胍膠壓裂液高效破膠降解劑體系研究

黃飛飛，蒲春生，陸雷超，劉靜，吳飛鵬

(1.中國石油大學(華東) 石油工程學院，山東 青島 266580；2.中國石油塔里木油田公司，新疆 庫爾勒 841000)

致密油藏[1-3]基質滲流能力差[4-5]，需水力壓裂改造才能得到經濟產量[6-8]。壓裂液的性質對效果至關重要[9-11]，以胍膠為代表的聚合物水基壓裂液由于其材料來源廣、攜砂效果好，應用最為廣泛[12-13]。但是，胍膠壓裂液水不溶物含量較高，且難以徹底破膠，其殘渣、殘膠易對壓后儲層造成傷害[14-15]。本文利用氧化破膠劑與生物酶降解劑的協同作用[16-17]，通過系統實驗對鄂爾多斯盆地HL低滲透區塊胍膠壓裂液破膠劑進行優化，確定高效破膠降解劑體系，并通過相應測試分析，明確其低傷害作用機理，為提升該區塊壓裂改造效果提供支持，并對同類低滲透油藏壓裂液設計提供參考。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

氯化鉀、無水碳酸鈉、無水亞硫酸鈉、七水合硫酸亞鐵、過氧化氫、抗壞血酸、過硫酸鈉、過硫酸銨均為分析純；次氯酸鈉，化學純；HRS復合破膠劑、羥丙基胍爾膠、YCS-1殺菌劑、有機硼交聯劑、BAT-1、BAT-2、BAT-3、JCS-1、JCS-2、纖維素酶、甘露聚糖酶、α-半乳糖苷酶、葡糖淀粉酶均為工業品；芬頓試劑，自制。

M302流變儀；AB204S精密電子天平；HWY-501循環恒溫水浴；JJ-1定時電動攪拌器；LD-4臺式離心機；GGS42-2烏氏黏度計；101-1-BS電熱恒溫鼓風干燥箱；Bettersize2000激光粒度分析儀；1515/515凝膠滲透色譜儀。

1.2 壓裂液配制

按照行業標準水基壓裂液性能評價方法(SY/T 5107—2005)[18]配制壓裂液。

1.2.1 壓裂液基液配制 取去離子水1 000 mL于燒杯中，攪拌狀態下依次加入0.35%羥丙基胍爾膠、1.0% KCl、0.1% YCS-1殺菌劑，用無水碳酸鈉調節體系pH值至10左右。羥丙基胍爾膠應緩慢添加，防止形成魚眼，并及時調整攪拌機轉速，以能看到攪拌器漿葉中軸頂端為宜。添加完畢后，繼續攪拌10 min。隨后將燒杯置于30 ℃水浴內恒溫靜置 4 h，即得壓裂液基液。

1.2.2 交聯液配制 取去離子水100 mL于燒杯中，攪拌狀態下加入3.5%有機硼交聯劑、破膠/降解劑攪拌均勻，即得交聯液。

1.2.3 胍膠壓裂液配制 攪拌狀態下，將交聯液加入壓裂液基液中，制得交聯胍膠壓裂液。

1.3 實驗方法

1.3.1 耐溫耐剪切性測定 設置流變儀測試溫度為60 ℃(HL區塊油藏溫度)，剪切速率為170 s-1，持續剪切1 h，記錄壓裂液黏度隨時間變化。分別測試各破膠劑、降解劑體系在給定濃度下胍膠壓裂液的耐溫耐剪切性曲線，選擇能夠滿足壓裂施工要求的體系進行后續研究。

1.3.2 破膠液殘渣含量測定 將壓裂液裝入密閉容器中，放到恒溫箱中恒溫加熱，設置溫度為 60 ℃，每隔30 min用玻璃棒挑起，直到不能挑掛。每隔 15 min 取上層清液測其黏度，直到黏度低于5 mPa·s，即得破膠液。按照行業標準壓裂用植物膠通用技術要求SY/T 5764—2007[19]進行殘渣含量測試，計算殘渣含量。

式中η2——殘渣含量，mg/L；

m2——干燥離心管和殘渣總質量，mg；

m1——干燥離心管質量，mg；

V2——溶液體積，mL。

1.3.3 分子量測試 利用凝膠滲透色譜儀測試，將破膠液過濾、脫氣后放入樣品瓶，打開濃度檢測器，等待系統平衡穩定后開始測試。用注射器將樣品勻速注入進樣器，在計算機上觀察凝膠滲透色譜(GPC)曲線，測試完成后導出數據。

1.3.4 殘渣粒徑測試 激光粒度儀開機預熱，樣品池進液，在超聲和攪拌作用下測試，排放樣品，結束測試。

2 結果與討論

2.1 破膠劑優選

測試不同破膠劑體系(表1)在各質量濃度下壓裂液的耐溫耐剪切性。已有研究表明，胍膠壓裂液黏度在100 mPa·s左右時，能夠使流動阻力和攜砂能力達到較好的平衡[20]，據此確定各破膠劑體系的適宜使用濃度，并統計各體系在適宜濃度下破膠液的黏度、殘渣含量，統計結果見表2。

表1 破膠劑信息統計表

表2 不同破膠劑體系下破膠液黏度、殘渣含量統計

根據破膠液黏度，優選出破膠劑為0.07%的P4(過硫酸銨∶亞硫酸鈉= 9∶1，質量比)，相應的胍膠壓裂液耐溫耐剪切性曲線見圖1。

圖1 P4破膠劑各濃度下胍膠壓裂液耐溫耐剪切性曲線

由圖1可知，該體系較好發揮了氧化還原體系的誘導和協同效應，在優選的濃度下既能較好滿足壓裂液耐溫耐剪切性要求(耐溫耐剪切性測試結束穩定黏度為107 mPa·s左右)，又能實現有效破膠(最終破膠液黏度僅1.49 mPa·s)，此外破膠液中殘渣含量也處于相對較低水平(325 mg/L)。

2.2 降解劑優選

測試不同降解劑體系(表3)在各質量濃度下壓裂液的耐溫耐剪切性，選取胍膠壓裂液耐溫耐剪切性測試穩定黏度在100 mPa·s左右的降解劑體系，結果僅M1～M5五種降解劑在實驗濃度范圍內具有適宜濃度，統計其在適宜濃度下的破膠液黏度、殘渣含量，測試結果見表4。

表3 降解劑信息統計表

表4 不同降解劑體系下破膠液黏度、殘渣含量統計

由表4可知，降解劑M1～M5破膠液黏度差別不大。采用降解劑M2時，破膠液殘渣含量最小，為252 mg/L；此外其破膠液黏度為4.09 mPa·s，處于相對較低水平，故優選高效降解劑為M2，即BAT-2生物酶，其合理使用濃度為0.010%。該體系對應的胍膠壓裂液耐溫耐剪切性測試結果見圖2，測試結束時，穩定黏度保持在137 mPa·s，滿足壓裂液耐溫耐剪切性要求。

圖2 不同濃度降解劑M2下胍膠壓裂液耐溫耐剪切性曲線

2.3 破膠降解劑體系優選

為了更好地發揮破膠劑與降解劑的協同作用，既降低破膠液的黏度，又降低殘渣含量，對P4破膠劑和M2降解劑進行復配，進行復合破膠降解劑體系的優選。通過對16個復配體系的耐溫耐剪切性、破膠液黏度、殘渣含量進行排序、打分(分值1～16，性能指標越理想，打分越高)，根據HL區塊現場壓裂經驗，將耐溫耐剪切性、破膠液黏度、殘渣含量的打分結果分別按照0.5，0.2，0.3的權重進行加權求和，得到各復合體系綜合分值，結果見表5。

表5 各復合破膠降解劑效果統計

由表5可知，最佳的復合破膠降解劑體系為第5組，即0.06%破膠劑P4(過硫酸銨∶亞硫酸鈉=9∶1)+0.009%降解劑M2(BAT-2)，其破膠液黏度為1.5 mPa·s，殘渣含量為202 mg/L，對應的耐溫耐剪切性曲線見圖3，測試結束時，穩定黏度為103 mPa·s。

圖3 復合破膠降解胍膠壓裂液耐溫耐剪切性曲線

2.4 分子量測試

為了量化對比HL區塊當前所用的過硫酸銨(0.1%)破膠劑和優化的復合破膠降解劑對破膠液中聚合物相對分子量的影響，分別測試了無破膠劑(HL區塊現用壓裂液交聯劑為有機硼，可自行破膠)、現用過硫酸銨破膠劑、優選的破膠降解劑體系條件下胍膠壓裂液破膠液的凝膠滲透色譜，結果見圖4，其平均分子量統計見表6。

圖4 凝膠滲透色譜測試分子量分布對比圖

表6 破膠液平均分子量統計表

由表6可知，優化后的復合破膠降解劑相對于現用過硫酸銨破膠劑，降低了破膠液中聚合物平均相對分子質量6.7×104，降低率16.0%。

2.5 殘渣粒徑測試

為了量化對比HL區塊當前所用的過硫酸銨破膠劑和優化的復合破膠降解劑對破膠液中殘渣粒徑的影響，利用激光粒度儀分別測試了無破膠劑、現用過硫酸銨破膠劑、優選的破膠降解劑體系條件下胍膠壓裂液破膠液中的殘渣粒徑，結果見圖5，其平均殘渣粒徑統計見表7。

圖5 破膠液殘渣粒度分布曲線

表7 破膠液殘渣粒徑統計

由表7可知，優選的破膠降解劑相對于現用的過硫酸銨破膠劑，降低了破膠液中殘渣粒徑中值(19.58 μm)，殘渣粒徑中值減小率21.5%。

3 結論

通過對胍膠壓裂液耐溫耐剪切性、破膠液黏度、破膠液殘渣含量測試，從10種破膠劑、9種降解劑中篩選、優化出復合破膠降解劑0.06%破膠劑P4(過硫酸銨∶亞硫酸鈉=9∶1)+0.009%降解劑M2(BAT-2)，在復合破膠降解劑條件下胍膠壓裂液 60 ℃下耐溫耐剪切測試穩定黏度為103 mPa·s，破膠液黏度為 1.5 mPa·s，破膠液中殘渣含量為 202 mg/L。優化的復合破膠降解劑相對于現用過硫酸銨破膠劑，可降低破膠液中聚合物平均相對分子量6.7×104，聚合物分子量降低率16.0%；減小破膠液中殘渣粒徑中值19.58 μm，殘渣粒徑中值減小率21.5%。