協同增效低傷害復合壓裂液研究

李海濤，趙修太，史貞利

(1.中國石化勝利油田分公司地質科學研究院，東營 257015;2.中國石油大學(華東)石油工程學院，青島 266555;3.中國石化勝利油田分公司河口采油廠，東營 257015)

壓裂液可使油井增產、水井增注，通常可分為油基壓裂液和水基壓裂液，其中水基壓裂液應用較為廣泛。目前水基壓裂液使用較多的稠化劑是天然植物膠類和聚合物類，前者有瓜爾膠、田菁膠等，后者有聚丙烯酰胺等［1，2］。天然植物膠壓裂液的抗鹽、抗剪切性均較好，但破膠后殘渣含量較高，對地層滲透率、填砂裂縫的導流能力均有傷害。而聚合物壓裂液雖然破膠后殘渣含量低，但其與地層內鹽類配伍性較差［3－5］。這兩種稠化劑在性能上存在較強的互補性，因此將兩者復合使用具有較大的實際應用價值。

本研究將油田目前常用的兩種稠化劑羥丙基瓜爾膠(HPG)和聚丙烯酰胺(PAM)復合，建立一種復合型增稠劑體系，以獲得配制使用效果好、對地層傷害低的聚合物復合壓裂液。

1 實驗部分

1.1 試劑

羥丙基瓜爾膠(HPG)、聚丙烯酰胺(PAM，相對分子質量8×106，水解度4%)，均為工業品;氧氯化鋯(ZrOCl2·8H2O)、過氧化氫(H2O2，30%)，鹽酸(HCl)，氫氧化鈉(NaOH)，均為分析純。

1.2 儀器

DV－ⅢBrookfield黏度計，ZNN－D6型六速旋轉黏度計，JR型黏度計計量加熱器，電熱恒溫水浴鍋，GGS42型高溫高壓濾失儀，巖心流動試驗儀，電子天平，增力電動攪拌器。

1.3 壓裂液凍膠的制備

先將HPG與PAM分別溶于蒸餾水，配成質量分數均為0.5%的溶液，然后按1∶1比例混合均勻，得到質量分數為0.5%HPG/PAM復合溶液，調節溶液pH=4～6，再將預先配制好的氧氯化鋯交聯劑溶液加入到復合溶液中，即可制得具有較高黏度的凍膠。

2 結果與討論

2.1 HPG與PAM相互作用

將質量分數均為0.5%HPG和0.5%PAM溶液按不同比例混合，用黏度計(轉速為12 min－1)在20℃下測定混合溶液的黏度，結果如圖1所示。圖1中復合溶液黏度隨HPG用量變化曲線的計算值是根據分子間復合原理，假設兩種聚合物混合后不發生相互作用而得出的［6］。

圖1 HPG用量對復合體系黏度的影響

從圖1可以看出，在HPG/(HPG+PAM)質量比考察范圍內，復合溶液的實際黏度高于按混合規則計算得到的黏度，表明復合體系中HPG與PAM分子間存在相互作用［7］。隨著復合體系中HPG比例增加，體系黏度先增加后下降，這說明不同比例的HPG與PAM復合，其分子鏈間的相互作用程度不同。當HPG/(HPG+PAM)質量比為50%時，復合體系黏度達到最大，為590 mPa·s。因此，要獲得好的增黏效果，HPG與PAM 的質量比在40∶60～60∶40為宜。

2.2 復合壓裂液性能評價

將HPG與PAM復合使用，以期達到優勢互補，從而獲得性能較好的壓裂液，為此對復合壓裂液的性能進行評價。實驗采用六速旋轉黏度計在170 s－1下測其黏度變化。

2.2.1 耐溫抗剪切性能

在地層溫度和裂縫剪切作用下，壓裂液黏度損失過大，則壓裂液攜砂性能下降且易濾失。因此，評價壓裂液的耐溫抗剪切性能尤為重要。

測定了不同溫度、不同剪切時間下的壓裂液黏度，結果見圖2。在20℃下，隨著剪切時間延長，復合壓裂液黏度變化不大，具有較好的耐剪切性能。在60℃和80℃下，隨著剪切時間延長，壓裂液黏度有一定的降低，但1 h后仍保持較高黏度。說明復合壓裂液具有較好的耐溫抗剪切性能。

圖2 復合壓裂液耐溫抗剪切性能

2.2.2 剪切恢復性能

壓裂液在油管流動過程中受高剪切作用，而當壓裂液進入地層后，受到的剪切逐漸減小。壓裂液經受高剪切后的黏度恢復特性，是評價壓裂液性能的又一個重要指標。60℃下，HPG，PAM，HPG/PAM(質量比1∶1)壓裂液經高剪切后的黏度值見表1。

表1 3種壓裂液剪切恢復性能對比

由表1可看出，經高剪切后，HPG/PAM壓裂液的黏度恢復性能較好，有利于壓裂液在裂縫中低流速下的攜砂。

2.2.3 靜態濾失性能

壓裂液的濾失性能直接影響到壓裂施工中壓裂液的造縫能力和裂縫的幾何形狀。有效控制濾失流體進入地層，可減少對地層的傷害，也可提高壓裂液的使用效率。采用靜態濾失法，在3.5 MPa壓差下，測定了復合壓裂液在60℃和80℃下的濾失性能，結果見表2。復合壓裂液在60℃和80℃下的濾失系數分別為6.7×10－4m/min0.5和8.2×10－4m/min0.5，濾失系數較低，均低于10×10－4m/min0.5標準，可滿足壓裂施工要求。

表2 復合壓裂液濾失性能

2.2.4 破膠性能

壓裂液在地層條件下能否徹底破膠，直接影響到支撐劑裂縫導流的導流能力。在3種壓裂液中分別加入0.5%過氧化氫，在不同溫度下放置8 h，然后測其殘渣含量，結果見表3。PAM壓裂液破膠徹底，破膠液外觀清澈透明，黏度較低，肉眼看不見壓裂液殘渣。HPG壓裂液和復合壓裂液中都有殘渣存在，但復合壓裂液的殘渣量明顯低于HPG壓裂液。說明復合壓裂液兼具PAM與HPG兩種壓裂液的特點。

表3 3種壓裂液破膠性能對比

2.2.5 對巖心傷害性能

壓裂液濾液可引起地層黏土膨脹、分散、運移而堵塞孔道，濾液進入喉道易造成水鎖傷害;壓裂液濾餅和壓裂液的濃縮物對裂縫導流能力也有嚴重的傷害［8］。壓裂液對儲層巖心的傷害，是上述因素綜合作用的結果。壓裂液傷害實驗表明，復合壓裂液破膠后對巖心基質滲透率傷害率低，小于10%。

表4 壓裂液對巖心傷害實驗結果

3 結論

(1)HPG與PAM復配后，復合溶液的實際黏度高于按混合規則計算得到的黏度，說明HPG與PAM具有較好的協同增稠特性。當復合體系中HPG與PAM質量比為1∶1時，黏度達到最大。

(2)復合壓裂液具有較好的耐溫抗剪切性能和剪切恢復性能，80℃，170 s－1條件下剪切60 min后，仍然具有較高的黏度，且剪切恢復性能明顯好于PAM壓裂液。

(3)復合壓裂液破膠后的殘渣含量比HPG壓裂液的更低，低于200 mg/L，并且對巖心傷害率低，小于10%。

(4)HPG與PAM復配后，很好地綜合了兩者各自優點，彌補了聚合物壓裂液在應用中的缺陷，顯著改善了其各項性能。

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