壓裂用有機鋯交聯劑性能研究

＊田 軍

(奧普琦化工助劑公司 黑龍江 163713)

壓裂用有機鋯交聯劑性能研究

＊田 軍

(奧普琦化工助劑公司 黑龍江 163713)

目前我國在交聯劑的應用上還比較單一，只是初步的完成了在酸性條件下植物膠的交聯，但是對于多樣的酸性交聯劑在研制上還是有很多的困難。由于在石油開采過程中，井下的溫度以及壓力都比較高，研制出多樣性的酸性交聯稠化劑對油田開采具有重要的意義，就目前的油藏開采現狀來看，低滲透油藏會是油田開采產量的主要來源，如何對這類油藏進行壓裂改造是現在油藏急需研究的問題。文章從壓裂液的性能和發展趨勢出發，對有機鋯交聯劑的合成方法和性能影響因素做了有關研究。

油藏開采；壓裂液；有機鋯交聯劑；性能研究

引言

隨著我國經濟的不斷發展，人們生活水平的不斷提高，無論是生產還是生活上對能源的需求越來越高，石油作為最主要的能源，隨著不斷的開采，高品位的油藏在逐漸的減少，使得低滲透油氣所占的比例逐漸增加，將會成為我國未來主要的開采對象。但是由于低滲透油氣藏具有較密的巖性，較低的滲透率以及較低的產量，使得具有較大的開采難度，所以難以使工業的流油標準得到滿足。所以在對低滲透油藏進行開采時，就必須對其進行壓裂改造，才能獲得較高的產能。

研究發現，酸性環境可以對低滲透油氣藏中的堵塞物進行溶蝕，能夠溶蝕巖石和粘土。從而使局部地層的滲透率得到提高，使裂縫的導流能力得到提升。還有就是酸性條件下的氫離子可以置換出粘土分子中的金屬離子，從而使各地層之間的分子作用力得到加強，使粘土由于負電效應引起的膨脹遷移有效的得到抑制，對穩定粘土具有重要的作用，可見制取出具有成本低、殘渣少、破膠性強的酸性壓裂液對低滲透油藏的開采具有重要的意義。

1.壓裂液的性能和發展趨勢

實現油氣井的增產，水力壓裂是一項重要的技術手段。所謂的水力壓裂是通過地面的高壓泵組產生遠遠超過地層吸液能力的性能將高粘液體注入到井中，從而可以使高壓在井底形成，當產生的壓力超過地應力以及抗張強度以后，就會使井底附近形成裂縫。此時，繼續在裂縫中注入含有支撐劑的工作液，則會使裂縫繼續向前延伸，當壓力釋放完后，裂縫可以繼續在支撐劑的作用下保持原狀，從而在高壓泵停止工作后，地層中依然可以存在一條或多條并且足夠長的裂縫進行填砂導流，從而使地層的滲透能力得到提高，使油氣流可以地層中滲入到井筒當中。這就是壓裂的原理，在壓裂的過程中使用的流體就是壓裂液。

在對低滲透油氣藏進行開采時，壓裂改造是必不可少的手段，而壓裂液的作用就是進行造縫和攜砂，如何提高壓裂液的性能是現在最為關注的問題。性能高的壓裂液應具有較高的粘度，能夠攜帶支撐劑，并且不會產生較大的摩阻，從而對壓力進行有效的傳遞，具有較低的濾失量，從而使地層的壓力實現較快的提升，具有較少的溶解物質和殘渣，從而不會對地層造成堵塞，并且具有較高的穩定性，配制簡單，成本低等性能，都是壓裂液合成需要考慮的。

在水力壓裂液中常用的稠化劑是天然的植物膠和其衍生物，因為其具有較成熟的技術手段，并且形成的膠體具有較高的穩定性，資源充足等特點。但是相關研究顯示天然植物膠壓裂液容易在裂縫的表面形成濾餅，在地層和裂縫中遺留殘渣，對地層造成二次傷害，還存在著一些潛在的危害，在地層深處侵入濾液，使液體的效率降低，對以后的濾液清除造成困難等。

為了減小對油氣儲層的傷害，在壓裂液的稠化劑的發展趨勢上逐漸的轉向合成聚合物，和天然的植物膠相比，合成聚合物具有較強的增稠能力，較好的粘溫特性，較強的懸砂能力，對細菌的敏感能力較低，殘渣較少，對地層具有較小的傷害等，但是其在泵送時具有嚴重的機械降解，較差的剪切穩定性，并且在鹽水溶液中，會減小粘度，甚至會出現沉淀。因此為了降低這些缺陷，就需要對其抗鹽、抗溫等性能進行優化調控。常用的壓裂液都是在堿性的環境下進行交聯的，而酸性環境可以對低滲透油氣藏中的堵塞物，能夠溶蝕巖石和粘土，研制出多樣性的酸性交聯稠化劑對油田開采具有重要的意義。

2.有機鋯交聯劑的合成方法和性能影響因素

(1)有機鋯交聯劑的性能和合成方法

有機鋯交聯劑是通過無機的鋯鹽和有機的配位體相互反應合成的，由于將有機配位體引入到有機鋯交聯劑當中，使得有機鋯交聯劑的穩定性得到了大大的提升，除此之外，多核絡合物的成城還增強了單位交聯點的交聯強度，使交聯凍膠具有較好的耐溫性。在交聯劑當中，鋯和配位體同時參與和聚合物的反應，減少了和聚合物反應的離子個數，從而使交聯反應得到了延遲。

鋯離子（Zr4+）與羥基的親和力較強，能夠和-OH、-COOH等功能基團結合形成的化學鍵具有較強的穩定性，從而使粘土膨脹得到防止，具有較高的抗溫性能，在國外的應用中，有機鋯交聯劑已經得到了廣泛的研究，美國Dowell公司研制的J366、J367等鋯系交聯劑。交聯的壓裂液，可對油層的壓裂地層溫度達177°C以上；WeatherFord公司研制了ZXL-1、ZXL-1A、ZXL-2、鋯系交聯劑，與在值內交聯，凍膠與配伍，可用于地層溫度大于107°C的油氣層壓裂作業。在合成有機鋯交聯劑時，主要有以下幾種方法：

①合成檸檬酸二乙醇胺合鋯。在帶有冷凝管和攪拌器的三口燒瓶當中加入一定量的八水和氧氯化鋯、水以及檸檬酸，在三口燒瓶中進行充分的攪拌，使其得到溶解，然后再按照事先設計好的量將二乙醇胺倒入到三口燒瓶當中，在90攝氏度的反應溫度下，反應4個小時后結束反應，從而得到的黏稠液體呈橙紅色透明狀，就是檸檬酸二乙醇胺合鋯。

②合成檸檬酸三乙醇胺合鋯。在帶有冷凝管和攪拌器的三口燒瓶當中加入一定量的八水和氧氯化鋯、水以及檸檬酸，在三口燒瓶中進行充分的攪拌，使其得到溶解，然后再按照事先設計好的量將三乙醇胺倒入到三口燒瓶當中，在90攝氏度的反應溫度下，反應4個小時后結束反應，從而得到的黏稠液體呈橙紅色透明狀，就是檸檬酸三乙醇胺合鋯。

③合成檸檬酸丙三醇合鋯。在帶有回流冷凝裝置的三口燒瓶中按照物料的配比加入氧氯化鋯和水，不斷攪拌，使其充分溶解，在三口燒瓶中加入NH3將溶液的PH調至1-2，將異丙醇放入溶液，并通如氮氣，加熱到反應溫度，不停攪拌2小時后，停止輸入氮氣，再將按照事先設計好的量將兩三醇和梓檬酸三鈉，倒入到三口燒瓶當中，繼續進行1.5至2小時的攪拌，將反應后的產物進行中和，使其PH值為3-4，就是檸檬酸丙三醇合鋯。

(2)有機鋯交聯性能的影響因素

①配體。在合成有機鋯交聯劑時，常采用的有機配體是氨基醇、乳酸以及β-二酮等，不同的有機配體合成的有機鋯其交聯性能具有較大的差別，具有不同的延緩交聯和耐溫能力。檸檬酸二乙醇胺合鋯交聯劑與0.6%的羧甲基羥丙基瓜膠進行交聯，產生的凝膠具有較差的性能。檸檬酸三乙醇胺合鋯交聯劑與0.6%的羧甲基羥丙基瓜膠進行交聯，產生的凝膠具有較好的性能。檸檬酸丙三醇合鋯鋯交聯劑與0.6%的羧甲基羥丙基瓜膠進行交聯，產生的凍膠，如果溫度較高的話，其具有較差的穩定性。因此在應用中常使用三乙醇胺以及檸檬酸與氧氯化鋯作為壓裂用的有機鋯交聯劑。

②原料配比。在不同的氧氯化鋯和檸檬酸配比下，隨著其配比的增加，凝膠的形成時間，先減少再增加，而其耐溫性能若在90攝氏度的環境下，表現出先增加再減少的情況，因此，不同的氧氯化鋯和檸檬酸配比下，凝膠的時間、凝膠的狀態以及耐溫時間都不同，所以為了提高交聯劑的性能可以合理的設置氧氯化鋯和檸檬酸配比。在不同的氧氯化鋯與三乙醇胺配比下，隨著其配比的增加，凝膠的形成時間，先減少再增加，而其耐溫性能若在90攝氏度的環境下，表現出先增加在減少的情況，因此，不同的氧氯化鋯和檸檬酸配比下，凝膠的時間、凝膠的狀態以及耐溫時間都不同，所以為了提高交聯劑的性能可以合理的設置氧氯化鋯和檸檬酸配比。綜上可見，原料配比對有機鋯交聯劑性能的影響具有重要的作用。

③反應溫度。在較低的反應溫度下，氧氯化鋯和有機配位體具有較低的絡合程度，交聯劑為主的主要是鋯離子，在和聚糖交聯時具有較快的速度，但是形成的凍膠具有較差的耐溫性。當在較高的反應溫度下，氧氯化鋯和有機配位體形成的有機鋯絡合物具有較高的穩定性，可見，隨著溫度的升高，有機鋯與羧甲基羥丙基瓜膠需要長的時間才能形成凍膠，并且具有較高的耐溫性，可見在合成時反應溫度對有機鋯交聯劑的性能也具有一定的影響。

④反應時間。如果反應時間較短的話，生成的有機鋯交聯劑在和羧甲基羥丙基瓜膠交聯時具有較差的性能，而隨著反應時間的增長，會使絡合反應進行的徹底，使交聯性能得到大幅度的提高，在制備有機鋯交聯劑時，常將反應時間控制在4小時到6小時之間，此時形成的有機鋯交聯劑在和羧甲基羥丙基瓜膠在較短的時間就能形成凍膠，并且凝膠狀態好，具有較長的耐溫時間。

3.結論

由于低滲透油氣藏在開采過程中，堿性的壓裂液對儲層會造成二次傷害，因此需要制取出酸性條件下的交聯劑，有機鋯交聯劑是目前使用最廣的壓裂用交聯劑，文章對其制取合成做了論述，并對配體、原料配比、反應溫度、反應時間等對有機鋯交聯劑的性能的影響做了有關研究。

[1]胡世平,李建平,韓俊華等．有機硼鋯交聯劑的制備與延緩交聯效果[J]．油田化學, 2016, 33(1):37-39．

[2]王棟,王俊英,劉洪升等．高溫低傷害的有機硼鋯 CZB-03 交聯羥丙基瓜爾膠壓裂液研究[J]．油田化學, 2004, 21(2): 116-119．

[3]嚴芳芳,方波,盧擁軍等．有機鋯交聯 AM/DMAM/AMPS 三元聚合物流變動力學[J]． 化工學報, 2014, 65(11): 4376-4382．

[4]姚席斌．高溫地面交聯酸酸液交聯劑的研制[J]．鉆井液與完井液,2012 (2012 年 02): 65-67．

田軍（1971～），男，化工助劑公司，研究方向：石油化工助劑。

(責任編輯 李鵬波)

Performance Study of Fracturing Organic Zirconium Cross-linking Agent

Tian Jun

（Aopuqi Chemical Additives Company, Heilongjiang, 163713）

At present, China’s application of crosslinking agent is relatively single and what we finished preliminarily now is the plant gum crosslinking, however, for the development of variety of acidic crosslinking agents, we are still facing many difficulties. In the process of oil exploitation, the downhole temperature and pressure are higher, so developing the multiple acidic cross-linked thickening agent has the vital significance for oil field exploitation. For the current situation of reservoir recovery, low permeability of reservoir is the main source of oilfield exploitation production and how to take fracturing transformation on this kind of reservoir is an urgent issue for current reservoir. In this paper, starting from the perspective of fracturing fluid performance and development trend, it takes related study of the synthetic methods and performanceinfluenced factors of organic zirconium cross-linking agent.

reservoir recovery；fracturing fluid；organic zirconium cross-linking agent；performance study

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