220℃超高溫聚合物壓裂液性能研究

劉 萍 ，管保山 ，徐敏杰 ，許 可 ，王海燕 ，翟 文 ，楊文軒 ，楊艷麗

（1.中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院壓裂酸化技術(shù)服務(wù)中心，河北廊坊 065007；2.油氣藏重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北廊坊 065007；3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

隨著油氣勘探開發(fā)不斷深入，低滲、超低滲儲(chǔ)層、致密油氣儲(chǔ)層比重加大，深層超高溫儲(chǔ)層由于埋藏深，儲(chǔ)層滲透率低，射孔后自然產(chǎn)能低甚至無(wú)產(chǎn)量。壓裂作為這類儲(chǔ)層最為有效的增產(chǎn)措施，受到國(guó)內(nèi)外專業(yè)人士的廣泛關(guān)注。對(duì)于高溫儲(chǔ)層的改造，需要攻關(guān)耐溫180℃以上的壓裂液是關(guān)鍵技術(shù)之一，植物膠體系大多所使用的是有機(jī)硼交聯(lián)劑'它們是在堿性的環(huán)境下交聯(lián)'耐溫能力不能滿足高溫環(huán)境的要求。因此，聚合物類耐高溫的壓裂液體系被廣泛研究[1-3]，耐溫可達(dá)200℃以上，由于溫度高使用稠化劑濃度大，破膠成為研究重點(diǎn)，大多數(shù)使用氧化劑作為破膠劑，如過(guò)硫酸銨、過(guò)硫酸鉀等，通過(guò)自由基反應(yīng)使分子降解，黏度降低實(shí)現(xiàn)破膠[4，5]，同時(shí)高溫條件下需要液體保持良好的攜砂性，破膠劑不能讓凍膠降解太快，有時(shí)需要延遲功能的破膠劑[6]，如膠囊類的破膠劑，緩慢釋放，最終實(shí)現(xiàn)徹底破膠，減少儲(chǔ)層傷害。本文針對(duì)研發(fā)的聚合物高溫壓裂液進(jìn)行流變性能、破膠性能、濾失性能及殘?jiān)康难芯俊?/p>

1 實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備和材料

電子天平：精度 0.001 g；攪拌器：吳茵（waring）混調(diào)器；恒溫水浴鍋：精度±1℃；黏度計(jì)：六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)、RS6000流變儀；高溫高壓濾失儀；聚合物稠化劑：合成；交聯(lián)劑：室內(nèi)合成；破膠劑1#：工業(yè)品；過(guò)硫酸銨：工業(yè)品。

2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)用的壓裂液是使用自來(lái)水在Waring混調(diào)器中配制而成，壓裂液基液性能、破膠、濾失及殘?jiān)康葏⒄罩惺托袠I(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5107-2016《壓裂液性能評(píng)價(jià)方法》規(guī)定的方法測(cè)定。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 壓裂液基本性能

稠化劑：由丙烯酰胺（AA）、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸（AMPS）、甲基丙烯酸（MAA）和乙烯基膦酸（VPA）等單體通過(guò)特殊聚合工藝制作而成，作為壓裂液的稠化劑具有良好的增稠和減阻作用、熱穩(wěn)定性較好、無(wú)殘?jiān)葍?yōu)點(diǎn)。合成聚合物稠化劑為白色固體小顆粒，易溶于水，在水中為無(wú)色透明液體，離心分離檢測(cè)沒(méi)有固態(tài)物質(zhì)，不含水不溶物，水溶液呈中性。交聯(lián)劑為含有鋯、鋁金屬元素的復(fù)合交聯(lián)劑，能與合成的稠化劑形成凍膠。針對(duì)高溫220℃儲(chǔ)層，對(duì)研究的稠化劑和交聯(lián)劑不斷優(yōu)化，確定配方為稠化劑用量0.5%、穩(wěn)定劑0.5%、交聯(lián)劑用量0.5%，通過(guò)調(diào)整配方組成，可以得到適用于不同溫度需求的壓裂液體系。

壓裂液配方：0.5%稠化劑+0.5%穩(wěn)定劑+其他添加劑+0.5%交聯(lián)劑；基液表觀黏度：46.5 mPa·s；基液pH：6.5；交聯(lián)時(shí)間：15″增稠，1′繼續(xù)增稠，膠稀可挑，具有延遲交聯(lián)作用，凍膠在初期交聯(lián)時(shí)較稀，利于泵送，隨著溫度升高，升溫至50℃以上凍膠強(qiáng)度增加可挑掛（變化過(guò)程見圖1）。

圖1 凍膠隨溫度變化過(guò)程

3.2 流變性能

壓裂液在220℃，100 s-1剪切速率下，剪切2 h的結(jié)果（見圖2），從圖2中數(shù)據(jù)可知：開始凍膠黏度不高50 mPa·s左右，隨著溫度升高，黏度快速增加，最高大于700 mPa·s，隨著剪切和時(shí)間的推移，黏度波動(dòng)變化慢慢降低，剪切40 min后黏度降至140 mPa·s左右，然后緩慢的降低，剪切120 min黏度保持在100 mPa·s以上，能夠滿足攜砂要求。與其他聚合物類壓裂液初始黏度高相比，該體系的初始黏度低，減小井筒里的泵送摩阻。

3.3 破膠性能

利用兩種方式考察破膠劑對(duì)壓裂液黏度的影響，（1）按照標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行靜態(tài)條件下的破膠，選擇了破膠劑1#和通常使用的過(guò)硫酸銨作為破膠劑，加入不同的破膠劑量，測(cè)定不同時(shí)間的黏度，結(jié)果（見表1和表2），由數(shù)據(jù)可知：兩種破膠劑在180℃和220℃下都能夠?qū)崿F(xiàn)徹底破膠，在180℃下，破膠劑1#加量在大于0.1%時(shí)，8 h能夠破膠，0.20%時(shí)，6 h能夠破膠，表明隨著時(shí)間加長(zhǎng)，破膠劑持續(xù)破膠；在220℃下，加量在大于0.1%時(shí)，4 h～6 h能夠破膠，因此破膠劑相同加量下，溫度高的破膠時(shí)間縮短。

圖2 體系的流變性能

表1 使用破膠劑1#的破膠結(jié)果

表2 使用過(guò)硫酸銨的破膠結(jié)果

過(guò)硫酸銨作為破膠劑，在180℃下，只有加到足夠量0.2%才能破膠，并且是快速的，1 h可徹底破膠；在220℃下，0.15%加量，2 h可以徹底破膠。相對(duì)于破膠劑1#利用過(guò)硫酸銨作為破膠劑破膠速度快，可用于施工的后期加入，影響攜砂性能小，破膠徹底，減少傷害。

（2）在做流變時(shí)加入不同量的破膠劑過(guò)硫酸銨[7]，加量為0、0.01%、0.03%和0.05%，考察不同破膠劑下黏度的變化，結(jié)果（見圖3），不加破膠劑120 min的黏度157 mPa·s，加0.01%破膠劑120 min 的黏度135 mPa·s，加0.03%破膠劑120 min的黏度120 mPa·s，加0.05%破膠劑50 min的黏度100 mPa·s，92 min時(shí)黏度低于50 mPa·s，110 min 時(shí)黏度低，在 30 mPa·s左右。隨著破膠劑量的增加，能夠明顯降低凍膠的黏度，起到破膠作用。

圖3 不同破膠劑加量的流變性能

表3 壓裂液的靜態(tài)濾失性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.4 壓裂液的靜態(tài)濾失性能

壓裂液在180℃的濾失性能（見表3），由于使用的濾紙耐溫最高180℃，所以對(duì)體系的濾失性能只能做到這個(gè)溫度，濾失數(shù)據(jù)表明，由于溫度高，初期未能形成濾餅，初濾失較大，體系的濾失系數(shù)和濾失速率與常規(guī)胍膠體系相當(dāng)。

3.5 殘?jiān)?/h3>

壓裂液破膠劑可以使用過(guò)硫酸銨，其加量隨溫度降低而增加，可以看出，合成聚合物體系破膠徹底，破膠液黏度低，破膠后產(chǎn)生的殘?jiān)脖容^少，含量為14 mg/L～32 mg/L，而同濃度的羥丙基胍膠壓裂液的殘?jiān)看笥?00 mg/L。

4 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

（1）實(shí)驗(yàn)表明，研發(fā)的聚合物壓裂液體系，基液黏度適中，具有延遲交聯(lián)的性能，利于減少泵送摩阻。

（2）體系在220℃下具有良好的流變性能，剪切120 min黏度保持在100 mPa·s以上，能夠滿足攜砂要求。

（3）聚合物體系能夠利用氧化類破膠劑在高溫下破膠，通過(guò)優(yōu)化破膠劑的加量，實(shí)現(xiàn)徹底破膠，減少了對(duì)儲(chǔ)層的傷害。