MCB 系列微膠囊破膠劑的性能

陳挺，　周勛，　黨偉，　牛增前，　周鳳翔，　楊冀平

MCB 系列微膠囊破膠劑的性能

陳挺，周勛，黨偉，牛增前，周鳳翔，楊冀平

（渤海鉆探工程技術(shù)研究院，天津300280）

陳挺等.MCB系列微膠囊破膠劑的性能［J］.鉆井液與完井液，2016，33（4）：114-116.

為解決水平井分段壓裂過程中前段壓裂液快速破膠的問題，以過硫酸銨為破膠劑，采用乳液聚合法合成2種具有不同囊衣結(jié)構(gòu)的微膠囊破膠劑。測(cè)定了微膠囊破膠劑的有效含量、包埋率、釋放速率及延遲破膠效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，MCB-1、MCB-2兩種微膠囊破膠劑的有效含量分別為38.56%和39.69%，包埋率分別為83.85%和85.89%。與普通市售包蠟?zāi)z囊破膠劑相比，該微膠囊破膠劑的釋放速率較慢。延遲破膠實(shí)驗(yàn)表明，微膠囊破膠劑可以在4 h內(nèi)保持壓裂液的黏度緩慢降低，最終破膠后壓裂液的黏度小于10 mPa·s，顯示出良好的延遲破膠性能，且對(duì)地層滲透率的傷害率小于12%。

微膠囊破膠劑；乳液聚合；過硫酸銨；延遲破膠

隨著技術(shù)的進(jìn)步，水平井多級(jí)分段壓裂技術(shù)在各油田的應(yīng)用越來越廣泛。該技術(shù)要求所有各段中的壓裂液在施工結(jié)束后統(tǒng)一破膠返排出地面［1］。前期壓裂段中的壓裂液停留時(shí)間較長(zhǎng)，在破膠劑的作用下會(huì)化水向地層中擴(kuò)散，其對(duì)地層的二次污染隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而增大。這就需要尋找一種新型的破膠劑來調(diào)控壓裂液的破膠時(shí)間。目前現(xiàn)場(chǎng)施工主要是使用以過硫酸銨為破膠劑、用石蠟包覆的膠囊破膠劑［2］來保證壓裂液的攜砂性。該類型破膠劑的釋放機(jī)理是膜應(yīng)力破裂，在破膠時(shí)間上不能夠達(dá)到人為控制的效果［3］。微膠囊破膠劑［4-5］是近些年來新的發(fā)展方向，其破膠機(jī)理是水分子通過溶脹后的高分子膜進(jìn)入囊心溶解破膠劑，溶解后的破膠劑通過濃度擴(kuò)散流出膠囊外，從而起到破膠作用［6］。筆者介紹的微膠囊破膠劑，采用乳液聚合的方法在過硫酸銨表面將丙烯酰胺類單體聚合，通過選取不同的單體得到不同的囊衣，從而控制水進(jìn)入膠囊內(nèi)部的時(shí)間，最終達(dá)到延遲定時(shí)破膠的目的。

1　微膠囊破膠劑的制備方法

將過硫酸銨溶于水中達(dá)到飽和濃度，并將溶液的pH值調(diào)至強(qiáng)酸性。加入丙烯酰胺類聚合單體，攪拌至完全溶解。水浴加熱至70 ℃，將上述溶液緩慢滴入裝有三氯甲烷的三口燒瓶中，恒溫?cái)嚢? h左右，將獲得的產(chǎn)物過濾，并用無水乙醇洗滌，即可得到微膠囊破膠劑。根據(jù)囊衣結(jié)構(gòu)的不同分別命名為MCB-1和MCB-2。

2　微膠囊破膠劑性能

2.1過硫酸銨的有效含量和包埋率

根據(jù)文獻(xiàn)［7］可知，過硫酸鹽的分解速度與溶液溫度有關(guān)。經(jīng)過推算可知，在10 ℃時(shí)過硫酸銨的分解可以忽略不計(jì)。隨機(jī)取0.100 0 g膠囊破膠劑，碾碎，置于10 ℃的100 mL蒸餾水中，測(cè)定電導(dǎo)率，查出過硫酸銨濃度，計(jì)算過硫酸銨有效含量，如表1所示。計(jì)算5次取樣后的有效含量平均值。通過計(jì)算可知，MCB-1膠囊中過硫酸銨有效含量為38.56%，MCB-2膠囊中過硫酸銨有效含量為39.69%。

表1　過硫酸銨的有效含量測(cè)定結(jié)果

將0.100 0 g微膠囊破膠劑在10 ℃的100 mL蒸餾水中浸泡10 min，用電導(dǎo)率法測(cè)定水中過硫酸銨濃度，計(jì)算溶解的過硫酸銨量，將部分過硫酸銨看作未被包埋的過硫酸銨，求出破膠劑在微膠囊中的包埋率，結(jié)果見表2。由表2可知，MCB-1膠囊中過硫酸銨的包埋率平均值為83.85%，MCB-2膠囊中過硫酸銨的包埋率平均值為85.89%。

2.2過硫酸銨的釋放速度

將精確稱量的100 mL蒸餾水移入配有恒溫夾套的容器中，開動(dòng)攪拌器恒溫一定時(shí)間，測(cè)定空白電導(dǎo)率。加入0.100 0 g微膠囊破膠劑，每隔一定時(shí)間測(cè)定溶液的電導(dǎo)率，結(jié)果見圖1。實(shí)驗(yàn)選取了3種膠囊破膠劑：常規(guī)包覆石蠟?zāi)z囊破膠劑、微膠囊破膠劑MCB-1和MCB-2。由圖1可知，3種膠囊破膠劑的電導(dǎo)率均隨著時(shí)間的增加而增大；包蠟?zāi)z囊破膠劑的初始電導(dǎo)率較高，20 min內(nèi)電導(dǎo)率接近最大值，說明該類型的膠囊破膠劑在較短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到最大釋放率；另外2種膠囊破膠劑的初始電導(dǎo)率較低，隨著時(shí)間的增加，其增大幅度要明顯小于包蠟?zāi)z囊破膠劑；MCB-2在測(cè)試40 min后，其電導(dǎo)率接近最大值；而MCB-1在測(cè)試60 min以后，其電導(dǎo)率接近最大值。說明在10 ℃下，MCB-1破膠劑的緩釋性能更好，可以在更長(zhǎng)的時(shí)間段內(nèi)保證壓裂液不破膠。

表2　破膠劑在微膠囊中的包埋率測(cè)定結(jié)果

圖1　10 ℃下0.1%破膠劑水溶液的電導(dǎo)率曲線

2.3微膠囊破膠劑破膠效果

將濃度為0.45%的羥丙基瓜膠粉末分批加入高速攪拌的容器中，完全溶解后確定沒有“魚眼”現(xiàn)象，再加入0.25%純堿繼續(xù)攪拌一段時(shí)間，邊攪拌邊加入濃度為0.3%的自制超高溫交聯(lián)劑。加入濃度為0.1%的3種膠囊破膠劑后，壓裂液的剪切流變性曲線如圖2所示，測(cè)試溫度為90 ℃。由圖2可知，3種壓裂液在50 min內(nèi)均能夠保持200 mPa·s的剪切黏度，滿足現(xiàn)場(chǎng)壓裂施工的要求。添加普通包蠟?zāi)z囊破膠劑壓裂液的黏度在剪切時(shí)間超過60 min后迅速降低，超過100 min后黏度小于10 mPa·s，而其余2種壓裂液的黏度下降較為緩慢，顯示出更好的緩釋性能。

圖2　不同破膠劑的破膠效果

2.4對(duì)地層巖心滲透率的影響

選取若干塊水測(cè)滲透率為0.02 μm2左右的巖心，按照2.3中方法制備好的壓裂液凍膠注入巖心中，測(cè)量注入前后的水測(cè)滲透率，來比較不同破膠劑對(duì)地層滲透率的影響，結(jié)果見表3。由表3可知，MCB系列微膠囊破膠劑對(duì)地層滲透率的影響較小，能夠降低普通包蠟?zāi)z囊破膠劑傷害率的三分之二以上。這是由于微膠囊破膠劑的囊衣在長(zhǎng)時(shí)間高溫的作用下發(fā)生降解，不會(huì)堵塞孔喉，更容易返排。

表3　不同破膠劑對(duì)地層滲透率的影響（90 ℃）

3　結(jié)論

1.采用乳液聚合法制備的2種微膠囊破膠劑具有較好的緩釋性能，破膠時(shí)間比市售的包蠟?zāi)z囊破膠劑更長(zhǎng)。

2.通過選擇不同的聚合單體作為囊衣，可以達(dá)到調(diào)控破膠時(shí)間的效果，破膠后對(duì)地層巖心的滲透率傷害較小。

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Properties of the MCB series Microcapsule Gel Breaker

CHEN Ting， ZHOU Xun， DANG Wei， NIU Zengqian， ZHOU Fengxiang， YANG Jiping
（Research Institute of Engineering， CNPC Bohai Drilling Engineering Company Limited， Dagang， Tianjin 300280）

In segmented fracturing of horizontal wells， gels of the fracturing fluids are often broken too early for the fluids to function properly. To solve this problem， two micro capsule gel breakers， MCB-1 and MCB-2， with different capsule cloths have been synthesized through emulsion polymerization， using ammonium persulfate as the core. The active contents， percent of encapsulation， rates of release and gel breaking retardation have been measured in laboratory experiments. The active contents of MCB-1 and MCB-2 are 38.56% and 39.69%， respectively， and the rates of encapsulation of MCB-1 and MCB-2 are 83.85% and 85.89%， respectively. Compared with the commercially available encapsulated gel breakers， MCB-1 and MCB-2 have comparatively slow release rates. The experiments also show that MCB-1 and MCB-2 gradually reduce the viscosity of the fracturing fluid in 4 hours， and the viscosity of the fracturing fluid after gel breaking is less than 10 mPa·s， indicating that the synthesized micro capsule gel breakers are effective in slowing down gel breaking， and the impairment of formation permeability caused by these gel breakers is less than 12%.

Micro capsule gel breaker； Emulsion polymerization； Ammonium persulfate； Gel breaking retardation

TE357.12

A

1001-5620（2016）04-0114-03

10.3696/j.issn.1001-5620.2016.04.024

陳挺，1982年生，工程師，博士，畢業(yè)于中國石油大學(xué)（華東）油氣田開發(fā)工程專業(yè)，現(xiàn)在從事酸化壓裂等工作。電話 18202613027；E-mail:15315019827@163.com。

（2016-3-9；HGF=1603F7；編輯付玥穎）