在線聚合物壓裂液的研究與應(yīng)用

崔會杰， 崔艷昭， 曹景芝， 邱守美， 張麗娜， 吳友梅

目前，國內(nèi)外使用的壓裂液大多為水基壓裂液， 大致可分為3種類型：天然植物膠壓裂液、VES清潔壓裂液、合成聚合物壓裂液，其中使用最多的為瓜膠及其改性壓裂液[1-2]。但是水基壓裂液在配液及施工工藝方面仍存在不足：①一般都是先配制好，再施工，工序比較繁瑣、效率低，需要有一定的富余量，過期變質(zhì)導(dǎo)致大量的浪費，還會造成廢液處理困難，污染環(huán)境；②植物膠壓裂液含有殘渣，對地層與支撐裂縫有傷害；而且堿性交聯(lián)環(huán)境會對堿敏性儲層造成較大的傷害，導(dǎo)致壓裂效果變差[3]；③VES表面活性劑清潔壓裂液耐溫性能差、成本高[4-8]。利用超支分子化學(xué)和結(jié)構(gòu)流體流變學(xué)理論研制出具有“可逆結(jié)構(gòu)”的壓裂液體系成為了研究方向。它是通過溶液分子間的非共價鍵（靜電作用、氫鍵、疏水締合效應(yīng)等）發(fā)生相互作用，從而形成一個可逆的空間網(wǎng)狀而達到增黏的目的[9]?；谠摾碚摚藐庪x子聚丙烯酰胺與陽離子表面活性劑分子間的靜電吸引作用，在不使化學(xué)交聯(lián)情況下即起到增黏的效果，再通過優(yōu)選對陰離子聚丙烯酰胺分散與增溶效果好的表面活性劑，研制開發(fā)出了一種在線聚合物壓裂液體系,對其性能進行了實驗評價，現(xiàn)場應(yīng)用取得了較好的效果。

1 實驗材料與儀器

1.1 實驗材料

陰離子改性聚丙烯酰胺，氟碳非離子表面活性劑，十二烷三甲基氯化銨，十六烷三甲基氯化銨，工業(yè)甲醇；過硫酸銨；陶粒砂、鈉膨潤土、煤油等。

1.2 實驗儀器

IA21002型電子天平，DK-98-ⅡA型電熱恒溫水浴鍋，76-SA型玻璃水浴，ZNN-D6型旋轉(zhuǎn)黏度計，ZNS42-4型高溫高壓濾失儀，HAAKEMARSⅢ流變儀，毛細管黏度計，JYW-200A型自動界面張力儀，TDL-40B-C型臺式離心機，JJ-1型精密增力電動攪拌機，DWG-III型高溫高壓壓裂液傷害儀。

2 在線聚合物壓裂液添加劑的優(yōu)選

2.1 稠化劑

由于陰離子聚丙烯酰胺具有溶解性好、黏度高、無味、無毒等特點，可用作壓裂液的稠化劑。聚合物的分子量與水解度對其性能影響較大[10]，分子量小，則水溶性好、增稠能力差；反之則水溶性差、增稠能力越強。水解度越高，陰離子聚丙烯酰胺的溶解速度越快。優(yōu)選分子量為600萬～1 000萬、水解度為25%～40%的陰離子聚丙烯酰胺，既能達到一定的增稠作用，又具有較好的水溶脹性能。

2.2 多效添加劑

根據(jù)靜電吸附理論，優(yōu)選陽離子表面活性劑十六烷基三甲基氯化銨與十二烷基三甲基氯化銨作交聯(lián)劑，不僅能使陰離子聚丙烯酰胺分子交聯(lián)在一起，還能吸附在砂巖巖石表面，對黏土起到較好的防膨穩(wěn)定效果[11]。

優(yōu)選TF281氟碳非離子表面活性劑作助排劑，其不僅表面張力低， 與陽離子表面活性劑配伍性好，而且還具有較好的分散、增溶作用，具體數(shù)據(jù)見表1。

為了簡化配液工序，實現(xiàn)在線配制壓裂液，壓裂施工前按如下配方配制多效添加劑。該多效添加劑具有交聯(lián)、 防膨、 助排、 洗油、 潤濕與增溶作用。

10%TF281氟碳非離子表面活性劑+ 40%十六烷基三甲基氯化銨（含量不小于40%）+ 40%十二烷基三甲基氯化銨（含量不小于40%）+ 10%工業(yè)甲醇

3 在線聚合物壓裂液評價實驗

3.1 溶脹性能

在500 mL燒杯中加入400 mL清水， 置于電動攪拌機中， 以轉(zhuǎn)速600 r/min攪拌，依次加入2.0 mL多效添加劑與定量的聚合物乳液，用旋轉(zhuǎn)黏度計測定膠液在不同時間點的黏度，結(jié)果見表2。從表2可以看出，在線壓裂液體系為中性，且具有溶脹時間短、溶脹快的特點，攪拌30 s后黏度不小于60 mPa·s，可實現(xiàn)在線壓裂的工藝。

表2 膠液在室溫與水溫15 ℃時的溶脹性能

3.2 攜砂實驗

在15 ℃配制好不同稠化劑濃度的壓裂液，同時迅速均勻地加入砂比為35%的0.35～0.66 mm陶粒，攪拌均勻后靜置計時，在0.5 h、1.0 h、2.0 h后觀察懸砂情況，見圖1。

圖1 不同稠化劑濃度的在線清潔壓裂液的攜砂性能

通過攜砂實驗可知，稠化劑的濃度越高，懸砂性能越好；當稠化劑的濃度不小于1.2%時，具有較好的攜砂性能，實驗數(shù)據(jù)見表3。

表3 在線清潔壓裂液的室溫攜砂實驗

3.3 破膠實驗

按SY/T 5107—2005《水基壓裂液性能評價方法》，在溫度不高于90 ℃時，將配制好的在線壓裂液倒入150 mL錐形瓶中，密封后置于電熱恒溫水浴鍋中進行破膠；溫度大于90 ℃時，將配制好的在線壓裂液倒入高溫高壓濾失儀的不銹鋼桶中，密封后置于高溫高壓濾失儀的加熱套中進行破膠。用毛細管黏度計測定放置不同時間點的膠液黏度（見表4），優(yōu)選出了壓裂液在不同溫度不同時間內(nèi)破膠所需破膠劑的用量，見表5。

通過上述破膠實驗數(shù)據(jù)可知：在60～120 ℃條件下，在線聚合物壓裂液破膠時間可控。為了提高壓裂液的造縫與攜砂能力，確保壓裂施工的成功率與壓后效果，根據(jù)地層溫度優(yōu)選出的破膠劑量，施工時由小→大按楔形追加破膠劑。

表4 80 ℃壓裂液破膠實驗數(shù)據(jù)

表5 壓裂液在不同溫度不同時間內(nèi)破膠所需破膠劑的用量

按配方（1.4%稠化劑+0.5%多效添加劑+0.05%過硫酸銨）配制好壓裂液，在80 ℃破膠2 h，取出冷卻至室溫，用JYW-200A型自動界面張力儀測定破膠液的表面張力與界面張力，測量數(shù)據(jù)見表6。

表6 破膠液的表（界）面張力、防膨率與殘渣實驗數(shù)據(jù)

3.4 流變性實驗

為檢測在線聚合物壓裂液耐溫耐剪切流變性，用HAAKE-MARSⅢ流變儀在溫度60～120 ℃、剪切速率為170 s-1下進行流變實驗。剪切90 min后黏度不小于60 mPa·s，能完全滿足壓裂施工的要求，流變性曲線見圖2。

圖2 不同溫度不同配方在線壓裂液的流變曲線

3.5 對巖心傷害率的測定

按SY/T 5107—2005《水基壓裂液性能評價方法》，用DWG-III型高溫高壓壓裂液傷害儀，測定壓裂液對巖心基質(zhì)滲透率損害率，結(jié)果見表7。

表7 不同壓裂液對L44井巖心的傷害實驗數(shù)據(jù)

由表7可以看出，壓裂液對巖心的傷害率與巖心的滲透率有關(guān)，滲透率越低，傷害率越大，在線聚合物壓裂液對巖心的傷害率遠遠小于羥丙基瓜膠壓裂液對巖心的傷害率。

3.6 壓裂液配方的確定

通過室內(nèi)實驗研究可以確定出60～120 ℃下，在線聚合物壓裂液系列配方，見表8。由表8可以看出，在線聚合物壓裂液的配方與地層溫度有關(guān)，地層溫度越高，稠化劑的用量越高，過硫酸銨的用量越低。

表8 不同溫度下在線清潔壓裂液配方表

4 現(xiàn)場應(yīng)用

在華北油田使用在線聚合物壓裂液現(xiàn)場施工4口井，壓裂施工時將陰離子聚丙烯酰胺乳液、多效添加劑與過硫酸銨通過計量泵直接打入混砂車內(nèi)，與混砂車中的水、支撐劑混合就能完成壓裂施工，最高砂比可達50%，成功率100%，取得了較好的壓裂效果，壓后初期4口井平均單井日增原油10.19 t/d，截至2017年5月31日，累計增產(chǎn)原油1 556 t，施工情況見表9。

表9 在線壓裂液壓裂施工情況表

5 結(jié)論

1.在線聚合物壓裂液攜砂與流變性能好，在60～120 ℃、剪切速率170 s-1條件下連續(xù)剪切90 min黏度不小于60 mPa·s，能完全滿足中高溫（60～130 ℃）儲層壓裂施工的要求。

2.在線聚合物壓裂液體系的pH值呈中性，無殘渣，對地層傷害小。

3.在線聚合物壓裂液隨配隨用，使用多少配制多少，不留殘液，返排液可用來重新配液，不污染環(huán)境。

4.經(jīng)過現(xiàn)場應(yīng)用，真正的實現(xiàn)了操作簡便、節(jié)約環(huán)保、保護油藏，增產(chǎn)增效的目的。

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