220℃超高溫聚合物壓裂液性能研究

劉 萍 ，管保山 ，徐敏杰 ，許 可 ，王海燕 ，翟 文 ，楊文軒 ，楊艷麗

（1.中國石油勘探開發研究院壓裂酸化技術服務中心，河北廊坊 065007；2.油氣藏重點實驗室，河北廊坊 065007；3.中國科學院大學，北京 100049）

隨著油氣勘探開發不斷深入，低滲、超低滲儲層、致密油氣儲層比重加大，深層超高溫儲層由于埋藏深，儲層滲透率低，射孔后自然產能低甚至無產量。壓裂作為這類儲層最為有效的增產措施，受到國內外專業人士的廣泛關注。對于高溫儲層的改造，需要攻關耐溫180℃以上的壓裂液是關鍵技術之一，植物膠體系大多所使用的是有機硼交聯劑'它們是在堿性的環境下交聯'耐溫能力不能滿足高溫環境的要求。因此，聚合物類耐高溫的壓裂液體系被廣泛研究[1-3]，耐溫可達200℃以上，由于溫度高使用稠化劑濃度大，破膠成為研究重點，大多數使用氧化劑作為破膠劑，如過硫酸銨、過硫酸鉀等，通過自由基反應使分子降解，黏度降低實現破膠[4，5]，同時高溫條件下需要液體保持良好的攜砂性，破膠劑不能讓凍膠降解太快，有時需要延遲功能的破膠劑[6]，如膠囊類的破膠劑，緩慢釋放，最終實現徹底破膠，減少儲層傷害。本文針對研發的聚合物高溫壓裂液進行流變性能、破膠性能、濾失性能及殘渣含量的研究。

1 實驗儀器設備和材料

電子天平：精度 0.001 g；攪拌器：吳茵（waring）混調器；恒溫水浴鍋：精度±1℃；黏度計：六速旋轉黏度計、RS6000流變儀；高溫高壓濾失儀；聚合物稠化劑：合成；交聯劑：室內合成；破膠劑1#：工業品；過硫酸銨：工業品。

2 實驗方法

實驗用的壓裂液是使用自來水在Waring混調器中配制而成，壓裂液基液性能、破膠、濾失及殘渣含量等參照中石油行業標準SY/T 5107-2016《壓裂液性能評價方法》規定的方法測定。

3 實驗結果與討論

3.1 壓裂液基本性能

稠化劑：由丙烯酰胺（AA）、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸（AMPS）、甲基丙烯酸（MAA）和乙烯基膦酸（VPA）等單體通過特殊聚合工藝制作而成，作為壓裂液的稠化劑具有良好的增稠和減阻作用、熱穩定性較好、無殘渣等優點。合成聚合物稠化劑為白色固體小顆粒，易溶于水，在水中為無色透明液體，離心分離檢測沒有固態物質，不含水不溶物，水溶液呈中性。交聯劑為含有鋯、鋁金屬元素的復合交聯劑，能與合成的稠化劑形成凍膠。針對高溫220℃儲層，對研究的稠化劑和交聯劑不斷優化，確定配方為稠化劑用量0.5%、穩定劑0.5%、交聯劑用量0.5%，通過調整配方組成，可以得到適用于不同溫度需求的壓裂液體系。

壓裂液配方：0.5%稠化劑+0.5%穩定劑+其他添加劑+0.5%交聯劑；基液表觀黏度：46.5 mPa·s；基液pH：6.5；交聯時間：15″增稠，1′繼續增稠，膠稀可挑，具有延遲交聯作用，凍膠在初期交聯時較稀，利于泵送，隨著溫度升高，升溫至50℃以上凍膠強度增加可挑掛（變化過程見圖1）。

圖1 凍膠隨溫度變化過程

3.2 流變性能

壓裂液在220℃，100 s-1剪切速率下，剪切2 h的結果（見圖2），從圖2中數據可知：開始凍膠黏度不高50 mPa·s左右，隨著溫度升高，黏度快速增加，最高大于700 mPa·s，隨著剪切和時間的推移，黏度波動變化慢慢降低，剪切40 min后黏度降至140 mPa·s左右，然后緩慢的降低，剪切120 min黏度保持在100 mPa·s以上，能夠滿足攜砂要求。與其他聚合物類壓裂液初始黏度高相比，該體系的初始黏度低，減小井筒里的泵送摩阻。

3.3 破膠性能

利用兩種方式考察破膠劑對壓裂液黏度的影響，（1）按照標準方法進行靜態條件下的破膠，選擇了破膠劑1#和通常使用的過硫酸銨作為破膠劑，加入不同的破膠劑量，測定不同時間的黏度，結果（見表1和表2），由數據可知：兩種破膠劑在180℃和220℃下都能夠實現徹底破膠，在180℃下，破膠劑1#加量在大于0.1%時，8 h能夠破膠，0.20%時，6 h能夠破膠，表明隨著時間加長，破膠劑持續破膠；在220℃下，加量在大于0.1%時，4 h～6 h能夠破膠，因此破膠劑相同加量下，溫度高的破膠時間縮短。

圖2 體系的流變性能

表1 使用破膠劑1#的破膠結果

表2 使用過硫酸銨的破膠結果

過硫酸銨作為破膠劑，在180℃下，只有加到足夠量0.2%才能破膠，并且是快速的，1 h可徹底破膠；在220℃下，0.15%加量，2 h可以徹底破膠。相對于破膠劑1#利用過硫酸銨作為破膠劑破膠速度快，可用于施工的后期加入，影響攜砂性能小，破膠徹底，減少傷害。

（2）在做流變時加入不同量的破膠劑過硫酸銨[7]，加量為0、0.01%、0.03%和0.05%，考察不同破膠劑下黏度的變化，結果（見圖3），不加破膠劑120 min的黏度157 mPa·s，加0.01%破膠劑120 min 的黏度135 mPa·s，加0.03%破膠劑120 min的黏度120 mPa·s，加0.05%破膠劑50 min的黏度100 mPa·s，92 min時黏度低于50 mPa·s，110 min 時黏度低，在 30 mPa·s左右。隨著破膠劑量的增加，能夠明顯降低凍膠的黏度，起到破膠作用。

圖3 不同破膠劑加量的流變性能

表3 壓裂液的靜態濾失性能實驗結果

3.4 壓裂液的靜態濾失性能

壓裂液在180℃的濾失性能（見表3），由于使用的濾紙耐溫最高180℃，所以對體系的濾失性能只能做到這個溫度，濾失數據表明，由于溫度高，初期未能形成濾餅，初濾失較大，體系的濾失系數和濾失速率與常規胍膠體系相當。

3.5 殘渣

壓裂液破膠劑可以使用過硫酸銨，其加量隨溫度降低而增加，可以看出，合成聚合物體系破膠徹底，破膠液黏度低，破膠后產生的殘渣也比較少，含量為14 mg/L～32 mg/L，而同濃度的羥丙基胍膠壓裂液的殘渣含量大于300 mg/L。

4 結論與認識

（1）實驗表明，研發的聚合物壓裂液體系，基液黏度適中，具有延遲交聯的性能，利于減少泵送摩阻。

（2）體系在220℃下具有良好的流變性能，剪切120 min黏度保持在100 mPa·s以上，能夠滿足攜砂要求。

（3）聚合物體系能夠利用氧化類破膠劑在高溫下破膠，通過優化破膠劑的加量，實現徹底破膠，減少了對儲層的傷害。