一元化生物膠壓裂液性能研究

王佳，沈燕賓，李辰，李俊華

(陜西省石油化工研究設計院 陜西省石油精細化學品重點實驗室，陜西 西安 710054)

壓裂改造是氣田的一項重要技術手段，為解決壓裂改造過程中的環保問題，提高作業效率，降低綜合成本，開發了一元化生物膠壓裂液。該技術可實現從源頭上降低儲層傷害，提高改造效果，通過返排液循環利用，實現“降本、提效、環保”的目標[1-3]。一元化生物膠壓裂液與清水混合時，乳液在水中產生伸展，從而快速形成具有良好攜砂性能的膠體。根據儲層的溫度調整一元化生物膠壓裂液和水混合的比例來制備壓裂液，具有適應溫度范圍廣、耐溫性強的特點。該壓裂液具有易破膠、殘渣低、配伍性好的特點。同時破膠液再次加入一元化生物膠后可再次形成壓裂液，降低了壓裂施工的成本。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

羥丙基瓜膠、過硫酸銨為工業品;一元化生物膠,自制。

GJ-3S型數顯高速攪拌機；LX-201型離心測定儀；HH-601超級恒溫水浴鍋；QBZY-3型全自動表面張力儀；LB20EG型吳茵混調器；ZNN-D6C型數顯旋轉黏度計；PLD-265B型運動黏度計；JA300N型電子天平。

1.2 性能評價

依據行業標準《水基壓裂液性能評價方法》的相關規定對壓裂液體系的耐溫耐剪切性、濾失性能、靜態懸砂性能、破膠性能和巖心傷害等進行評價。

2 結果與討論

2.1 濃度的影響

量取需要配制壓裂液量的實驗用水，倒入吳茵混調器中，調節轉速，加入一元化生物膠(配制不同比例的乳液0.5%,0.8%,1.0%,1.2%,1.5%,1.8%,2.0%,2.5%)，調整轉速持續攪拌，形成均勻的溶液，停止攪拌。將已配好的基液倒入燒杯中加蓋，放人25 ℃恒溫水浴鍋中靜置，記錄1,3,5,10,15,30,60 min時一元化生物膠不同濃度基液的黏度，結果見圖1。

圖1 一元化生物膠不同濃度下黏度曲線

由圖1可知，一元化生物膠的黏度隨著加量的增加逐漸增大。隨著溶脹時間增加，黏度趨于平穩。考慮到壓裂液體系成本與性能，選擇溶脹時間為3 min。

2.2 溫度的影響

分別配制0.5%，0.8%，1.0%，1.2%，1.5%，1.8%，2.0%，2.5%一元化生物膠，不同溫度10，20，30，40，50，60，70，80，90 ℃下恒溫30 min乳液的黏度變化見圖2。

圖2 一元化生物膠不同溫度下黏度曲線

由圖2可知，在同一溫度下，一元化生物膠濃度越高，黏度越大；隨著溫度升高，黏度逐漸下降。一元化生物膠壓裂液具有適應溫度范圍廣的特點，在實際應用過程中，根據儲層的溫度選擇一元化生物膠壓裂液和水混合的比例來制備壓裂液。

2.3 耐溫耐剪切性能

用自來水配制胍膠濃度為2.0%的一元化生物膠，進行流變性能測試。按照行業標準《壓裂液通用技術條件》對一元化生物膠壓裂液體系的耐溫抗剪切性能進行評價[4-5]，結果見圖3。

圖3 3.0%乳液130 ℃流變性能

由圖3可知，當一元化生物膠濃度為3.0%， 130 ℃下、連續剪切120 min，黏度大于30 mPa·s，說明一元化生物膠壓裂液體系具有優良的耐溫耐剪切性能。

2.4 懸砂性能評價

室內對一元化生物膠壓裂液體系的攜砂性能進行了評價，與常規胍膠壓裂液體系(0.45%瓜膠+0.2%交聯劑)進行對比，選用粒徑為30～50目陶粒砂。實驗中量取壓裂液于量筒中，在不同溫度(30,60,90 ℃)下，記錄陶粒砂沉降至底部的時間，計算其沉降速度，結果見表1。

表1 不同溫度下的沉降速度

由表1可知，在90 ℃下，陶粒砂在一元化生物膠壓裂液體系中的沉降速度為0.858 mm/s，常規胍膠壓裂液的沉降速度為0.815 mm/s。一元化生物膠壓裂液的攜砂能力能夠滿足壓裂施工攜砂要求。

2.5 破膠性能評價

在室內，按照行業標準《壓裂液通用技術條件》，對一元化生物膠壓裂液體系破膠性能進行評價[6-7]。配制2%一元化生物膠溶液，在90 ℃下加入0.05%過硫酸銨破膠，測定破膠液黏度、表界面張力和殘渣含量，結果見表2。

表2 壓裂液體系的破膠性能

由表2可知，過硫酸銨質量分數為0.05%，在90 ℃條件下，一元化生物膠壓裂液破膠時間為55 min，破膠液黏度為2.55 mPa·s，表面張力為23.58 mN/m，界面張力為1.93 mN/m，破膠液殘渣含量10 mg/L，均能達到水基壓裂液破膠評價指標的要求，說明一元化生物膠壓裂液體系具有良好的破膠性能。現用0.45%胍膠壓裂液的殘渣為180～380 mg/L，一元化生物膠破膠后殘渣遠低于常規胍膠壓裂液殘渣，更易返排，進而減少了破膠殘渣對地層的傷害。

2.6 壓裂液濾液與地層水配伍性

一元化生物膠壓裂液的破膠液與陜北地區取回的地層水按不同的體積比(1∶2，1∶1，2∶1)進行混合，放置24 h后，觀察是否有沉淀，結果見表3。

表3 返排液與地層水配伍性能

由表3可知，一元化生物膠破膠液和地層水按不同比例混合后，結果無沉淀產生，配伍性好。

2.7 壓裂液穩定性能評價

一元化生物膠壓裂液破膠液再次加入生物膠后可再次形成壓裂液。分別對二次重復和三次重復后稠化時間、表觀黏度、耐溫耐剪切能力、破膠液表觀黏度、界面張力、界面張力進行測試，結果見表4。

表4 重復配制壓裂液性能

由表4可知，重復2次和重復3次，性能比較穩定，其他性能指標與首次相當，滿足壓裂液通用技術條件各指標要求。

3 結論

(1)根據儲層的溫度調整一元化生物膠壓裂液和水混合的比例來制備壓裂液。一元化生物膠的黏度隨著加量的增加逐漸增大，隨著溶脹時間不斷增加，黏度趨于平穩。考慮到壓裂液體系成本與性能，選擇溶脹時間為3 min。在不同溫度下，隨著溫度升高，黏度逐漸下降。

(2)一元化生物膠壓裂液體系具有良好的耐溫耐剪切性能，一元化生物膠濃度為3.0%，壓裂液體系在130 ℃下剪切120 min后，黏度大于30 mPa·s。一元化生物膠壓裂液的攜砂能力能夠滿足壓裂施工對攜砂性能的要求，破膠后殘渣遠低于常規胍膠壓裂液殘渣，進而減少了破膠殘渣對地層的傷害。

(3)一元化生物膠壓裂液體系其破膠液與地層水配伍性良好，無沉淀絮凝發生。破膠液再次加入一元化生物膠后可再次形成壓裂液，重復3次性能均穩定，其他性能指標與首次相當，具有良好的應用前景和推廣價值。