海水基植物膠壓裂液體系快速制備及性能評價(jià)*

張大年 趙崇鎮(zhèn) 范凌霄 張鎖兵 趙夢云 蘇長明

(1. 中國石油勘探開發(fā)研究院 北京 100083； 2. 中國石油化工股份有限公司油田勘探開發(fā)事業(yè)部 北京 100728；3. 中國石油化工股份有限公司石油勘探開發(fā)研究院 北京 100083)

海水基植物膠壓裂液體系快速制備及性能評價(jià)*

張大年1趙崇鎮(zhèn)2范凌霄3張鎖兵3趙夢云3蘇長明3

(1. 中國石油勘探開發(fā)研究院 北京 100083； 2. 中國石油化工股份有限公司油田勘探開發(fā)事業(yè)部 北京 100728；3. 中國石油化工股份有限公司石油勘探開發(fā)研究院 北京 100083)

張大年,趙崇鎮(zhèn),范凌霄，等.海水基植物膠壓裂液體系快速制備及性能評價(jià)[J].中國海上油氣，2016,28(6)：95-98.

Zhang Danian,Zhao Chongzhen,Fan Lingxiao,et al.Rapid preparation and performance evaluation of a seawater-based vegetable gum fracturing liquid[J].China Offshore Oil and Gas,2016,28(6):95-98.

針對海上壓裂施工利用海水在線快速混配的需求，研究了海水作為配液用水對稠化劑溶脹和交聯(lián)反應(yīng)的影響，研制了液體植物膠稠化劑、有機(jī)硼交聯(lián)劑CYS-4，進(jìn)而研制了耐溫達(dá)160℃的海水基壓裂液體系。實(shí)驗(yàn)性能評價(jià)結(jié)果表明，所研制的海水基植物膠壓裂液體系具有良好的耐高溫性、破膠性、抗濾失性，可滿足160℃以內(nèi)海水基快速配制壓裂施工要求，具有良好的應(yīng)用推廣價(jià)值。

海水基植物膠壓裂液；快速混配；性能評價(jià)

目前海上壓裂施工作為防砂、增產(chǎn)的重要手段正在逐年增長，所采用的陸上淡水配制后再通過運(yùn)輸船轉(zhuǎn)運(yùn)到作業(yè)平臺進(jìn)行施工的方式成本高、周期長，且易受到自然及交通等因素制約，導(dǎo)致施工規(guī)模受限[1-2]。因此，立足海上平臺施工設(shè)計(jì)海水基連續(xù)混配壓裂液體系，可以降低成本、節(jié)約施工時(shí)間和淡水資源，實(shí)現(xiàn)海上油田的高效開發(fā)。

海水成分復(fù)雜，利用海水配制壓裂液需要解決高礦化度引起的稠化劑增粘和海水中游離硼引起交聯(lián)過度的問題。在以往有關(guān)海水基植物壓裂液體系的文獻(xiàn)中，主要針對海水高礦化度篩選螯合劑，減弱礦化度對基液增黏的影響。劉剛芝 等[1]提出了一種海水基壓裂液體系，通過新型耐鹽植物膠稠化劑、膠體保護(hù)劑和螯合調(diào)節(jié)劑形成120 ℃配方體系；宋愛莉 等[3]評價(jià)了現(xiàn)有植物膠稠化劑用海水配制壓裂液基液增黏效果差，難以達(dá)到施工要求。另外，硼元素在海水中含量較高,平均含量約4.6 mg/L[4]，嚴(yán)重影響壓裂液交聯(lián)效果。筆者通過預(yù)溶脹的方式弱化高礦化度對植物壓裂液基液增黏的影響，通過在基液中添加螯合劑和多元醇的方法降低海水中重金屬離子和硼元素對交聯(lián)的影響，并利用萊州、青島和勝利區(qū)域海水形成耐溫100～160 ℃壓裂液體系，從而實(shí)現(xiàn)了海水連續(xù)混配，簡化了海上壓裂施工流程，具有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

1 海水基植物膠壓裂液體系快速制備

1.1 制備思路

在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)礦化度影響植物膠分散和溶脹，基液配制完成后對交聯(lián)性能影響較弱[5]，但現(xiàn)場取樣海水中富含硼是影響壓裂體系的關(guān)鍵因素。

植物膠及其衍生物(除羧甲基改性植物膠)為稠化劑的壓裂液體系為堿性，并且交聯(lián)體系通過提高pH值延緩有機(jī)交聯(lián)劑釋放速度，達(dá)到延緩交聯(lián)目的[6]，進(jìn)而提高體系耐溫耐剪切性能?；簆H值較高將引起海水中高價(jià)離子結(jié)垢和游離態(tài)硼形成多羥離子[7]，在未加交聯(lián)劑情況下形成強(qiáng)度低、耐溫性能差的交聯(lián)體系(圖1)。海水中的鈣、鎂離子在堿性環(huán)境下形成難溶沉淀，消耗了部分羥基，加快后續(xù)添加有機(jī)交聯(lián)劑釋放速度,體系交聯(lián)速度加快[8]。通過在海水中預(yù)先添加金屬螯合劑緩解鈣、鎂離子影響，將交聯(lián)劑中多元醇配體預(yù)先加入基液中降低多羥基硼的影響。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)篩選交聯(lián)調(diào)控劑為乙二胺二鄰苯基乙酸鈉(EDDHA-2Na)和甘露醇，滿足耐堿、耐溫性能，達(dá)到理想效果。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器與試劑

IKA RC基本型數(shù)顯磁力攪拌器；Haake RS 6000旋轉(zhuǎn)流變儀，德國Haake公司生產(chǎn)；烏氏黏度計(jì)，上海申立玻璃儀器有限公司生產(chǎn)；GGS42-2A高溫高壓濾失儀，青島海通達(dá)專用儀器有限公司生產(chǎn)；DF-101S水浴鍋，金壇市醫(yī)療儀器廠生產(chǎn)。

干粉羥丙基胍膠(現(xiàn)場取樣，東營大成I級羥丙基胍膠)；液體稠化劑LGC(含量40%羥丙基胍膠，自制)，密度1.21 g/cm3；耐高溫有機(jī)硼交聯(lián)劑CYS-4(自制)；助排擠 DL-21、碳酸鈉和甲醛均為現(xiàn)場取樣；交聯(lián)調(diào)控劑EDDHA-2Na(工業(yè)級)和甘露醇(分析純)；海水樣品：萊州海水、勝利海水、青島海水。

1.3 稠化劑和交聯(lián)劑的制備

1) 稠化劑制備。海水高礦化度限制了聚丙烯酰胺類聚合物的應(yīng)用，植物膠及其衍生物對礦化度不敏感，具有海水配制壓裂液基液的潛力。羥丙基胍膠可以實(shí)現(xiàn)海水基壓裂液快速配制、迅速溶脹，以白油為溶劑制備有效物含量40%液體稠化劑。用磁力攪拌器按一定質(zhì)量加入干粉羥丙基胍膠；將醇類和水按1∶3比例配置成表面潤濕劑，使用量10%～20%；乳化劑OP-10加量為0.1% ～ 0.2%，攪拌1h后倒入密閉廣口瓶，室溫靜置備用。

2) 交聯(lián)劑合成。按一定比例稱取硼砂和水，放入裝有回流冷凝的3口反應(yīng)瓶中，攪拌至全溶；加入適量的甘露醇升溫至65～70 ℃，用20%NaOH水溶液調(diào)節(jié)pH值為6～7，恒溫?cái)嚢?～2 h；加入一定量的助劑后恒溫3～5 h，得到淺黃色透明交聯(lián)劑CYS-4，密度為1.09 g/cm3。

1.4 基液配制及壓裂液體系基本配方

按照石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《SY/T5107—2005 水基壓裂液性能評價(jià)方法》[9]進(jìn)行干粉羥丙基胍膠標(biāo)準(zhǔn)配制。取500 mL海水樣品加入一定量液體胍膠和助劑，用IKA RC攪拌器以800 r/min轉(zhuǎn)速攪拌2 min完成海水基液制備。

海水基壓裂液體系基本配方為：1.0%～1.5%LGC+0.15%甲醛+0.15%助排劑DL-12+0.05%～0.15%Na2CO3+0.3%～0.6%有機(jī)硼交聯(lián)劑 CYS-4+0.05%～0.1%(EDDHA-Na+甘露醇)。

2 性能評價(jià)

2.1 基液黏度

室溫條件下，利用IKA RC攪拌器以800 r/min低速攪拌2 min完成壓裂液基液制備，用六速黏度計(jì)在100 r/min條件下測定黏度隨時(shí)間變化，結(jié)果見表1。從表1可以看出，LGC液體稠化劑與3種海水樣品制備的壓裂液基液黏度在短時(shí)間內(nèi)(<2 min)即可達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)制備條件下干粉稠化劑在自來水溶脹4 h后壓裂液基液黏度的80%以上，達(dá)到了快速配制的目的，可滿足現(xiàn)場要求；而采用相同制備方法，利用干粉羥丙基胍膠與海水配制的壓裂液基液溶脹慢、黏度低，未達(dá)到施工要求。

表1 低速配制壓裂液基液黏度隨時(shí)間變化

注：用自來水按標(biāo)準(zhǔn)制備0.4%干粉羥丙基胍膠基液的黏度為54 mPa·s(30 ℃靜置4 h)。

2.2 壓裂液耐高溫性

以萊州海水為例，利用LGC液體稠化劑制備不同濃度的海水基壓裂液基液，加入耐高溫有機(jī)硼交聯(lián)劑和助劑形成耐溫100～160 ℃海水基植物膠壓裂液體系(表2)，利用Haake RS6000流變儀測試壓裂液體系性能，結(jié)果見圖2。從圖2可以看出，利用LGC配制的海水基植物膠壓裂液體系耐高溫性好，能夠滿足溫度100～160 ℃條件下壓裂施工要求。

表2 海水基植物膠壓裂液體系耐高溫性能

圖2 海水基植物膠壓裂液體系流變曲線

2.3 壓裂液破膠性

水浴80 ℃和95 ℃條件下測試海水基植物膠壓裂液體系破膠性能，結(jié)果見表3。從表3可以看出，不同配方在80 ℃和95 ℃條件下90 min可完全破膠，破膠液黏度小于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)5 mPa·s，壓裂液體系破膠性能良好，破膠時(shí)間、破膠液黏度和破膠殘?jiān)鼭M足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

表3 海水基植物膠壓裂液體系高溫破膠性能

2.4 壓裂液抗濾失性能

壓裂液濾失性能直接影響壓裂施工的效率，通常濾失系數(shù)是評價(jià)壓裂液效率的關(guān)鍵。室內(nèi)利用高溫高壓濾失儀測定120 ℃濾失效果，得到初始濾失量Vsp=2.03×10-4m3/m2、濾失系數(shù)Cw=0.981×10-4m/min1/2、Vcm=0.356×10-4m3/(m2·min)，均低于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，說明壓裂液壓裂過程中濾失量低，具有較好的抗濾失性。

2.5 先導(dǎo)試驗(yàn)

所研制的快速配制海水基植物膠壓裂液體系已在勝利埕島油田完成1口海上壓裂防砂井的先導(dǎo)試驗(yàn)，取得了較好經(jīng)濟(jì)效果，為擴(kuò)大海上壓裂施工提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

3 結(jié)論

1) 液體羥丙基胍膠稠化劑滿足海水制備基液要求，具有快速分散、溶脹迅速的特點(diǎn)。

2) 所研制的海水基植物膠壓裂液體系在高pH值條件下可引起海水中部分金屬離子形成沉淀和游離硼多羥基化，添加螯合劑、多元醇可減弱其對交聯(lián)性能的影響，體系具有良好的耐高溫性、破膠性、抗濾失性，可滿足160℃以內(nèi)海水基快速配制壓裂施工要求，具有可推廣價(jià)值。

[1] 劉剛芝，王杏尊，鮑文輝，等．一種海水基壓裂液體系的研究[J]．鉆井液與完井液，2013,30(3)：73-75． Liu Gangzhi,Wang Xingzun,Bao Wenhui,et al.Research on seawater-based fracturing fluid technology[J].Drilling Fluid & Completion Fluid,2013,30(3):73-75.

[2] 張福銘，李學(xué)軍，陳小華，等.海水基清潔壓裂液體系PA-VES90的制備及性能研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2012,12(8):760-764. Zhang Fuming,Li Xuejun,Chen Xiaohua,et al.Preparation and properties of seawater-based clean fracturing fluid PA—VES90[J].Science Technology and Engineering,2012,12(8):760-764.

[3] 宋愛莉，安琦，劉全剛，等．海水基稠化劑的篩選與性能研究[J]．石油天然氣學(xué)報(bào)，2014,36(1)：118-121． Song Aili,An Qi,Liu Quangang,et al.Study on the properties of seawater based thickener[J].Journal of Oil and Gas Technology,2014,36(1):118-121.

[4] 劉艷輝，潘獻(xiàn)輝，葛云紅．反滲透海水淡化脫硼技術(shù)研究現(xiàn)狀[J]．中國給水排水，2008,24(24)：91-93． Liu Yanhui,Pan Xianhui,Ge Yunhong.Present status of research on Boron removal in RO seawater desalination[J].China Water & Wastewater,2008,24(24):91-93.

[5] 張大年，張鎖兵，趙夢云，等．液體胍膠制備方法及其耐高溫體系性能[J]．油田化學(xué)，2014,31(2)：203-206． Zhang Danian,Zhang Suobing,Zhao Mengyun,et al.Preparation method of liquid Guar gum and high temperature resistant performance of hydraulic fracturing fluid[J].Oilfield Chemistry,2014,31(2):203-206.

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[9] 采油采氣專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì).SY/T5107—2005 水基壓裂液性能評價(jià)方法[S].北京：石油工業(yè)出版社，2005.

(編輯：孫豐成)

Rapid preparation and performance evaluation of a seawater-based vegetable gum fracturing liquid

Zhang Danian1Zhao Chongzhen2Fan Lingxiao3Zhang Suobing3Zhao Mengyun3Su Changming3

(1.ResearchInstituteofPetroleumExplorationandDevelopment,Beijing100083,China; 2.SinopecPetroleumExplorationandProductionResearchDivision,Beijing100728,China; 3.SinopecPetroleumExplorationandProductionResearchInstitute,Beijing100083,China)

According to the requirement of rapid fluid preparation with seawater for offshore fracturing, we have analyzed the influences of seawater, as the make-up water, on swelling and cross-linking reaction of thickening agents, developed a liquid vegetable gum thickening agent and an organic borate cross-linker CYS-4, and further developed a seawater-based fracturing fluid system which withstands temperatures up to 160 ℃. Evaluation results from lab experiments indicate that the seawater-based vegetable gum fracturing liquid system possesses properties of high temperature resistance, easiness in gel breaking and low filtration, hence can satisfy the operation requirement of rapid preparation of the fracturing fluid under temperatures up to 160 ℃, and has a promising dissemination potential.

seawater-based vegetable gum fracturing liquid; rapid preparation; performance evaluation

1673-1506(2016)06-0095-04

10.11935/j.issn.1673-1506.2016.06.016

*“十二五”國家科技重大專項(xiàng)“大型油氣田及煤層氣開發(fā)”課題“中西部地區(qū)碎屑巖儲層預(yù)測、保護(hù)與改造技術(shù) (編號：2011ZX05002-005)”部分研究成果。

張大年，男，2012年畢業(yè)于俄羅斯國立古博金石油和天然氣大學(xué)油田化學(xué)專業(yè)，獲博士學(xué)位，主要從事壓裂酸化和提高采收率技術(shù)研究。地址：北京市海淀區(qū)20號(郵編：100083)。E-mail：zdn_bc@sohu.com。

TE357.1+2

A

2015-12-20 改回日期：2016-02-29