一種新型滑溜水壓裂液降阻劑合成與應(yīng)用研究

程俊 裴金貴 徐仿海 等

摘 要： 減阻劑是滑溜水壓裂液的核心添加劑，采用反相乳液聚合法合成了一種新型降阻劑，并以其為主劑，配制了一種滑溜水壓裂液體系?？疾炝私底鑴┑母黜?xiàng)性能和滑溜水壓裂液體系對(duì)巖心滲透?jìng)土芽p導(dǎo)流能力傷害性能。試驗(yàn)結(jié)果表明：降阻劑具有較好降阻性能和攜砂性能；該降阻劑配制的滑溜水壓裂液對(duì)巖心滲透?jìng)β实?、?duì)支撐劑導(dǎo)流能力的傷害率低，對(duì)支撐劑導(dǎo)流能力的傷害恢復(fù)率達(dá)到95.8%；該降阻劑配制的滑溜水壓裂液具有低摩阻和高彈性的特點(diǎn)，可以實(shí)施大液量、大排量、大砂量的施工。

關(guān) 鍵 詞：反向乳液聚合；降阻劑；滑溜水壓裂液；合成

中圖分類號(hào)：TE 357 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1671-0460（2016）03-0456-04

Study on Synthesis and Application of a New Type

Slickwater Fracturing Fluid Friction Reducer

CHENG Jun1，PEI Jin-gui1，XV Fang-hai1，WU Xiang-yang2

（1. Yanan Vocational and Technical College，Shaanxi Yanan 716000，China；

2. Yanchang Oilfield Co.，Ltd. Xingzichuan Oil Production Company，Shaanxi Ansai 717400，China）

Abstract： Friction reducer is a core additive of slickwater fracturing fluid. A new type friction reducer was synthesized by inverse emulsion polymerization， and a slickwater fracturing fluid was prepared with the new friction reducer. Various properties of friction reducer were investigated as well as damage of the slickwater fracturing fluid to core permeability and fracture conductivity. The experimental results show that， the friction reducer has good friction reduction performance and sand carrying capacity； the damage rate of core permeability and proppant conductivity is low， the damage recovery rate of proppant conductivity can reach to 95.8%； the slickwater fracturing fluid has characteristics of low friction and high elasticity.

Key words： Inverse emulsion polymerization； Friction reducer； Slickwater fracturing fluid； Synthesis

壓裂是低滲透油氣田增產(chǎn)、增注、提高油井產(chǎn)能的一項(xiàng)非常重要的措施[1，2]，陜北鄂爾多斯盆地非常規(guī)油氣藏具有高強(qiáng)度巖石、低閉合應(yīng)力、低滲透率等地層特性，常規(guī)交聯(lián)瓜膠壓裂液存在對(duì)地層孔喉以及微裂縫傷害大、返排液體不可再利用、排放污染環(huán)境、加大施工規(guī)模造成破膠返排速度慢等缺點(diǎn)，而滑溜水（減阻水）壓裂液能形成復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)裂縫，壓裂產(chǎn)生的裂縫更長(zhǎng)，并將壓裂支撐劑運(yùn)至裂縫網(wǎng)絡(luò)，對(duì)地層傷害低，極大地提高了壓裂增產(chǎn)效果[3-6]，但其也存在攜砂能力差、支撐劑輸送困難、砂比過高、容易造成砂堵等缺點(diǎn)，因此滑溜水壓裂必須具備低粘高彈的特性，這主要取決于壓裂液體系中減阻劑的性能，加入滑溜水壓裂液中的降低流體流動(dòng)阻力的化學(xué)添加劑稱為減阻劑[7]。減阻劑是滑溜水壓裂液的核心添加劑，但目國(guó)產(chǎn)減阻劑供應(yīng)不多，各油田主要從國(guó)外采購，從而增加了油氣的開采成本[8，9]，所以減阻劑的合成是滑溜水體系的關(guān)鍵。本項(xiàng)目以丙烯酸（AA）、丙烯酰胺（AM）、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸（AMPS）和十二烷基二甲基溴化銨（BG）為聚合單體，失水山梨醇油酸酯（Span-80）、失水山梨醇單油酸酯聚氧乙烯醚（Tween-80）、烷基酚聚氧乙烯醚（0P-10）作為復(fù)合乳化劑，偶氮二異丁酸二甲酯（AIBME）為引發(fā)劑，常溫下采用反向乳液聚合法合成了一種新型降阻劑，復(fù)配了一種新型滑溜水壓裂液，考察了減阻劑和壓裂液的各項(xiàng)特性。研究表明該降阻劑具有較好的水溶性、熱穩(wěn)定性、配伍性、降阻性、攜砂性能和耐溫性能等特性，用該降阻劑配制的滑溜水壓裂液具有低粘高彈、低摩阻的特點(diǎn)，通過彈性攜砂[10，11]可以實(shí)施大液量、大排量、大砂量的施工和實(shí)現(xiàn)形成復(fù)雜縫網(wǎng)的壓裂體積改造。

1 試驗(yàn)部分

1.1 藥品與儀器

藥品：丙烯酸（AA）、丙烯酰胺（AM）、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸（AMPS）和十二烷基二甲基溴化銨（BG）、失水山梨醇油酸酯（Span-80）、失水山梨醇單油酸酯聚氧乙烯醚（Tween-80）、烷基酚聚氧乙烯醚（0P-10）、異十六烷、3組黏土防膨劑和助排劑、40目陶粒均為工業(yè)品；偶氮二異丁酸二甲酯（AIBME）、氫氧化鈉、鹽酸、氯化鉀均為分析純；高純氮?dú)?；去離子水。

儀器：三口燒瓶；電子天平；Fann-35黏度計(jì)；HHS電熱恒溫水浴鍋；攪拌器；紅外光譜儀；DV-ⅢULTRA型流變儀；摩阻測(cè)試儀；WARING混調(diào)器；K100型自動(dòng)界面張力儀；頁巖膨脹儀；GGS71型高溫高壓失水儀；離心機(jī)；秒表等。

1.2 減阻劑合成

在1 000 mL的三口瓶中加入一定量的Span-80、Tween-80、0P-10復(fù)合乳化劑和異十六烷，攪拌使其完全溶解混合待用；在500 mL的燒杯中依次加入單體AA、AM、AMPS、BG和去離子水，溶解混合均勻后，加入NaOH水溶液調(diào)整至pH值至7.5，然后把水相加入到三口燒瓶油相中；將三口燒瓶放入30 ℃的水浴箱中，啟動(dòng)攪拌，使水相與油相混合均勻成為穩(wěn)定的反相乳液；通入高純氮?dú)獬シ磻?yīng)體系中的氧，滴加引發(fā)劑AIBEM開始引發(fā)聚合，恒溫?cái)嚢璺磻?yīng)4 h，得到淡化色黏稠液體減阻劑。

2 減阻劑性能評(píng)價(jià)

2.1 熱穩(wěn)定性

在100 mL去離子水和100 mL 9%的氯化鉀溶液中分別加入5%的降阻劑攪拌均勻；把兩種體系分別放置于65、85 ℃的恒溫水浴中加熱，分別在2.5、4.5、6.5 h時(shí)觀察體系的變化。結(jié)果發(fā)現(xiàn)2種體系中均無分層、無沉淀、無氣體產(chǎn)生、無顏色變化等現(xiàn)象，說明該降阻劑在淡水和鹽水中的熱穩(wěn)定性良好。

2.2 配伍性

在100 mL自來水和100 mL 9%的氯化鉀溶液中分別加入0.5%的降阻劑攪拌均勻；分別在2種液體體系中，加入一定比例的第一組防膨劑和助排劑制成滑溜水，將2種體系皆放置于85 ℃的恒溫水浴中加熱，分別在2.5、4.5、6.5 h時(shí)觀察體系的變化；按同樣的步驟對(duì)第二組、第三組防膨劑和助排劑進(jìn)行配伍性實(shí)驗(yàn)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)2種體系中均無分層、無沉淀、無氣體產(chǎn)生、無顏色變化等現(xiàn)象，說明降阻劑和鹽及多種常用添加劑的配伍性良好。

2.3 降阻性

配制一定體積的9%的氯化鉀鹽水，測(cè)量一定體積的鹽水和自來水在一定泵注速率下，加入降阻劑前后的摩阻，并測(cè)量密度和黏度等相關(guān)參數(shù)。相關(guān)參數(shù)見表1和表2。從表1可知：對(duì)于9%氯化鉀鹽水，測(cè)得的摩阻比自來水高出10%，因鹽水的密度比自來水的密度大，所以同一條件下鹽水的摩阻也大；從表2可知：該降阻劑在自來水中用量0.075%，泵注速率為60 L/min時(shí)，直管中降阻達(dá)到71.7%，彎管中降阻達(dá)到60%，而同樣泵注條件下，9%氯化鉀鹽水中，只有加大降阻劑用量為0.116%時(shí)，直管中降阻達(dá)到71.5%，彎管中降阻達(dá)到58.4%。

2.4 攜砂性能

分別配制含降阻劑0.075%、0.115%、O.145%、0.28%的4種水溶液，含降阻劑分別為0.075%、O.115%、0.145%、0.28%的4種9%氯化鉀鹽水。在250 mL的量筒中依次加入上述兩體系液體至量筒口1 cm的位置，采用40目的陶粒進(jìn)行沉降速率試驗(yàn)，具體數(shù)據(jù)見表3。從表3可知：在自來水中加入少量降阻劑，形成溶液的黏度雖較小，但攜砂能力卻比自來水高出很多；同樣在9%氯化鉀鹽水中加入等比例的降阻劑，其攜砂性能也比自來水高出很多，所以該降阻劑具有較好的攜砂能力。

2.5 黏度及耐溫性能

分別對(duì)0.075%降阻劑水溶液、0.28%的降阻劑水溶液、含0.115%降阻劑的9%KCl鹽水、含0.28%降阻劑的9%KCl鹽水用DV-ⅢULTRA型流變儀對(duì)其進(jìn)行黏度測(cè)量和耐溫性試驗(yàn)，剪切速率為170 s-1。

由流變?cè)囼?yàn)可知，0.076%的降阻劑水溶液，在21.5 ℃的初始黏度值為1.9 mPa?s，升溫時(shí)間為15 min，最高溫度升至59 ℃，15 min內(nèi)測(cè)出的黏度值只有3個(gè)點(diǎn)高于3 mPa?s；0.28%降阻劑水溶液，在25 ℃的初始黏度值為5.28 mPa?s，升溫時(shí)間為30 min，最高溫度升至101 ℃，此時(shí)黏度為0.5 mPa?s，可見該降阻劑有較好的耐溫性；含0.115%降阻劑的9%KCl鹽水，在25 ℃的初始黏度值為2.3 mPa?s，升溫時(shí)間為15 min，最高溫度升至55 ℃，在這15 min內(nèi)測(cè)出的黏度值都低于3 mPa?s；含0.28%降阻劑的9%KCl鹽水，在30 ℃的初始黏度值為4 mPa?s，升溫時(shí)間為15 min，最高溫度升至65 ℃，此時(shí)其黏度為3 mPa?s，這15 min內(nèi)測(cè)出的黏度值只有2個(gè)點(diǎn)高于3 mPa?s?？梢姡锼哂械宛ぬ攸c(diǎn)，這為實(shí)現(xiàn)非常規(guī)油氣藏大排量的壓裂施工和實(shí)現(xiàn)形成復(fù)雜縫網(wǎng)的體積改造奠定了良好基礎(chǔ)。

2.6 濾失性能

采用靜態(tài)濾失實(shí)驗(yàn)測(cè)定壓裂液的濾失性能，配制500 mol滑溜水壓裂液，裝入高溫高壓失水儀，連接好裝置，設(shè)定實(shí)驗(yàn)需要的溫度，壓裂液溫度達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)，通過氮?dú)鈮毫υ垂┙o壓差為3.5 MPa的回壓，用量筒收集濾失液，測(cè)定1，4，9，16，25，30，36 min時(shí)的濾失量，各溫度下滑溜水壓裂液濾失性能數(shù)據(jù)見表4。由表4可知：隨著溫度升高，滑溜水壓裂液濾失系數(shù)、濾失速度和初濾失量相應(yīng)變大?；锼畨毫岩旱臑V失速度、初濾失量和濾失系數(shù)滿足SY/T6376-1998壓裂液通用技術(shù)條件中對(duì)這項(xiàng)要求的技術(shù)指標(biāo)（濾失系數(shù)≤1.0×10-3，濾失速度≤1.5×10-4，初濾失量5.0×10-2）。

2.7 剪切穩(wěn)定性與流變特征

使用流變儀在50 ℃下測(cè)試了滑溜水壓裂液的流變剪切性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。由圖1可知：在小于10 s-1低剪切速率情況下，表觀黏度較高，大于13.2 mPa?s；而在大于1 000 s-1高剪切速率下，表觀黏度為3.68 mPa?s，滑溜水壓裂液體系具有良好的剪切穩(wěn)定性，該滑溜水壓裂液體系有較強(qiáng)的非牛頓流體特性，具有剪切變稀特性，在低剪切速率下黏度較高，對(duì)支撐劑懸浮有利，而在高剪切速率下黏度低，穩(wěn)定性好，對(duì)降低流動(dòng)阻力有利。

3 壓裂液傷害實(shí)驗(yàn)

3.1 基質(zhì)傷害

基質(zhì)的滲透率損壞會(huì)影響壓裂施工效果，所以選擇人造巖心對(duì)滑溜水壓裂液配方進(jìn)行傷害評(píng)價(jià)，滑溜水壓裂液與普通胍膠壓裂液對(duì)巖心基質(zhì)滲透?jìng)β蕦?shí)驗(yàn)結(jié)果如表5所示。由表5可知：滑溜水壓裂液比普通胍膠壓裂液體系的巖心滲透?jìng)β式档土?7%。

3.2 壓裂液對(duì)裂縫導(dǎo)流能力傷害

裂縫導(dǎo)流能力是壓裂后影響油井產(chǎn)量的主要因素，由于濾失，在支撐劑充填導(dǎo)流中，交聯(lián)液體被濃縮了許多倍，被濃縮的交聯(lián)聚合物如果在施工后沒有降解，那么將嚴(yán)重地削弱支撐充填層的滲透率。支撐裂縫導(dǎo)流能力傷害實(shí)驗(yàn)方法如下：注入1%KCl溶液，測(cè)得初始裂縫導(dǎo)流能力；注入滑溜水壓裂液或破膠后的胍膠溶液，測(cè)得此時(shí)的支撐裂縫導(dǎo)流能力；再次注1%KCl溶液，與第一次測(cè)得導(dǎo)流能力對(duì)比，獲得滑溜水壓裂液和胍膠溶液對(duì)支撐裂縫的傷害程度?；锼畨毫岩汉?.35%胍膠壓裂液破膠液對(duì)支撐劑導(dǎo)流能力的傷害率實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表6所示。由表6可知：滑溜水壓裂液對(duì)支撐劑導(dǎo)流能力的傷害率約是胍膠壓裂液體系傷害率的1/2，并且恢復(fù)率達(dá)到95.8%。

4 結(jié) 論

（1）合成的降阻劑具有較好的水溶性、熱穩(wěn)定性、配伍性、降阻性、攜砂性能、耐溫性能、濾失性能、剪切性能穩(wěn)定等特性。

（2）用該降阻劑配制的滑溜水壓裂液對(duì)巖心傷害率低、對(duì)支撐劑導(dǎo)流能力的傷害率低，對(duì)支撐劑導(dǎo)流能力的傷害恢復(fù)率達(dá)到95.8%。

（3）用該降阻劑配制的滑溜水壓裂液具有低粘度、低摩阻、高彈性的特點(diǎn)，可以實(shí)施大液量、大排量、大砂量的施工和形成復(fù)雜縫網(wǎng)的體積改造。

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