耐高溫乳液稠化劑壓裂液的制備及性能研究

王麗偉，高 瑩，徐敏杰，楊戰(zhàn)偉，王 遼

(中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083)

近年來，隨著國內(nèi)外頁巖油氣儲(chǔ)層、致密油氣儲(chǔ)層等大規(guī)模開發(fā)，滑溜水技術(shù)得到長足發(fā)展[1-3]。早期的滑溜水技術(shù)主要采用胍膠作為降阻劑，但胍膠濃度較低時(shí)攜帶支撐劑能力有限，降阻率通常低于70%。目前滑溜水技術(shù)采用的降阻劑以聚丙烯酰胺類為主，有粉末狀和乳液型2種類型。粉末狀的聚丙烯酰胺便于儲(chǔ)存和運(yùn)輸，合成工藝成熟，降阻率高[4]，但粉末溶解速度較慢，容易發(fā)生溶脹不充分的現(xiàn)象，需要配備在線連續(xù)混配裝置[5-6]。乳液降阻劑一般屬于微米級(jí)，能夠快速溶于水中，有W/O反相聚合物降阻劑和W/W分散聚合物降阻劑2種類型[7-11]。無論是粉末狀還是乳液型降阻劑，攜砂性能均較差，需要較高的泵注排量補(bǔ)償，滿足不了耐高溫、高攜砂性能的要求。

乳液稠化劑壓裂液也被稱為一體化壓裂液、免配壓裂液、一劑多能乳液聚合物壓裂液等[12-14]。乳液稠化劑可以實(shí)現(xiàn)在線連續(xù)施工、直接加入混砂車、快速起黏，并具有良好的黏彈性。通過用量變化可實(shí)現(xiàn)從滑溜水到攜砂液連續(xù)制備。有的乳液聚合物壓裂液還需要添加交聯(lián)劑實(shí)現(xiàn)更好的耐溫耐剪切性能和攜砂性能。乳液聚合物壓裂液既不需要提前配液，也不需要連續(xù)混配車，大大降低施工作業(yè)成本，且可應(yīng)用于多種油氣藏，是未來的發(fā)展方向。

乳液聚合物壓裂液耐溫性能通常只有110 ℃，最高達(dá)140 ℃[15]，滿足不了深層油氣藏的改造需求。為此，筆者研制了耐高溫乳液稠化劑壓裂液，最高耐溫可達(dá)180 ℃，且具有良好的攜砂性能。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材料與儀器

丙烯酰胺(AM)、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)、甲基丙烯酸酯、丙烯酸十八酯、白油、聚乙二醇醚、Span80、過硫酸銨、亞硫酸氫鈉、氫氧化鈉，分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

RS6000流變儀，德國賽默飛；ZNN-D6六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)，青島海通達(dá)專用儀器有限公司；高溫高壓靜態(tài)濾失儀，美國OFI；恒溫干燥箱，上海理濤自動(dòng)化科技有限公司；VSA2000B吳茵混調(diào)器，北京探礦工程研究所；S4800掃描電鏡，日立公司；冷凍轉(zhuǎn)移裝置ALTO2500，GATAN公司；巖心流動(dòng)實(shí)驗(yàn)儀，中國石油大學(xué)(華東)。

1.2 乳液稠化劑FA16的合成

設(shè)計(jì)思路：根據(jù)乳液稠化劑性能要求，在聚丙烯酰胺分子上引入丙烯酸酯提高抗鹽性能；引入疏水單體提高溶解性能；加入雙烯基單體，提高乳液耐溫性能；加入白油、Span80、聚乙二醇醚形成乳液，同時(shí)提高乳液穩(wěn)定性、稠化劑黏彈性、降低表界面張力。

合成過程：首先制備水相和油相，水相主要由AM、AMPS、丙烯酸酯、雙烯基單體、引發(fā)劑及鏈轉(zhuǎn)移劑等組成；油相主要由白油、聚乙二醇醚、Span80和引發(fā)劑組成。然后保持一定溫度，將水相緩慢加入到油相中，同時(shí)通入保護(hù)劑，反應(yīng)1 h，得到反相乳液聚合物，即耐高溫自交聯(lián)乳液稠化劑FA16。

1.3 耐高溫乳液稠化劑壓裂液的制備

量取500 mL清水倒入混調(diào)器，在攪拌下，用注射器量取一定量的乳液稠化劑，快速加入水中，攪拌1 min，取出備用。

1.4 性能評(píng)價(jià)方法

評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)按照SY/T 5107—2016《水基壓裂液性能評(píng)價(jià)方法》進(jìn)行測試。

對(duì)于低于120 ℃儲(chǔ)層，使用的乳液稠化劑為FA16-1型，稠化劑中不含交聯(lián)劑組分；對(duì)于120～180 ℃儲(chǔ)層，使用的乳液稠化劑為FA16-2型，稠化劑中含交聯(lián)劑組分，可滿足耐中高溫的需求。

2 耐高溫乳液稠化劑壓裂液的性能評(píng)價(jià)

2.1 溶解性及耐溫性

表1是不同含量乳液稠化劑壓裂液黏度。由表1可知，在30 s時(shí)，黏度達(dá)到最高黏度的90%以上，遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)中粉末類降阻劑連續(xù)混配滑溜水的溶解時(shí)間(小于5 min)。說明FA16具有良好的溶解性能，無須連續(xù)混配裝置，可滿足壓裂施工即配即用的要求。

表1 不同含量乳液稠化劑壓裂液黏度

乳液稠化劑壓裂液耐溫性能見圖1和圖2。當(dāng)乳液稠化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于0.2%時(shí)，可作為滑溜水使用；0.6%～1.0%時(shí)，可作為90～120 ℃攜砂液使用；1.0%～1.5%時(shí)，可作為120～180 ℃攜砂液使用。由圖2可知，在120 ℃以上時(shí)，乳液稠化劑中含有雙烯基組分，黏度的大幅升高可受溫度控制，實(shí)現(xiàn)溫控交聯(lián)，降低施工摩阻。

圖1 乳液稠化劑壓裂液耐溫耐剪切曲線

圖2 乳液稠化劑壓裂液耐溫耐剪切曲線

2.2 微觀結(jié)構(gòu)

圖3為壓裂液微觀形貌。

圖3 乳液稠化劑壓裂液微觀結(jié)構(gòu)

從圖3可以看出，當(dāng)乳液稠化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%時(shí)，可以觀察到大部分都是水，沒有形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，該濃度下可作為滑溜水使用，攜砂性能有限，需要大排量注入彌補(bǔ)攜砂不足的問題。當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%時(shí)，可觀測到明顯的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，具有較好的黏彈性能，可作為攜砂液使用，不再受排量的限制，但耐溫性能有限；當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.2%時(shí)，乳液稠化劑含有雙烯基組分，由冷凍掃描電鏡圖片可見類似支架結(jié)構(gòu)連接聚丙烯酰胺的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使其在溫度和剪切的雙重作用下具有更好的耐溫和攜砂性能，滿足壓裂液耐高溫的需求。

2.3 黏彈性及攜砂性能

所制備乳液稠化劑壓裂液不僅具有表面活性劑壓裂液的黏彈性特點(diǎn)，還兼具交聯(lián)壓裂液的耐高溫優(yōu)勢，具有更好的黏彈性和攜砂性能，見表2。由表2可知，乳液稠化劑壓裂液具有更強(qiáng)的儲(chǔ)能模量和耗能模量。在0.6%乳液稠化劑中，加入體積分?jǐn)?shù)30%的中密度陶粒進(jìn)行支撐劑沉降實(shí)驗(yàn)，在室溫或90 ℃條件下，30 min后未見明顯沉降。

表2 乳液稠化劑壓裂液黏彈性參數(shù)(20 ℃)及支撐劑懸浮性能

2.4 低傷害性能

乳液稠化劑是聚丙烯酰胺和表面活性劑的特殊締合物。與植物膠壓裂液相比，采用過硫酸銨徹底破膠后，黏度低于3 mPa·s，殘?jiān)績H為18～42 mg/L，有利于降低殘?jiān)八蝗芪飳?duì)儲(chǔ)層的傷害。實(shí)驗(yàn)測得巖心在滑溜水傷害前后的傷害率為6.98%，巖心在破膠液傷害前后的傷害率為13.56%，傷害率均低于15%，對(duì)儲(chǔ)層傷害較小。針對(duì)180 ℃壓裂液配方，開展了壓裂液濾失性能測試，見表3。由表3可見，壓裂液濾失系數(shù)在10-4數(shù)量級(jí)，濾失量較小，濾失傷害較低。

表3 壓裂液的濾失性能

2.5 現(xiàn)場應(yīng)用情況

2021年，應(yīng)用該壓裂液技術(shù)在某油田進(jìn)行5口井先導(dǎo)性實(shí)驗(yàn)，溫度90～170 ℃。采用了低濃度滑溜水+高濃度攜砂液變濃度連續(xù)施工，施工排量7～12 m3/min，前置液采用滑溜水，段塞、連續(xù)加砂階段采用高濃度攜砂液，乳液稠化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.1%～1.5%，通過改變泵注排量，實(shí)現(xiàn)了滑溜水到膠液的無障礙轉(zhuǎn)換。施工成功率100%，支撐劑為70/100目石英砂+30/50陶粒，支撐劑體積分?jǐn)?shù)5%～30%。壓后放噴返排液黏度低于3 mPa·s，壓后產(chǎn)量與鄰井對(duì)比提高30%，儲(chǔ)層改造效果良好。

3 結(jié) 論

a.針對(duì)目前非常規(guī)、深層、頁巖油氣等儲(chǔ)層的大規(guī)模開發(fā)，研發(fā)的耐高溫乳液稠化劑壓裂液不僅實(shí)現(xiàn)了在線免配、降本增效的目的，還能夠滿足耐高溫高攜砂的壓裂液性能。

b.耐高溫免配壓裂液在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%～0.2%時(shí)，可以作為滑溜水使用；在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%～1.5%時(shí)，可作為90～180 ℃攜砂液使用。該體系具有添加劑種類少、使用方便、高黏彈性、耐高溫、低摩阻及低傷害等特點(diǎn)?，F(xiàn)場應(yīng)用增產(chǎn)效果顯著，滿足目前大規(guī)模體積改造工藝的要求。

c.耐高溫乳液稠化劑屬于微米級(jí)液體，作為壓裂液在油田中的初步應(yīng)用展現(xiàn)出諸多優(yōu)勢，是壓裂液技術(shù)的發(fā)展方向。