一種新型清潔壓裂液低溫破膠劑的研制與評價

趙眾從，劉通義，林 波，向 靜(西南石油大學化學化工學院，四川 成都 610500)

一種新型清潔壓裂液低溫破膠劑的研制與評價

趙眾從，劉通義，林 波，向 靜(西南石油大學化學化工學院，四川 成都 610500)

隨著頁巖氣、煤層氣等的開發，出現了越來越多的低溫井。目前國內常用的破膠劑只適用于溫度在50℃以上地層的壓裂液破膠，因此需要研發一種能應用于20℃左右的低溫破膠劑。根據破膠劑的破膠機理，在室內研制了一種針對新型清潔壓裂液的氧化還原體系破膠劑GMD。并應用流變學原理，通過儲能模量和耗能模量在破膠過程中的變化研究了壓裂液的破膠情況。研究發現，結果與傳統的用粘度表征破膠情況結果一致，該破膠劑的研制對低溫儲層改造具有一定的指導意義。

低溫破膠劑；新型清潔壓裂液；模量；性能評價

常規壓裂液通常使用APS(過硫酸銨)作為破膠劑，在50℃以上的條件下該破膠劑能使壓裂液能很好的破膠。但在較低溫度下(如20℃左右)已不能滿足現場應用的需要。新型清潔壓裂液稠化劑主鏈由—C—C—鍵組成[1]，鍵能為332kJ/mol，比植物膠的醚鍵—C—O—C—326kJ/mol的鍵能要高，化學穩定性和抗氧化性比醚鍵要強。一些針對常規壓裂液體系非常有效的低溫破膠劑卻不能使新型清潔壓裂液很好的破膠。為此，筆者根據破膠劑的破膠機理，在室內研制了一種針對新型清潔壓裂液的氧化還原體系破膠劑GMD。

1 低溫破膠劑的研制

目前,氧化劑/激活劑組成的氧化還原體系被認為是最為有效的低溫破膠體系[2]。 通過室內試驗，將不同氧化劑和激活劑進行復配[3]，通過激活劑的激發作用，加速了氧化劑釋放過氧基的歷程，從而達到快速破膠的目的[4]，形成了針對新型清潔壓裂液的低溫破膠劑GMD。

2 低溫破膠劑性能評價

2.1壓裂液流變性研究

流變測試能快速準確的評價壓裂液性能，儲能模量G′、耗能模量G″等參數變化反映了壓裂液內部結構的變化情況，全面體現了壓裂液的攜砂性能、抗剪切性等性能。使用HAAKE RS6000高級流變儀，采用C60/1°Ti錐-平板測量系統在20℃下進行測試。動態測試采用諧變的應力或應變，觀察相應的應變或應力的響應[5]。從圖1應力掃描曲線可以看出，當剪切應力小于1Pa時，曲線變化比較平緩，儲能模量G′始終大于耗能模量G″，表現了良好的粘彈特性。從圖2頻率掃描曲線發現，頻率在0.1～4Hz內，曲線變化平緩，儲能模量G′始終大于耗能模量G″。綜合圖1和圖2確定新型清潔壓裂液的線性粘彈區范圍為剪切應力0.1～1Pa、頻率在0.1～4Hz內。從中選擇頻率為1Hz、剪切應力為0.2Pa作為后面試驗的測試參數。

2.2破膠劑對壓裂液模量的影響

在一定的頻率和剪切應力下新型清潔壓裂液的G′gt;G″，是一種結構性流體。根據流體粘彈性理論，壓裂液懸浮、攜帶支撐劑的能力主要由其儲能模量(彈性)G′及它與其耗能模量(粘性)G″之比決定，這都是由結構流體(溶液)中溶質分子鏈間締合作用形成的超分子結構狀態所決定。因此，筆者通過研究壓裂液內部結構的變化情況，即儲能模量的變化來判斷壓裂液的破膠情況。圖3中使用0.2%的過硫酸銨(APS)做為新型清潔壓裂液破膠劑，圖4中使用0.1%的GMD做為新型清潔壓裂液破膠劑。分別考察新型清潔壓裂液儲能模量和耗能模量隨時間的變化情況，從圖3可以看出，使用0.2%過硫酸銨(APS)作為破膠劑的新型清潔壓裂液，90min后儲能模量和耗能模量都沒有明顯的變化；而使用0.1%的GMD破膠劑，新型清潔壓裂液儲能模量和耗能模量隨時間變化明顯，90min后耗能模量超過儲能模量，壓裂液結構徹底破壞，這表明壓裂液已徹底破膠。對比可以看出，通過儲、耗能模量變化來表征壓裂液破膠情況具有明顯的優勢。

圖1 應力掃描

圖2 頻率掃描

圖3 0.2% APS破膠劑 G′、G″隨時間變化曲線

圖4 0.1% GMD破膠劑G′、G″隨時間變化曲線

2.3不同破膠劑加量對壓裂液粘度的影響

1)APS破膠劑加量對壓裂液粘度的影響 在配制好的壓裂液中分別加入不同濃度的APS破膠劑進行破膠平行對比試驗。試驗溫度為20℃,使用Fann35 旋轉粘度計在170s-1下測試壓裂液在不同時間段的粘度,結果見表1。從表1中數據可以看出， APS破膠劑在20℃時不能使新型清潔壓裂液破膠，在加入的初期還具有一定的增粘效果。

2)GMD破膠劑加量對壓裂液粘度的影響 和上面條件相同，在配制好的壓裂液中分別加入不同濃度的GMD破膠劑進行破膠平行對比試驗，結果見表2。試驗結果表明，20℃時,0.1%的GMD破膠劑破膠速度過慢，且不能使新型清潔壓裂液很好破膠，0.3%的GMD破膠劑破膠速度過快，0.2%的GMD破膠劑在2.5h后能使新型清潔壓裂液破膠液粘度達到10mPa·s以下，徹底破膠，結果和前面通過測試儲能模量和耗能模量的變化情況結果一致。

表1 破膠劑APS加量對新型清潔壓裂液粘度的影響

表2 破膠劑GMD加量對新型清潔壓裂液粘度的影響

2.4巖心滲透率傷害率試驗

表3 破膠劑GMD加量對巖心滲透率的影響

使用氣測滲透率相近的人造巖心，參考SY/T5107-2005水基壓裂液性能評價方法6.10中部分內容，在20℃水浴中作巖心傷害評價試驗。首先使用標準鹽水測定人造巖心的初始滲透率K1，然后往巖心中反向擠入10倍孔隙體積的含有一定破膠劑的新型清潔壓裂液，破膠8h后使用標準鹽水正向測定巖心的傷害后滲透率K2，通過傷害前后滲透率的變化值與初始滲透率進行比較確定傷害率ηd，測定結果見表3。由表3可知，使用GMD破膠劑的新型清潔壓裂液體系對巖心的傷害率很低，能滿足對低溫儲層的改造需要。

3 結 論

1)研制出了一種高效低溫破膠劑GMD。試驗表明，該破膠劑在20℃左右時能使新型清潔壓裂液能很好的水化破膠。

2)新型清潔壓裂液儲能模量G′大于耗能模量(粘性)G″是一種形成了內部空間網狀結構的粘彈性流體。

3)利用破膠過程中清潔壓裂液儲能模量和耗能模量的變化來表征壓裂液的破膠情況，試驗結果與傳統的用粘度表征破膠情況結果一致。

4)使用GMD破膠劑的新型清潔壓裂液體系對巖心的傷害率很低，能滿足對低溫儲層的改造需要。

[1]羅平亞，郭擁軍，劉通義，等.一種新型壓裂液[J].石油與天然氣地質，2007,28(4)：511-515.

[2]Almond S W，Bland W E.The Effect of Break Mechanism on Gelling Agent Residue and Flow Impairment in 20/40 Mesh Sand[R]. ITPC 12485,2008.

[3] Phil R,Glnodi L.Fracturing Fluids and Breaker systems-A Review of the State-of-the Art[J].SPE 37359,1996.

[4]Samuelson M L, Chmilowsk W.Increased Production in Low-Temperature Gas Wells Through Improved Breaker Technology[R].SPE 27721,1994.

[5] 施拉姆,朱懷江.實用流變測量學(修訂本)[M]. 北京：石油工業出版社，2009.

[編輯] 洪云飛

TE357.12

A

1673-1409(2012)05-N125-03

10.3969/j.issn.1673-1409(N).2012.05.041

2012-02-27

趙眾從(1983-)，男，2007年大學畢業，碩士生，現主要從事油藏增產理論與技術方面的研究工作。