協(xié)同增效低傷害復(fù)合壓裂液研究

李海濤，趙修太，史貞利

(1.中國石化勝利油田分公司地質(zhì)科學(xué)研究院，東營 257015;2.中國石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院，青島 266555;3.中國石化勝利油田分公司河口采油廠，東營 257015)

壓裂液可使油井增產(chǎn)、水井增注，通常可分為油基壓裂液和水基壓裂液，其中水基壓裂液應(yīng)用較為廣泛。目前水基壓裂液使用較多的稠化劑是天然植物膠類和聚合物類，前者有瓜爾膠、田菁膠等，后者有聚丙烯酰胺等［1，2］。天然植物膠壓裂液的抗鹽、抗剪切性均較好，但破膠后殘?jiān)枯^高，對(duì)地層滲透率、填砂裂縫的導(dǎo)流能力均有傷害。而聚合物壓裂液雖然破膠后殘?jiān)康停渑c地層內(nèi)鹽類配伍性較差［3－5］。這兩種稠化劑在性能上存在較強(qiáng)的互補(bǔ)性，因此將兩者復(fù)合使用具有較大的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

本研究將油田目前常用的兩種稠化劑羥丙基瓜爾膠(HPG)和聚丙烯酰胺(PAM)復(fù)合，建立一種復(fù)合型增稠劑體系，以獲得配制使用效果好、對(duì)地層傷害低的聚合物復(fù)合壓裂液。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑

羥丙基瓜爾膠(HPG)、聚丙烯酰胺(PAM，相對(duì)分子質(zhì)量8×106，水解度4%)，均為工業(yè)品;氧氯化鋯(ZrOCl2·8H2O)、過氧化氫(H2O2，30%)，鹽酸(HCl)，氫氧化鈉(NaOH)，均為分析純。

1.2 儀器

DV－ⅢBrookfield黏度計(jì)，ZNN－D6型六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)，JR型黏度計(jì)計(jì)量加熱器，電熱恒溫水浴鍋，GGS42型高溫高壓濾失儀，巖心流動(dòng)試驗(yàn)儀，電子天平，增力電動(dòng)攪拌器。

1.3 壓裂液凍膠的制備

先將HPG與PAM分別溶于蒸餾水，配成質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為0.5%的溶液，然后按1∶1比例混合均勻，得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%HPG/PAM復(fù)合溶液，調(diào)節(jié)溶液pH=4～6，再將預(yù)先配制好的氧氯化鋯交聯(lián)劑溶液加入到復(fù)合溶液中，即可制得具有較高黏度的凍膠。

2 結(jié)果與討論

2.1 HPG與PAM相互作用

將質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為0.5%HPG和0.5%PAM溶液按不同比例混合，用黏度計(jì)(轉(zhuǎn)速為12 min－1)在20℃下測定混合溶液的黏度，結(jié)果如圖1所示。圖1中復(fù)合溶液黏度隨HPG用量變化曲線的計(jì)算值是根據(jù)分子間復(fù)合原理，假設(shè)兩種聚合物混合后不發(fā)生相互作用而得出的［6］。

圖1 HPG用量對(duì)復(fù)合體系黏度的影響

從圖1可以看出，在HPG/(HPG+PAM)質(zhì)量比考察范圍內(nèi)，復(fù)合溶液的實(shí)際黏度高于按混合規(guī)則計(jì)算得到的黏度，表明復(fù)合體系中HPG與PAM分子間存在相互作用［7］。隨著復(fù)合體系中HPG比例增加，體系黏度先增加后下降，這說明不同比例的HPG與PAM復(fù)合，其分子鏈間的相互作用程度不同。當(dāng)HPG/(HPG+PAM)質(zhì)量比為50%時(shí)，復(fù)合體系黏度達(dá)到最大，為590 mPa·s。因此，要獲得好的增黏效果，HPG與PAM 的質(zhì)量比在40∶60～60∶40為宜。

2.2 復(fù)合壓裂液性能評(píng)價(jià)

將HPG與PAM復(fù)合使用，以期達(dá)到優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，從而獲得性能較好的壓裂液，為此對(duì)復(fù)合壓裂液的性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。實(shí)驗(yàn)采用六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)在170 s－1下測其黏度變化。

2.2.1 耐溫抗剪切性能

在地層溫度和裂縫剪切作用下，壓裂液黏度損失過大，則壓裂液攜砂性能下降且易濾失。因此，評(píng)價(jià)壓裂液的耐溫抗剪切性能尤為重要。

測定了不同溫度、不同剪切時(shí)間下的壓裂液黏度，結(jié)果見圖2。在20℃下，隨著剪切時(shí)間延長，復(fù)合壓裂液黏度變化不大，具有較好的耐剪切性能。在60℃和80℃下，隨著剪切時(shí)間延長，壓裂液黏度有一定的降低，但1 h后仍保持較高黏度。說明復(fù)合壓裂液具有較好的耐溫抗剪切性能。

圖2 復(fù)合壓裂液耐溫抗剪切性能

2.2.2 剪切恢復(fù)性能

壓裂液在油管流動(dòng)過程中受高剪切作用，而當(dāng)壓裂液進(jìn)入地層后，受到的剪切逐漸減小。壓裂液經(jīng)受高剪切后的黏度恢復(fù)特性，是評(píng)價(jià)壓裂液性能的又一個(gè)重要指標(biāo)。60℃下，HPG，PAM，HPG/PAM(質(zhì)量比1∶1)壓裂液經(jīng)高剪切后的黏度值見表1。

表1 3種壓裂液剪切恢復(fù)性能對(duì)比

由表1可看出，經(jīng)高剪切后，HPG/PAM壓裂液的黏度恢復(fù)性能較好，有利于壓裂液在裂縫中低流速下的攜砂。

2.2.3 靜態(tài)濾失性能

壓裂液的濾失性能直接影響到壓裂施工中壓裂液的造縫能力和裂縫的幾何形狀。有效控制濾失流體進(jìn)入地層，可減少對(duì)地層的傷害，也可提高壓裂液的使用效率。采用靜態(tài)濾失法，在3.5 MPa壓差下，測定了復(fù)合壓裂液在60℃和80℃下的濾失性能，結(jié)果見表2。復(fù)合壓裂液在60℃和80℃下的濾失系數(shù)分別為6.7×10－4m/min0.5和8.2×10－4m/min0.5，濾失系數(shù)較低，均低于10×10－4m/min0.5標(biāo)準(zhǔn)，可滿足壓裂施工要求。

表2 復(fù)合壓裂液濾失性能

2.2.4 破膠性能

壓裂液在地層條件下能否徹底破膠，直接影響到支撐劑裂縫導(dǎo)流的導(dǎo)流能力。在3種壓裂液中分別加入0.5%過氧化氫，在不同溫度下放置8 h，然后測其殘?jiān)?，結(jié)果見表3。PAM壓裂液破膠徹底，破膠液外觀清澈透明，黏度較低，肉眼看不見壓裂液殘?jiān)?。HPG壓裂液和復(fù)合壓裂液中都有殘?jiān)嬖冢珡?fù)合壓裂液的殘?jiān)棵黠@低于HPG壓裂液。說明復(fù)合壓裂液兼具PAM與HPG兩種壓裂液的特點(diǎn)。

表3 3種壓裂液破膠性能對(duì)比

2.2.5 對(duì)巖心傷害性能

壓裂液濾液可引起地層黏土膨脹、分散、運(yùn)移而堵塞孔道，濾液進(jìn)入喉道易造成水鎖傷害;壓裂液濾餅和壓裂液的濃縮物對(duì)裂縫導(dǎo)流能力也有嚴(yán)重的傷害［8］。壓裂液對(duì)儲(chǔ)層巖心的傷害，是上述因素綜合作用的結(jié)果。壓裂液傷害實(shí)驗(yàn)表明，復(fù)合壓裂液破膠后對(duì)巖心基質(zhì)滲透率傷害率低，小于10%。

表4 壓裂液對(duì)巖心傷害實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)論

(1)HPG與PAM復(fù)配后，復(fù)合溶液的實(shí)際黏度高于按混合規(guī)則計(jì)算得到的黏度，說明HPG與PAM具有較好的協(xié)同增稠特性。當(dāng)復(fù)合體系中HPG與PAM質(zhì)量比為1∶1時(shí)，黏度達(dá)到最大。

(2)復(fù)合壓裂液具有較好的耐溫抗剪切性能和剪切恢復(fù)性能，80℃，170 s－1條件下剪切60 min后，仍然具有較高的黏度，且剪切恢復(fù)性能明顯好于PAM壓裂液。

(3)復(fù)合壓裂液破膠后的殘?jiān)勘菻PG壓裂液的更低，低于200 mg/L，并且對(duì)巖心傷害率低，小于10%。

(4)HPG與PAM復(fù)配后，很好地綜合了兩者各自優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)了聚合物壓裂液在應(yīng)用中的缺陷，顯著改善了其各項(xiàng)性能。

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