新型疏水締合聚合物壓裂液綜合性能評(píng)價(jià)

杜 濤，姚奕明，蔣廷學(xué)，張旭東，賈文峰

(中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101)

隨著我國(guó)低滲透，超低滲透油氣田開采的需求，開發(fā)高效及價(jià)格低廉的壓裂液成為目前壓裂研究的主要課題[1-2]。疏水締合聚合物壓裂液具有耐溫、耐鹽、耐剪切性能好、水不溶物含量少、破膠后幾乎無(wú)殘?jiān)葍?yōu)點(diǎn)，受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[3-8]。該類壓裂液是一種親水性大分子鏈上帶有少量疏水基團(tuán)的水溶性聚合物，其特有的兩親分子結(jié)構(gòu)使溶液具有獨(dú)特的增稠、抗溫和抗鹽性能[9]。其合成方法主要有本體聚合法、懸浮聚合法、乳液聚合法和溶液聚合法等[10]。

筆者以丙烯酰胺、 丙烯酸鈉等為原料，按照溶液聚合法制備新型疏水締合聚合物增稠劑凝膠(SRFG-1)和一種不含金屬元素的低分子化合物交聯(lián)劑(SRFC-1)，并SRFG-1增稠劑和SRFC-1交聯(lián)劑按照一定濃度制備成SRFG壓裂液體系。評(píng)價(jià)了該壓裂液的耐溫耐剪切性能、靜態(tài)懸砂性能、破膠性能和靜態(tài)濾失性能，考察了壓裂液濾液對(duì)巖心基質(zhì)傷害率及SRFG-1增稠劑的降阻率。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑和儀器

SRFG-1增稠劑，自制；SRFC-1交聯(lián)劑，自制；氯化鉀、過(guò)硫酸銨(分析純)，北京化工廠；20/40目陶粒，江蘇宜興東方石油支撐劑有限公司。

HAAKE MARS Ⅲ型流變儀，德國(guó)Thermo Fisher公司；ZNN-D12型數(shù)顯旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)，青島宏祥石油機(jī)械制造有限公司；IKA RW20 digital數(shù)顯型頂置式機(jī)械攪拌器，德國(guó)艾卡公司；K100型全自動(dòng)表面界面張力儀，德國(guó)克呂氏公司；Ling Li LDZ5-2型離心機(jī)，北京京立離心機(jī)有限公司；高溫高壓動(dòng)態(tài)濾失儀，江蘇華安石油科研儀器有限公司；酸蝕管路摩阻測(cè)量?jī)x，山東中石大石儀科技有限公司。

1.2 SRFG壓裂液基液及凍膠的制備

向一定量的水中加入1%的KCl，充分?jǐn)嚢? min，再加入一定量的SRFG-1增稠劑，充分?jǐn)嚢?.5 h制備SRFG壓裂液基液。向上述基液中加入一定量的SRFC-1交聯(lián)劑，攪拌1 min形成SRFG壓裂液凍膠。

1.3 SRFG壓裂液評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)

1.3.1耐溫耐剪切實(shí)驗(yàn)

采用流變儀評(píng)價(jià)壓裂液的流變性能，流變儀程序設(shè)定分以下3步：1) 25 ℃穩(wěn)定5 min；2) 以3 ℃/min的升溫速率從25 ℃開始升溫至實(shí)驗(yàn)溫度；3) 穩(wěn)定實(shí)驗(yàn)溫度直至實(shí)驗(yàn)結(jié)束。按照SY/T 5107—2005《水基壓裂液性能評(píng)價(jià)方法》進(jìn)行SRFG壓裂液流變性能評(píng)價(jià)[11]。

1.3.2靜態(tài)懸砂實(shí)驗(yàn)

取一定量20/40目的陶粒，加入到盛有100 mL壓裂液的燒杯中，充分?jǐn)嚢枰苑稚⒅蝿?，然后置?50 mL量筒中，并記錄支撐劑沉降情況。

1.3.3破膠及殘?jiān)鼘?shí)驗(yàn)

取一定量的SRFG壓裂液，置于80 ℃的恒溫水浴中，加入一定量的破膠劑(過(guò)硫酸胺)，做破膠實(shí)驗(yàn)。將50 mL壓裂液置于120 ℃干燥箱中，恒溫2 h，取出后置于離心機(jī)中離心作用60 min，離心機(jī)轉(zhuǎn)速為3000 r/min。將上層清液倒出后，將殘?jiān)糜?05 ℃干燥箱中干燥2 h，稱量。

1.3.4靜態(tài)濾失實(shí)驗(yàn)

在測(cè)試筒中加入一定量的SRFG壓裂液，放置2片圓形濾紙，裝好濾筒開始實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)壓力為3.5 MPa，濾液開始流出，同時(shí)記錄時(shí)間，測(cè)定時(shí)間為36 min[11]。

1.3.5壓裂液濾液對(duì)巖心基質(zhì)傷害實(shí)驗(yàn)

選取直徑為2.5 cm、長(zhǎng)度為3.75 cm的天然巖心，采用高溫高壓酸化濾失儀，按照SY/T 5107—2005評(píng)價(jià)方法測(cè)定壓裂液濾液對(duì)巖心基質(zhì)傷害率，按式(1)計(jì)算[11]。

(1)

式中：ηd—巖心基質(zhì)傷害率，%；K1—巖心擠壓裂液濾液前的基質(zhì)滲透率，μm2；K1—巖心擠壓裂液濾液后的基質(zhì)滲透率，μm2。

1.3.6降阻率實(shí)驗(yàn)

采用酸蝕管路摩阻測(cè)量?jī)x，分別測(cè)定清水、SRFG-1增稠劑和胍膠流經(jīng)管路時(shí)的摩阻，按照式(2)計(jì)算降阻率。

(2)

式中：φ—樣品相對(duì)清水的降阻率，%；P—清水流經(jīng)管路時(shí)的摩阻壓降，Pa；PDR—SRFG-1增稠劑或胍膠流經(jīng)管路時(shí)的摩阻壓降，Pa。

2 結(jié)果與討論

2.1 耐溫耐剪切性能

隨著溫度升高，一方面疏水締合聚合物分子熱運(yùn)動(dòng)加劇，導(dǎo)致溶液非結(jié)構(gòu)黏度下降；另一方面促使分子鏈間的締合作用增加，導(dǎo)致溶液結(jié)構(gòu)黏度增加。疏水締合聚合物壓裂液的耐溫耐剪切性能由這兩個(gè)方面共同作用[12]。保持SRFG-1增稠劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%，SRFC-1交聯(lián)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.1%和KCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%不變，考察不同溫度對(duì)SRFG壓裂液表觀黏度的影響，結(jié)果見圖1。

圖1 SRFG壓裂液的表觀黏度隨溫度的變化規(guī)律

由圖1可知：SRFG壓裂液體系耐溫性能可以達(dá)140 ℃。疏水締合作用是一個(gè)吸熱過(guò)程，溫度緩慢上升，疏水締合聚合物分子熱運(yùn)動(dòng)加劇，溶液非結(jié)構(gòu)黏度下降，宏觀表現(xiàn)為表觀黏度隨著溫度的升高而降低；隨著溫度繼續(xù)升高，增強(qiáng)了分子間的締合作用，宏觀表現(xiàn)為表觀黏度的降低趨于穩(wěn)定，該壓裂液表現(xiàn)出良好的耐溫性能。

2.2 靜態(tài)懸砂性能

壓裂液的懸砂性能指壓裂液對(duì)支撐劑的懸浮能力。懸砂能力越強(qiáng)，壓裂液所能攜帶的支撐劑粒度和砂比越大，攜入裂縫的支撐劑分布越均勻。如果懸砂性差，容易形成砂堵，造成壓裂施工失敗[13]。以增稠劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.6%，交聯(lián)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.15%，KCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%配制SRFG壓裂液體系，按照40%砂比(體積比)稱量20/40目陶粒，進(jìn)行靜態(tài)懸砂性能測(cè)試。結(jié)果表明:24 h和48 h沉降速率分別為4.6×10-4mm/s和6.9×10-4mm/s。壓裂液靜態(tài)懸砂實(shí)驗(yàn)中砂子的自然沉降速率小于8×10-3mm/s時(shí)，懸砂性能較好[14]。因此，SRFG壓裂液具有良好的攜砂性能?，F(xiàn)場(chǎng)壓裂施工過(guò)程中，壓裂液在井筒和裂縫中流動(dòng)時(shí)，由于存在剪切作用(壓裂液經(jīng)過(guò)炮眼時(shí)的剪切速率可達(dá)12 000 s-1)，使得現(xiàn)場(chǎng)壓裂施工中陶粒沉降速度遠(yuǎn)低于實(shí)驗(yàn)室測(cè)量的靜態(tài)沉降速度，這更有利于提高壓裂液攜帶支撐劑的能力。

2.3 破膠性能及殘?jiān)治?/h3>

性能良好的壓裂液不僅要求具有良好的流變性能和懸砂性能等，還必須具有良好的破膠水化性能，以提高壓裂液的返排率，減少對(duì)儲(chǔ)層的傷害。在80 ℃條件下，以增稠劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.6%，交聯(lián)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.15%，KCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%配制SRFG壓裂液體系進(jìn)行破膠實(shí)驗(yàn)。加入不同質(zhì)量的過(guò)硫酸銨，考察破膠液的表觀黏度隨過(guò)硫酸銨濃度的變化規(guī)律，結(jié)果見表1。采用K100型全自動(dòng)表面界面張力儀測(cè)定破膠液的表面張力，結(jié)果見圖2。

表1 壓裂液破膠性能評(píng)價(jià)

注：破膠時(shí)間1 h。

圖2 SRFG破膠液的表面張力

由表1可知：對(duì)于SRFG壓裂液體系，當(dāng)過(guò)硫酸銨加入量為0.01%，破膠時(shí)間為1 h時(shí)，破膠液的表觀黏度為3.84 mPa·s。由圖2可知：SRFG破膠液的平均表面張力為26.5 mN/m，符合SY/T 6376—2008要求[15]。由于SRFG破膠液的表面張力較低，有利于克服水鎖及賈敏效應(yīng)，降低毛細(xì)管阻力，增加破膠液的返排能力[1]。將破膠液高速離心60 min，烘干后稱量離心管上的殘?jiān)?，基本無(wú)殘?jiān)?/p>

2.4 靜態(tài)濾失性能

壓裂液的濾失受自身黏度，在地層中流體的黏彈性以及地層流體的造壁性能及配伍性影響。一種理想的壓裂液應(yīng)該具有較低的濾失量，才能在地層中形成延伸的裂縫[13]。以增稠劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.6%，交聯(lián)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.15%，KCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%配制SRFG壓裂液體系進(jìn)行靜態(tài)濾失實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見表2所示。由表2可知：SRFG壓裂液初濾失量為1.289×10-2m3/m2，濾失系數(shù)為8.47×10-4m/ min0.5，濾失速率為2.63×10-4m/min，上述數(shù)據(jù)符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 6376—2008要求[15]，該壓裂液體系能有效降低濾失。

表2 SRFG壓裂液靜態(tài)濾失實(shí)驗(yàn)

2.5 巖心基質(zhì)傷害實(shí)驗(yàn)

壓裂液濾液對(duì)巖心基質(zhì)的傷害以巖心滲透率的變化來(lái)表征，影響因素主要有巖心的礦物組成、巖心滲透率大小和壓裂液破膠程度等。巖心基質(zhì)傷害實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。由表3可知：SRFG壓裂液濾液對(duì)巖心基質(zhì)傷害前的滲透率為3.9×10-3μm2，傷害后滲透率為3.5×10-3μm2，代入公式(2)計(jì)算傷害率為10.25%，符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 6376—2008要求[15]，對(duì)儲(chǔ)層傷害遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于有機(jī)硼交聯(lián)的羥丙基瓜膠壓裂液(HPG)(35.1%)對(duì)儲(chǔ)層的傷害[16]。

表3 SRFG壓裂液對(duì)巖心基質(zhì)傷害實(shí)驗(yàn)

2.6 降阻率實(shí)驗(yàn)

為利于壓裂液造縫和攜砂，通常需要較高的泵注排量，但需要解決在高排量下壓裂液的摩阻問(wèn)題。地層破裂壓力為一定值時(shí)，壓裂液摩阻越大，要求壓開地層造縫的地面設(shè)備的泵壓越高，因此現(xiàn)場(chǎng)壓裂施工過(guò)程中要求壓裂液摩阻損失盡可能低。疏水締合聚合物可以作為高分子降阻劑，少量的加入可以使管道中流體的湍流流動(dòng)阻力減少50%甚至80%[10]。實(shí)驗(yàn)比較了相同濃度的 SRFG-1增稠劑和胍膠降阻率，結(jié)果如圖3和圖4所示。

由圖3可知：隨著SRFG-1增稠劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0.05%增加到0.15%，降阻效果表現(xiàn)為先增加后減小。這是因?yàn)镾RFG-1增稠劑能在管道內(nèi)形成彈性底層，隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0.05%增加到0.1%，彈性底層變厚，降阻效果變好[17]。當(dāng)SRFG-1增稠劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到0.1%后，彈性底層達(dá)到管軸心，降阻率達(dá)到最大值。由圖4可知：隨著剪切速率增加，SRFG-1增稠劑和胍膠的降阻效果增加，當(dāng)剪切速率增加到12 000 s-1時(shí)，SRFG-1增稠劑的降阻率為60.15%，胍膠的降阻率為56.26%。結(jié)果表明：SRFG-1增稠劑降阻效果明顯好于胍膠，該增稠劑在現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中，更有利于降低地面設(shè)備泵壓。

圖3 不同濃度SRFG-1增稠劑的降阻率與剪切速率的關(guān)系

圖4 SRFG-1增稠劑和胍膠的降阻率與剪切速率的關(guān)系

3 結(jié) 論

a.SRFG壓裂液在140 ℃、170 s-1、剪切2 h條件下，表觀黏度為62 mPa·s，流變性能良好；當(dāng)砂比為40%時(shí)，24 h和48 h內(nèi)的沉降速率分別為4.6×10-4和6.9×10-4mm/s，攜砂性能良好。

b.在80 ℃，破膠劑加入量為0.01%時(shí)，破膠時(shí)間為1 h，破膠液黏度為3.84 mPa·s，破膠液平均表面張力為26.5 mN/m，破膠液基本無(wú)殘?jiān)?/p>

c.初濾失量為1.289×10-2m3/m2，濾失系數(shù)為8.47×10-4m/min0.5，濾失速率為2.63×10-4m/min，SRFG壓裂液體系能有效降低濾失。

d.壓裂液濾液對(duì)巖心基質(zhì)傷害率為10.25%；SRFG-1增稠劑的降阻率為60.15%。

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