羧甲基香豆膠壓裂液在乾安油田的研究與應用

2014-10-08 13:39:18何定凱

精細石油化工進展 2014年4期

何定凱

(吉林油田采油工藝研究院，吉林松原 138000)

乾安油田具有低孔、低滲、低豐度特征，單井自然產能低，絕大多數油井都需要壓裂改造才能獲得高產。2011年起國內外胍膠價格猛漲，制約了吉林油田壓裂施工的順利進行。為此，開發了羧甲基香豆膠壓裂液。

香豆膠外觀為淡黃色粉末，含有87.03%的膠質(半乳甘露聚糖)，有較強的耐熱穩定性，其分解溫度大于250℃。紅外光譜分析結果表明，香豆膠分子中半乳甘露聚糖的組成比約為1∶1.2;用黏度計法測得其相對分子質量為25×104～30×104。通過化學改性，在香豆膠分子結構單元(見圖1)中引入羧甲基基團，可以提高香豆膠的水溶性和穩定性，使香豆膠的綜合性能更加優異［1－2］。

圖1 香豆膠分子結構單元

1 實驗部分

1.1 原料和儀器

羧甲基香豆膠 xy－111，交聯劑 xy－112，交聯促進劑xy－113，黏土穩定劑xy－114，助排劑xy－115，過硫酸銨，均為工業級。

Haake MARSⅢ流變儀，TDL－5C低速臺式大容量離心機，電熱恒溫三用水箱，電熱恒溫干燥箱，ZKA電動攪拌器，六速黏度計，JYW－200B自動張力儀，YXPXY－HC型高溫高壓膨脹儀。

1.2 實驗方法

依據中國石油天然氣行業標準《SY/T 5107—2005水基壓裂液性能評價方法》和《SY/T 6376—1998壓裂液通用技術條件》，對羧甲基香豆膠壓裂液性能進行全面評價。

2 羧甲基香豆膠壓裂液性能評價

2.1 壓裂液基液的表觀黏度與時間的關系

用六速旋轉黏度計，在100 r/min下測量一定時間內0.4%羧甲基香豆膠XY－111溶液的表觀黏度，結果見圖2。隨著時間延長，羧甲基香豆膠XY－111溶液的表觀黏度增加;當溶脹時間為20 min時，其表觀黏度達到最大，為33 mPa·s，較0.4%羥丙基胍膠壓裂液的表觀黏度低。

圖2 壓裂液基液表觀黏度與時間的關系曲線

2.2 壓裂液的耐溫耐剪切性能評價

在90℃、170 s－1剪切速率下，剪切90 min后，羧甲基香豆膠壓裂液的表觀黏度為115 mPa·s(見圖3)。根據《SY/T 6376—1998壓裂液通用技術條件》中表觀黏度大于50 mPa·s合格，因此，羧甲基香豆膠壓裂液能滿足90℃儲層壓裂攜砂需求。

圖3 壓裂液耐溫耐剪切實驗結果

2.3 壓裂液黏彈性能

壓裂液黏彈性能是評價壓裂液攜砂性能的重要指標之一。測量的方法是用流變儀進行靜態剪切速率掃描和動態頻率掃描。高分子在受到外力作用時，既具有彈性響應(即彈性形變)，同時也具有黏性響應(即黏性流動)，這一現象稱之為黏彈性。儲能模量又稱為彈性模量，是指材料在發生形變時，由于彈性(可逆)形變而儲存的能量，反映的是材料彈性大小。損耗模量又稱黏性模量，是指材料在發生形變時，由于黏性形變(不可逆)而損耗的能量，反映的是材料黏性大小。代表彈性的儲能模量(G')取決于壓裂液體系的交聯結構，代表黏性的儲能模量(G″)取決于植物膠的基本性能［3－4］。

根據應力和頻率掃描結果看，0.4%香豆膠壓裂液彈性區范圍:應力0.5 ～2 Pa，頻率 0.1 ～0.4 Hz。測得儲能模量G'=10.5 Pa，耗能模量G″=0.42 Pa，儲能模量遠遠大于耗能模量，證明該壓裂液是黏彈性體，主要以彈性攜砂為主。

2.4 壓裂液靜態濾失性能

壓裂液靜態濾失性能是衡量壓裂液效率和在裂縫內漏失量的主要指標。壓裂液濾失系數與該液體特性、油層巖性及油層所含流體的特性有關。壓裂液濾失系數越低，說明在壓裂過程中其濾失量也越低。因此在同一排量條件下，可以壓出較大的裂縫面積，并將濾失傷害降到最低［5］。

羧甲基香豆膠壓裂液靜態濾失實驗結果見表1。其靜態濾失系數為6.60 ×10－4m/min0.5，比羥丙基胍膠壓裂液靜態濾失系數大。因此，羧甲基香豆膠壓裂液壓裂施工進入地層后，濾失大，液體效率較羥丙基胍膠壓裂液低。

表1 靜態濾失實驗結果

2.5 壓裂液破膠性能

在一定濃度的100 mL羧甲基香豆膠基液中，加入一定量的過硫酸銨破膠劑，攪拌均勻后加入交聯劑，配制成壓裂液凍膠。在不同的水浴條件下進行靜態破膠實驗，結果見表2。羧甲基香豆膠壓裂液凍膠的破膠時間滿足SY/T 6376—2008壓裂液通用技術條件要求。現場應用時應控制破膠劑的添加量，防止水化過快或不破膠。當破膠劑過硫酸銨添加量(質量分數)達到0.8‰，膠體性能變差，因此加入量應小于0.8‰。在低溫井中壓裂液破膠難度加大，應適當加入一定量的三乙醇胺。

表2 壓裂液破膠實驗結果

壓裂施工結束，壓裂液破膠液返排。由于地層的低滲透性和低孔隙性，毛管力束縛部分水在儲層中，使壓裂液返排困難，對儲層損害更大。侵入基巖的壓裂液會增加水飽和度，降低油氣的相對滲透率，從而造成水鎖。根據毛管力公式:

式中，Pc為油水間毛細管力，mN;δ為油水間的界面張力，mN/m;θ為油水間接觸角;γ為毛細管半徑，m。

因此，降低δ和θ有助于降低毛管力，從而提高壓裂液的返排率。根據《SY/T 5107—2005水基壓裂液性能評價方法》，將破膠液離心，倒出上層清液進行表面張力/界面張力測定。測試結果為:表面張力 25.93 mN/m，界面張力 1.89 mN/m，接觸角51℃。該壓裂液表面張力、界面張力較低，有助于解除水鎖，有利于壓裂液返排。

2.6 壓裂液防膨性能

乾安油田主力儲層以砂巖為主，其黏土含量一般在10% ～25%，壓裂液進入地層，如不進行有效的儲層保護，會對儲層傷害特別大。為此，在壓裂液中加入黏土防膨劑，利用黏土表面化學離子交換的特點，用黏土穩定劑改變結合離子而改變其理化性質，或破壞其離子交換能力，或破壞雙電層離子氛之間的斥力，達到防止黏土水合膨脹或分散遷移的效果［6］。

根據《SY/T 5971—1994注水用黏土穩定劑性能評價方法》，通過測定膨潤土粉在水中膨脹體積(V1)和在黏土穩定劑溶液中的膨脹體積(V2)，評價防膨率(B)。