新型疏水締合聚合物壓裂液的流變性能研究

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）

目前油田廣泛使用的壓裂液主要包括天然植物膠及其衍生物類(lèi)、黏彈性表面活性劑（VES）類(lèi)和合成聚合物類(lèi)。天然植物膠及其衍生物壓裂液易生物降解、水不溶物含量高、破膠不徹底和傷害大等缺點(diǎn)［1-4］。VES壓裂液對(duì)裂縫的傷害低、破膠后無(wú)殘?jiān)悄蜏匦阅懿睿ㄒ话悴怀^(guò)110℃）且成本高［5-9］。合成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)，該壓裂液體系在高溫低滲儲(chǔ)層的應(yīng)用前景非常廣闊［10-12］。

目前疏水締合聚合物壓裂液是合成聚合物壓裂液的研究熱點(diǎn)。它是指在聚合物親水性大分子鏈上帶上少量疏水基團(tuán)，聚合物分子內(nèi)或者分子間形成疏水締合作用，導(dǎo)致溶液黏度明顯上升，表現(xiàn)出良好的增稠、抗溫和抗鹽性能［13-18］。筆者以丙烯酰胺、丙烯酸鈉等為原料，按照溶液聚合法制備成新型疏水締合聚合物增稠劑凝膠（SRFG-1），再經(jīng)過(guò)造粒、干燥、粉碎和過(guò)篩操作后得到白色粉末狀固體，制備一種不含金屬元素的低分子化合物交聯(lián)劑（SRFC-1），考察了自制增稠劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)、自制交聯(lián)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)、KCl用量、溫度和溶脹時(shí)間對(duì)SRFG壓裂液體系流變性能的影響，最后對(duì)比了SRFG壓裂液和市售兩種壓裂液的流變性能。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料及儀器

SRFG-1增稠劑，自制；SRFC-1交聯(lián)劑，自制；氯化鉀，分析純，北京化工廠。

HAAKE MARSⅢ型流變儀，德國(guó)Thermo Fisher公司；ZNN-D12型數(shù)顯旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)，中國(guó)青島宏祥石油機(jī)械制造有限公司；IKA RW20digital數(shù)顯型頂置式機(jī)械攪拌器，德國(guó)艾卡公司。

1.2 壓裂液基液制備

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?.5h，得到壓裂液基液。

1.3 壓裂液凍膠制備

向1.2制備的基液中加入一定量的SRFC-1交聯(lián)劑，攪拌1min形成壓裂液凍膠。

1.4 實(shí)驗(yàn)方法

采用HAAKE MARSⅢ型流變儀評(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5min；2）以3℃／min的升溫速率從25℃開(kāi)始升溫至120℃；3）穩(wěn)定120℃直至實(shí)驗(yàn)結(jié)束。按照石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY／T 5107—2005進(jìn)行SRFG壓裂液流變性能評(píng)價(jià)［19］。

2 結(jié)果與討論

2.1 增稠劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)表觀黏度的影響

按照1.4實(shí)驗(yàn)方法，40min后SRFG壓裂液體系溫度從室溫升至120℃。在溫度120℃，170 s-1，剪切2h，交聯(lián)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.1%的條件下，考察不同增稠劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)SRFG壓裂液表觀黏度的影響，結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 SRFG壓裂液的表觀黏度隨增稠劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化規(guī)律

由圖1可知：在120℃條件下，當(dāng)增稠劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于或者等于0.5%時(shí)，表觀黏度大于50mPa·s，符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求［19］；當(dāng)增稠劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.5%，表觀黏度小于50mPa·s，不符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。由于增稠劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)直接決定壓裂液的實(shí)際應(yīng)用成本，因此選擇壓裂液增稠劑的最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%。

2.2 交聯(lián)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)表觀黏度的影響

固定增稠劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%，其他條件不變，考察不同交聯(lián)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)SRFG壓裂液表觀黏度的影響，結(jié)果見(jiàn)圖2。

由圖2可知：當(dāng)交聯(lián)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.25%、0.2%、0.15%和0.1%時(shí)，表觀黏度都大于50mPa·s，符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)［19］；當(dāng)交聯(lián)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.08%時(shí)，表觀黏度小于50mPa·s，不符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。因此，抗120℃的SRFG壓裂液體系中交聯(lián)劑最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%。

圖2 SRFG壓裂液的表觀黏度隨交聯(lián)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化規(guī)律

2.3 KCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)表觀黏度的影響

保持溫度120℃，增稠劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%，交聯(lián)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.1%不變，考察不同KCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)SRFG壓裂液基液黏度和表觀黏度的影響，結(jié)果見(jiàn)表1、圖3。

表1 KCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)SRFG壓裂液的基液黏度的影響

圖3 SRFG壓裂液的表觀黏度與KCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系

由表1可知：SRFG壓裂液中KCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)基液黏度影響較大。當(dāng)KCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于1%時(shí)，隨著KCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，SRFG壓裂液的基液黏度增加；當(dāng)KCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于1%時(shí)，隨著KCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)的繼續(xù)增加，SRFG壓裂液的基液黏度減小。這是因?yàn)槭杷喓暇酆衔锓肿咏Y(jié)構(gòu)中帶有部分長(zhǎng)鏈烷烴，其在鹽水中溶解度比在純水中的溶解度小，加入一定量的鹽后疏水締合聚合物分子間的締合作用大于分子內(nèi)的締合作用，導(dǎo)致聚合物分子中的長(zhǎng)鏈烷烴會(huì)聚集或纏結(jié)在一起，起到增稠作用；但是加入鹽的量過(guò)多，分子內(nèi)的締合效應(yīng)大于分子間的締合效應(yīng)，因而黏度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

由圖3可知：不同KCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)配制的SRFG壓裂液體系，表觀黏度均大于50mPa·s?？紤]將KCl加入到壓裂液中，能起到良好的防膨效果，所以選擇KCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%。

2.4 溫度對(duì)表觀黏度影響

保持增稠劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%，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(jiàn)圖4。

圖4 SRFG壓裂液的表觀黏度隨溫度的變化規(guī)律

由圖4可知：當(dāng)溫度為140℃，表觀黏度為62 mPa·s；當(dāng)溫度為160℃，表觀黏度為45mPa·s。結(jié)果表明：SRFG壓裂液體系耐溫性能可以達(dá)到140℃。

2.5 溶脹時(shí)間對(duì)表觀黏度影響

保持增稠劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%，交聯(lián)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.1%和KCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%不變，考察基液溶脹時(shí)間對(duì)表觀黏度的影響，結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 SRFG壓裂液的表觀黏度隨溶脹時(shí)間的變化規(guī)律

由圖5可知：溶脹時(shí)間對(duì)SRFG壓裂液流變性能影響不顯著，因此該壓裂液現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用過(guò)程中，選擇溶脹時(shí)間為0.5h。

2.6 不同聚合物壓裂液流變性能比較

保持增稠劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%，交聯(lián)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.1%和KCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%不變，選擇DH-DB壓裂液體系和APCF壓裂液體系作為研究對(duì)象。在相同實(shí)驗(yàn)條件下比較上述兩種壓裂液體系與SRFG壓裂液體系的流變性能，結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 3種不同聚合物壓裂液體系的流變性能比較

從圖6可知：DH-DB壓裂液表觀黏度為35 mPa·s，APCF壓裂液表觀黏度為47mPa·s，SRFG壓裂液表觀黏度為56mPa·s。3種壓裂液流變性能大小順序?yàn)椋篠RFR壓裂液＞APCF壓裂液＞DH-DB壓裂液。其中SRFR壓裂液黏度大于50mPa·s，符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。DH-DB壓裂液和APCF壓裂液的流變性能有待進(jìn)一步提高。

3 結(jié) 論

a.在溫度120℃條件下，SRFG-1增稠劑最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%，SRFC-1交聯(lián)劑最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%，KCl最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%，溶脹時(shí)間為0.5h。

b.SRFG壓裂液耐溫性能可以達(dá)到140℃，表觀黏度為62mPa·s，符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

c.自制SRFG壓裂液體系流變性能好于市售壓裂液體系。

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