盧翔，曹云

（1.陜西延長石油豐源有限責(zé)任公司，陜西 延安 716000；2.延安市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測站，陜西 延安 716000）

近年來，由于對油氣資源的需求大幅上升，我國的大部分油氣田進(jìn)入開采后期，該階段含水量高、特低孔滲使得油氣藏的開采難度進(jìn)一步加大，因此，壓裂技術(shù)就顯得非常重要，只有依靠壓裂手段改造儲層特性，才能提高油氣藏的產(chǎn)能[1-3]。壓裂液是壓裂施工的關(guān)鍵，而交聯(lián)劑、增稠劑及破膠劑又是壓裂液體系的3種重要添加劑，其中增稠劑是主劑，但過量的增稠劑使得殘?jiān)考俺杀驹黾?，因此交?lián)劑就起到重要作用，交聯(lián)劑的加入不僅降低了增稠劑的使用量，還可提高壓裂液的彈性及黏度，減少對地層的傷害等[4-6]。因此，交聯(lián)劑的種類至關(guān)重要，為了改善壓裂液性能，特研究一種新型交聯(lián)劑，并對研制的交聯(lián)劑進(jìn)行性能評價(jià)。

1 實(shí)驗(yàn)原料及儀器

實(shí)驗(yàn)所用主要原料有：無水乙醇、偶聯(lián)劑DL602、氫氧化鈉、胍膠粉、陶粒、過硫酸銨、硼酸、ATO-1分散液，均為AR級及以上。

主要的實(shí)驗(yàn)儀器有：流變儀、紅外光譜儀、投射電鏡儀、旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)、恒溫水浴鍋、電熱鼓風(fēng)干燥箱、電子天平、攪拌儀等。

2 交聯(lián)劑的制備及實(shí)驗(yàn)方法

2.1 交聯(lián)劑的制備

1）在燒杯中加入無水乙醇，用量筒量取一定量的硼酸并加入燒杯中，用攪拌儀在42℃的條件下攪拌30 min，待完全溶解后加入一定量的偶聯(lián)劑DL602和ATO-1分散液，并將溶液升溫至80℃后讓其反應(yīng)120 min，最終可得到所研究的交聯(lián)劑，為了便于研究，將其命名為LJN-2。

2）將反應(yīng)完全得到的白色乳液置于108℃的干燥箱干燥，即可使得LJN-2呈固體粉末狀，在后期壓裂施工過程中不僅便于攜帶，且現(xiàn)場配制更簡單。

2.2 交聯(lián)劑性能評價(jià)實(shí)驗(yàn)方法

交聯(lián)劑性能評價(jià)主要從交聯(lián)劑本身的結(jié)構(gòu)、粒度分布、流變性能、懸砂性能、交聯(lián)時(shí)間、破膠性能幾個(gè)方面進(jìn)行綜合評價(jià)[7-10]。

胍膠溶液的配制：量取1 000 mL去離子水于燒杯中，在攪拌條件下緩慢加入稱量好的3.0 g胍膠粉，120 min后即可得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%的胍膠溶液。

1）結(jié)構(gòu)分析。實(shí)驗(yàn)選用紅外光譜儀對交聯(lián)劑LJN-2的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，判定交聯(lián)劑是否具有較好的交聯(lián)性能。

2）粒度分析。實(shí)驗(yàn)選用投射電鏡儀對交聯(lián)劑LJN-2的粒徑進(jìn)行分析，判定該交聯(lián)劑在水中的分散情況，是否具有較好的分散性能是交聯(lián)劑性能評價(jià)的一個(gè)重要因素。

3）流變性能。反映流變性能的兩個(gè)主要參數(shù)為溶液的耐溫性和剪切性。實(shí)驗(yàn)選用儀器為流變儀，設(shè)置流變儀的為溫度范圍為30～90℃，升溫程序?yàn)?℃·min-1，剪切速率為170 s-1，將配制好的交聯(lián)劑LJN-2溶液置于流變儀的轉(zhuǎn)筒中，記錄交聯(lián)劑黏度的變化。

4）交聯(lián)時(shí)間。量取配制好的0.3%的胍膠溶液100 mL于燒杯中，用攪拌儀攪拌并用氫氧化鈉調(diào)節(jié)溶液的pH至8，加入配制好的交聯(lián)劑LJN-2，并記錄加入的時(shí)間T1，觀察溶液形成凍膠的情況，以可以挑起為標(biāo)準(zhǔn)記錄此刻的時(shí)間為T2，時(shí)間差即為交聯(lián)劑的交聯(lián)時(shí)間。其他條件不變，將溶液的pH分別調(diào)至7和9進(jìn)行重復(fù)實(shí)驗(yàn)。

5）懸砂性能。將配制好的0.3%胍膠溶液用氫氧化鈉調(diào)節(jié)pH至8后加入配制好的交聯(lián)劑LJN-2，并用攪拌儀攪拌后量取1 000 mL于量筒中，將陶粒從溶液表面開始放下，記錄陶粒下沉的長度及時(shí)間，為了實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，應(yīng)多次實(shí)驗(yàn)該步驟并取平均數(shù)。

6）破膠性能。量取配制好的0.3%的胍膠溶液100 mL于燒杯中，用攪拌儀攪拌并用氫氧化鈉調(diào)節(jié)溶液的pH至8，加入配制好的交聯(lián)劑LJN-2后加入0.2%的過硫酸銨，用黏度儀測定溶液黏度的變化；用濾紙過濾溶液并將殘?jiān)娓珊蠓Q重，計(jì)算殘?jiān)?。其他條件不變，將過硫酸銨的質(zhì)量分?jǐn)?shù)替換為0.4%重復(fù)實(shí)驗(yàn)。

3 交聯(lián)劑的性能評價(jià)

3.1 交聯(lián)劑LJN-2的結(jié)構(gòu)、粒度性能評價(jià)

依據(jù)紅外光譜儀實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，交聯(lián)劑LJN-2的有機(jī)鏈較長，與胍膠高分子間的交聯(lián)大大提高，且具有的納米微粒表面和硼羥基增加了與胍膠的交聯(lián)點(diǎn)，使得交聯(lián)劑LJN-2具有較高的交聯(lián)效率。依據(jù)投射電鏡儀實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，交聯(lián)劑LJN-2為球形結(jié)構(gòu)，粒徑在18 nm左右，在水中具有較好的分散性，符合交聯(lián)劑的性能特征。

3.2 交聯(lián)劑LJN-2的流變性能評價(jià)

交聯(lián)劑LJN-2黏度隨時(shí)間和溫度的變化關(guān)系如圖1所示。由圖1可知，在一定的實(shí)驗(yàn)條件下，交聯(lián)劑LJN-2的黏度會隨著溫度的升高而逐漸降低，實(shí)驗(yàn)設(shè)定的溫度范圍為30～90 ℃，當(dāng)溫度從30℃升高至60℃的過程中，LJN-2的黏度由650 mPa·s下降為200 mPa·s，下降幅度十分明顯，當(dāng)溫度繼續(xù)升高至90℃的過程中，LJN-2的黏度雖仍降低，但降低的幅度較小，最終穩(wěn)定在120 mPa·s左右，表明LJN-2具有較強(qiáng)的耐溫性能。當(dāng)設(shè)置實(shí)驗(yàn)溫度為60℃時(shí)，LJN-2的黏度隨時(shí)間變化不夠明顯，120 min的實(shí)驗(yàn)時(shí)間內(nèi)，LJN-2的黏度一直保持在200 mPa·s左右，表明該交聯(lián)劑具有較強(qiáng)的抗剪切性能。

圖1 交聯(lián)劑LJN-2黏度隨時(shí)間和溫度的變化關(guān)系圖

3.3 交聯(lián)劑LJN-2的交聯(lián)時(shí)間評價(jià)

不同pH條件下LJN-2交聯(lián)時(shí)間如表1所示。由表1可知，在pH不同、其他實(shí)驗(yàn)條件相同的情況下，交聯(lián)劑LJN-2配制的溶液的交聯(lián)時(shí)間表現(xiàn)出明顯的不同，溶液的堿性越強(qiáng)，LJN-2的交聯(lián)時(shí)間越長，主要是由于溶液中氫氧根離子濃度的增加使得LJN-2與胍膠高分子的相互作用時(shí)間變長導(dǎo)致的。由于交聯(lián)時(shí)間是衡量壓裂液性能的一個(gè)基礎(chǔ)指標(biāo)，當(dāng)交聯(lián)時(shí)間過短，使得輸送壓裂液的至目的層系的壓力增大，能耗增加。故當(dāng)溶液pH為8時(shí)，LJN-2表現(xiàn)出較好的延遲交聯(lián)作用。

表1 不同p H條件下LJN-2交聯(lián)時(shí)間表

3.4 交聯(lián)劑LJN-2的懸砂性能評價(jià)

LJN-2的懸砂實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。由表2可知，在其他實(shí)驗(yàn)條件不變的情況下，陶粒在用交聯(lián)劑LJN-2配制的壓裂液中的沉降速率介于0.23～0.31 cm·min-1之間，平均為0.27 cm·min-1，具有較好的穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)選用的陶粒粒度為30目（0.55 mm）左右，依據(jù)壓裂液體系懸砂性能評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，沉降速率小于5 cm·min-1時(shí)，都能較好地滿足壓裂需要。故交聯(lián)劑LJN-2配制的壓裂液具有較好的懸砂性能。

表2 LJN-2的懸砂實(shí)驗(yàn)結(jié)果表

3.5 交聯(lián)劑LJN-2的破膠性能評價(jià)

交聯(lián)劑LJN-2破膠實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。由表3可知，在破膠劑用量不同、其他條件相同的情況下，交聯(lián)劑LJN-2配制的溶液破膠后的黏度：破膠劑用量為0.2%時(shí)，破膠后的黏度為1.79 mPa·s，殘?jiān)繛?32 mg·L-1；破膠劑用量為0.4%時(shí)，破膠后的黏度為1.68 mPa·s，殘?jiān)繛?21 mg·L-1。依據(jù)壓裂液通用技術(shù)要求的破膠黏度不大于5 mPa·s和殘?jiān)|(zhì)量濃度不大于600 mg·L-1，該交聯(lián)劑的實(shí)驗(yàn)結(jié)果遠(yuǎn)小于技術(shù)要求值，表現(xiàn)出了較好的破膠性能。破膠用量不同，但殘?jiān)坎顒e不大，其主要是由胍膠本身存在的不溶物導(dǎo)致的。

表3 交聯(lián)劑LJN-2破膠實(shí)驗(yàn)結(jié)果表

4 結(jié)論

通過大量實(shí)驗(yàn)確定了高性能壓裂液用交聯(lián)劑的研制配方，命名為LJNA-2，并闡述了LJN-2的制備過程。從本身的結(jié)構(gòu)、粒度分布、流變性能、懸砂性能、交聯(lián)時(shí)間、破膠性能幾個(gè)方面對研制的LJN-2進(jìn)行綜合評價(jià)，指出各個(gè)性能評價(jià)的實(shí)驗(yàn)方法及步驟，并對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)分析，確定交聯(lián)劑LJN-2具有較高的交聯(lián)效率，水中具有較好的分散性，具有優(yōu)異的流變性能，表現(xiàn)出較好的延遲交聯(lián)作用，具有較好的懸砂性能以及較好的破膠性能。綜合其性能評價(jià)，認(rèn)為研制的LJN-2交聯(lián)劑的使用范圍較廣，優(yōu)點(diǎn)突出，具有較好的應(yīng)用前景。