在線聚合物壓裂液的研究與應(yīng)用

崔會(huì)杰， 崔艷昭， 曹景芝， 邱守美， 張麗娜， 吳友梅

目前，國(guó)內(nèi)外使用的壓裂液大多為水基壓裂液， 大致可分為3種類型：天然植物膠壓裂液、VES清潔壓裂液、合成聚合物壓裂液，其中使用最多的為瓜膠及其改性壓裂液[1-2]。但是水基壓裂液在配液及施工工藝方面仍存在不足：①一般都是先配制好，再施工，工序比較繁瑣、效率低，需要有一定的富余量，過(guò)期變質(zhì)導(dǎo)致大量的浪費(fèi)，還會(huì)造成廢液處理困難，污染環(huán)境；②植物膠壓裂液含有殘?jiān)瑢?duì)地層與支撐裂縫有傷害；而且堿性交聯(lián)環(huán)境會(huì)對(duì)堿敏性儲(chǔ)層造成較大的傷害，導(dǎo)致壓裂效果變差[3]；③VES表面活性劑清潔壓裂液耐溫性能差、成本高[4-8]。利用超支分子化學(xué)和結(jié)構(gòu)流體流變學(xué)理論研制出具有“可逆結(jié)構(gòu)”的壓裂液體系成為了研究方向。它是通過(guò)溶液分子間的非共價(jià)鍵（靜電作用、氫鍵、疏水締合效應(yīng)等）發(fā)生相互作用，從而形成一個(gè)可逆的空間網(wǎng)狀而達(dá)到增黏的目的[9]。基于該理論，利用陰離子聚丙烯酰胺與陽(yáng)離子表面活性劑分子間的靜電吸引作用，在不使化學(xué)交聯(lián)情況下即起到增黏的效果，再通過(guò)優(yōu)選對(duì)陰離子聚丙烯酰胺分散與增溶效果好的表面活性劑，研制開(kāi)發(fā)出了一種在線聚合物壓裂液體系,對(duì)其性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用取得了較好的效果。

1 實(shí)驗(yàn)材料與儀器

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

陰離子改性聚丙烯酰胺，氟碳非離子表面活性劑，十二烷三甲基氯化銨，十六烷三甲基氯化銨，工業(yè)甲醇；過(guò)硫酸銨；陶粒砂、鈉膨潤(rùn)土、煤油等。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

IA21002型電子天平，DK-98-ⅡA型電熱恒溫水浴鍋，76-SA型玻璃水浴，ZNN-D6型旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)，ZNS42-4型高溫高壓濾失儀，HAAKEMARSⅢ流變儀，毛細(xì)管黏度計(jì)，JYW-200A型自動(dòng)界面張力儀，TDL-40B-C型臺(tái)式離心機(jī)，JJ-1型精密增力電動(dòng)攪拌機(jī)，DWG-III型高溫高壓壓裂液傷害儀。

2 在線聚合物壓裂液添加劑的優(yōu)選

2.1 稠化劑

由于陰離子聚丙烯酰胺具有溶解性好、黏度高、無(wú)味、無(wú)毒等特點(diǎn)，可用作壓裂液的稠化劑。聚合物的分子量與水解度對(duì)其性能影響較大[10]，分子量小，則水溶性好、增稠能力差；反之則水溶性差、增稠能力越強(qiáng)。水解度越高，陰離子聚丙烯酰胺的溶解速度越快。優(yōu)選分子量為600萬(wàn)～1 000萬(wàn)、水解度為25%～40%的陰離子聚丙烯酰胺，既能達(dá)到一定的增稠作用，又具有較好的水溶脹性能。

2.2 多效添加劑

根據(jù)靜電吸附理論，優(yōu)選陽(yáng)離子表面活性劑十六烷基三甲基氯化銨與十二烷基三甲基氯化銨作交聯(lián)劑，不僅能使陰離子聚丙烯酰胺分子交聯(lián)在一起，還能吸附在砂巖巖石表面，對(duì)黏土起到較好的防膨穩(wěn)定效果[11]。

優(yōu)選TF281氟碳非離子表面活性劑作助排劑，其不僅表面張力低， 與陽(yáng)離子表面活性劑配伍性好，而且還具有較好的分散、增溶作用，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

為了簡(jiǎn)化配液工序，實(shí)現(xiàn)在線配制壓裂液，壓裂施工前按如下配方配制多效添加劑。該多效添加劑具有交聯(lián)、 防膨、 助排、 洗油、 潤(rùn)濕與增溶作用。

10%TF281氟碳非離子表面活性劑+ 40%十六烷基三甲基氯化銨（含量不小于40%）+ 40%十二烷基三甲基氯化銨（含量不小于40%）+ 10%工業(yè)甲醇

3 在線聚合物壓裂液評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)

3.1 溶脹性能

在500 mL燒杯中加入400 mL清水， 置于電動(dòng)攪拌機(jī)中， 以轉(zhuǎn)速600 r/min攪拌，依次加入2.0 mL多效添加劑與定量的聚合物乳液，用旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測(cè)定膠液在不同時(shí)間點(diǎn)的黏度，結(jié)果見(jiàn)表2。從表2可以看出，在線壓裂液體系為中性，且具有溶脹時(shí)間短、溶脹快的特點(diǎn)，攪拌30 s后黏度不小于60 mPa·s，可實(shí)現(xiàn)在線壓裂的工藝。

表2 膠液在室溫與水溫15 ℃時(shí)的溶脹性能

3.2 攜砂實(shí)驗(yàn)

在15 ℃配制好不同稠化劑濃度的壓裂液，同時(shí)迅速均勻地加入砂比為35%的0.35～0.66 mm陶粒，攪拌均勻后靜置計(jì)時(shí)，在0.5 h、1.0 h、2.0 h后觀察懸砂情況，見(jiàn)圖1。

圖1 不同稠化劑濃度的在線清潔壓裂液的攜砂性能

通過(guò)攜砂實(shí)驗(yàn)可知，稠化劑的濃度越高，懸砂性能越好；當(dāng)稠化劑的濃度不小于1.2%時(shí)，具有較好的攜砂性能，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 在線清潔壓裂液的室溫?cái)y砂實(shí)驗(yàn)

3.3 破膠實(shí)驗(yàn)

按SY/T 5107—2005《水基壓裂液性能評(píng)價(jià)方法》，在溫度不高于90 ℃時(shí)，將配制好的在線壓裂液倒入150 mL錐形瓶中，密封后置于電熱恒溫水浴鍋中進(jìn)行破膠；溫度大于90 ℃時(shí)，將配制好的在線壓裂液倒入高溫高壓濾失儀的不銹鋼桶中，密封后置于高溫高壓濾失儀的加熱套中進(jìn)行破膠。用毛細(xì)管黏度計(jì)測(cè)定放置不同時(shí)間點(diǎn)的膠液黏度（見(jiàn)表4），優(yōu)選出了壓裂液在不同溫度不同時(shí)間內(nèi)破膠所需破膠劑的用量，見(jiàn)表5。

通過(guò)上述破膠實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知：在60～120 ℃條件下，在線聚合物壓裂液破膠時(shí)間可控。為了提高壓裂液的造縫與攜砂能力，確保壓裂施工的成功率與壓后效果，根據(jù)地層溫度優(yōu)選出的破膠劑量，施工時(shí)由小→大按楔形追加破膠劑。

表4 80 ℃壓裂液破膠實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表5 壓裂液在不同溫度不同時(shí)間內(nèi)破膠所需破膠劑的用量

按配方（1.4%稠化劑+0.5%多效添加劑+0.05%過(guò)硫酸銨）配制好壓裂液，在80 ℃破膠2 h，取出冷卻至室溫，用JYW-200A型自動(dòng)界面張力儀測(cè)定破膠液的表面張力與界面張力，測(cè)量數(shù)據(jù)見(jiàn)表6。

表6 破膠液的表（界）面張力、防膨率與殘?jiān)鼘?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.4 流變性實(shí)驗(yàn)

為檢測(cè)在線聚合物壓裂液耐溫耐剪切流變性，用HAAKE-MARSⅢ流變儀在溫度60～120 ℃、剪切速率為170 s-1下進(jìn)行流變實(shí)驗(yàn)。剪切90 min后黏度不小于60 mPa·s，能完全滿足壓裂施工的要求，流變性曲線見(jiàn)圖2。

圖2 不同溫度不同配方在線壓裂液的流變曲線

3.5 對(duì)巖心傷害率的測(cè)定

按SY/T 5107—2005《水基壓裂液性能評(píng)價(jià)方法》，用DWG-III型高溫高壓壓裂液傷害儀，測(cè)定壓裂液對(duì)巖心基質(zhì)滲透率損害率，結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 不同壓裂液對(duì)L44井巖心的傷害實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表7可以看出，壓裂液對(duì)巖心的傷害率與巖心的滲透率有關(guān)，滲透率越低，傷害率越大，在線聚合物壓裂液對(duì)巖心的傷害率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于羥丙基瓜膠壓裂液對(duì)巖心的傷害率。

3.6 壓裂液配方的確定

通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究可以確定出60～120 ℃下，在線聚合物壓裂液系列配方，見(jiàn)表8。由表8可以看出，在線聚合物壓裂液的配方與地層溫度有關(guān)，地層溫度越高，稠化劑的用量越高，過(guò)硫酸銨的用量越低。

表8 不同溫度下在線清潔壓裂液配方表

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

在華北油田使用在線聚合物壓裂液現(xiàn)場(chǎng)施工4口井，壓裂施工時(shí)將陰離子聚丙烯酰胺乳液、多效添加劑與過(guò)硫酸銨通過(guò)計(jì)量泵直接打入混砂車(chē)內(nèi)，與混砂車(chē)中的水、支撐劑混合就能完成壓裂施工，最高砂比可達(dá)50%，成功率100%，取得了較好的壓裂效果，壓后初期4口井平均單井日增原油10.19 t/d，截至2017年5月31日，累計(jì)增產(chǎn)原油1 556 t，施工情況見(jiàn)表9。

表9 在線壓裂液壓裂施工情況表

5 結(jié)論

1.在線聚合物壓裂液攜砂與流變性能好，在60～120 ℃、剪切速率170 s-1條件下連續(xù)剪切90 min黏度不小于60 mPa·s，能完全滿足中高溫（60～130 ℃）儲(chǔ)層壓裂施工的要求。

2.在線聚合物壓裂液體系的pH值呈中性，無(wú)殘?jiān)瑢?duì)地層傷害小。

3.在線聚合物壓裂液隨配隨用，使用多少配制多少，不留殘液，返排液可用來(lái)重新配液，不污染環(huán)境。

4.經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，真正的實(shí)現(xiàn)了操作簡(jiǎn)便、節(jié)約環(huán)保、保護(hù)油藏，增產(chǎn)增效的目的。

[1] 李志瑧，楊旭，涂瑩紅，等.一種聚合物壓裂液稠化劑的性能研究與應(yīng)用[J].鉆井液與完井液，2015，32（5）：78-82.

LI Zhizhen，YANG Xu，TU Yinghong，et al. Study on and application of a polymeric thickening agent for fracturing fluid[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid，2015，32（5）：78-82.

[2]唐瑞江.超細(xì)低傷害加重壓裂液在元壩地區(qū)的應(yīng)用[J].石油鉆采工藝，2015，37（2）：82-84.

TANG Ruijiang. Application of superfine and low damage weighting fracture fluid in Yuanba[J]. Oil Drilling &Production Technology，2015，37（2）：82-84.

[3]崔會(huì)杰，李建平，杜愛(ài)紅，等.低分子量聚合物壓裂液體系的研究與應(yīng)用[J].鉆井液與完井液，2013，30（3）：79-81.

CUI Huijie，LI Jianping，DUAihong，et al. Research and application on low molecular weight polymer fracturing fluid system[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid，2013，30（3）：79-81.

[4]張勁，李林地，張士誠(chéng)，等.一種傷害率極低的陰離子型VES壓裂液的研制及其應(yīng)用[J].油田化學(xué)，2008，25（2）：122-125.

ZHANG Jin，LI Lindi，ZHANG Shicheng，et al.Development of anionic viscoelastic surfactant fracturing fluid causing very low formation damage[J].Oilfield Chemistry，2008，25（2）：122-125.

[5]張鋒三，任婷，張軍濤，等.一種磺酸型表面活性劑壓裂液的研究及應(yīng)用[J].石油鉆采工藝，2015，37（6）：94-97.

ZHANG Fengsan，REN Ting，ZHANG Juntao，et al.Research and application of surfactant fracturing fluid of sulfonic acid type[J].Oil Drilling & Production Technology，2015，37（6）：94-97.

[6]李暉，李勇，郭淑芬，等.國(guó)內(nèi)中高溫提高采收率清潔壓裂液研究與應(yīng)用展望[J].鉆采工藝，2013，36（5）：84-87.

LI Hui，LI Yong，GUO Shufen，et al. Research and application prospect of mid- high temperature clean fracturing fluid for EOR[J]. Drilling & Production Technology，2013，36（5）：84-87.

[7]嚴(yán)志虎，戴彩麗，趙明偉，等.清潔壓裂液的研究與應(yīng)用進(jìn)展[J].油田化學(xué)，2015，32（1）：141-145，150.

YAN Zhihu，DAI Caili，ZHAO Mingwei，et al. Research and application progress of cleaning fracturing fluid[J].Oilfield Chemistry，2015，32（1）：141-145，150.

[8]王佳，李俊華.油田水配制清潔壓裂液的研究及應(yīng)用[J].化學(xué)工程師，2015，29（10）： 44-47.

WANG Jia，LI Junhua. Study and applications of preparing clean fracturing fluid using oilfield water[J].Chemical Engineer，2015，29（10）：44-47.

[9]蔣其輝，蔣官澄，劉沖，等.超支分子壓裂液體系的研制與應(yīng)用[J].鉆井液與完井液，2015，32（5）：73-77.

JIANG Qihui，JIANG Guancheng，LIU Chong， et al.Development and evaluation of supramolecular fracturing fluid[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid，2015，32（5）：73-77.

[10]劉音，常青，于富美，等.聚丙烯酰胺在油田生產(chǎn)中的應(yīng)用[J].石油化工應(yīng)用，2014，33（4）：9-11.

LIU Yin，CHANG Qin，YU Fumei，et al. Application of polyacrylamide in oilfield production[J]. Petrochemical Industry Application，2014，33（4）：9-11.

[11]楊鴻劍，喬愛(ài)新，魏少波.復(fù)合聚丙烯酰胺凝膠性能的研究 [J].新疆石油學(xué)院學(xué)報(bào)，2000，12（3）：43-45.

YANG Hongjian，QIAO Aixin，WEI Shaobo. The property of the compound gel systems of polyacrylamides and cation polymers[J]. Journal of Xin Jiang Petroleum Institute，2000，12（3）：43-45.