魏 俊,劉通義,,戴秀蘭,林 波,滕智子
(1. 成都佰椿石油科技有限公司,四川 成都 610500;2. 西南石油大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院,四川 成都 610500)
水力壓裂是油氣井增產(chǎn)、水井增注的一項(xiàng)重要技術(shù)措施[1-3]。目前,使用較多的壓裂液有胍膠及改性胍膠壓裂液、合成聚合物壓裂液等,常用的胍膠壓裂液存在水不溶物含量較高、破膠不徹底,對(duì)儲(chǔ)層滲透率傷害大等缺點(diǎn)而日益引起人們的關(guān)注[4-6]。為了克服這些問(wèn)題,合成聚合物壓裂液體系被提出,非交聯(lián)壓裂液即為其中一種。非交聯(lián)壓裂液是一種典型的結(jié)構(gòu)流體,具有強(qiáng)的黏彈性,這類壓裂液黏度大于20 mPa·s 時(shí),就能保證良好的懸砂性能[5]。但對(duì)于高溫深井,在稠化劑分子結(jié)構(gòu)強(qiáng)度無(wú)法進(jìn)一步提高的情況下,就需要提高稠化劑用量來(lái)達(dá)到要求,然而稠化劑用量的提高必將導(dǎo)致基液黏度過(guò)大,液體的可泵注性能差,加大了施工難度或者無(wú)法滿足現(xiàn)場(chǎng)施工條件[7-16]。針對(duì)這些問(wèn)題,流動(dòng)促進(jìn)劑的概念被提出,已經(jīng)公開(kāi)的壓裂液用流動(dòng)促進(jìn)劑有烷基三甲基溴化銨和油醇聚氧乙烯醚,這類表面活性劑可降低壓裂液的初始基液黏度,確保壓裂時(shí)泵車順利上水。
本工作利用非交聯(lián)壓裂液用稠化劑與表面活性劑之間的協(xié)同作用,研制了一種非交聯(lián)壓裂液用流動(dòng)促進(jìn)劑,并對(duì)其應(yīng)用性能進(jìn)行了研究。
非交聯(lián)壓裂液用稠化劑BCG-1、非交聯(lián)壓裂液用稠化增效劑B-55:工業(yè)品,成都佰椿石油科技有限公司;甲酸鈉:工業(yè)品,蘇州品諾化工有限公司;十二烷基羥丙基磷酸酯甜菜堿、椰油酰胺丙基羥磺基甜菜堿、全氟辛基聚氧乙烯醚:工業(yè)品,江蘇海安石油化工有限公司;乙二醇、過(guò)硫酸銨、KCl:分析純,成都科隆化工有限公司。
RS6000 型高溫流變儀(密閉圓筒系統(tǒng)、PZ38轉(zhuǎn)子):德國(guó)HAAKE 公司;Fann35 型六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì):青島海通達(dá)專用儀器有限公司;JYW-200 型自動(dòng)表、界面張力儀:承德鼎盛試驗(yàn)機(jī)檢測(cè)設(shè)備有限公司;流動(dòng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置,自制。
在搪瓷反應(yīng)釜中加入38 份的水、2 份的調(diào)節(jié)劑甲酸鈉和7.5 份的助溶劑乙二醇,開(kāi)啟攪拌器,待原料溶解完全后,再依次緩慢加入20 份的降黏劑十二烷基羥丙基磷酸酯甜菜堿、20 份的降黏劑椰油酰胺丙基羥磺基甜菜堿、12.5 份的助排劑全氟辛基聚氧乙烯醚,在50 ℃條件下攪拌60 min,轉(zhuǎn)速控制在700 r/min,冷卻出料,得到一種多功能流動(dòng)促進(jìn)劑LCJ。
1.4.1 壓裂液的制備方法
基液:量取需要配制壓裂液的實(shí)驗(yàn)用水500 mL,倒入攪拌器中。調(diào)節(jié)攪拌器轉(zhuǎn)速至液體形成的漩渦可以見(jiàn)到攪拌器漿葉中軸頂端。按順序依次加入流動(dòng)促進(jìn)劑LCJ、黏土穩(wěn)定劑KCl,攪拌均勻后緩慢加入稠化劑BCG-1,在加完全部添加劑后持續(xù)攪拌5 min,形成均勻的溶液即可。
壓裂液:取一定量的基液,按比例加入稠化增效劑B-55,攪拌均勻即為壓裂液。
1.4.2 流變性能測(cè)試方法
耐溫耐剪切性能測(cè)試:取70 mL 基液,按比例加入稠化增效劑B-55,攪拌均勻后倒入HAAK RS6000 型高溫流變儀的旋轉(zhuǎn)圓筒測(cè)試系統(tǒng),采用PZ38 型轉(zhuǎn)子,在170 s-1的剪切速率、不同溫度條件下,對(duì)不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)稠化劑配制的壓裂液進(jìn)行耐溫耐剪切性能測(cè)試。
黏彈性測(cè)試:采用RS6000 型高溫流變儀,C60/1°Ti 轉(zhuǎn)子進(jìn)行椎板實(shí)驗(yàn),在室溫下,找到液體的線性黏彈區(qū),固定頻率為1.0 Hz,掃描應(yīng)力為1.0 Pa,測(cè)定壓裂液儲(chǔ)能模量和耗能模量隨時(shí)間變化的曲線。
觸變性測(cè)試:采用RS6000 型高溫流變儀,C60/1°Ti 轉(zhuǎn)子進(jìn)行椎板實(shí)驗(yàn),剪切速率設(shè)置為0 ~500 s-1。為了保證流體觸變結(jié)構(gòu)被完全破壞,應(yīng)保證試樣在上行剪切后,保持500 s-1的剪切速率繼續(xù)15 min,然后再進(jìn)入下行剪切。
1.4.3 破膠性能測(cè)試方法
氫氣在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下密度為0.089 9 g/L,是相對(duì)分子質(zhì)量最小的物質(zhì),主要用作還原劑。三氧化鉬熔點(diǎn)為795 ℃,沸點(diǎn)為1 155 ℃,在800~1 000 ℃蒸氣中主要以聚合分子(MoO3)3的形式存在,溫度高于600 ℃顯著升華,與氣態(tài)水結(jié)合生成MoO3 (H2O)3[1],適當(dāng)增加一段還原氫氣中的氣態(tài)水含量,能有效促進(jìn)三氧化鉬揮發(fā)[2]。
取配制好的壓裂液,加入破膠劑過(guò)硫酸銨,攪拌均勻后置于老化罐中,一定時(shí)間后取出,測(cè)試液體黏度,待完全破膠(破膠液黏度不高于9 mPa·s)后,采用直徑47 mm、孔徑 0.020 mm 的微孔濾膜將破膠液進(jìn)行抽濾,通過(guò)濾膜前后的質(zhì)量差計(jì)算殘?jiān)?,并做平行?shí)驗(yàn)。測(cè)試破膠液的表面張力。
以上性能評(píng)價(jià)參照石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中相關(guān)測(cè)試方法執(zhí)行[17]。
分別配制BCG-1 含量為5,6,7,8 g/L,黏土穩(wěn)定劑KCl 含量為10 g/L 的壓裂液基液,取BCG-1 含量為5 g/L 的壓裂液基液分成幾份,加入不同量的LCJ,測(cè)試基液的表觀黏度。按照同樣的方法測(cè)試其他含量的BCG-1 配制的壓裂液基液對(duì)應(yīng)的最佳LCJ 用量。圖1 為壓裂液基液表觀黏度與流動(dòng)促進(jìn)劑用量的關(guān)系。由圖1 可知,在一定范圍內(nèi)隨LCJ 用量的加入,壓裂液基液的表觀黏度快速降低,隨LCJ 用量的進(jìn)一步增加,壓裂液基液的表觀黏度降幅減小并逐漸趨于穩(wěn)定,不同含量BCG-1 配制的壓裂液基液隨LCJ 的加入都呈現(xiàn)出這一趨勢(shì)。綜合考慮液體性能,當(dāng)稠化劑BCG-1含量為6 g/L 時(shí),加入12 mL/L 的LCJ 為最佳配比。
圖1 壓裂液基液表觀黏度與流動(dòng)促進(jìn)劑LCJ 用量的關(guān)系Fig.1 Correlation between apparent viscosity of fracturing fluid base fluid and flow accelerator(LCJ) dosage.
按照表1 中的配方配制壓裂液基液,測(cè)試流動(dòng)促進(jìn)劑LCJ 的加入對(duì)壓裂液基液的表觀黏度和流動(dòng)性的影響情況。由表1 可知,按優(yōu)選比例加入流動(dòng)促進(jìn)劑LCJ 后,壓裂液基液的表觀黏度大幅度降低,流出400 mL 所用的時(shí)間明顯縮短,當(dāng)稠化劑BCG-1 含量為6 g/L 時(shí),加入12 mL/L 的LCJ 后,壓裂液的基液黏度從115 mPa·s 降至51 mPa·s,在同一條件下,壓裂液的流動(dòng)時(shí)間從352 s 降至124 s,壓裂液的流動(dòng)性得到了較大改善。
按照表2 中的配方配制壓裂液,并測(cè)試流變性能。
表1 壓裂液流動(dòng)性測(cè)試結(jié)果Table 1 Test results of fracturing fluid fluidity
表2 進(jìn)行流變性能測(cè)試的壓裂液配方Table 2 Formula of fracturing fluid for rheological property test
2.3.1 壓裂液耐溫耐剪切性能
圖2 為壓裂液耐溫耐剪切曲線。
圖2 壓裂液耐溫耐剪切曲線Fig.2 Temperature and shear resistance curves of fracturing fluid.
由圖2 可知,加入LCJ 后壓裂液的抗溫性能變化不大,在對(duì)應(yīng)的溫度條件下經(jīng)過(guò)90 min 的剪切,液體黏度與沒(méi)有加入LCJ的液體黏度基本持平,表明該液體仍然具有良好的耐溫耐剪切性能。
2.3.2 黏彈性
圖3 為黏彈性測(cè)試數(shù)據(jù)。由圖3 可知,壓裂液基液中加入流動(dòng)促進(jìn)劑LCJ 后,液體的黏性模量和彈性模量都有所降低。LCJ 的分子鏈上帶有正負(fù)電荷,加入后一定程度地屏蔽了聚合物分子鏈間的靜電締合作用,隨著稠化增效劑B-55 的加入,B-55 分子鏈上面帶有負(fù)電荷,可中和LCJ 分子鏈上面的正電荷,聚合物分子間作用力恢復(fù)[8],網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度恢復(fù),壓裂液的黏彈性得以恢復(fù),并且LCJ 上面帶有負(fù)電荷,可擴(kuò)大疏水微區(qū),因此LCJ 的加入既能提高壓裂液基液的流動(dòng)能力,又不會(huì)影響壓裂液的黏彈性。
圖3 壓裂液黏彈性測(cè)試曲線Fig.3 Viscoelastic test curve of fracturing fluid.
2.3.3 觸變性對(duì)于共聚物與表面活性劑復(fù)配的體系,分子間的作用力對(duì)于液體性能的影響不容忽視,加入LCJ后,液體的表觀黏度降低,分子間作用力的變化情況可以通過(guò)觸變環(huán)面積來(lái)進(jìn)行分析,觸變環(huán)面積用于衡量破壞一定體積被測(cè)流體所需的能量,觸變性的大小也反映出壓裂液剪切稀釋性的強(qiáng)弱,觸變環(huán)
面積大有利于降低壓裂液在深井壓裂中的摩阻。圖4 為壓裂液觸變環(huán)測(cè)試曲線。由圖4 可知,基液中加入LCJ 后,觸變環(huán)的面積顯著減小,隨著帶有負(fù)電荷的B-55 的加入,分子間相互作用力得以恢復(fù),因此觸變環(huán)面積顯著增大,且觸變環(huán)面積較不加LCJ的液體略大,與黏彈性的測(cè)試結(jié)果趨勢(shì)一致。
表3 為加入破膠劑后壓裂液黏度隨時(shí)間的變化。由表3 可知,兩組適用不同儲(chǔ)層溫度的壓裂液在不同溫度條件下通過(guò)調(diào)節(jié)破膠劑加量,4 h 內(nèi)均可徹底破膠,破膠液黏度低,滿足壓裂液行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。
該壓裂液的破膠液清澈透明。表4 為壓裂液的破膠液性能。由表4 可知,配方Ⅱ的壓裂液的破膠液實(shí)測(cè)殘?jiān)繛?6.1 mg/L 左右,顯示了良好的清潔特性。由于LCJ 具有很強(qiáng)的表面活性,因此加入LCJ后,壓裂液破膠液的表面張力大幅度降低,最終測(cè)得破膠液表面張力低于27 mN/m,能夠較好地滿足壓裂液返排要求。
圖4 壓裂液觸變環(huán)測(cè)試曲線Fig.4 Thixotropic ring test curves of fracturing fluid.
表3 加入破膠劑后壓裂液黏度隨時(shí)間的變化Table 3 Variation of fracturing fluid viscosity with time increase after adding breaker
表4 壓裂液破膠液性能Table 4 Performance of gel breaking liquid of fracturing fluid
1)合成了一種流動(dòng)促進(jìn)劑LCJ,并對(duì)LCJ 在壓裂液中的用量進(jìn)行了優(yōu)化,測(cè)試了壓裂液中加入LCJ 前后的流動(dòng)時(shí)間。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)稠化劑BCG-1 含量為6 g/L 時(shí),加入12 mL/L 的LCJ 后,壓裂液的基液黏度從115 mPa·s 降至51 mPa·s;在同一條件下,壓裂液的流動(dòng)時(shí)間從352 s 降至124 s,壓裂液的流動(dòng)性得到了較大改善。
2)LCJ 加入后壓裂液基液黏度降低,但仍具有良好的耐溫耐剪切性能,在170 ℃、170 s-1條件下,經(jīng)過(guò)90 min 的剪切,表觀黏度穩(wěn)定在25 mPa·s 以上;并對(duì)LCJ 加入前后壓裂液的黏彈性和觸變性進(jìn)行了測(cè)試,加入LCJ 后,壓裂液具有更好的黏彈性和觸變性;在對(duì)應(yīng)的儲(chǔ)層溫度條件下均可徹底破膠,且破膠液的表面張力和殘?jiān)枯^低。