一種耐高溫海水基速溶壓裂液體系研究

孫立田，羅彤彤，陳雁南，吳 萌，盧亞平

（北京礦冶科技集團有限公司，北京 102600）

壓裂技術(shù)是低滲透油氣藏的主要增產(chǎn)措施，可以改善油氣層的滲流狀態(tài)，起到增產(chǎn)增注的作用。應(yīng)用壓裂技術(shù)是提高低滲儲層單井產(chǎn)量的最有效方法。

目前我國海上油氣儲量豐富，但低滲儲量動用程度較低，隨著海上油氣田的開發(fā)，開發(fā)深海和低滲油田將是今后海上油田發(fā)展方向之一。若海上壓裂沿用陸地壓裂模式，由于受淡水資源運輸與存儲、作業(yè)場地等因素的影響，海上油田壓裂作業(yè)規(guī)模會大大受限[1]。

海水基壓裂液體系的開發(fā)和研究對海上油田的高效開發(fā)具有重要的意義。首先可以滿足海上大規(guī)模壓裂的需要；能夠克服和減輕自然環(huán)境（如熱帶風暴、寒潮）對海上壓裂的影響，保障海上油田壓裂增產(chǎn)措施的及時實施；同時節(jié)省運輸費、儲存成本，減輕后勤保障的壓力；更重要的是對未來遠海油氣藏開發(fā)提供技術(shù)支撐。

1 實驗

實驗先制備了速溶瓜爾膠，并對其速溶效果進行了考察。通過實驗研發(fā)出海水基壓裂液的配方，對壓裂液的各項性能分別予以檢測，結(jié)果令人滿意。最后對該體系開展了大流量連續(xù)配液的實驗。

1.1 實驗原料、設(shè)備與儀器

實驗用原材料、設(shè)備及儀器（見表1，表2）。

表1 實驗用原材料

表2 實驗設(shè)備及儀器

1.2 壓裂液體系評價

1.2.1 海水水質(zhì)檢測 該項目實施過程使用的海水由中海油能源發(fā)展股份有限公司提供的渤海海水水樣。對海水進行水質(zhì)分析（見表3）。

從對海水的水質(zhì)分析中可以看出，該海水樣品的礦化度非常高，其高濃度的無機鹽離子會嚴重阻礙瓜爾膠的溶解，使其分子末端鏈節(jié)由伸展趨于卷曲，分子的有效體積縮小，嚴重影響常規(guī)瓜爾膠分子在海水中的溶解和黏度的釋放，進而削弱基液的黏度，影響凍膠的交聯(lián)效果。

表3 海水水質(zhì)檢測表

1.2.2 速溶稠化劑制備 鑒于上述海水如此之高的礦化度，需對瓜爾膠進行改性來改善其速溶耐鹽效果。改性設(shè)計思路為：先由堿性的催化劑切斷其糖苷鍵，縮短其鏈長，而后在瓜爾膠分子上引入樹枝狀的磺酸鹽基團。分子鏈變短、支鏈化程度增加均利于稠化劑分子在海水中迅速伸展，從而快速釋放黏度；引入的抗鹽基團還可以削弱海水中無機鹽離子水化層對稠化劑分子的沖擊，改善稠化劑的抗鹽能力，提高凍膠的耐剪切能力[2]。

稠化劑制備過程大致如下：將去殼瓜爾豆片放入捏合機中，按照質(zhì)量比1.2：1的比例加入不低于95℃的高溫熱水，水化10 min后加入一定比例的反應(yīng)促進劑、表面活性劑、乳化劑，控制捏合速度，同時反應(yīng)器內(nèi)抽真空至-0.1 MPa，反應(yīng)溫度穩(wěn)定在80℃～90℃，反應(yīng)2 h后中和出料，再將物料按流程送入增黏機、烘干系統(tǒng)、粉碎機進行處理，最后用酒精進行洗滌、烘干，得到形態(tài)美觀、分散性優(yōu)良的速溶稠化劑（見圖1～圖3）。

圖1 反應(yīng)設(shè)備

圖2 增黏粉碎設(shè)備

圖3 篩分收集裝置

1.2.3 稠化劑速溶率評價 速溶性能的設(shè)計要求：海水中溶脹5 min，基液黏度不低于最終水合黏度的90%。

量取400 mL需要配制壓裂液量的實驗用海水，倒入500 mL燒杯中，并將燒杯安裝于立式攪拌機上，轉(zhuǎn)速調(diào)整到600 r/min。

稱取0.5%濃度質(zhì)量的海水基速溶稠化劑；調(diào)節(jié)攪拌器轉(zhuǎn)速至規(guī)定速度，將稱量好的稠化劑緩慢加入。在加完稠化劑同時啟動秒表，持續(xù)攪拌一段時間，形成均勻的溶液。到達規(guī)定時間后，取下溶液倒入黏度計量杯中，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速100 r/min測定膠液黏度。測定完畢，將膠液放在25℃水浴中靜置，分別檢測60 min、120 min時的黏度，計算各時間點下的黏度釋放速度（見表4，圖 4）。

圖4 稠化劑的速溶性能

實驗發(fā)現(xiàn)：基液外觀均勻、無魚眼，基液溶解5 min后的黏度為84 mPa·s，基液最終黏度為92 mPa·s，黏度釋放速率為91.3%。

通過大量實驗優(yōu)化后的耐溫135℃壓裂液體系配方為：0.5%改性瓜爾膠稠化劑+1%改性聚胺類調(diào)節(jié)劑+1%多胺鹽類溫度穩(wěn)定劑+0.2%改性聚烷烴類破乳助排劑+0.5%有機金屬復(fù)合交聯(lián)劑。

表4 0.5%濃度稠化劑不同時間下的黏度變化

表5 行業(yè)標準與海水基速溶型壓裂液體系的指標對比

根據(jù)行業(yè)標準[3]對體系的相關(guān)指標進行評價，發(fā)現(xiàn)各指標均優(yōu)于行標要求，得數(shù)據(jù)（見表5）。

1.3 體系連續(xù)配液研究

隨著壓裂技術(shù)在非常規(guī)油氣開采中大面積普及應(yīng)用，本集團迎合國內(nèi)各大油田需求自主研發(fā)了大流量、全自動、多功能、高精度的壓裂液配液設(shè)備，并先后在大慶油田、遼河油田、新疆油田、中原油田、延長油田、吉林油田、中石化華北分公司、勝利油田、長城鉆探等多地得到現(xiàn)場應(yīng)用[4]。實驗中使用該類型的配液設(shè)備對該壓裂液體系進行連續(xù)配液中試評價，考察體系與配液設(shè)備的匹配性，固定稠化劑的濃度為0.5%，連續(xù)配液設(shè)備排量為3 m3～5 m3；測試稠化劑溶解濃度的適應(yīng)范圍，要求設(shè)備出口黏度不低于相應(yīng)濃度下的最終水合黏度的90%。

1.3.1 配液流程及設(shè)備介紹 設(shè)備的配液過程大致如下所述：向粉罐加入稠化劑后，通過控制系統(tǒng)設(shè)定配制膠液的濃度、配液體積以及設(shè)備排量，此時控制系統(tǒng)能夠根據(jù)設(shè)定值自行調(diào)節(jié)射流器負壓、螺旋給料速度。開始配液程序啟動后，流量調(diào)節(jié)閥自動全部打開，射流泵由儲水罐中抽取預(yù)先配制好的模擬海水，并有電子流量計記錄瞬時流量，當瞬時流量達到80 m3/h后，射流器負壓達到能夠吸取稠化劑實現(xiàn)風送上料的壓力，精密給料程序此時啟動螺旋給料，通過射流器實現(xiàn)模擬海水與稠化劑的混合，混合液進入配液罐后通過高速攪拌機二次增黏，再通過多次靜態(tài)折流實現(xiàn)三次增黏，最終膠液通過發(fā)液泵排出，流程示意圖（見圖5，圖6）。該設(shè)備配液能力可在3 m3/min～10 m3/min調(diào)節(jié)，配液罐攪拌功率11 kW。

圖5 設(shè)備的配液流程

圖6 模擬海水連續(xù)配液現(xiàn)場

1.3.2 模擬海水配液評價 由于無法直接大量使用天然海水，因此連續(xù)配液使用人工模擬海水，模擬海水的礦化度及使用的化學(xué)原料如下所述。根據(jù)前述計算得到擬配制10 m3海水需要的物質(zhì)種類及數(shù)量（見表6）。

表6 配制10 m3海水所需物料

按照上述要求配制好海水，取樣檢測其礦化度為31 340 mg/L。固定海水基速溶瓜爾膠的濃度為0.5%進行連續(xù)配液，設(shè)備排量在3 m3/min～5 m3/min調(diào)整，檢測設(shè)備出口基液的速溶效果。按照表7中的排量每次制備約3 m3膠液，配制5 min后取樣檢測黏度，使用六速黏度計，100 r/min測試。之后25℃靜置2 h后再檢測一次，記為最終水合黏度，計算速溶率（見表7，表8）。

表7 連續(xù)配液不同排量下0.5%稠化劑的速溶效果

表8 瓜爾膠稠化劑的速溶率與排量的關(guān)系

從表7，表8中可看出，在固定稠化劑濃度為0.5%的條件下，該稠化劑體系對配液設(shè)備的適應(yīng)性很好，顯示出較為穩(wěn)定的速溶效果，5 min速溶率可以達到91.3%，速溶效果非常理想，后期項目組將聯(lián)系在油田現(xiàn)場進行壓裂配液擴大化中試以檢驗其實用性。

2 結(jié)論

（1）研發(fā)出一種速溶型改性瓜爾膠稠化劑，以天然海水配制膠液，攪拌5 min，其黏度釋放率可達最終水合黏度的91%。

（2）研發(fā)出以速溶型改性瓜爾膠為稠化劑的海水基壓裂液體系，可耐溫135℃，耐鹽達30 000 mg/L，經(jīng)評價其各項性能指標完全滿足行業(yè)標準。

（3）該壓裂液體系能夠與大流量配液設(shè)備的排量相互匹配，且在較寬的排量范圍內(nèi)均能保持90%以上的速溶效果，有著很好的應(yīng)用前景。