壓裂用膠囊破膠劑性能評(píng)價(jià)方法研究

李繼勇 邵紅云 宋時(shí)權(quán) 夏凌燕 張貴玲

中國(guó)石化勝利油田分公司石油工程技術(shù)研究院

膠囊破膠劑是為實(shí)現(xiàn)壓裂液延遲破膠的一種油田助劑[1-3]，包裹在外的囊膜能有效阻擋破膠劑與壓裂液接觸，防止壓裂液提前破膠；同時(shí)，囊膜能在一定條件下發(fā)生破裂，釋放包裹在內(nèi)的破膠劑，達(dá)到破膠降黏的目的[4-8]。膠囊芯材主要以過(guò)硫酸鹽為主[9]，目前，測(cè)定膠囊破膠劑過(guò)硫酸鹽有效含量的方法較多[10-11]，而電導(dǎo)率法具有操作簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，可通過(guò)電導(dǎo)率的變化分析破膠劑的釋放情況[12]。國(guó)內(nèi)學(xué)者的研究表明，溫度與浸泡時(shí)間均會(huì)使破膠劑從膠囊釋放，導(dǎo)致壓裂液體系黏度下降[13-14]。為研究溫度對(duì)膠囊破膠劑延遲破膠的影響，本研究擬采用電導(dǎo)率儀測(cè)定不同溫度下膠囊破膠劑液體的電導(dǎo)率，以此測(cè)定其受熱釋放性能[15]。膠囊在壓裂施工過(guò)程所受壓力不僅源自地層裂縫閉合產(chǎn)生的機(jī)械擠壓，地層環(huán)境還存在壓裂過(guò)程中的液柱壓力、泵注壓力和地層壓力等來(lái)自非機(jī)械擠壓產(chǎn)生的環(huán)境壓力[14,16]，而現(xiàn)有膠囊破膠劑釋放性研究大多局限于壓裂施工結(jié)束時(shí)地層裂縫閉合的機(jī)械擠壓[17-19]，忽略了環(huán)境壓力破壞膠囊囊膜結(jié)構(gòu)的可能性，缺乏對(duì)實(shí)際壓裂施工過(guò)程中膠囊破膠劑的性能研究。因此，為了科學(xué)有效地評(píng)價(jià)膠囊破膠劑在地層條件中的穩(wěn)定性，須考查儲(chǔ)層溫度和壓力對(duì)膠囊破膠劑的影響。

本研究利用電導(dǎo)率儀、高溫高壓稠化儀對(duì)膠囊破膠劑的受熱釋放性能、模擬地層條件下的破膠性能進(jìn)行研究和評(píng)價(jià)，旨在結(jié)合實(shí)驗(yàn)和研究結(jié)果為膠囊破膠劑提出較為科學(xué)有效的評(píng)價(jià)方法。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

掃描電子顯微鏡(KYKY-EM6900)、高溫高壓稠化儀(TG-8040)、六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)(ZNN-D6B)、真空冷凍干燥機(jī)(LGJ-10C)、電導(dǎo)率儀、恒溫水浴鍋、過(guò)硫酸銨(成都科龍化工試劑廠)、膠囊破膠劑。

1.2 電導(dǎo)率法測(cè)定膠囊破膠劑的釋放性

本研究所采用膠囊破膠劑中包裹物質(zhì)均為過(guò)硫酸銨。過(guò)硫酸銨溶于水會(huì)導(dǎo)致溶液電導(dǎo)率發(fā)生變化，利用電導(dǎo)率法測(cè)定過(guò)硫酸銨的釋放情況，實(shí)驗(yàn)步驟如下：

(1) 分別準(zhǔn)確稱(chēng)量膠囊破膠劑樣品(1#、2#)(0.100 0±0.005 0) g各3份，同時(shí)取相同質(zhì)量的純過(guò)硫酸銨作為空白對(duì)照組，將其分別置于100 mL去離子水中。

(2) 測(cè)定溶液在60 ℃、70 ℃和80 ℃下不同時(shí)間的電導(dǎo)率。

1.3 高溫高壓下膠囊破膠劑的性能研究

利用高溫高壓稠化儀對(duì)含膠囊壓裂液體系在高溫高壓下進(jìn)行性能研究[20]，以評(píng)價(jià)膠囊破膠劑在非機(jī)械壓力擠壓下的性能。實(shí)驗(yàn)步驟如下：

(1) 配制0.60%(w)的胍膠溶液，準(zhǔn)確量取500 mL，加入0.30%(w)的交聯(lián)劑，交聯(lián)后配制成壓裂液體系空白對(duì)照組。

(2) 取2組500 mL胍膠溶液，分別準(zhǔn)確稱(chēng)量(0.100 0±0.005 0)g膠囊破膠劑(1#和2#)，分散均勻后分別加入0.30%(w)交聯(lián)劑，交聯(lián)后配制成含膠囊壓裂液體系實(shí)驗(yàn)組。

(3) 將配制好的待測(cè)壓裂液轉(zhuǎn)至高溫高壓容器，對(duì)高溫高壓稠化儀進(jìn)行實(shí)驗(yàn)程序設(shè)定，使測(cè)試室升溫升壓1 h，恒溫恒壓1 h。

(4) 測(cè)試結(jié)束后取出樣品，利用六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)在170 s-1、對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試溫度條件下測(cè)定其黏度。

1.4 膠囊破膠劑微觀形貌觀察

取一定質(zhì)量不同編號(hào)的膠囊破膠劑，在不同溫度下熱處理2 h后，使用冷凍干燥機(jī)對(duì)樣品進(jìn)行干燥，用掃描電子顯微鏡觀察其外觀形貌，研究溫度對(duì)膠囊囊衣結(jié)構(gòu)的影響。

2 結(jié)果與討論

2.1 溫度對(duì)膠囊破膠劑釋放性能的影響

按1.2節(jié)實(shí)驗(yàn)步驟配制待測(cè)溶液，利用電導(dǎo)率儀測(cè)定不同溫度下膠囊樣品的電導(dǎo)率變化趨勢(shì)，對(duì)膠囊在不同溫度下的釋放情況進(jìn)行研究，結(jié)果見(jiàn)圖1。

由圖1可知：在不同實(shí)驗(yàn)溫度下，加入純過(guò)硫酸銨、1#樣品和2#樣品的溶液電導(dǎo)率均隨時(shí)間的增加而增大，說(shuō)明電導(dǎo)率法可以反映溶液中過(guò)硫酸銨含量的變化趨勢(shì)，以此反映膠囊破膠劑的釋放情況；1#樣品和2#樣品溶液在同一溫度相同時(shí)間點(diǎn)的電導(dǎo)率遠(yuǎn)低于純過(guò)硫酸銨溶液，說(shuō)明1#樣品和2#樣品在未被機(jī)械壓力壓破的情況下，過(guò)硫酸銨釋放速率較慢，過(guò)硫酸銨在膠囊囊衣的包裹作用下，膠囊中的過(guò)硫酸銨可實(shí)現(xiàn)延遲釋放；隨著實(shí)驗(yàn)溫度的升高，相同時(shí)間點(diǎn)1#樣品和2#樣品的電導(dǎo)率也增大，說(shuō)明隨著溫度的升高，兩種膠囊破膠劑的釋放速率逐漸增大，表明溫度可以促進(jìn)膠囊破膠劑中過(guò)硫酸銨釋放到溶液中，影響膠囊破膠劑的穩(wěn)定性能。電導(dǎo)率法可有效反映膠囊破膠劑在不同溫度、不同時(shí)間下的釋放情況，進(jìn)而考查其穩(wěn)定能力。

2.2 溫度對(duì)膠囊破膠劑穩(wěn)定性的影響

在地層條件下存在高溫情況，為探究溫度對(duì)膠囊延遲破膠性能的影響，按第1.3節(jié)所述配制待測(cè)樣品，將配制的待測(cè)體系分別置于60 ℃、70 ℃和80 ℃下2 h，用六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)在170 s-1、對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試溫度(60 ℃、70 ℃、80 ℃)條件下測(cè)定體系黏度，考查溫度對(duì)膠囊破膠劑延遲破膠能力的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 不同溫度下壓裂液體系黏度類(lèi)別60 ℃70 ℃80 ℃黏度/(mPa·s)黏度保留率/%黏度/(mPa·s)黏度保留率/%黏度/(mPa·s)黏度保留率/%空白對(duì)照組135.0111.090.01#膠囊破膠劑123.091.1154.048.656.06.672#膠囊破膠劑114.084.4436.032.437.58.33

由表1可知：①隨著溫度的升高，加入膠囊破膠劑的壓裂液體系黏度降低，說(shuō)明膠囊破膠劑中的過(guò)硫酸銨在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中釋放到壓裂液中，壓裂液發(fā)生破膠，導(dǎo)致體系黏度下降；②溫度越高，加入膠囊破膠劑的壓裂液的黏度下降越明顯，并且溫度越高，膠囊破膠劑的穩(wěn)定性越差，這與電導(dǎo)率法的結(jié)果相吻合。因此，在考查膠囊破膠劑的延遲破膠性能時(shí)，需要討論未受機(jī)械壓力破碎時(shí)溫度對(duì)膠囊破膠劑的性能影響。

2.3 壓力對(duì)膠囊破膠劑穩(wěn)定性的影響

在地層條件下還存在壓力，所以需探究壓力對(duì)膠囊延遲破膠性能的影響。按1.3節(jié)壓裂液體系配制方法配制待測(cè)樣品，用高溫高壓稠化儀進(jìn)行高溫高壓實(shí)驗(yàn)。模擬壓裂液體系在地層中非機(jī)械擠壓狀態(tài)下的高溫、高壓條件，研究高溫、高壓對(duì)膠囊破膠劑的影響。高溫高壓設(shè)置為升溫升壓1 h，恒溫恒壓1 h，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，用六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)在170 s-1、對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試溫度條件下測(cè)定其黏度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 不同壓力下含膠囊破膠劑壓裂液體系黏度壓力/MPa黏度(mPa·s)60 ℃70 ℃80 ℃1#2#1#2#1#2#30102.081.069.039.030.010.54087.085.563.051.024.012.05075.090.051.060.015.019.57066.093.045.064.512.021.0

由表2可知：①在相同壓力下，隨著溫度的升高，壓裂液的黏度越來(lái)越低，說(shuō)明溫度越高，膠囊破膠劑越容易破裂；②在相同溫度下，加入1#膠囊破膠劑壓裂液的黏度隨著壓力的增加越來(lái)越低，說(shuō)明在高壓情況下，1#膠囊破膠劑的破裂程度會(huì)增大；③在相同溫度下，2#膠囊破膠劑壓裂液的黏度隨壓力的增加越來(lái)越大，說(shuō)明在高壓情況下，2#膠囊破膠劑的破裂程度會(huì)減弱。因此，高壓會(huì)對(duì)于膠囊破膠劑的破裂產(chǎn)生不同的影響。在評(píng)價(jià)膠囊破膠劑的破膠性能時(shí)，要考慮地層環(huán)境壓力對(duì)膠囊破膠劑延遲破膠性能的影響。目前，沒(méi)有專(zhuān)門(mén)針對(duì)膠囊破膠劑延遲破膠性能的高溫高壓裝置，可利用高溫高壓稠化儀模擬地層環(huán)境，考查膠囊破膠劑的延遲破膠性能。

2.4 不同溫度處理后膠囊破膠劑微觀結(jié)構(gòu)分析

將在不同溫度下處理過(guò)的1#樣品和2#樣品用掃描電子顯微鏡對(duì)其微觀形貌進(jìn)行觀察，考查不同溫度處理后膠囊破膠劑的微觀結(jié)構(gòu)變化，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2和圖3。

由圖2和圖3可知：未經(jīng)熱處理的1#和2#膠囊破膠劑外觀呈明顯圓狀或橢圓狀；隨著溫度的升高，膠囊囊衣發(fā)生不同程度的脫層和凹陷，說(shuō)明包裹的過(guò)硫酸銨存在釋放的情況。該結(jié)果與電導(dǎo)率法和溫度穩(wěn)定性研究結(jié)果一致。通過(guò)掃描電子顯微鏡實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，升高溫度使膠囊破膠劑提前釋放過(guò)硫酸銨，從而影響壓裂液延遲破膠性能。因此，對(duì)膠囊破膠劑的破膠性能進(jìn)行研究時(shí)，需要考慮在地層溫度下，未經(jīng)機(jī)械壓力破碎的膠囊破膠劑的延遲破膠性能。電導(dǎo)率法可以準(zhǔn)確地反映不同溫度下膠囊破膠劑的釋放情況。

3 結(jié)論

(1) 電導(dǎo)率儀可快速簡(jiǎn)便地測(cè)定膠囊水溶液中過(guò)硫酸銨濃度的變化趨勢(shì)，是快速有效地評(píng)價(jià)膠囊破膠劑釋放性能的方法。

(2) 溫度越高，膠囊破膠劑釋放越快。

(3) 溫度和壓力均會(huì)對(duì)膠囊破膠劑產(chǎn)生不同程度的影響，使膠囊發(fā)生提前破膠，降低壓裂液黏度。在相同壓力下，溫度越高，膠囊破膠劑中過(guò)硫酸銨越容易釋放；相同溫度下，不同類(lèi)型的膠囊破膠劑在不同壓力條件下的釋放程度不同。

(4) 在評(píng)價(jià)膠囊破膠劑性能時(shí)，須考慮溫度和壓力對(duì)其釋放性能的影響。