高溫低濃度瓜膠壓裂體系研究

吳 磊

西安石油大學石油工程學院， 西安 710065

鄂爾多斯盆地砂巖氣藏具有高溫低滲透的特點，需要對儲層進行壓裂改造才能獲得產能，介于油藏的特點壓裂液必須具有耐高溫、耐剪切、低傷害、破膠迅速且易返排等特性。因此，需研究優(yōu)選出適合壓裂液體系。目前常用的壓裂液為植物瓜膠及其衍生物壓裂液，植物瓜膠含有6%～8%的水不溶物質，會使壓裂液破膠不徹底，導致最后滯留在地層的殘渣較多，對地層造成傷害，降低導流能力，嚴重影響了儲層改造效果[1～5]。植物瓜膠在經過改性后能大幅度地降低水不溶物質，并在一定程度上可提高耐溫性能。壓裂施工中常用的羥丙基瓜膠可在100 ℃以上高溫油氣藏應用，壓裂液破膠液殘渣含量較高，為保證壓裂作業(yè)壓裂液的耐溫耐剪切性能，通常增加稠化劑用量，從而也會提高破膠液的殘渣含量，對儲層造成的傷害也越大[6]。在120～130 ℃的儲層條件下羥丙基瓜膠濃度需要達到0.35%～0.5%，有研究表明該濃度的壓裂液對裂縫導流能力的損害率能夠達到45%以上[7-8]。為解決高溫油氣藏瓜膠用量大，對地層造成傷害的問題，開展耐高溫低傷害的瓜膠壓裂液體系研究十分必要，降低稠化劑的使用濃度，同時篩選適宜的壓裂液助劑，優(yōu)化瓜膠壓裂液體系配方，達到用量少、易返排、低傷害的目的。提高壓裂液對裂縫導流能力的損害，減少壓裂液滯留于地層的時間，從而降低對地層的傷害。

1 試驗部分

1.1 試驗原料與儀器

羧甲基羥丙基胍膠，昆山油田化學有限公司；羥丙基胍膠，東營金明工貿有限公司；過硫酸銨、pH調節(jié)劑，分析純；交聯(lián)劑G-21，自制；防膨劑JP-10，助排劑LF-12、XL-15、SF-2，均為工業(yè)品。

MCR102流變儀，奧地利Anton Paar公司；品氏玻璃毛細管黏度計，上海良晶玻璃儀器廠；L-500低速臺式離心機，江東儀器廠；電熱恒溫水浴鍋，北京科偉永興儀器有限公司；101-0AB型電熱鼓風干燥箱，天津泰斯特儀器有限公司；磁力攪拌器，上海江星設備有限公司。

1.2 試驗方法

按照行業(yè)標準SY/T 5107—2005《水基壓裂液性能評價方法》和SY/T 6376—2008《壓裂液通用技術條件》對稠化劑、防膨劑、助排劑、交聯(lián)劑進行優(yōu)化，確定合適的壓裂液配方，對配制的壓裂液按照標準進行耐溫耐剪切試驗、破膠試驗、懸砂試驗、殘渣試驗評價。

2 壓裂液配方優(yōu)選

2.1 稠化劑

稠化劑的性能好壞主要是通過評價稠化劑的增稠性、耐溫和耐剪切性。瓜膠壓裂體系是目前使用最廣的壓裂體系，并且經濟性較好，常見的改性瓜膠有羥丙基瓜膠(HPG)、羧甲基瓜膠(CMG)和羧甲基羥丙基瓜膠(CMHPG)。羧甲基羥丙基瓜膠(CMHPG)的主鏈上引入了羧甲基基團和羥丙基基團，為復合改性膠體，可使水稠化而獲得較高的黏度，pH使用范圍廣，耐高溫，具有懸砂能力強、低摩阻、膠體穩(wěn)定性好等優(yōu)點。與傳統(tǒng)的羥丙基瓜膠(HPG)相比羧甲基羥丙基瓜膠使用濃度低，相同溫度下，所需的稠化劑濃度僅為羥丙基胍膠的1/2[9-10]。為了降低進入地層的瓜膠含量，試驗選擇羧甲基羥丙基瓜膠。CMHPG與常用HPG性能比較如表1所示，試驗顯示羧甲基羥丙基瓜膠壓裂液基液呈弱酸性，與HPG相比基液黏度低，水不溶物質大大降低，并且具有更好的水溶性能。

表1 羧甲基羥丙基瓜膠(CMHPG)與羥丙基瓜膠(HPG)性能指標

2.2 防膨劑

壓裂液常用防膨劑有鹽類、無機聚陽離子聚合物、陽離子表面活性劑、陽離子聚合物、Gemini雙子表面活性劑等，鹽類如KCl作防膨劑使用廣泛，且生產成本較低。用羧甲基羥丙基瓜膠對濃度較高的陽離子型防膨劑敏感，試驗選用非陽離子防膨劑JP-10。

2.3 助排劑

基于壓裂液對陽離子敏感，壓裂液體系的助排劑選用非陽離子的助排劑，試驗選取了3種非陽離子型表面活性劑進行了評價，優(yōu)選結果見表2，試驗優(yōu)選助排劑為XL-15。

表2 助排劑性能評價

2.4 交聯(lián)劑

選擇合適的交聯(lián)劑會極大的提高壓裂液體系的耐溫性能，目前常用的水基壓裂液交聯(lián)劑是一些含硼、鈦、鋯、鋁、鉻的化合物或混合物。而瓜膠交聯(lián)劑以有機硼為主，但有機硼在140 ℃以上溫度環(huán)境中自身會發(fā)生反應，失去交聯(lián)能力[11-12]。鋯基交聯(lián)劑可交聯(lián)許多聚合物體系，交聯(lián)pH范圍廣，耐溫性好，并且可以延時交聯(lián)。鋯基的交聯(lián)可以發(fā)生在瓜膠和其衍生物的羥基基團或者羧基基團上[13-15]。試驗選擇有機硼與有機鋯復配交聯(lián)劑高溫交聯(lián)劑G-21，既具有耐高溫性能又具有延遲交聯(lián)性能。充分發(fā)揮了有機硼交聯(lián)劑的延緩交聯(lián)性能和有機鋯交聯(lián)劑耐溫高的優(yōu)點。相同濃度的羧甲基羥丙基瓜膠與不同濃度G-21高溫交聯(lián)劑黏溫關系曲線見圖1。

圖1 不同濃度交聯(lián)劑與黏溫的關系曲線

由圖1可知，試驗數(shù)據顯示黏度與高溫交聯(lián)劑加入量在一定范圍內成正相關，交聯(lián)劑加入量越大黏度越穩(wěn)定。在150 ℃、170 s-1耐溫耐剪切試驗中，交聯(lián)劑質量分數(shù)為0.4%時效果較好，初始黏度在740 mPa·s，經過升溫后1 h的剪切，黏度可保持在180 mPa·s左右，但交聯(lián)劑濃度過高，會產生過交聯(lián)，使壓裂液的抗剪切性變差，濃度過低，則交聯(lián)不完全，壓裂液的抗溫性變差，試驗選擇交聯(lián)劑加量為0.4%。

羧甲基羥丙基壓裂液基本配方為：(0.4%～0.5%)羧甲基羥丙基瓜膠+0.4%助排劑XL-15+0.3%防膨劑JP-10+0.40%交聯(lián)劑G-21+0.1%pH調節(jié)劑，交聯(lián)比為100∶0.4。

3 結果與討論

3.1 壓裂液耐溫耐剪切試驗

試驗分別選取了0.4%，0.45%，0.5%羧甲基羥丙基瓜膠，按配方配置壓裂液后測試流變性能，試驗結果見圖2。

圖2 不同質量分數(shù)的稠化劑與黏溫的關系曲線

由圖2可知，不同質量分數(shù)的CMHPG壓裂液在加熱至150 ℃后，170 s-1下連續(xù)剪切60 min壓裂液黏度隨稠化劑濃度增大而增大，初期黏度較高，剪切15 min左右，黏度下降較快后變穩(wěn)定，凍膠穩(wěn)定性能好，耐溫耐剪切性能強；當稠化劑濃度在0.4%時CMHPG壓裂液黏度穩(wěn)定在80 mPa·s可以滿足150 ℃的油氣井壓裂施工和攜砂要求。

3.2 破膠試驗

試驗分別按配方：0.4%羧甲基羥丙基瓜膠+0.4%助排劑XL-15+0.3%防膨劑JP-10+0.40%交聯(lián)劑G-21+0.1%pH調節(jié)劑配置的羧甲基羥丙基瓜裂液和含有相同質量分數(shù)的羥丙基瓜膠壓裂液裝入廣口瓶中，加入不同濃度的破膠劑置于90 ℃的恒溫水浴中，定時觀察其破膠情況。用品氏毛細管黏度計測定壓裂液在不同時間的黏度，當破膠液黏度小于5 mPa·s時認為破膠，記錄破膠時間，試驗結果見表3。

表3 破膠試驗結果

耐高溫低濃度CMHPG壓裂液的破膠時間隨著過硫酸銨加量的增加而減小，壓裂液具有很好的破膠性，使用不同濃度的APS破膠劑均能使壓裂液在2 h內完成破膠，較相同質量分數(shù)的HPG壓裂液破膠時間縮短，破膠劑過硫酸銨用量低，不到1/5，這有利于快速返排，減少壓裂液在地層的滯留時間，可減小地層傷害。

3.3 攜砂試驗

評價配方配置的壓裂液對支撐劑靜態(tài)懸浮能力，進行懸砂性能評價。試驗方法為:將CMHPG壓裂液裝入100 mL量筒中將粒徑為20 /40目的陶粒均勻分散在壓裂液表面，然后測定一顆砂粒的沉降速度，試驗結果為壓裂液的沉降速度在0.022～0.035 mm/s之間，可有效攜砂。

3.4 殘渣含量測定

將在90 ℃下進行破膠4 h后徹底破膠的壓裂破膠液按行業(yè)標準全部移入已烘干恒重的離心管中，在轉速3 000±150 r/min中離心30 min，倒出上清液，再用蒸餾水洗滌破膠容器后倒入離心管中，用玻璃棒攪拌洗滌殘渣試樣，再離心20 min，傾倒上層清液，將離心管放入恒溫干燥箱，105 ℃下烘干恒重，計算壓裂液殘渣量。試驗數(shù)據如表4所示。

表4 殘渣試驗結果

由表4可以看出，耐高溫低濃度CMHPG壓裂液可大幅度的降低壓裂液殘渣含量，與相同質量分數(shù)的HPG相比，壓裂液殘渣降低了39.6%，低于行業(yè)基本要求(低于500 mg/L)。

4 結 論

1)試驗優(yōu)選羧甲基羥丙基壓裂液的基本配方: (0.4%～0.5%)羧甲基羥丙基瓜膠+0.4%助排劑XL-15+0.3%防膨劑JP-10+0.40%交聯(lián)劑G-21+0.1%pH調節(jié)劑，交聯(lián)比為100∶0.4。

2)對壓裂液優(yōu)選配方進行性能評價,結果表明, 羧甲基羥丙基壓裂液在150 ℃下耐溫耐剪切，滿足壓裂施工的攜砂要求，與常用羥丙基瓜膠壓裂液相比稠化劑用量少，基液黏度低，容易破膠，破膠后殘渣量低，破膠液黏度低，能夠有效地減少滯留地層的時間，提高返排率，降低對地層的傷害。