HAAKE流变仪进行压裂液粘度测试

Stephen.Sun Thermo Fisher Scientific, 材料表征部，中国上海

简介

       压裂液是在利用液体驱动力进行流体矿开采过程中用到的一类液体。在中国的油田中，压裂技术作为一种能提高油气产量的有效方法而得到了广泛推广，发展很快。目前压裂液是压裂技术中重要的组成部分。表征压裂液的流变性质是对其评估的主要方法。世界上，特别是在美国，已有多种测试模式可对压裂液流变性质进行测量。根据中国油田的行业标准，在一定的温度和压力下，剪切速率为170 s-1时，在1.5 - 2个小时内粘度值不应低于某一特定值。油田上使用的大多数压裂液是水基压裂液，而粘度测试的温度总是高于100℃，如何能在此条件下高精度且不改变初始特性（如蒸发和剪切效应）地测量压裂液粘度，这对测量仪器来说是一个巨大挑战。多年以来的实践证明，配有*的高温高压密闭单元的ThermoFisher Scientific HAAKE MARS及RSXXX系列流变仪是压裂液评估中实用且可靠的仪器。HAAKE系列产品名录中有各种型号的高温高压密闭单元，例如D100/200, D400/300, D600/250, D70/300和D170/300等，提供压力可达600 bar，温度可达300℃且耐酸性的高温高压密闭单元，可以满足油田用户的所有要求。但是目前用户提出了新需求，要求能进行现场测试，在远离实验室或研究中心的场地进行测试。用户无法将上述提到的流变仪搬至现场，因为这类流变仪需要空气压缩机和循环器，其运输十分不便。更重要的是，由于现场环境通常比较差且嘈杂，使用空气轴承的流变仪非常容易受到影响，导致测量数据质量变差。

       为了响应这一需求，ThermoFisher Scientific研发并推出了一款便携式强劲坚固的流变仪，即HAAKE Viscotester iQ流变仪，如图1所示。此款仪器包括三个主要部分，分别是Viscotester iQ流变仪，圆筒加热单元和高温高压密闭单元（与所有HAAKE 系列仪器兼容）。

图1：便携式HAAKE Viscotester iQ流变仪，配有高温高压密闭单元，带电加热系统，温度可达300℃

       此便携式仪器的升降是手动控制的，仪器主要特征之一是其具有直观的操作。高温高压密闭单元可被软件自动识别。不同型号的高温高压密闭单元有固定的测量间隙。拧松升降手柄之后，测量头可平稳地滑到测量位置。测量结束之后，可通过手柄将测量头升到高位置，高温高压密闭单元可拆下清洗。可轻松拆卸整套设备，将其装入运输箱（可选择购买）内。加上所有内容物，每个箱子的重量也不超过20 kg，通过飞机运输*没有问题（图2）。到达现场之后，几分钟内就可完成开箱组装，测试之前无需任何调试。

图2：便携式HAAKE Viscotester iQ流变仪的运输箱

实验

       如上所述，使用此仪器进行测试时无需任何调试，因此操作者只需要准备好样品，然后对其加压即可。高温高压密闭单元上盖密封之后，将其放入加热系统中，调低测量头就位。操作者可以使用 HAAKE RheoWin 软件，根据他们编辑的测试作业流程来控制仪器。图3是温度为90℃，剪切速率为170 s-1时一种压裂液基液的测量数据。

图3：利用便携式HAAKE Viscotester iQ流变仪进行的典型的压裂液粘度测试

       本次实验用的是中国油田行业内一种典型的测试方法，用于评估压裂液的耐热性和抗剪能力。在图3中可以看出，在整个测试过程中，剪切速率始终十分稳定地保持在170 s-1，这对后测试结果非常重要。因为样品中没有交联和结构，这种基础压裂液的粘度大约为40 mpa.s。在开始的几分钟内粘度值不断变小，这主要是因为温度需要一定时间来达到稳定值。如果在基础样品里加入交联剂，结果就会立即发生变化（图4）。

图4 利用便携式 HAAKE Viscotester iQ和MARS60 流变仪对交联压裂液进行的典型粘度测试

       很显然在加入交联剂之后，粘度增加了好几倍，耐热性也变得更强。在近一个小时内温度保持在110℃，样品粘度仍然保持在200 mpa.s 以上，这符合行业标准。另外既使用HAAKE Viscotester iQ流变仪，也使用了MARS60 流变仪对样品进行了测试，两者结果相近且具有可比性，只是 MARS60 流变仪得到的数据值比Viscotester iQ流变仪的值略高。

总结

       所有结果都证明ThermoFisher Scientific HAAKE Viscotester iQ流变仪是评估压裂液流变性能实用且可靠的仪器。HAAKE Viscotester iQ 流变仪具有便携式配置，可轻松将其搬至远离用户实验室的作业现场，进行组装和操作。HAAKE Viscotester iQ 流变仪的某些指标可与大型流变仪相媲美，其性能非常优异，与大型流变仪接近，为用户的研究工作提供了更丰富的选择和更多的可能性。