可逆交聯聚合物壓裂液流變及懸砂性能研究

杜濤，姚奕明，蔣廷學，張旭東，馬鵬，聶育志

(中國石化石油工程技術研究院，北京 100101)

可逆交聯聚合物壓裂液具有耐溫、耐鹽和耐剪切性能好、濾失量少、破膠后幾乎無殘渣、壓裂液濾液對巖心基質傷害小等優點，國內外學者一直十分關注該領域的研究［1-5］。壓裂液流變及懸砂性能是決定壓裂施工是否成功的關鍵因素［6］，壓裂液攜帶支撐劑在地層裂縫作水平移動時顆粒會發生沉降［7］，沉降速度衡量壓裂液的懸砂性能。國外報道認為，壓裂液靜態懸砂實驗中支撐劑的自然沉降速率小于8 ×10－3mm/s 時，懸砂性能較好［8］。行業標準［9-10］介紹了壓裂液各項性能評價方法及指標要求，但是唯獨沒有涉及壓裂液懸砂性能測定方法及指標要求。文獻［6］介紹了瓜膠和清潔壓裂液懸砂性能，但是詳細介紹可逆交聯聚合物壓裂液懸砂性能的文獻未見報道。本研究以SRFP-1 增稠劑、SRFC-1 交聯劑和KCl 工業品為原料制備可逆交聯聚合物壓裂液SRFP;評價了該壓裂液體系在100 ～160 ℃流變性能;以20/40 目陶粒為研究對象開展壓裂液靜態懸砂實驗;采用單顆粒法和砂比法，考察了不同配方SRFP 壓裂液懸砂性能;比較了SRFP 壓裂液與3 種不同廠家生產的聚合物壓裂液的懸砂性能。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

SRFP-1 增稠劑、SRFC-1 交聯劑均為工業品;氯化鉀、過硫酸銨均為分析純;20/40 目陶粒支撐劑。

HAAKE MARS III 型流變儀;IKA RW20 digital數顯型頂置式機械攪拌器;ZNN-D12 型數顯旋轉粘度計;秒表。

1.2 SRFP 壓裂液基液及凍膠制備

向一定量的水中加入1% 的KCl，充分攪拌2 min，再加入0.4% ～0.6% SRFP-1 增稠劑，充分攪拌5 ～10 min，制備SRFP 壓裂液基液。向上述基液中加入0. 16% ～0. 3% SRFC-1 交聯劑，攪拌1 min，形成耐100 ～160 ℃的SRFP 壓裂液。利用ZNN-D12 型數顯旋轉粘度計測定不同濃度條件下的SRFP 壓裂液基液及凍膠粘度，結果見表1。

表1 SRFP 壓裂液基液及凍膠粘度Table 1 The viscosity of base fluid and cross-linked fluid for SRFP

1.3 SRFP 壓裂液流變實驗

采用HAAKE MARS III 型流變儀評價壓裂液的流變性能，流變儀程序設定分以下3 步:①25 ℃穩定5 min;②以3 ℃/min 的升溫速率從25 ℃開始升溫至實驗溫度;③穩定實驗溫度直至實驗結束。按照石油天然氣行業標準SY/T 5107—2005《水基壓裂液性能評價方法》進行SRFP 壓裂液流變性能評價［9］。

1.4 單顆粒法評價SRFP 壓裂液懸砂實驗

向250 mL 量筒中裝入100 mL SRFP 壓裂液，用直尺測量液面高度h，將隨機篩選的20 粒陶粒置于壓裂液中，用秒表記錄最先到達量筒底部陶粒的沉降時間t，計算單顆粒陶粒沉降速度。

1.5 砂比法評價SRFP 壓裂液懸砂實驗

向250 mL 量筒中裝入100 mL SRFP 壓裂液，將一定砂比的陶粒置于壓裂液中，用直尺測量液面高度h，用秒表記錄陶粒完全沉降的時間t，計算一定砂比陶粒沉降速度。

2 結果與討論

2.1 壓裂液流變實驗

按照1.2 節實驗步驟配制不同溫度配方的SRFP 壓裂液體系，按照1. 3 節實驗步驟開展100 ～160 ℃流變實驗，結果見圖1 ～圖4。由圖1 ～圖4可知，通過改變SRFP-1 增稠劑濃度和SRFC-1 交聯劑濃度，可以滿足100 ～160 ℃壓裂施工需求。當溫度為100 ～160 ℃，170 s－1，剪切2 h 后的粘度平均值分別為71.4，57.4，51.3，53.8 mPa·s，符合文獻［9］行業標準要求。結果表明，SRFP 壓裂液體系具備較好的流變性能。

圖1 SRFP 壓裂液表觀粘度隨剪切時間的變化規律(100 ℃)Fig.1 The effect of shear time on apparent viscosity for SRFP fracturing fluid at 100 ℃

圖2 SRFP 壓裂液表觀粘度隨剪切時間的變化規律(120 ℃)Fig.2 The effect of shear time on apparent viscosity for SRFP fracturing fluid at 120 ℃

圖3 SRFP 壓裂液表觀粘度隨剪切時間的 變化規律(140 ℃) Fig.3 The effect of shear time on apparent viscosity for SRFP fracturing fluid at 140 ℃

圖4 SRFP 壓裂液表觀粘度隨剪切時間的變化規律(160 ℃)Fig.4 The effect of shear time on apparent viscosity for SRFP fracturing fluid at 160 ℃

2.2 單顆粒和砂比法評價不同溫度配方壓裂液懸砂性能

按照1.2 節實驗步驟配制不同溫度配方的SRFP 壓裂液體系。本研究采用單顆粒法和砂比法評價100 ～160 ℃SRFP 壓裂液體系懸砂性能，結果見表2。

表2 單顆粒法和砂比法評價不同溫度配方壓裂液懸砂性能Table 2 The proppant-carrying capacity of different formula for fracturing fluids by single-particle method and sand-ratio method

由表2 可知，兩種方法測定SRFP 壓裂液沉降速度均小于8 ×10－3mm/s，符合文獻［8］技術指標要求?？傮w而言，同一溫度配方，砂比越高，越容易沉降;同一砂比，耐溫越高的配方，懸砂性能越好，這是因為不同溫度配方的SRFP 壓裂液體系，凍膠表觀粘度存在一定的差異，凍膠表觀粘度越高，壓裂液懸砂性能越好。

2.3 不同廠家生產聚合物壓裂液懸砂實驗

保持增稠劑濃度0.5%，交聯劑濃度0.2%和KCl 含量1%不變，選擇市售A、B 和C 壓裂液作為研究對象。在相同實驗條件下比較上述3 種壓裂液體系與SRFP 壓裂液體系的懸砂性能，結果見表3。

表3 4 種不同聚合物壓裂液懸砂性能比較Table 3 The comparison of proppant-carrying capacity for four different kinds of fracturing fluids

由表3 可知，采用單顆粒方法，4 種壓裂液單顆粒沉降速率均小于8 ×10－3mm/s，符合文獻［8］技術指標要求;采用砂比法，40%砂比沉降速度大小順序為:B 壓裂液＞A 壓裂液＞C 壓裂液＞SRFP 壓裂液，即4 種壓裂液懸砂性能大小順序為:SRFP 壓裂液＞C 壓裂液＞A 壓裂液＞B 壓裂液。以沉降速率小于8 ×10－3mm/s 作為評價依據，SRFP 壓裂液滿足技術指標要求，C 壓裂液與技術指標基本相當，A和B 壓裂液不符合技術指標要求。結果表明，SRFP壓裂液的懸砂性能好于其它3 種聚合物壓裂液。

3 結論

(1)當溫度為100 ～160 ℃，170 s－1，剪切2 h 后的粘度平均值分別為71.4，57.4，51.3，53.8 mPa·s，SRFP 壓裂液體系具備較好的流變性能。

(2)采用單顆粒法和砂比法，SRFP 壓裂液沉降速度均小于8 ×10－3mm/s;4 種聚合物壓裂液相比較，SRFP 壓裂液懸砂性能最好，C 壓裂液次之，A 和B 壓裂液較差。

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