耐高溫復合鹽加重壓裂液體系性能研究

夏星帆，高飛，費瑛，侯麗娟，趙海龍，李小娜，趙博

(1.中國石油大學(華東)石油工業訓練中心，山東 青島 266580；2.青島黃海學院，山東 青島 266555；3.青海油田采油一廠，青海 海西 817000；4.中國石油大學(華東)石油工程學院，山東 青島 266580)

深層油氣儲層具有高溫低滲、閉合壓力高的特點，導致地面泵注困難并且排量較低[1-2]，研究人員從降低施工壓力、提高排量和凈液柱壓力的角度出發，開發了加重胍膠壓裂液體系[3-7]。胍膠壓裂液常用的加重劑包括一價氯鹽、溴鹽和硝酸鹽及其混合物，溴鹽和硝酸鹽加重壓裂液破膠后的鹽水及其他濾液會對高溫下的管柱造成嚴重腐蝕[8-11]，因此使用較少，而甲酸鹽在酸堿環境中的性能穩定但價格較高，氯化鈉和氯化鉀的加重密度較低但使用成本低[12-14]，因此，筆者使用甲酸鹽和氯鹽形成的復合鹽作為加重劑，利用改性的耐高溫胍膠作為稠化劑制備加重壓裂液，并對其各項性能展開研究。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

羥丙基胍膠、有機硼交聯劑、殺菌劑均為常規市購產品；環氧氯丙烷、氫氧化鈉、丙酮、無水乙醇、十六烷基三甲基氯化銨、甲酸鉀、甲酸鈉、氯化鉀、氯化鈉、過硫酸銨均為分析純。

HAAKE Mars III型流變儀；HWS型電熱恒溫水浴鍋；GGS71型高溫高壓失水儀。

1.2 實驗方法

1.2.1 胍膠的耐溫改性 將適量的十四烷基二甲基叔胺溶解于裝有丙酮溶劑的三口燒瓶中，在緩慢的磁力攪拌下逐滴加入環氧氯丙烷，在35 ℃下持續反應1 h，真空干燥后得到陽離子單體的粉末。將適量的羥丙基胍膠粉末和氫氧化鈉分散在50%乙醇溶液中，在25 ℃下攪拌反應50 min，將反應溫度升至75 ℃，將適量的中間產物添加到溶液中，保持75 ℃ 水浴加熱3.5 h結束反應，用無水乙醇洗滌產物，旋轉蒸發除去無水乙醇后得到改性耐高溫胍膠NHPG，見圖1。

圖1 羥丙基胍膠耐溫改性過程示意圖Fig.1 The temperature-resistant modification process of HPG

1.2.2 壓裂液的配制 按照一定比例將氯鹽和甲酸鹽的復合鹽加入到自來水中，充分攪拌至形成透明的溶液，在磁力攪拌下緩慢加入改性耐高溫胍膠NHPG，常溫下溶脹2 h；取適量溶脹好的基液，用3%NaOH溶液調節基液pH值，隨后加入0.05%的破膠劑和0.1%的殺菌劑，并充分攪拌至完全溶解，最后按一定比例加入有機硼交聯劑，用玻璃棒攪拌至可挑掛狀態，即得復合鹽加重壓裂液。

1.2.3 壓裂液性能測試 根據SY/T 5107—2016《水基壓裂液性能評價方法》中的標準對復合鹽加重壓裂液的耐溫耐剪切性能、濾失性能、破膠性能、懸砂性能進行測試，其中，壓裂液的耐溫耐剪切性能的條件為160 ℃、170 s-1，破膠性能測試溫度為95 ℃，腐蝕性能采用N80鋼片進行測試，測試標準參考SY/T 6376—2008《壓裂液通用技術條件》中的要求。

2 結果與討論

2.1 壓裂液配方優選

2.1.1 改性胍膠稠化劑 陽離子化改性HPG分子側鏈上接枝的疏水長鏈使得胍膠在水中的分散性能增強，增加了與交聯劑結合的位點，同時增強了其耐溫抗鹽性能[15]。配制不同質量分數的HPG和NHPG溶液，測試溶解性能和增稠性能，結果見表1。

表1 HPG與NHPG的性能對比Table 1 Performance comparison of HPG and NHPG

由表1可知，耐溫改性的NHPG在相同質量分數下的溶解時間和水不溶物含量均低于HPG，基液黏度隨質量分數的增加而增加，均高于同濃度下的HPG基液。

2.1.2 復合鹽加重劑配比 甲酸鹽和氯鹽的復合鹽作為加重劑，室內配伍性測試表明，甲酸鹽和氯鹽與改性羥丙基胍膠NHPG的配伍性良好，NHPG能在這兩種鹽的飽和鹽水中快速溶解，最終根據價格因素，篩選出價格更低的甲酸鈉和氯化鈉的復合鹽作為壓裂液加重劑。常溫下按照不同復合比例配制濃度為30%的甲酸鈉和氯化鈉復合飽和鹽水，并加入質量分數為0.5%的稠化劑NHPG，測試不同條件下的基液黏度和密度，以此確定最佳的復合比例，測試結果見表2。

表2 甲酸鈉和氯化鈉的復合比例對基液性能的影響Table 2 Influence of compound ratio on the properties of base fluid

由表2可知，隨著復合鹽中甲酸鈉比例的降低，0.5%的NHPG基液黏度呈現先下降再增加的趨勢，當甲酸鈉與氯化鈉占比相同時，基液黏度值最小，而基液密度則是隨著甲酸鈉占比的降低而逐漸減小，綜合考慮性能和價格因素后，確定甲酸鈉與氯化鈉的最佳復合比例為1∶3。

按照1∶3的復合比配制濃度為10%，20%，30%，35%的飽和鹽水溶液，加入質量分數為0.5%的稠化劑NHPG，測試基液密度分別為1.22，1.31，1.35，1.41 g/cm3，濃度過大的飽和鹽水容易析出，因此確定飽和鹽水的濃度為30%。

2.1.3 交聯劑 根據上述優化的實驗結果配制壓裂液基液，測試不同交聯比對壓裂液的影響，測試數據見圖2。

圖2 交聯劑比例對壓裂液性能的影響Fig.2 Effect of crosslinking agent ratio on fracturing fluid performance

由圖2可知，當交聯劑用量從0.1%增加至0.6%時，壓裂液黏度呈現快速增加的趨勢，交聯時間則從0.2%之后呈現快速降低的趨勢。這是由于交聯劑用量較少時，壓裂液中的NHPG并未全部與交聯劑發生交聯，導致壓裂液黏度較低。隨著交聯劑用量的增加，壓裂液中發生交聯的NHPG數量快速增加，壓裂液黏度迅速增大。同時，交聯劑用量的增加使得基液中能同時參與交聯反應的NHPG的數量增加，因此交聯時間減小。當交聯劑用量高于0.6%后，壓裂液黏度和交聯時間的變化不大并且趨勢變緩。這是由于壓裂液中的NHPG被完全交聯，過量的交聯劑不會參與交聯反應，繼續增加交聯劑的用量對壓裂液黏度的提升有限，同時對交聯時間的影響也較小。因此，確定交聯劑的最佳用量為0.6%。

綜合以上優選條件，最終確定復合鹽加重壓裂液配方為：0.5%稠化劑NHPG+0.6%有機硼交聯劑+30%加重劑+0.1%殺菌劑+0.05%過硫酸銨破膠劑。

2.2 壓裂液性能評價

2.2.1 耐溫抗剪切性能 按照優選的配方配制加重壓裂液，利用哈克高溫高壓流變儀測試壓裂液凍膠在160 ℃、170 s-1下剪切120 min的黏度變化曲線，見圖3。

由圖3可知，壓裂液黏度在前期的升溫階段呈現先增大后減小的趨勢，這有利于降低前期的泵送壓力，而隨著溫度升高至100 ℃以上并穩定在160 ℃ 時，壓裂液黏度一直保持不斷下降的趨勢，并且下降趨勢變得平緩，剪切120 min后的剩余黏度高于50 mPa·s，滿足行業標準中的要求。

圖3 加重壓裂液在160 ℃的黏溫曲線Fig.3 Viscosity-temperature curve of weighted fracturing fluid at 160 ℃

2.2.2 濾失性能 配制400 mL的加重壓裂液，利用高溫高壓失水儀測試加重壓裂液的濾失性能，介質選擇人造巖心，設定儀器溫度為130 ℃，壓差為3.5 MPa，測試時間為30 min，壓裂液濾失量隨時間的變化趨勢見圖4。

圖4 加重壓裂液濾失量曲線Fig.4 Filtration curve of weighted fracturing fluid

由圖4可知，壓裂液的濾失量隨著時間逐漸增多，但是增速變緩，這是由于后期壓裂液形成了濾餅，降低了壓裂液的濾失量。壓裂液的靜態濾失系數為0.15×10-3m·m1/2，濾失速率為0.26×10-4m/min， 滿足行業標準中的要求。

2.2.3 破膠性能 將添加有破膠劑的加重壓裂液置于95 ℃的恒溫水浴鍋中，靜置3 h，每隔30 min測量一次壓裂液的剩余黏度，測量結果見圖5。

圖5 破膠液黏度隨時間的變化趨勢Fig.5 Variation trend of viscosity of glue breaker with time

由圖5可知，壓裂液黏度隨著溫度的增加不斷降低，前期壓裂液升溫過程的黏度下降較慢，直至完全破膠后的剩余黏度低于5 mPa·s，返排性能優異，降低了對目的層位的傷害。

2.2.4 懸砂性能 配制適量的加重壓裂液，將支撐劑與壓裂液充分混合后分成同等的2份，一份置于常溫環境，另一份置于90 ℃的恒溫水浴鍋中，記錄支撐劑在壓裂液中的沉降過程，并計算沉降速率，支撐劑選擇40/70目的陶粒和石英砂兩種類型，記錄30 min內的數據，測試結果見表3。

表3 加重壓裂液的懸砂性能Table 3 Suspended sand properties of weighted fracturing fluids

由表3可知，常溫放置的壓裂液中，兩種支撐劑沉降速度很小，而90 ℃放置的壓裂液中，由于壓裂液會發生破膠水化，所以兩種支撐劑的沉降速度均增大，并且陶粒的沉降速度比石英砂的沉降速度略大，這可能是由于兩種支撐劑表面粗糙度的不同所造成的。測試結果表明加重壓裂液的懸砂性能優異，滿足壓裂液施工的需求。

2.2.5 腐蝕性能 配制適量的常規NHPG壓裂液和加重NHPG壓裂液，并將其在95 ℃下破膠，利用N80鋼片測試破膠液的腐蝕性能，將N80鋼片浸泡在破膠液中，將破膠液放置在不同溫度下的烘箱中5 h，測試數據見表4。

表4 加重壓裂液破膠液的腐蝕性能Table 4 Corrosion properties of aggravated fracturing fluid breakers

由表4可知，相同溫度下加重壓裂液的腐蝕速率更快，隨著溫度的升高，N80鋼片在兩種破膠液中的腐蝕速率逐漸加快。

3 現場應用

為了驗證本文研發的復合鹽加重壓裂液的現場應用效果，在西部的某油田進行了現場加砂壓裂改造實驗。壓裂施工井目的層段為5 302.12～5 310.25 m， 孔隙度范圍為6%～9%，滲透率范圍為0.5～1.9 mD，預測儲層溫度為155 ℃。配制密度為1.35 g/cm3的加重壓裂液，選用砂比為20%的陶粒作為支撐劑進行施工，壓裂施工效果良好，可降低井口壓力9～11 MPa左右。

4 結論

(1)利用十四烷基二甲基叔胺對羥丙基胍膠進行陽離子化改性，制得耐高溫稠化劑NHPG，采用比例為1∶3的甲酸鈉和氯化鈉復合鹽作為加重劑，通過室內實驗篩選出最優的加重壓裂液配方：0.5%稠化劑NHPG+0.6%有機硼交聯劑+30%加重劑+0.1%殺菌劑+0.05%過硫酸銨破膠劑。

(2)對加重壓裂液的性能研究表明，復合鹽加重壓裂液的密度為1.35 g/cm,耐溫性能達到160 ℃， 破膠性能、懸砂性能、濾失性能均滿足行業標準要求，破膠液對N80鋼片的腐蝕性能與溫度成正相關。

(3)現場試驗表明，復合鹽加重壓裂液可降低井口壓力9～11 MPa，在超深高溫儲層的開發方面具有良好的應用前景。