高溫低濃度瓜膠壓裂體系研究

吳 磊

西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院， 西安 710065

鄂爾多斯盆地砂巖氣藏具有高溫低滲透的特點(diǎn)，需要對(duì)儲(chǔ)層進(jìn)行壓裂改造才能獲得產(chǎn)能，介于油藏的特點(diǎn)壓裂液必須具有耐高溫、耐剪切、低傷害、破膠迅速且易返排等特性。因此，需研究?jī)?yōu)選出適合壓裂液體系。目前常用的壓裂液為植物瓜膠及其衍生物壓裂液，植物瓜膠含有6%～8%的水不溶物質(zhì)，會(huì)使壓裂液破膠不徹底，導(dǎo)致最后滯留在地層的殘?jiān)^多，對(duì)地層造成傷害，降低導(dǎo)流能力，嚴(yán)重影響了儲(chǔ)層改造效果[1～5]。植物瓜膠在經(jīng)過(guò)改性后能大幅度地降低水不溶物質(zhì)，并在一定程度上可提高耐溫性能。壓裂施工中常用的羥丙基瓜膠可在100 ℃以上高溫油氣藏應(yīng)用，壓裂液破膠液殘?jiān)枯^高，為保證壓裂作業(yè)壓裂液的耐溫耐剪切性能，通常增加稠化劑用量，從而也會(huì)提高破膠液的殘?jiān)浚瑢?duì)儲(chǔ)層造成的傷害也越大[6]。在120～130 ℃的儲(chǔ)層條件下羥丙基瓜膠濃度需要達(dá)到0.35%～0.5%，有研究表明該濃度的壓裂液對(duì)裂縫導(dǎo)流能力的損害率能夠達(dá)到45%以上[7-8]。為解決高溫油氣藏瓜膠用量大，對(duì)地層造成傷害的問(wèn)題，開展耐高溫低傷害的瓜膠壓裂液體系研究十分必要，降低稠化劑的使用濃度，同時(shí)篩選適宜的壓裂液助劑，優(yōu)化瓜膠壓裂液體系配方，達(dá)到用量少、易返排、低傷害的目的。提高壓裂液對(duì)裂縫導(dǎo)流能力的損害，減少壓裂液滯留于地層的時(shí)間，從而降低對(duì)地層的傷害。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)原料與儀器

羧甲基羥丙基胍膠，昆山油田化學(xué)有限公司；羥丙基胍膠，東營(yíng)金明工貿(mào)有限公司；過(guò)硫酸銨、pH調(diào)節(jié)劑，分析純；交聯(lián)劑G-21，自制；防膨劑JP-10，助排劑LF-12、XL-15、SF-2，均為工業(yè)品。

MCR102流變儀，奧地利Anton Paar公司；品氏玻璃毛細(xì)管黏度計(jì)，上海良晶玻璃儀器廠；L-500低速臺(tái)式離心機(jī)，江東儀器廠；電熱恒溫水浴鍋，北京科偉永興儀器有限公司；101-0AB型電熱鼓風(fēng)干燥箱，天津泰斯特儀器有限公司；磁力攪拌器，上海江星設(shè)備有限公司。

1.2 試驗(yàn)方法

按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5107—2005《水基壓裂液性能評(píng)價(jià)方法》和SY/T 6376—2008《壓裂液通用技術(shù)條件》對(duì)稠化劑、防膨劑、助排劑、交聯(lián)劑進(jìn)行優(yōu)化，確定合適的壓裂液配方，對(duì)配制的壓裂液按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行耐溫耐剪切試驗(yàn)、破膠試驗(yàn)、懸砂試驗(yàn)、殘?jiān)囼?yàn)評(píng)價(jià)。

2 壓裂液配方優(yōu)選

2.1 稠化劑

稠化劑的性能好壞主要是通過(guò)評(píng)價(jià)稠化劑的增稠性、耐溫和耐剪切性。瓜膠壓裂體系是目前使用最廣的壓裂體系，并且經(jīng)濟(jì)性較好，常見的改性瓜膠有羥丙基瓜膠(HPG)、羧甲基瓜膠(CMG)和羧甲基羥丙基瓜膠(CMHPG)。羧甲基羥丙基瓜膠(CMHPG)的主鏈上引入了羧甲基基團(tuán)和羥丙基基團(tuán)，為復(fù)合改性膠體，可使水稠化而獲得較高的黏度，pH使用范圍廣，耐高溫，具有懸砂能力強(qiáng)、低摩阻、膠體穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。與傳統(tǒng)的羥丙基瓜膠(HPG)相比羧甲基羥丙基瓜膠使用濃度低，相同溫度下，所需的稠化劑濃度僅為羥丙基胍膠的1/2[9-10]。為了降低進(jìn)入地層的瓜膠含量，試驗(yàn)選擇羧甲基羥丙基瓜膠。CMHPG與常用HPG性能比較如表1所示，試驗(yàn)顯示羧甲基羥丙基瓜膠壓裂液基液呈弱酸性，與HPG相比基液黏度低，水不溶物質(zhì)大大降低，并且具有更好的水溶性能。

表1 羧甲基羥丙基瓜膠(CMHPG)與羥丙基瓜膠(HPG)性能指標(biāo)

2.2 防膨劑

壓裂液常用防膨劑有鹽類、無(wú)機(jī)聚陽(yáng)離子聚合物、陽(yáng)離子表面活性劑、陽(yáng)離子聚合物、Gemini雙子表面活性劑等，鹽類如KCl作防膨劑使用廣泛，且生產(chǎn)成本較低。用羧甲基羥丙基瓜膠對(duì)濃度較高的陽(yáng)離子型防膨劑敏感，試驗(yàn)選用非陽(yáng)離子防膨劑JP-10。

2.3 助排劑

基于壓裂液對(duì)陽(yáng)離子敏感，壓裂液體系的助排劑選用非陽(yáng)離子的助排劑，試驗(yàn)選取了3種非陽(yáng)離子型表面活性劑進(jìn)行了評(píng)價(jià)，優(yōu)選結(jié)果見表2，試驗(yàn)優(yōu)選助排劑為XL-15。

表2 助排劑性能評(píng)價(jià)

2.4 交聯(lián)劑

選擇合適的交聯(lián)劑會(huì)極大的提高壓裂液體系的耐溫性能，目前常用的水基壓裂液交聯(lián)劑是一些含硼、鈦、鋯、鋁、鉻的化合物或混合物。而瓜膠交聯(lián)劑以有機(jī)硼為主，但有機(jī)硼在140 ℃以上溫度環(huán)境中自身會(huì)發(fā)生反應(yīng)，失去交聯(lián)能力[11-12]。鋯基交聯(lián)劑可交聯(lián)許多聚合物體系，交聯(lián)pH范圍廣，耐溫性好，并且可以延時(shí)交聯(lián)。鋯基的交聯(lián)可以發(fā)生在瓜膠和其衍生物的羥基基團(tuán)或者羧基基團(tuán)上[13-15]。試驗(yàn)選擇有機(jī)硼與有機(jī)鋯復(fù)配交聯(lián)劑高溫交聯(lián)劑G-21，既具有耐高溫性能又具有延遲交聯(lián)性能。充分發(fā)揮了有機(jī)硼交聯(lián)劑的延緩交聯(lián)性能和有機(jī)鋯交聯(lián)劑耐溫高的優(yōu)點(diǎn)。相同濃度的羧甲基羥丙基瓜膠與不同濃度G-21高溫交聯(lián)劑黏溫關(guān)系曲線見圖1。

圖1 不同濃度交聯(lián)劑與黏溫的關(guān)系曲線

由圖1可知，試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示黏度與高溫交聯(lián)劑加入量在一定范圍內(nèi)成正相關(guān)，交聯(lián)劑加入量越大黏度越穩(wěn)定。在150 ℃、170 s-1耐溫耐剪切試驗(yàn)中，交聯(lián)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%時(shí)效果較好，初始黏度在740 mPa·s，經(jīng)過(guò)升溫后1 h的剪切，黏度可保持在180 mPa·s左右，但交聯(lián)劑濃度過(guò)高，會(huì)產(chǎn)生過(guò)交聯(lián)，使壓裂液的抗剪切性變差，濃度過(guò)低，則交聯(lián)不完全，壓裂液的抗溫性變差，試驗(yàn)選擇交聯(lián)劑加量為0.4%。

羧甲基羥丙基壓裂液基本配方為：(0.4%～0.5%)羧甲基羥丙基瓜膠+0.4%助排劑XL-15+0.3%防膨劑JP-10+0.40%交聯(lián)劑G-21+0.1%pH調(diào)節(jié)劑，交聯(lián)比為100∶0.4。

3 結(jié)果與討論

3.1 壓裂液耐溫耐剪切試驗(yàn)

試驗(yàn)分別選取了0.4%，0.45%，0.5%羧甲基羥丙基瓜膠，按配方配置壓裂液后測(cè)試流變性能，試驗(yàn)結(jié)果見圖2。

圖2 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的稠化劑與黏溫的關(guān)系曲線

由圖2可知，不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的CMHPG壓裂液在加熱至150 ℃后，170 s-1下連續(xù)剪切60 min壓裂液黏度隨稠化劑濃度增大而增大，初期黏度較高，剪切15 min左右，黏度下降較快后變穩(wěn)定，凍膠穩(wěn)定性能好，耐溫耐剪切性能強(qiáng)；當(dāng)稠化劑濃度在0.4%時(shí)CMHPG壓裂液黏度穩(wěn)定在80 mPa·s可以滿足150 ℃的油氣井壓裂施工和攜砂要求。

3.2 破膠試驗(yàn)

試驗(yàn)分別按配方：0.4%羧甲基羥丙基瓜膠+0.4%助排劑XL-15+0.3%防膨劑JP-10+0.40%交聯(lián)劑G-21+0.1%pH調(diào)節(jié)劑配置的羧甲基羥丙基瓜裂液和含有相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的羥丙基瓜膠壓裂液裝入廣口瓶中，加入不同濃度的破膠劑置于90 ℃的恒溫水浴中，定時(shí)觀察其破膠情況。用品氏毛細(xì)管黏度計(jì)測(cè)定壓裂液在不同時(shí)間的黏度，當(dāng)破膠液黏度小于5 mPa·s時(shí)認(rèn)為破膠，記錄破膠時(shí)間，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 破膠試驗(yàn)結(jié)果

耐高溫低濃度CMHPG壓裂液的破膠時(shí)間隨著過(guò)硫酸銨加量的增加而減小，壓裂液具有很好的破膠性，使用不同濃度的APS破膠劑均能使壓裂液在2 h內(nèi)完成破膠，較相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的HPG壓裂液破膠時(shí)間縮短，破膠劑過(guò)硫酸銨用量低，不到1/5，這有利于快速返排，減少壓裂液在地層的滯留時(shí)間，可減小地層傷害。

3.3 攜砂試驗(yàn)

評(píng)價(jià)配方配置的壓裂液對(duì)支撐劑靜態(tài)懸浮能力，進(jìn)行懸砂性能評(píng)價(jià)。試驗(yàn)方法為:將CMHPG壓裂液裝入100 mL量筒中將粒徑為20 /40目的陶粒均勻分散在壓裂液表面，然后測(cè)定一顆砂粒的沉降速度，試驗(yàn)結(jié)果為壓裂液的沉降速度在0.022～0.035 mm/s之間，可有效攜砂。

3.4 殘?jiān)繙y(cè)定

將在90 ℃下進(jìn)行破膠4 h后徹底破膠的壓裂破膠液按行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)全部移入已烘干恒重的離心管中，在轉(zhuǎn)速3 000±150 r/min中離心30 min，倒出上清液，再用蒸餾水洗滌破膠容器后倒入離心管中，用玻璃棒攪拌洗滌殘?jiān)嚇樱匐x心20 min，傾倒上層清液，將離心管放入恒溫干燥箱，105 ℃下烘干恒重，計(jì)算壓裂液殘?jiān)俊Ｔ囼?yàn)數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 殘?jiān)囼?yàn)結(jié)果

由表4可以看出，耐高溫低濃度CMHPG壓裂液可大幅度的降低壓裂液殘?jiān)浚c相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的HPG相比，壓裂液殘?jiān)档土?9.6%，低于行業(yè)基本要求(低于500 mg/L)。

4 結(jié) 論

1)試驗(yàn)優(yōu)選羧甲基羥丙基壓裂液的基本配方: (0.4%～0.5%)羧甲基羥丙基瓜膠+0.4%助排劑XL-15+0.3%防膨劑JP-10+0.40%交聯(lián)劑G-21+0.1%pH調(diào)節(jié)劑，交聯(lián)比為100∶0.4。

2)對(duì)壓裂液優(yōu)選配方進(jìn)行性能評(píng)價(jià),結(jié)果表明, 羧甲基羥丙基壓裂液在150 ℃下耐溫耐剪切，滿足壓裂施工的攜砂要求，與常用羥丙基瓜膠壓裂液相比稠化劑用量少，基液黏度低，容易破膠，破膠后殘?jiān)康停颇z液黏度低，能夠有效地減少滯留地層的時(shí)間，提高返排率，降低對(duì)地層的傷害。