預(yù)分散速溶胍膠PGW的研制及應(yīng)用

高詠梅，王維恒，夏巍巍，劉浩，張斌

（中國石化華東油氣分公司石油工程技術(shù)研究院，江蘇南京210000）

隨著石油資源進(jìn)入深度開采，頁巖氣成為能夠替代石油能源的最主要的非常規(guī)能源，為了更大限度地利用頁巖氣資源，目前國內(nèi)外大部分使用的是以滑溜水為壓裂液的大排量、大液量體積壓裂工藝[1-3]，即在水中加入降阻劑和助排劑等，充分溶脹使其達(dá)到一定的黏度。劉立宏、銀本才、王滿學(xué)等通過對速溶胍膠進(jìn)行表面改性，改善胍膠結(jié)構(gòu)，從而降低胍膠水化時間，在胍膠結(jié)構(gòu)改性方面取得了一些成果和認(rèn)識[4-7]，但國內(nèi)的研究大部分都是針對壓裂液一整套體系，而對增稠劑本身的研究相對較少[8-11]，國外對增稠劑本身的研究則相對比較成熟。常用的新型速溶胍膠主要以磺酸基、馬來酸酐等主要改性基團(tuán)進(jìn)行結(jié)構(gòu)改性[12-14]，即改變胍膠的鏈長，使其能快速溶脹，達(dá)到減少水化時間的目的；合成基速溶胍膠，即通過對胍膠干粉進(jìn)行結(jié)構(gòu)改性，減少胍膠在水中的表面能從而減少水化時間，但由于相關(guān)產(chǎn)品制備工藝復(fù)雜，通常涉及化學(xué)合成及結(jié)構(gòu)改性，以及運(yùn)輸和后期維護(hù)成本較高，難以在國內(nèi)推廣和使用[15-18]。目前國內(nèi)胍膠壓裂是一種非連續(xù)壓裂技術(shù)，即先讓增稠劑水化完全后再壓裂作業(yè)，這一過程往往需要幾個小時，而罐內(nèi)會有余液殘留，既浪費(fèi)材料，又易造成環(huán)境污染。所以適用于連續(xù)壓裂的壓裂液材料研制成為目前具有經(jīng)濟(jì)效益和廣闊前景的研究方向[19-20]。

針對目前涪陵頁巖氣田平橋南區(qū)塊壓裂的現(xiàn)場情況和需求，對壓裂試劑和工藝進(jìn)行分析和優(yōu)化，通過預(yù)分散處理，研制出一種預(yù)分散速溶胍膠（PGW），能快速溶脹分散，減少水化時間，使膠液能在較短時間達(dá)到最大黏度，再通過連續(xù)混配設(shè)備直接進(jìn)行壓裂作業(yè)，減少材料浪費(fèi)和設(shè)備擱置的時間，形成了一套適用于頁巖氣水平井連續(xù)壓裂液的壓裂液體系。

1 預(yù)分散速溶胍膠（PGW）的研制

1.1 分散體系優(yōu)選

由于羥丙基胍膠分子鏈上的半乳糖和甘露糖成分可通過其羥基與水形成氫鍵，而使羥丙基胍膠溶于水，但由于高分子獨(dú)特的團(tuán)聚效應(yīng)和延時溶脹性使得胍膠干粉在分散體系中易團(tuán)聚、板結(jié)，導(dǎo)致水化時間變長。通過將胍膠干粉進(jìn)行預(yù)分散，能保證胍膠在溶解過程中不易團(tuán)聚、板結(jié)，從而減少水化時間。

在室內(nèi)對各類分散體系進(jìn)行了濃縮比和穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)方法是先測出不同分散體系的黏度，然后在相同體積的分散體系中不斷加入胍膠原粉，直至體系黏度過大無法攪拌，所得胍膠原粉與分散體系的質(zhì)量體積比即為濃縮比，最后放置不同時間，測出樣品上方液體析出體積，計(jì)算出上層液體析出率，從而能直觀得出樣品的穩(wěn)定性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 各類分散體系的濃縮比和穩(wěn)定性對比Table 1 Comparison of concentration ratio and stability of various dispersion systems

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：4種醇類靜置20 min后均開始分層，7 d之后下層板結(jié)，表明這4種醇不適用于分散體系；10#白油和異構(gòu)烷烴濃縮比較高，但本身懸浮性能較差導(dǎo)致后期分層明顯，穩(wěn)定性較差；26#白油穩(wěn)定性較好，但是濃縮比較低；10#白油+異構(gòu)烷烴的體系濃縮比適中，但是黏度較低，后期易分層；26#白油+異構(gòu)烷烴的體系濃縮比、黏度均適中，穩(wěn)定性較好，滿足分散體系要求。

通過上述實(shí)驗(yàn)選取26#白油+異構(gòu)烷烴作為最終的分散體系配方，為了優(yōu)化其配方，在室內(nèi)對不同比例的分散體系進(jìn)行性能檢測，使其能同時兼顧高濃縮比、高穩(wěn)定性和良好的流動性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖1。

圖1 不同配比的分散體系性能對比Fig.1 Performance of disperse system with different proportion

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，異構(gòu)烷烴決定分散體系穩(wěn)定性，其含量越高，穩(wěn)定性越好，但流動性逐漸變差；26#白油決定分散體系濃縮比上限，白油含量越高，濃縮比越大，但體系穩(wěn)定性會逐漸變差；結(jié)合實(shí)驗(yàn)預(yù)期目標(biāo)體系綜合黏度在150 mPa·s、濃縮比在50%左右，選取26#白油∶異構(gòu)烷烴=8.5∶1.5為最終分散體系配比。

1.2 表面活性劑優(yōu)選

由于不同相界面張力不同，隨著時間的推移會導(dǎo)致體系發(fā)生聚沉，從而穩(wěn)定性被破壞，實(shí)驗(yàn)表明表面活性劑的種類和數(shù)量會直接影響膠粒尺寸大小、產(chǎn)品穩(wěn)定性。所以針對分散體系、不同濃縮比選擇合適的表面活性劑，能保證PGW的整體穩(wěn)定性及后期水溶液的穩(wěn)定性。室內(nèi)對各類表面活性劑進(jìn)行了濃縮比和穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 各類表面活性劑穩(wěn)定性對比Table 2 Stability comparison of various surfactant

通過以上實(shí)驗(yàn)，在相同加量下對其上層液體析出率檢測可以看出，其HLB值（親水親油值）對PGW的穩(wěn)定性有直接關(guān)系，HLB值越大，產(chǎn)品液體析出率越低，穩(wěn)定性越好，所以后期可根據(jù)現(xiàn)場具體需要的HLB值對表面活性劑配方進(jìn)行調(diào)整，根據(jù)平橋南區(qū)塊現(xiàn)場需要，選擇Twen-80為表面活性劑配方。

1.3 配制工藝研究

PGW的配制工藝包括加料順序、攪拌時間、攪拌強(qiáng)度。攪拌時間越長，攪拌強(qiáng)度越大，越有利于胍膠干粉在分散體系中分散，使產(chǎn)品更穩(wěn)定；在室內(nèi)復(fù)配實(shí)驗(yàn)過程中，不同的加料順序，產(chǎn)品的性能也有較大的差異（表3）。

由表3可知：不同的加料順序?qū)Ξa(chǎn)品的最終性能有直接影響，且通過2、4兩種加料順序表明表面活性劑不能放在兩種分散劑中間添加，可能是因?yàn)楸砻婊钚詣┯H油基團(tuán)會與第一個分散劑過度結(jié)合，導(dǎo)致表面活性劑被包裹成油珠，從而使分散體系形成微乳狀態(tài)，破壞其穩(wěn)定性；通過第3種加料順序表明胍膠干粉不能中途添加，因?yàn)榇藭r分散體系并未完全乳化均勻，當(dāng)黏度提升到一定程度后表面活性劑不能完全混合，達(dá)不到最終效果。所以最后的加料順序確定為白油→異構(gòu)烷烴→Twen-80→胍膠干粉。

表3 不同加料順序的對比Table 3 Comparison of different charging sequence

2 預(yù)分散胍膠（PGW）的性能評價(jià)

通過對PGW的水化時間、膠液黏度、抗溫抗剪切性能、交聯(lián)性能、破膠性能及殘?jiān)康燃夹g(shù)指標(biāo)進(jìn)行室內(nèi)評價(jià)實(shí)驗(yàn)，使其具有良好的綜合性能，滿足現(xiàn)場壓裂要求。

2.1 水化時間評價(jià)

通過對0.6%PGW（濃縮比50%）和0.3%胍膠干粉的水化時間和黏度關(guān)系進(jìn)行室內(nèi)評價(jià)，保證其在較短時間內(nèi)達(dá)到規(guī)定黏度，使其能滿足連續(xù)/半連續(xù)壓裂的前提條件，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖2。

圖2 PGW和胍膠干粉水化時間與黏度的關(guān)系Fig.2 Relationship between viscosity and dissolved time of PGW and guar gum powder

圖2表明，PGW在0.6%加量下，攪拌時間3 min時，在25℃、170 s-1剪切速率下，體系黏度達(dá)36 mPa·s，滿足現(xiàn)場使用條件，攪拌5 min后體系黏度達(dá)到39 mPa·s；而傳統(tǒng)胍膠干粉的黏度達(dá)到39 mPa·s，則需要20 min。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明PGW的水化時間短，體系增黏快，能滿足連續(xù)/半連續(xù)壓裂的條件。

2.2 交聯(lián)性能評價(jià)

為了保障壓裂液膠液的性能，現(xiàn)場通常會采用加入少量交聯(lián)劑(JL-1)，使其保持較高黏度，從而具有良好的攜砂能力，室內(nèi)對PGW進(jìn)行了交聯(lián)性能評價(jià)，測其交聯(lián)后的抗溫抗剪切性能（圖3、圖4），并和胍膠干粉的抗溫抗剪切性能（圖5）進(jìn)行對比，結(jié)果如下。

圖3 0.6%PGW（濃縮比50%）+0.3%JL-1的抗溫抗剪切性能Fig.3 Heat resistance and ability of shear resistance of 0.6%PGW（concentration ratio of 50%）+0.3%JL-1

圖4 0.6%PGW（濃縮比50%）+0.3%JL-1+0.02%NaOH的抗溫抗剪切性能Fig.4 Heat resistance and ability of shear resistance of 0.6%PGW（concentration ratio of 50%）+0.3%JL-1+0.02%NaOH

圖5 0.3%胍膠干粉+0.3%JL-1的抗溫抗剪切性能Fig.5 Heat resistance and ability of shear resistance of 0.3%guar gum powder+0.3%JL-1

實(shí)驗(yàn)表明，隨著溫度上升至90℃左右（藍(lán)線），各組分的黏度逐漸降低并穩(wěn)定（紅線）。胍膠干粉在90℃下剪切90 min后的黏度為48 mPa·s左右；PGW在同等條件下剪切120 min后的黏度達(dá)80 mPa·s左右，完全滿足現(xiàn)場使用要求；并且在添加0.02%NaOH作為溫度穩(wěn)定劑之后，產(chǎn)品黏度能達(dá)到240 mPa·s。結(jié)果表明PGW具有較好的交聯(lián)性能，并且可根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，合理添加氫氧化鈉，以達(dá)到更高的抗溫性能要求。

2.3 破膠性能及殘?jiān)吭u價(jià)

為了保護(hù)環(huán)境和節(jié)約成本，往往會對交聯(lián)后的膠液進(jìn)行破膠，方便后續(xù)使用和處理，在室內(nèi)對交聯(lián)后的膠液加入0.02%的破膠劑（PJ-1）進(jìn)行破膠性能及殘?jiān)吭u價(jià)實(shí)驗(yàn)，其結(jié)果見表4。

表4 PGW和胍膠干粉的破膠性能、殘?jiān)繉Ρ萒able 4 Comparison of gel breaking property and residue content of PGW and guar gum powder

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，相較于胍膠干粉，PGW能較快速破膠，最終破膠后黏度為3 mPa·s，殘?jiān)繛?60 mg/L，總體上能達(dá)到膠液破膠性能要求，滿足現(xiàn)場使用。

2.4 破膠后返排液重復(fù)利用性能評價(jià)

壓裂現(xiàn)場水源比較難保障，所以為了保證水源充足和保護(hù)環(huán)境，破膠后的返排液需要用于再次配液重復(fù)利用，室內(nèi)進(jìn)行了破膠液再配液性能評價(jià)試驗(yàn)，在破膠后液體中加入0.6%PGW（濃縮比50%），檢測其黏度隨時間的變化情況，并和清水所配膠液進(jìn)行對比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖6。

圖6 破膠液和清水配制膠液性能對比Fig.6 Comparison of properties of gel fracturing fluid with gel breaking liquid and water

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，破膠液+0.6 %PGW（濃縮比50%）的黏度與清水+0.6%PGW（濃縮比50%）的黏度相差不大，體系黏度均在現(xiàn)場使用要求范圍內(nèi)，說明PGW中的白油和異構(gòu)烷烴對膠液性能影響不大，但由于室內(nèi)實(shí)驗(yàn)不存在其他離子和懸浮顆粒，而現(xiàn)場返排液的Ca2+、Mg2+、Cl-離子含量較高，并且會含有大量懸浮顆粒，所以在現(xiàn)場使用時要根據(jù)實(shí)際情況添加適量殺菌劑、絮凝劑等處理劑，保證膠液性能。

3 現(xiàn)場應(yīng)用情況

為評價(jià)PGW的綜合性能，在涪陵頁巖氣田平橋南區(qū)塊的205平臺205-1HF井進(jìn)行了現(xiàn)場性能試驗(yàn)。使用現(xiàn)場處理后的壓裂返排水按照0.6%PGW的加量進(jìn)行配液，7 min達(dá)到最高黏度，最高黏度為39 mPa·s，滿足現(xiàn)場壓裂需求。該井一共壓裂試驗(yàn)16段，產(chǎn)品用量共10.32 t，配制膠液1 568 m3，平均黏度36 mPa·s，地層壓力70～80 MPa，攜砂性能良好，未出現(xiàn)沉砂、卡砂等異常情況，相較于同平臺井使用增稠劑的設(shè)計(jì)用量，實(shí)際使用量減少1.68 t，達(dá)到了降本增效的目的。

在平橋南地區(qū)202平臺202-2HF井和202-3HF井進(jìn)行了連續(xù)壓裂試驗(yàn)，壓裂進(jìn)度由原來平均每天壓裂2段提升至每天平均壓裂3～4段。目前涪陵頁巖氣區(qū)塊共對12口井使用了速溶胍膠，一共用量176 t，膠液配量29 200 m3，綜合經(jīng)濟(jì)指標(biāo)見表5。

表5 綜合經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對比Table 5 Comparison of comprehensive economic indicators

由表5可知，相較于之前使用的傳統(tǒng)胍膠干粉壓裂液，速溶胍膠PGW壓裂液的壓裂周期縮短了33.3%以上，當(dāng)量平均價(jià)格148元/m3，相較于之前胍膠干粉配成膠液價(jià)格（220元/m3）降低了32.7 %左右，節(jié)約壓裂成本約221×104元，壓裂成功率達(dá)100%，實(shí)現(xiàn)了降本增效的目的。

4 結(jié)論

1）速溶胍膠（PGW）穩(wěn)定性好（30 d無明顯分層）、濃縮比高（大于50%）、水化時間短（5 min達(dá)到黏度）、生產(chǎn)工藝簡單、交聯(lián)性能及破膠性能良好，具有較好的綜合性能，為今后連續(xù)/半連續(xù)壓裂提供了技術(shù)支撐。

2）膠液破膠后的破膠液配制的膠液性能良好，說明異構(gòu)烷烴和白油對破膠后的液體性能沒有不良影響，可用于再次配液。

3）速溶胍膠（PGW）現(xiàn)場應(yīng)用情況良好，實(shí)際黏度能滿足現(xiàn)場壓裂工藝要求，攜砂性能良好，縮短了壓裂周期，減少了增稠劑用量，膠液當(dāng)量價(jià)格下降了32.7 %左右，降低了壓裂成本，實(shí)現(xiàn)了降本增效的目的。