高い）フラクチャリング流体の開発は、水圧破砕プロセスの主要な推進力となっている。現在、粘弾性界面活性剤（VES）流体は、その非残留物（複数可）特性のために、非在来型貯留層の水圧破砕開発において最も広く使用されている破砕流体の一つである。しかし、従来の単鎖VES流体は、温度やせん断抵抗が低いという問題がありました。本研究では、非共有結合によりハイドロトロペス(イオン性有機塩)が結合した単鎖型の増粘性流体を開発しました。本研究では、長鎖カチオン性界面活性剤であるセチルトリメチルアンモニウムブロミド(CTAB)と有機酸であるクエン酸(CA)及びマレイン酸(MA)をモル比(3:1)及び(2:1)で混合することにより、新たな開発を行った。革新的なアプローチとして、CTABとCAを組み合わせて、亀裂の発生に最適な特性を有する溶液(すなわち、CTABをベースとしたVES-fluid)を得て、CTABをベースとしたVES-fluidのこの挙動を実験的に検証しました。レオメーターを用いて粘弾性,せん断速度,耐熱性を評価し、また、輸送されたプロパントの沈降速度を測定することにより、砂を担持した懸濁液の能力を調べた。さらに、エタノールと混合した後の破断したVES液の粘度を測定することでゲル破断性を調べ、コアフラッディング試験を行いながらVES液によるコア損傷の程度(透過性)を評価した。その結果，pH値(6.17)において，30(mM)VES流動体(CTAB-CA)が最も高い粘弾性を有しており，せん断速度ゼロ時の見掛け粘度は10 6(mPa・s)近くに達していた．さらに、30(mM)のCTAB-CA VES-fluidの見掛け粘度は、(90 ∘ C)では60(mPa・s)のままであり、2時間せん断後も170(s - 1 )のままであり、CTAB-CA流体が優れた耐熱性、耐せん断性を有していることを示している。さらに、30 (mM) CTAB-CA VES-fluidの90 (∘ C)における砂懸濁液の懸濁速度は1.67 (mm/s)であり、エタノールと10:1の割合で混合した後、2時間以内に完全にゲルが破れることが示された。コアフラッディング実験の結果、CTAB-CA VES液によるコア損傷率は( 7.99% )であり、大きな損傷をもたらさないことがわかった。これらの結果から、高温下でのCTAB-CA VES流体の使用は、本提案のVES流体を魅力的な増粘性亀裂用流体とすることができると考えられる。
In hydraulic fracturing, fracturing fluids are used to create fractures in a hydrocarbon reservoir throughout transported proppant into the fractures. The application of many fields proves that conventional fracturing fluid has the disadvantages of residue(s), which causes serious clogging of the reservoir's formations and, thus, leads to reduce the permeability in these hydrocarbon reservoirs. The development of clean (and cost-effective) fracturing fluid is a main driver of the hydraulic fracturing process. Presently, viscoelastic surfactant (VES)-fluid is one of the most widely used fracturing fluids in the hydraulic fracturing development of unconventional reservoirs, due to its non-residue(s) characteristics. However, conventional single-chain VES-fluid has a low temperature and shear resistance. In this study, two modified VES-fluid are developed as new thickening fracturing fluids, which consist of more single-chain coupled by hydrotropes (i.e., ionic organic salts) through non-covalent interaction. This new development is achieved by the formulation of mixing long chain cationic surfactant cetyltrimethylammonium bromide (CTAB) with organic acids, which are citric acid (CA) and maleic acid (MA) at a molar ratio of (3:1) and (2:1), respectively. As an innovative approach CTAB and CA are combined to obtain a solution (i.e., CTAB-based VES-fluid) with optimal properties for fracturing and this behaviour of the CTAB-based VES-fluid is experimentally corroborated. A rheometer was used to evaluate the visco-elasticity and shear rate & temperature resistance, while sand-carrying suspension capability was investigated by measuring the settling velocity of the transported proppant in the fluid. Moreover, the gel breaking capability was investigated by determining the viscosity of broken VES-fluid after mixing with ethanol, and the degree of core damage (i.e., permeability performance) caused by VES-fluid was evaluated while using core-flooding test. The experimental results show that, at pH-value ( 6.17 ), 30 (mM) VES-fluid (i.e., CTAB-CA) possesses the highest visco-elasticity as the apparent viscosity at zero shear-rate reached nearly to 10 6 (mPa·s). Moreover, the apparent viscosity of the 30 (mM) CTAB-CA VES-fluid remains 60 (mPa·s) at (90 ∘ C) and 170 (s - 1 ) after shearing for 2-h, indicating that CTAB-CA fluid has excellent temperature and shear resistance. Furthermore, excellent sand suspension and gel breaking ability of 30 (mM) CTAB-CA VES-fluid at 90 ( ∘ C) was shown; as the sand suspension velocity is 1.67 (mm/s) and complete gel breaking was achieved within 2 h after mixing with the ethanol at the ratio of 10:1. The core flooding experiments indicate that the core damage rate caused by the CTAB-CA VES-fluid is ( 7.99 % ), which indicate that it does not cause much damage. Based on the experimental results, it is expected that CTAB-CA VES-fluid under high-temperature will make the proposed new VES-fluid an attractive thickening fracturing fluid.