戴秀蘭 ，劉通義，，魏 俊，，王 錳

1.成都佰椿石油科技有限公司，四川 成都 610500；2.西南石油大學化學化工學院，四川 成都610500

引言

深井儲層埋藏深、巖性致密，破裂壓力和裂縫延伸壓力高，導致地面施工壓力高，施工難度較大，同時，也對壓裂設(shè)備、管柱、工藝等提出了極高的要求[1-3]。為了解決這類具有特殊性質(zhì)的儲層開發(fā)面臨的問題，通過降低液體摩阻和增加井筒液柱壓力是降低地面施工壓力的一種有效途徑[4-7]。多年來，國內(nèi)外多家石油公司開展了加重壓裂液的研究工作，但隨著大量的可溶性加重劑的加入，壓裂液的性能將發(fā)生顯著變化[8-12]。人工合成聚合物在大量加重劑配制的溶液中起黏時間長，溶解不均勻，配液困難，導致配制的壓裂液耐溫耐剪切性能差、破膠困難[13-14]；黏彈性表面活性劑具有良好的抗鹽能力，但是其作為加重壓裂液還是具有明顯的不足，如耐溫能力差（不超過120°C）、用量大、成本極高等[15-20]；胍膠和羥丙基胍膠可有效克服稠化劑在鹽溶液中的溶解問題，并且有機硼交聯(lián)劑可以延遲交聯(lián)，還具有良好的剪切恢復特性。因此，羥丙基胍膠與有機硼交聯(lián)劑的組合是理想的加重壓裂液組合，但是目前常用的加重羥丙基胍膠壓裂液多少存在抗溫能力不足、施工摩阻高、破膠不徹底等問題[21]。

針對上述問題，筆者對幾種國內(nèi)外水基加重壓裂液進行了系統(tǒng)的分析，并在此基礎(chǔ)上開展了加重壓裂液的研制和實驗工作。合成一種有機硼交聯(lián)劑，優(yōu)選加重劑、稠化劑等添加劑，形成了密度為1.35 g/cm3、延遲交聯(lián)時間在3～17 min 內(nèi)可調(diào)、適用于160°C儲層的加重胍膠壓裂液配方，并對其各項性能進行了評價。

1 實驗部分

1.1 實驗藥品及儀器

HPG（JK101、J486R 和昆山一級）：工業(yè)品，中國石油昆山物資公司；殺菌劑、助排劑：工業(yè)品，濰坊博瑞化學有限公司；配體PT-1、加重劑BG-1、破膠劑PJ-1：工業(yè)品，成都佰椿石油科技有限公司；四硼酸鈉、氫氧化鈉（NaOH）、硫代硫酸鈉：分析純，成都市科龍化工試劑廠。

DF-101S 恒溫水浴鍋，鄭州長城科工貨有限公司；BSA223S-CW 電子天平，賽多利斯科學儀器（北京）有限公司；RS6000 高溫流變儀（密閉圓筒系統(tǒng)、PZ38 轉(zhuǎn)子），德國HAAKE 公司；Fann35 六速旋轉(zhuǎn)黏度計，青島海通達專用儀器有限公司；DUG-9140A 電熱恒溫鼓風干燥箱，上海精宏實驗設(shè)備有限公司；吳茵攪拌器；三口燒瓶。

1.2 實驗方法

1.2.1 交聯(lián)劑的合成

向三口燒瓶中加入40 g 水和16 g 四硼酸鈉，在攪拌條件下加入4 g 的NaOH，溶解完全后將水浴鍋溫度升至50°C，緩慢加入40 g 配體PT-1，配體完全溶解后將體系溫度升至80°C，將攪拌速度控制在200 r/min 左右，反應3 h 后得到一種淡黃色的液體，即為有機硼交聯(lián)劑YGP-1。

1.2.2 壓裂液性能評價

按照石油天然氣行業(yè)標準SY/T 5107—2016《水基壓裂液性能評價方法》對壓裂液的交聯(lián)時間、抗溫抗剪切性、摩阻性能、破膠性能進行了評價。

2 結(jié)果與討論

2.1 加重壓裂液的配方篩選

2.1.1 加重劑

提高壓裂液的密度是降低井口施工壓力的有效途徑，國內(nèi)外以前多采用溴化鈉進行加重，該加重劑最高可加重到1.5 g/cm3，但由于溴化鈉對環(huán)境污染大且成本過高，現(xiàn)使用較少[5]。國內(nèi)多采用KCl 或NaCl 加重，但溶解度有限，加重的壓裂液最大密度為1.18 g/cm3，提供的液柱壓力有限[4-6]。針對加重劑的使用現(xiàn)狀，同時借鑒油水井鉆完井液成熟的技術(shù)經(jīng)驗[9]，選擇了水溶性好、加重密度范圍廣的適合特殊油藏改造的壓裂液用甲酸鹽類加重劑BG-1，不同質(zhì)量體積比的BG-1 對應的水溶液密度見圖1。

圖1 液體密度隨加重劑質(zhì)量體積比的變化情況Fig.1 The change of liquid density with the mass volume ratio of the weighting agent

同時考察了BG-1 在低溫下的溶解性問題，將密度為1.35 g/cm3的BG-1 加重液置于5°C條件下恒溫放置72 h，BG-1 無析出結(jié)晶現(xiàn)象，表明該加重劑可用于低溫地區(qū)特殊油藏的壓裂施工。

2.1.2 稠化劑

鹽的加入會影響到稠化劑的溶解，因此，要考慮稠化劑與加重劑的配伍性。首先，配制密度為1.35 g/cm3的BG-1 水溶液，然后，取500 mL 倒入無茵混調(diào)器中，按照4.5 g/L 的用量稱取稠化劑緩慢加入混調(diào)器中，攪拌5 min 后倒入燒杯中，測試液體黏度隨時間的變化情況，測試結(jié)果見表1。由實驗結(jié)果可知，昆山一級HPG 配制的液體的黏度2 h 即基本穩(wěn)定，最終黏度較大，因此，本文選用昆山一級HPG 作為延遲交聯(lián)的抗高溫胍膠壓裂液用稠化劑。

表1 不同稠化劑在密度為1.35 g/cm3 的BG1 水溶液中的起黏情況Tab.1 Viscosity rise of different thickeners in BG1 aqueous solution with density of 1.35 g/cm3

表1 不同稠化劑在密度為1.35 g/cm3 的BG1 水溶液中的起黏情況Tab.1 Viscosity rise of different thickeners in BG1 aqueous solution with density of 1.35 g/cm3

2.1.3 交聯(lián)劑

（1）交聯(lián)比對交聯(lián)時間的影響

配制HPG 濃度為4.5 g/L、密度為1.35 g/cm3的加重胍膠壓裂液基液，用不同體積的交聯(lián)劑YGP-1與相同體積的基液進行交聯(lián)，測試形成凍膠壓裂液的時間，測試結(jié)果見圖2。由圖2 可知，隨著交聯(lián)劑用量的增加，交聯(lián)時間越短。因為交聯(lián)比越大，體系中的硼酸根離子越多，與HPG 交聯(lián)的速度越快，因此交聯(lián)時間短[11]。但是交聯(lián)比過低，形成的凍膠強度不夠甚至不能交聯(lián)，交聯(lián)比過高，交聯(lián)速度過快，形成的凍膠脆。因此，當加重胍膠壓裂液基液中HPG 濃度為4.5 g/L 時，交聯(lián)劑加量為6.0 g/L。

圖2 交聯(lián)時間隨交聯(lián)劑用量的變化情況Fig.2 The crosslinking time varies with the amount of crosslinking agent

（2）調(diào)節(jié)劑加量對交聯(lián)時間的影響

硼交聯(lián)羥丙基胍膠壓裂液對pH 值有較大的敏感性，選用15% 的NaOH 溶液作為調(diào)節(jié)劑，改變基液中調(diào)節(jié)劑加量，考察交聯(lián)時間。交聯(lián)時間隨調(diào)節(jié)劑加量變化而變化的曲線如圖3 所示。由圖3 可知，隨著調(diào)節(jié)劑加量的增加，交聯(lián)時間增加，因為在高堿性條件下，有機硼絡合物解離的速度變慢，溶液中的硼酸鹽離子量變少，因此交聯(lián)時間變長[11]。當調(diào)節(jié)劑加量為10 g/L 時，交聯(lián)時間為25 min，隨著調(diào)節(jié)劑加量的進一步增加，交聯(lián)時間仍會增加，但是強堿環(huán)境易腐蝕管道，傷害儲層[11]，綜合考慮適合該交聯(lián)劑的調(diào)節(jié)劑加量為8.0～10.0 g/L。

圖3 交聯(lián)時間隨調(diào)節(jié)劑加量的變化情況Fig.3 The crosslinking time varies with the amount of regulator

2.1.4 破膠劑

加重壓裂液體系較常規(guī)壓裂液體系難破膠[2]，本文評價了兩種破膠劑不同用量下的破膠情況，實驗數(shù)據(jù)見表2，結(jié)果表明使用常規(guī)破膠劑過硫酸銨時在相同破膠時間下所需的破膠劑量大，因此本文優(yōu)選了破膠劑PJ-2，針對160°C儲層壓裂液配方中使用濃度為0.2～0.5 g/L，根據(jù)破膠時間調(diào)整破膠劑用量。

表2 液體在不同破膠劑、不同加量條件下的的破膠時間Tab.2 The breaking time of two kinds of adhesive in liquid with different dosage

2.1.5 其他添加劑

根據(jù)使用經(jīng)驗，對助排劑和殺菌劑進行了優(yōu)選，最終選用助排劑FT-1，加量為2.0 g/L；殺菌劑選用1227，加量為1.0 g/L；高溫穩(wěn)定劑為海波，加量為1.0 g/L。

2.1.6 小結(jié)

通過系列的優(yōu)選工作，最終確定了加重壓裂液體系配方，其中調(diào)節(jié)劑和破膠劑的加量可以根據(jù)施工情況進行調(diào)整，最終得到密度為1.35 g/cm3的適用于160°C儲層的加重壓裂液配方為：鹽水（46%BG-1）+4.5 g/L 稠化劑HPG+1.0 g/L 殺菌劑1227+2.0 g/L 助排劑FT-1+1.0 g/L 高溫穩(wěn)定劑硫代硫酸鈉+（8.0～10.0）g/L 調(diào)節(jié)劑+（0.2～0.5）g/L 破膠劑PJ-1+6.0 g/L 交聯(lián)劑YGB-1。

2.2 加重壓裂液性能評價

2.2.1 配液方法

鹽水：取500 g 自來水倒入?yún)且饠嚢杵髦?，稱取550 g 加重劑加入水中并攪拌，完全溶解后即為配液水。

壓裂液基液：取500.0 mL 上述配液水，量取0.5 mL 殺菌劑、1.0 mL 助排劑和0.50 g 高溫穩(wěn)定劑加入混調(diào)器攪拌至完全溶解，稱取2.25 g 稠化劑，調(diào)節(jié)混調(diào)器形成漩渦，在攪拌下將稠化劑緩慢加入漩渦中，避免形成魚眼，持續(xù)攪拌10～20 min 使溶液均勻后，加入1.5 mL pH 值調(diào)節(jié)劑，攪拌均勻后將液體轉(zhuǎn)入燒杯中靜置4 h，備用。

壓裂液：取上述基液100.0 mL，加入0.6 mL 交聯(lián)劑攪拌均勻后即為壓裂液。

2.2.2 耐溫耐剪切性能測試

耐溫耐剪切性是考察液體的黏度受高溫剪切作用的影響程度。壓裂液在通過管匯、井筒、炮眼或在地層中推進都會受到很大的剪切作用，所以耐溫耐剪切性能是考察壓裂液性能好壞的首要參數(shù)。

取制備好的壓裂液基液80.0 mL，再加入交聯(lián)劑，攪拌均勻后用哈克RS6000 流變儀或同類儀器，采用密閉圓筒系統(tǒng)及PZ36 轉(zhuǎn)子，在170 s?1、160°C條件下進行流變測試，記錄不同時間的表觀黏度，測試結(jié)果見圖4。由實驗結(jié)果可以看出，該壓裂液的延遲交聯(lián)時間與所加調(diào)節(jié)劑的量有關(guān)，當調(diào)節(jié)劑加量為10.0 g/L 時，從流變數(shù)據(jù)上看，壓裂液的交聯(lián)時間長達17 min，經(jīng)過120 min 的連續(xù)剪切后，黏度仍在150 mPa·s 以上。由于硼酸鹽離子與羥丙基胍膠的交聯(lián)形成的化學鍵是可逆的，因此經(jīng)過一段時間的剪切后，化學鍵的生成和破壞達到了動態(tài)平衡，黏度基本穩(wěn)定?？傮w表明該壓裂液體系的延遲交聯(lián)時間可調(diào)，具有優(yōu)良的耐溫耐剪切性能，可滿足高溫深井壓裂的施工需求。

圖4 液體黏度在170 s?1 條件下隨時間和溫度的變化情況Fig.4 The change of liquid viscosity with time and temperature under 170 s?1 condition

2.2.3 攜砂性能

取交聯(lián)好的壓裂液200.0 mL 于吳茵攪拌器中，調(diào)節(jié)吳茵攪拌器轉(zhuǎn)速至低速擋，取20～40 目、密度為1.75 g/cm3的陶粒，按照混砂比25%均勻緩慢加入陶粒，攪拌均勻后，立即轉(zhuǎn)移至量筒中，將量筒放入90°C烘箱中恒溫，0.5 h 后取出觀察陶粒的沉降情況見圖5，使用未加重的胍膠壓裂液作對比實驗。

圖5 液體在90 °C下0.5 h 的懸砂示意圖Fig.5 Diagram of suspended sand of liquid at 90 °C for 0.5 h

由實驗結(jié)果可知，加重壓裂液由于液體的密度增大，增加了陶粒的沉降阻力，懸砂效果要優(yōu)于未加重壓裂液，在90°C條件下放置0.5 h，支撐劑基本沒有沉降，表現(xiàn)出良好的懸砂性能。

2.2.4 降阻性能

使用管道環(huán)路摩阻測試系統(tǒng)對壓裂液進行摩阻測試，與清水做對比。選用6 mm 的管路進行測試，記錄流體通過測試管路兩端的壓力降，根據(jù)壓降大小評價壓裂液的減阻效果。測試結(jié)果見圖6。在低排量條件下，加重壓裂液的壓降要高于未加重壓裂液，當排量超過2.5 m3/h 時，加重壓裂液的壓降慢慢降低并低于未加重壓裂液，這是因為液體密度影響了摩擦系數(shù)[9]，當排量為3.5 m3/h 時，清水壓差為3.26 MPa，加重壓裂液壓差為1.25 MPa，加重壓裂液的降阻率為61%，表現(xiàn)出良好的降阻效果。

2.2.5 破膠性能

取配制好的壓裂液分成3 份，分別加入不同量的破膠劑PJ-1，攪拌均勻后將液體倒入老化罐中，將老化罐放入160°C的烘箱中恒溫，每隔一段時間取出測試液體的黏度。并測試了破膠液的表面張力和殘渣含量，實驗結(jié)果見表3。由實驗結(jié)果可知，該加重壓裂液在破膠劑加量為0.5 g/L 時，4 h內(nèi)可完全破膠，破膠液表面張力為24.8 mN/m，殘渣含量為398.2 mg/L，完全滿足行業(yè)標準要求。并且所用破膠劑量小，解決了使用傳統(tǒng)破膠劑時用量大的問題。

圖6 液體壓差隨排量的變化情況Fig.6 The variation of liquid pressure difference with displacement

表3 加重壓裂液破膠時間及破膠液性能測試結(jié)果Tab.3 Test of weighted fracturing fluid breaking time and break fluid performance

2.2.6 破膠液防膨性能

利用可離心的塑料防膨管和膨潤土做破膠液的防膨測試，測試液體分別為煤油、蒸餾水和破膠液，其中膨潤土加入0.5 g，液體加入量10.0 mL，用液體將巖粉充分潤濕，搖勻，靜置2 h，再將防膨管放入離心機中，3 000 r/min 下離心20 min，取下，防膨效果見圖7，圖中從左至右依次為破膠液、蒸餾水、煤油。

圖7 壓裂液破膠液的防膨效果圖Fig.7 Anti-swelling diagram of breaking fluid

由圖7 可以看出，破膠液中的膨潤土高度遠低于水中的膨潤土高度，與煤油中的高度接近。用游標卡尺測試膨潤土粉末在防膨管內(nèi)的高度值，通過測試，該加重壓裂液破膠液的防膨率為91%，因為甲酸鹽類加重劑BG-1 本身具有防膨效果，因此使用該類加重劑配制的加重壓裂液表現(xiàn)出良好的防膨性能。

3 結(jié)論

（1）該加重胍膠壓裂液密度為1.35 g/cm3，抗溫能力達到160°C，并且在高溫高剪切速率條件下具有良好的延遲交聯(lián)性能，因此，有利于高溫深井的壓裂施工。

（2）該加重胍膠壓裂液具有良好的懸砂能力；當測試管路為6 mm，排量為3.5 m3/h 時，降阻率為61%，可有效降低施工摩阻；可徹底破膠，破膠液表面張力和殘渣含量滿足行業(yè)標準要求，有利于降低對地層傷害；該壓裂液不需要外加防膨劑，破膠液防膨率高達91%，可有效防止黏土運移。