高性能壓裂液用交聯劑的研制及性能評價

盧翔，曹云

（1.陜西延長石油豐源有限責任公司，陜西 延安 716000；2.延安市環境保護監測站，陜西 延安 716000）

近年來，由于對油氣資源的需求大幅上升，我國的大部分油氣田進入開采后期，該階段含水量高、特低孔滲使得油氣藏的開采難度進一步加大，因此，壓裂技術就顯得非常重要，只有依靠壓裂手段改造儲層特性，才能提高油氣藏的產能[1-3]。壓裂液是壓裂施工的關鍵，而交聯劑、增稠劑及破膠劑又是壓裂液體系的3種重要添加劑，其中增稠劑是主劑，但過量的增稠劑使得殘渣含量及成本增加，因此交聯劑就起到重要作用，交聯劑的加入不僅降低了增稠劑的使用量，還可提高壓裂液的彈性及黏度，減少對地層的傷害等[4-6]。因此，交聯劑的種類至關重要，為了改善壓裂液性能，特研究一種新型交聯劑，并對研制的交聯劑進行性能評價。

1 實驗原料及儀器

實驗所用主要原料有：無水乙醇、偶聯劑DL602、氫氧化鈉、胍膠粉、陶粒、過硫酸銨、硼酸、ATO-1分散液，均為AR級及以上。

主要的實驗儀器有：流變儀、紅外光譜儀、投射電鏡儀、旋轉粘度計、恒溫水浴鍋、電熱鼓風干燥箱、電子天平、攪拌儀等。

2 交聯劑的制備及實驗方法

2.1 交聯劑的制備

1）在燒杯中加入無水乙醇，用量筒量取一定量的硼酸并加入燒杯中，用攪拌儀在42℃的條件下攪拌30 min，待完全溶解后加入一定量的偶聯劑DL602和ATO-1分散液，并將溶液升溫至80℃后讓其反應120 min，最終可得到所研究的交聯劑，為了便于研究，將其命名為LJN-2。

2）將反應完全得到的白色乳液置于108℃的干燥箱干燥，即可使得LJN-2呈固體粉末狀，在后期壓裂施工過程中不僅便于攜帶，且現場配制更簡單。

2.2 交聯劑性能評價實驗方法

交聯劑性能評價主要從交聯劑本身的結構、粒度分布、流變性能、懸砂性能、交聯時間、破膠性能幾個方面進行綜合評價[7-10]。

胍膠溶液的配制：量取1 000 mL去離子水于燒杯中，在攪拌條件下緩慢加入稱量好的3.0 g胍膠粉，120 min后即可得到質量分數為0.3%的胍膠溶液。

1）結構分析。實驗選用紅外光譜儀對交聯劑LJN-2的結構進行分析，判定交聯劑是否具有較好的交聯性能。

2）粒度分析。實驗選用投射電鏡儀對交聯劑LJN-2的粒徑進行分析，判定該交聯劑在水中的分散情況，是否具有較好的分散性能是交聯劑性能評價的一個重要因素。

3）流變性能。反映流變性能的兩個主要參數為溶液的耐溫性和剪切性。實驗選用儀器為流變儀，設置流變儀的為溫度范圍為30～90℃，升溫程序為5℃·min-1，剪切速率為170 s-1，將配制好的交聯劑LJN-2溶液置于流變儀的轉筒中，記錄交聯劑黏度的變化。

4）交聯時間。量取配制好的0.3%的胍膠溶液100 mL于燒杯中，用攪拌儀攪拌并用氫氧化鈉調節溶液的pH至8，加入配制好的交聯劑LJN-2，并記錄加入的時間T1，觀察溶液形成凍膠的情況，以可以挑起為標準記錄此刻的時間為T2，時間差即為交聯劑的交聯時間。其他條件不變，將溶液的pH分別調至7和9進行重復實驗。

5）懸砂性能。將配制好的0.3%胍膠溶液用氫氧化鈉調節pH至8后加入配制好的交聯劑LJN-2，并用攪拌儀攪拌后量取1 000 mL于量筒中，將陶粒從溶液表面開始放下，記錄陶粒下沉的長度及時間，為了實驗的準確性，應多次實驗該步驟并取平均數。

6）破膠性能。量取配制好的0.3%的胍膠溶液100 mL于燒杯中，用攪拌儀攪拌并用氫氧化鈉調節溶液的pH至8，加入配制好的交聯劑LJN-2后加入0.2%的過硫酸銨，用黏度儀測定溶液黏度的變化；用濾紙過濾溶液并將殘渣烘干后稱重，計算殘渣含量。其他條件不變，將過硫酸銨的質量分數替換為0.4%重復實驗。

3 交聯劑的性能評價

3.1 交聯劑LJN-2的結構、粒度性能評價

依據紅外光譜儀實驗結果可知，交聯劑LJN-2的有機鏈較長，與胍膠高分子間的交聯大大提高，且具有的納米微粒表面和硼羥基增加了與胍膠的交聯點，使得交聯劑LJN-2具有較高的交聯效率。依據投射電鏡儀實驗結果可知，交聯劑LJN-2為球形結構，粒徑在18 nm左右，在水中具有較好的分散性，符合交聯劑的性能特征。

3.2 交聯劑LJN-2的流變性能評價

交聯劑LJN-2黏度隨時間和溫度的變化關系如圖1所示。由圖1可知，在一定的實驗條件下，交聯劑LJN-2的黏度會隨著溫度的升高而逐漸降低，實驗設定的溫度范圍為30～90 ℃，當溫度從30℃升高至60℃的過程中，LJN-2的黏度由650 mPa·s下降為200 mPa·s，下降幅度十分明顯，當溫度繼續升高至90℃的過程中，LJN-2的黏度雖仍降低，但降低的幅度較小，最終穩定在120 mPa·s左右，表明LJN-2具有較強的耐溫性能。當設置實驗溫度為60℃時，LJN-2的黏度隨時間變化不夠明顯，120 min的實驗時間內，LJN-2的黏度一直保持在200 mPa·s左右，表明該交聯劑具有較強的抗剪切性能。

圖1 交聯劑LJN-2黏度隨時間和溫度的變化關系圖

3.3 交聯劑LJN-2的交聯時間評價

不同pH條件下LJN-2交聯時間如表1所示。由表1可知，在pH不同、其他實驗條件相同的情況下，交聯劑LJN-2配制的溶液的交聯時間表現出明顯的不同，溶液的堿性越強，LJN-2的交聯時間越長，主要是由于溶液中氫氧根離子濃度的增加使得LJN-2與胍膠高分子的相互作用時間變長導致的。由于交聯時間是衡量壓裂液性能的一個基礎指標，當交聯時間過短，使得輸送壓裂液的至目的層系的壓力增大，能耗增加。故當溶液pH為8時，LJN-2表現出較好的延遲交聯作用。

表1 不同p H條件下LJN-2交聯時間表

3.4 交聯劑LJN-2的懸砂性能評價

LJN-2的懸砂實驗結果如表2所示。由表2可知，在其他實驗條件不變的情況下，陶粒在用交聯劑LJN-2配制的壓裂液中的沉降速率介于0.23～0.31 cm·min-1之間，平均為0.27 cm·min-1，具有較好的穩定性。實驗選用的陶粒粒度為30目（0.55 mm）左右，依據壓裂液體系懸砂性能評價標準，沉降速率小于5 cm·min-1時，都能較好地滿足壓裂需要。故交聯劑LJN-2配制的壓裂液具有較好的懸砂性能。

表2 LJN-2的懸砂實驗結果表

3.5 交聯劑LJN-2的破膠性能評價

交聯劑LJN-2破膠實驗結果如表3所示。由表3可知，在破膠劑用量不同、其他條件相同的情況下，交聯劑LJN-2配制的溶液破膠后的黏度：破膠劑用量為0.2%時，破膠后的黏度為1.79 mPa·s，殘渣含量為132 mg·L-1；破膠劑用量為0.4%時，破膠后的黏度為1.68 mPa·s，殘渣含量為121 mg·L-1。依據壓裂液通用技術要求的破膠黏度不大于5 mPa·s和殘渣質量濃度不大于600 mg·L-1，該交聯劑的實驗結果遠小于技術要求值，表現出了較好的破膠性能。破膠用量不同，但殘渣含量差別不大，其主要是由胍膠本身存在的不溶物導致的。

表3 交聯劑LJN-2破膠實驗結果表

4 結論

通過大量實驗確定了高性能壓裂液用交聯劑的研制配方，命名為LJNA-2，并闡述了LJN-2的制備過程。從本身的結構、粒度分布、流變性能、懸砂性能、交聯時間、破膠性能幾個方面對研制的LJN-2進行綜合評價，指出各個性能評價的實驗方法及步驟，并對實驗結果進行詳細分析，確定交聯劑LJN-2具有較高的交聯效率，水中具有較好的分散性，具有優異的流變性能，表現出較好的延遲交聯作用，具有較好的懸砂性能以及較好的破膠性能。綜合其性能評價，認為研制的LJN-2交聯劑的使用范圍較廣，優點突出，具有較好的應用前景。