羥丙基瓜膠壓裂液流變行為影響因素研究

姜阿娜,仲巖磊,陳 凱,鐘安海

(中國(guó)石化勝利油田分公司采油工藝研究院,山東東營(yíng)257000)

羥丙基瓜膠壓裂液流變行為影響因素研究

姜阿娜,仲巖磊,陳 凱,鐘安海

(中國(guó)石化勝利油田分公司采油工藝研究院,山東東營(yíng)257000)

以哈克流變儀為主要工具,通過測(cè)定170 s-1、120 min時(shí)間內(nèi)羥丙基瓜膠壓裂液的抗剪切性能,對(duì)瓜膠壓裂液流變行為的影響因素進(jìn)行研究。室內(nèi)試驗(yàn)表明,影響羥丙基瓜膠壓裂液流變行為的因素眾多,稠化劑、交聯(lián)劑、溫度穩(wěn)定劑以及p H調(diào)節(jié)劑均對(duì)壓裂液的流變行為產(chǎn)生較大影響。

羥丙基瓜膠;流變行為;影響因素

壓裂作為油氣藏增產(chǎn)增注的主要措施已得到廣泛應(yīng)用和迅速發(fā)展,壓裂液是壓裂技術(shù)的主要組成部分,是壓裂施工的關(guān)鍵性環(huán)節(jié)之一。壓裂液的流變特性是目前表征壓裂液的主要手段,其與壓裂液的輸送、攜砂、摩阻和壓裂效果密切相關(guān)。因此,研究壓裂液的流變行為十分重要。筆者以哈克流變儀為主要工具,模擬不同條件下壓裂液的流變行為,通過測(cè)定170 s-1、120 min時(shí)間內(nèi)壓裂液的抗剪切性能,對(duì)瓜膠壓裂液流變行為的影響因素進(jìn)行研究。

1 壓裂液流變行為影響因素

1.1 稠化劑

稠化劑是壓裂液的主劑,最主要作用是增粘,其次還具有降低濾失和減少壓裂液摩阻等作用。稠化劑的增稠能力主要與其相對(duì)分子質(zhì)量、分子鏈上的基團(tuán)性質(zhì)及分子鏈狀態(tài)有關(guān)。一般來說,稠化劑相對(duì)分子質(zhì)量愈大,增稠能力愈強(qiáng);稠化劑分子鏈上的基團(tuán)水化性質(zhì)愈強(qiáng),水化基團(tuán)愈多,水溶性愈強(qiáng),壓裂液破膠后的殘?jiān)賉1]。

考察普通羥丙基瓜膠粉(HPG)、超級(jí)羥丙基瓜膠粉(SHPG)以及羅地亞415#瓜膠粉(LUO-415 #)3種不同性質(zhì)的羥丙基瓜膠粉在其他助劑相同情況下的壓裂液耐剪切性能。壓裂液配方如下: 0.6%瓜膠粉+0.35%HTC-160交聯(lián)劑+其他。圖1為3種不同羥丙基瓜膠壓裂液在120℃、170 s-1條件下的耐剪切流變曲線。

圖1 不同羥丙基瓜膠壓裂液耐剪切性能

從圖1可以看出,稠化劑對(duì)瓜膠壓裂液的流變行為有較大影響,在其他助劑、剪切條件相同的情況下,羅地亞415#瓜膠粉經(jīng)120 min剪切后,壓裂液黏度為220 mPa·s,耐剪切能力要強(qiáng)于超級(jí)羥丙基瓜膠粉的106 mPa·s和普通瓜膠粉的62 mPa·s。

羥丙基瓜膠經(jīng)瓜爾膠改性制得,經(jīng)胚乳片→水合→粉碎→原粉→改性→洗滌→干燥→粉碎→篩分→均質(zhì)得成品[2]。瓜爾膠是一種天然的半乳甘露聚糖膠,從產(chǎn)于印度、巴基斯坦等地的瓜爾豆種子的胚乳中提取得到。因來源不同,瓜爾膠的相對(duì)分子質(zhì)量及單糖比例也不同,其相對(duì)分子質(zhì)量約為100～200萬,甘露糖與半乳糖之比約為(1.5～2∶1),這些都會(huì)影響羥丙基瓜膠的性能。改性過程中,工藝及條件的不同對(duì)羥丙基瓜膠性能亦有影響。

另外,隨著瓜膠粉比的增加,壓裂液的增黏能力增加,但壓裂液破膠后的殘?jiān)搽S之增加,因此需根據(jù)地層需要篩選適宜粉比的稠化劑,既保證壓裂液的攜砂性能,又減少其對(duì)地層的傷害。

1.2 交聯(lián)劑

交聯(lián)劑是決定壓裂液粘度性質(zhì)的主要因素之一。交聯(lián)劑與稠化劑產(chǎn)生交聯(lián)反應(yīng),使體系進(jìn)一步增稠形成凍膠,成為典型的黏彈性流體,黏彈性能的好壞直接影響壓裂液的造縫能力,與形成的裂縫長(zhǎng)度密切相關(guān)。

考察了有機(jī)硼交聯(lián)劑HTC-160,有機(jī)硼緩交聯(lián)劑CK-OBC、有機(jī)硼鈦交聯(lián)劑SD-1三種不同類型的交聯(lián)劑,在其他助劑相同情況下的耐剪切性能。瓜膠粉選用目前現(xiàn)場(chǎng)施工最常用的普通羥丙基瓜膠粉。壓裂液配方如下:0.6%HPG+0.35%交聯(lián)劑+其他。圖2為3種不同交聯(lián)劑壓裂液在120℃、170 s-1條件下的耐剪切流變曲線。

圖2 不同交聯(lián)劑壓裂液的耐剪切性能

從圖2可以看出,交聯(lián)劑類型不同,壓裂液交聯(lián)體系的耐剪切性能不同。交聯(lián)體系初始黏度均可達(dá)1000 mPa·s,在170s-1下連續(xù)剪切120 min后,黏度變化較大,但其表觀黏度均大于50 mPa·s,說明3種交聯(lián)體系均有較好的耐剪切性能。從圖2還可以看出,有機(jī)硼緩交聯(lián)劑CK-OBC的交聯(lián)體系耐剪切能力明顯強(qiáng)于其他兩種交聯(lián)劑HTC-160和SD-1形成的交聯(lián)體系。

有機(jī)硼交聯(lián)劑作用機(jī)制可能是:首先有機(jī)硼絡(luò)合物多級(jí)電離,緩慢產(chǎn)生硼酸根離子B(OH)4-,然后硼酸根離子B(OH)4-與植物膠聚糖分子鏈上的順式鄰位羥基作用,形成三維網(wǎng)狀凍膠。緩交聯(lián)的作用機(jī)制可能是由于過量配位體包裹在有機(jī)硼交聯(lián)劑周圍,對(duì)硼酸根離子產(chǎn)生屏蔽,從而延緩其與聚糖分子的交聯(lián)時(shí)間[3]。

另外,在一定濃度范圍內(nèi),隨著交聯(lián)劑濃度的增大,壓裂液流變性變好,但同時(shí)破膠難度也增大,因此需根據(jù)地層需要,篩選適宜濃度。

1.3 溫度穩(wěn)定劑

溫度穩(wěn)定劑可除去壓裂液中溶解的氧,提高交聯(lián)劑與稠化劑羥基的絡(luò)合程度,使形成的交聯(lián)網(wǎng)更牢固龐大,增強(qiáng)壓裂液的耐剪切性能。

考察了常用的溫度穩(wěn)定劑Na2S2O3和CH3OH對(duì)瓜膠壓裂液流變行為的影響。圖3為添加和未添加Na2S2O3的壓裂液在135℃、170 s-1條件下的耐剪切流變曲線,壓裂液配方如下:0.6%HPG+ 0.35%HTC-160+Na2S2O3(加量為0或0.2%)+其他。圖4為添加和未添加CH3OH的壓裂液在120℃、170 s-1條件下的耐剪切流變曲線,壓裂液配方如下:0.6%HPG+0.35%HTC-160+CH3OH (加量為0或20%)+其他。

圖3 Na2S2O3加量為0和0.2%的壓裂液的耐剪切性能比較

圖4 CH3OH加量為0和20%的壓裂液的耐剪切性能比較

從圖3中可以看出,經(jīng)過120 min剪切,添加Na2S2O3的壓裂液黏度有120 mPa·s,而未加Na2S2O3的壓裂液黏度只有50 mPa·s。由此可見,Na2S2O3可明顯增強(qiáng)壓裂液的耐剪切性能。在107℃以上,瓜膠壓裂液中的溶解氧會(huì)使增稠劑發(fā)生化學(xué)分解而引起粘黏度下降,而Na2S2O3能除去壓裂液中的溶解氧,使黏度損失速度下降。

經(jīng)過120 min的連續(xù)剪切后,添加20% CH3OH的壓裂液和未加CH3OH的壓裂液的表觀黏度分別為220 mPa·s和63 mPa·s。在相同剪切條件下,添加CH3OH的壓裂液剪切后的黏度比未加CH3OH的壓裂液黏度高157 mPa·s,具有更強(qiáng)的耐剪切性能。這是因?yàn)榧状伎梢猿毫岩褐械难?防止由于氧的存在而導(dǎo)致的壓裂液快速降解,提高有機(jī)交聯(lián)劑與稠化劑羥基的絡(luò)合程度,使形成的交聯(lián)網(wǎng)更牢固龐大,壓裂液的抗剪切性能增強(qiáng)。

1.4 p H調(diào)節(jié)劑

壓裂液中p H調(diào)節(jié)劑有兩個(gè)主要作用,一是控制特定交聯(lián)劑的交聯(lián)時(shí)間,加速或者緩和某些聚合物的水合作用;二是保證壓裂液處于破膠劑和降解劑的作用范圍內(nèi)[4]。但經(jīng)室內(nèi)試驗(yàn)證實(shí),p H調(diào)節(jié)劑對(duì)壓裂液凍膠的流變行為也有一定的影響?？疾炝藲溲趸c、碳酸鈉、某有機(jī)堿對(duì)瓜膠壓裂液凍膠流變行為的影響,如圖5所示。壓裂液配方如下: 0.6%HPG+0.35%HTC-160+p H調(diào)節(jié)劑(分別調(diào)p H=10)+其他。

圖5 不同pH調(diào)節(jié)劑對(duì)壓裂液耐剪切性能的影響

從圖5可以看出,氫氧化鈉和碳酸鈉兩種p H調(diào)節(jié)劑對(duì)壓裂液凍膠流變行為的影響相似,兩條流變曲線基本重合。目前現(xiàn)場(chǎng)施工中,瓜膠壓裂液的p H調(diào)節(jié)劑多采用碳酸鈉,但碳酸鈉易與Ca2+型地層水形成沉淀,故應(yīng)根據(jù)地層水水型選擇是否采用碳酸鈉作為p H調(diào)節(jié)劑。另外,從圖5可以看出,有機(jī)堿p H調(diào)節(jié)劑可以明顯改善壓裂液凍膠的流變性能,原因可能是有機(jī)堿體系在高溫的條件下,較碳酸鈉和氫氧化鈉能夠更好的繼續(xù)保持壓裂液適宜交聯(lián)的p H值環(huán)境。

2 結(jié) 論

(1)羥丙基瓜膠粉性質(zhì)不同,壓裂液耐剪切性能不同,3種壓裂液性能順序是羅地亞415#瓜膠粉>超級(jí)羥丙基瓜膠粉>普通羥丙基瓜膠粉。

(2)交聯(lián)劑類型不同,壓裂液的耐剪切性能也不同。3種交聯(lián)劑中,有機(jī)硼緩交聯(lián)劑CK-OBC性能優(yōu)于HTC-160和SD-1兩種交聯(lián)劑。

(3)溫度穩(wěn)定劑Na2S2O3和CH3OH均可不同程度的提高壓裂液的耐剪切性能。

(4)氫氧化鈉和碳酸鈉兩種p H調(diào)節(jié)劑對(duì)壓裂液凍膠流變行為影響相似,有機(jī)堿體系作為壓裂液的p H調(diào)節(jié)劑,性能優(yōu)于氫氧化鈉和碳酸鈉。

[1] 龍政軍.壓裂液添加劑對(duì)壓裂液性能及效果的影響分析(I)-稠化劑和交聯(lián)劑的影響[J].石油與天然氣化工,2000,29(6): 314-316.

[2] 羅彤彤,盧亞平,潘英民.羥丙基瓜爾膠合成工藝的研究[J].礦冶,2008,17(3):67-68.

[3] 王佳,怡寶安,楊文,等.壓裂液用硼交聯(lián)劑作用機(jī)理分析[J].精細(xì)石油化工進(jìn)展,2009,10(8):23-26.

[4] 周成裕,蕭瑛,段培珍,等.聚合物壓裂液性能的影響因素及研究方向[J].精細(xì)石油化工,2008,25(1):68-71.

[責(zé)任編輯] 王艷麗

TE357.12

A

1673-5935(2011)01-0015-03

2010-12-13

姜阿娜(1978-),女,山東萊陽人,中國(guó)石化勝利油田分公司采油工藝研究院工程師,碩士,主要從事壓裂液研究。