瓜膠類壓裂液耐溫耐剪切性能影響因素研究

趙俊橋，李繼勇，張?jiān)浦?，?浩

壓裂作為油氣藏增產(chǎn)增注的主要措施已得到迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，而壓裂液是壓裂技術(shù)的重要組成部分，是決定壓裂成敗的關(guān)鍵。瓜膠類壓裂液一直以來(lái)是油田應(yīng)用最廣泛的壓裂液，其主要指標(biāo)——耐溫耐剪切性能，反映了壓裂液的熱穩(wěn)定性和耐剪切性能，其質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響到攜砂效果。壓裂液只有在不因升高溫度或者剪切速度增加引起黏度大幅降低的情況下，才能保證為整個(gè)施工過(guò)程提供足夠的黏度，確保施工順利完成。因此對(duì)壓裂液耐溫耐剪切這一項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量尤其重要，主要針對(duì)瓜膠類壓裂液在配制過(guò)程中影響其耐溫耐剪切性能的各種因素進(jìn)行了分析研究。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1　主要試劑及儀器

主要試劑：不同種類的瓜膠粉、碳酸鈉、碳酸氫鈉、5%氫氧化鈉、黏土穩(wěn)定劑等。

主要儀器：哈克流變儀MSⅢ、吳茵混調(diào)器、水浴鍋等。

1.2　實(shí)驗(yàn)方法與步驟

測(cè)試方法按照標(biāo)準(zhǔn)[1-3]進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，具體方法是：先配制基液，將瓜膠粉在吳茵混調(diào)器內(nèi)混合均勻，并依次加入各種添加劑。添加完成后，放入恒溫30℃水浴鍋中靜置4 h，使其充分溶解后，按照要求比例加入交聯(lián)劑交聯(lián)形成凍膠，放入哈克流變儀內(nèi)測(cè)試耐溫耐剪切性能?？刂粕郎厮俣?℃/min，從30℃開(kāi)始試驗(yàn)，同時(shí)轉(zhuǎn)子以剪切速率170/s轉(zhuǎn)動(dòng)。溫度達(dá)到要求的測(cè)試溫度后，保持剪切速率和溫度不變，直到達(dá)到要求的剪切時(shí)間為止，讀取最終的測(cè)試黏度值。

2　影響因素分析

2.1　溶解時(shí)間的影響

瓜膠類壓裂液在配制中，首先要將原粉在水中進(jìn)行溶解，而溶解是否充分，直接影響到壓裂液的性能。首先測(cè)試了基液黏度隨溶解時(shí)間的變化情況，基液黏度越大說(shuō)明原粉溶解越好，其耐溫耐剪切性能就會(huì)越好。完全溶解后，基液黏度就不再變化，其耐溫耐剪切性能也就達(dá)到最好效果。隨著生產(chǎn)技術(shù)的提高，瓜膠粉溶解性能越來(lái)越好，溶解時(shí)間也越來(lái)越短。實(shí)驗(yàn)考察了3種不同瓜膠粉完全溶解所需時(shí)間，見(jiàn)表1。

表1　基液黏度隨溶解時(shí)間變化情況　/(mPa·s)

從表1中數(shù)據(jù)可以看出，不同種類基液4h都能完全溶解完，最快的樣品30 min即可溶脹完畢，3種樣品都能在2h內(nèi)溶脹完全。所以實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可根據(jù)樣品的實(shí)際性能確定樣品的溶脹時(shí)間，進(jìn)而可減少檢測(cè)時(shí)間,提高檢測(cè)效率。

2.2　瓜膠粉濃度的影響

瓜膠粉的用量，直接影響到壓裂液的性能。隨著瓜膠產(chǎn)品性能的改進(jìn)，質(zhì)量越來(lái)越好，低濃度的瓜膠粉也能得到比較好的應(yīng)用效果。圖1是同一種瓜膠粉不同濃度下成膠后的耐溫耐剪切性能，不同濃度的瓜膠壓裂液性能數(shù)值詳見(jiàn)表2。

圖1　不同濃度的壓裂液耐溫耐剪切性能

從圖1和表2數(shù)據(jù)可以看出，隨著瓜膠粉濃度的增大，其基液黏度增加，耐溫溫度升高，耐溫耐剪切后的黏度也隨著升高。這樣就可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工情況選擇所加瓜膠粉濃度，瓜膠濃度為0.4%就能滿足120℃井的要求。尤其是低溫井，可大大降低瓜膠粉的加入量，從而降低壓裂用料的成本。

2.3　pH值的影響

對(duì)壓裂液基液進(jìn)行pH值調(diào)節(jié)，能影響壓裂液成膠速度和成膠狀態(tài)[3]，從而影響壓裂液的耐溫耐剪切性能。增加pH值在一定程度上能延緩交聯(lián)速度，增加其耐溫耐剪切性能。但是pH值過(guò)高，影響樣品成膠狀態(tài)，使其長(zhǎng)時(shí)間不能交聯(lián)或者是樣品脆性大，導(dǎo)致測(cè)試過(guò)程中數(shù)值不穩(wěn)定，測(cè)試結(jié)果不穩(wěn)定。

表2　不同濃度的瓜膠壓裂液性能數(shù)值

表3　pH值對(duì)壓裂液性能的影響

從表3測(cè)試結(jié)果可以看出，隨著pH值的升高，交聯(lián)速度降低。當(dāng)pH值為13時(shí)，30min都不交聯(lián)，這樣會(huì)影響現(xiàn)場(chǎng)施工。通?，F(xiàn)場(chǎng)施工要求在4～6 min交聯(lián)合適，并綜合考慮不同pH值下樣品的各項(xiàng)性能。通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)，最終確定了瓜膠類壓裂液基液成膠最佳的pH值為10～11。通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定了100 mL基液需要加入不同堿度調(diào)節(jié)劑的用量，見(jiàn)表4。

表4　不同堿度調(diào)節(jié)劑用量

通過(guò)實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，堿的加入時(shí)間非常關(guān)鍵。堿的加入必須在基液溶脹完全后，如果樣品還沒(méi)有完全溶解就加入堿，在堿性環(huán)境下，瓜膠溶液不溶解，進(jìn)而影響實(shí)驗(yàn)效果。所以需要先溶解瓜膠，再加入堿調(diào)節(jié)pH值。

2.4　溫度穩(wěn)定劑的影響

在樣品中加入溫度穩(wěn)定劑，能提高壓裂液的耐溫性能。但是在測(cè)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，大部分樣品加入溫度穩(wěn)定劑后，在升溫過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)明顯的二次交聯(lián)現(xiàn)象，即黏度突然升高。這種現(xiàn)象要持續(xù)幾分鐘，然后黏度再降低。這一過(guò)程減緩了黏度降低的速度，使得最后結(jié)果能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求黏度大于50 mPa·s。但是中間的黏度如果突增很大會(huì)對(duì)施工過(guò)程中產(chǎn)生一定的影響。

圖2　兩種不同樣品加入溫度穩(wěn)定劑后的耐溫耐剪切性能

從圖2測(cè)試結(jié)果可以看出，加入溫度穩(wěn)定劑后，都有二次交聯(lián)的過(guò)程，只是不同樣品的反應(yīng)結(jié)果不同。從圖2（b）可以看出，第二種樣品加入溫度穩(wěn)定劑后，黏度升高過(guò)高，達(dá)到3 000 mPa·s以上，并且不穩(wěn)定。因此可以看出當(dāng)達(dá)到一定實(shí)驗(yàn)溫度之后，溫度穩(wěn)定劑效果最明顯，使瓜膠和交聯(lián)劑突然進(jìn)行完全交聯(lián)，黏度迅速增大。這樣樣品測(cè)試的最終結(jié)果大于50 mPa·s，按照標(biāo)準(zhǔn)判斷應(yīng)該是合格產(chǎn)品。但是成膠過(guò)程中黏度突變很大，必然會(huì)影響現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程，因此需要考慮溫度穩(wěn)定劑種類，或者調(diào)節(jié)溫度穩(wěn)定劑的濃度和加入量。

2.5　水質(zhì)的影響

圖3　兩種不同礦化度水質(zhì)配制的壓裂液測(cè)試結(jié)果

在測(cè)試過(guò)程中，水質(zhì)不同會(huì)對(duì)瓜膠的溶解有影響[4-5]，進(jìn)而影響其耐溫耐剪切性能。通過(guò)考察礦化度對(duì)壓裂液的影響，當(dāng)?shù)V化度低于6 000 mg/L時(shí)，水質(zhì)影響不明顯，但是隨著礦化度的進(jìn)一步增大，當(dāng)?shù)V化度大于10 000 mg/L時(shí)，黏度會(huì)降低很快。

圖3是針對(duì)兩種不同礦化度的水質(zhì)進(jìn)行的分析實(shí)驗(yàn):(a)是勝利鹽水Ⅰ型，總礦化度5 727 mg/L，鈣、鎂離子總量108 mg/L；(b)是勝利鹽水Ⅱ型，總礦化度19 334 mg/L，鈣、鎂離子總量514 mg/L。

由圖3測(cè)試結(jié)果可看出，高礦化度的水質(zhì)配置的凍膠初始黏度很低，低于200 mPa·s。在140℃條件下測(cè)試耐溫耐剪切性能30 min后，樣品黏度低于50 mPa·s，不能滿足實(shí)驗(yàn)要求；而低礦化度水配置的凍膠，初始成膠黏度高達(dá)1 000 mPa·s，140℃條件下測(cè)試120 min后，黏度還保留在100 mPa·s以上。由此可見(jiàn)，隨著礦化度的升高，樣品的成膠黏度和耐溫耐剪切性能均受到影響。所以在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)水質(zhì)，調(diào)配不同濃度的壓裂液，現(xiàn)場(chǎng)用料的測(cè)試需要配制相應(yīng)的地層水進(jìn)行測(cè)試。

2.6　添加劑的影響

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的樣品都是復(fù)合型樣品，添加了各種添加劑。而加入添加劑后，如果配伍性不好，將會(huì)影響壓裂液的性能。復(fù)配樣品中主要含有助排劑、黏土穩(wěn)定劑、殺菌劑、消泡劑等。其中在測(cè)試過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)加入兩種不同類型的黏土穩(wěn)定劑，測(cè)試結(jié)果完全不同，詳見(jiàn)圖4。

其他加料都相同的情況下，改用兩種不同的黏土穩(wěn)定劑，測(cè)試其基液黏度和成膠性能相差不大，但是耐溫耐剪切性能不同。加入能配伍的黏土穩(wěn)定劑，測(cè)試120℃耐溫耐剪切性能，樣品在40 min后黏度就降為50 mPa·s以下；而加入不配伍的黏土穩(wěn)定劑后，測(cè)試120℃耐溫耐剪切性能，120 min后樣品黏度保留在100 mPa·s以上。目前對(duì)壓裂液的監(jiān)督檢驗(yàn)主要針對(duì)壓裂液體系中的各種單劑進(jìn)行檢測(cè)，為了更加有效地反映現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況，需要檢測(cè)加入添加劑復(fù)配后樣品的耐溫耐剪切性能。

3　結(jié)論與建議

1）瓜膠粉是否完全溶解會(huì)影響其性能，其完全溶解需要時(shí)間，質(zhì)量不同的瓜膠粉溶解時(shí)間不同。最慢的4h才能完全溶解，最快的0.5h就能完全溶解，可根據(jù)具體性能來(lái)控制溶解時(shí)間。

圖4　加入兩種不同性質(zhì)黏土穩(wěn)定劑的測(cè)試結(jié)果

2）瓜膠粉的加入濃度不同，耐溫溫度和耐剪切時(shí)間不同?？筛鶕?jù)壓裂井的實(shí)際情況確定需要測(cè)試的溫度和剪切時(shí)間，從而確定配備基液的濃度。

3）基液成膠前，需要調(diào)節(jié)基液的堿度，最佳pH值為10～11。通過(guò)實(shí)驗(yàn)給出了不同堿度調(diào)節(jié)劑的加入量。同時(shí)也驗(yàn)證了瓜膠粉在堿性條件下影響其溶解，所以應(yīng)溶解完全后再調(diào)節(jié)pH值。

4）加入溫度穩(wěn)定劑，在測(cè)試耐溫耐剪切性能過(guò)程中出現(xiàn)二次交聯(lián)，黏度增加，從而減緩破膠速度。因此一定要選擇合適的溫度穩(wěn)定劑并控制加入量，以防二次交聯(lián)過(guò)程中黏度升高太大，影響施工過(guò)程。

5）水的礦化度會(huì)影響耐溫耐剪切性能。隨著礦化度的升高，耐溫耐剪切能力下降，所以室內(nèi)檢測(cè)需要應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)用水，才能真實(shí)反應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況。

6）壓裂液中添加的各種添加劑會(huì)影響樣品的耐溫耐剪切性能，需要進(jìn)行配伍性實(shí)驗(yàn)。

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