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      耐高溫乳液稠化劑壓裂液的制備及性能研究

      2022-11-21 12:20:10王麗偉徐敏杰楊戰(zhàn)偉
      精細(xì)石油化工 2022年6期
      關(guān)鍵詞:稠化劑耐高溫壓裂液

      王麗偉,高 瑩,徐敏杰,楊戰(zhàn)偉,王 遼

      (中國石油勘探開發(fā)研究院,北京 100083)

      近年來,隨著國內(nèi)外頁巖油氣儲(chǔ)層、致密油氣儲(chǔ)層等大規(guī)模開發(fā),滑溜水技術(shù)得到長足發(fā)展[1-3]。早期的滑溜水技術(shù)主要采用胍膠作為降阻劑,但胍膠濃度較低時(shí)攜帶支撐劑能力有限,降阻率通常低于70%。目前滑溜水技術(shù)采用的降阻劑以聚丙烯酰胺類為主,有粉末狀和乳液型2種類型。粉末狀的聚丙烯酰胺便于儲(chǔ)存和運(yùn)輸,合成工藝成熟,降阻率高[4],但粉末溶解速度較慢,容易發(fā)生溶脹不充分的現(xiàn)象,需要配備在線連續(xù)混配裝置[5-6]。乳液降阻劑一般屬于微米級(jí),能夠快速溶于水中,有W/O反相聚合物降阻劑和W/W分散聚合物降阻劑2種類型[7-11]。無論是粉末狀還是乳液型降阻劑,攜砂性能均較差,需要較高的泵注排量補(bǔ)償,滿足不了耐高溫、高攜砂性能的要求。

      乳液稠化劑壓裂液也被稱為一體化壓裂液、免配壓裂液、一劑多能乳液聚合物壓裂液等[12-14]。乳液稠化劑可以實(shí)現(xiàn)在線連續(xù)施工、直接加入混砂車、快速起黏,并具有良好的黏彈性。通過用量變化可實(shí)現(xiàn)從滑溜水到攜砂液連續(xù)制備。有的乳液聚合物壓裂液還需要添加交聯(lián)劑實(shí)現(xiàn)更好的耐溫耐剪切性能和攜砂性能。乳液聚合物壓裂液既不需要提前配液,也不需要連續(xù)混配車,大大降低施工作業(yè)成本,且可應(yīng)用于多種油氣藏,是未來的發(fā)展方向。

      乳液聚合物壓裂液耐溫性能通常只有110 ℃,最高達(dá)140 ℃[15],滿足不了深層油氣藏的改造需求。為此,筆者研制了耐高溫乳液稠化劑壓裂液,最高耐溫可達(dá)180 ℃,且具有良好的攜砂性能。

      1 實(shí) 驗(yàn)

      1.1 材料與儀器

      丙烯酰胺(AM)、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)、甲基丙烯酸酯、丙烯酸十八酯、白油、聚乙二醇醚、Span80、過硫酸銨、亞硫酸氫鈉、氫氧化鈉,分析純,國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

      RS6000流變儀,德國賽默飛;ZNN-D6六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì),青島海通達(dá)專用儀器有限公司;高溫高壓靜態(tài)濾失儀,美國OFI;恒溫干燥箱,上海理濤自動(dòng)化科技有限公司;VSA2000B吳茵混調(diào)器,北京探礦工程研究所;S4800掃描電鏡,日立公司;冷凍轉(zhuǎn)移裝置ALTO2500,GATAN公司;巖心流動(dòng)實(shí)驗(yàn)儀,中國石油大學(xué)(華東)。

      1.2 乳液稠化劑FA16的合成

      設(shè)計(jì)思路:根據(jù)乳液稠化劑性能要求,在聚丙烯酰胺分子上引入丙烯酸酯提高抗鹽性能;引入疏水單體提高溶解性能;加入雙烯基單體,提高乳液耐溫性能;加入白油、Span80、聚乙二醇醚形成乳液,同時(shí)提高乳液穩(wěn)定性、稠化劑黏彈性、降低表界面張力。

      合成過程:首先制備水相和油相,水相主要由AM、AMPS、丙烯酸酯、雙烯基單體、引發(fā)劑及鏈轉(zhuǎn)移劑等組成;油相主要由白油、聚乙二醇醚、Span80和引發(fā)劑組成。然后保持一定溫度,將水相緩慢加入到油相中,同時(shí)通入保護(hù)劑,反應(yīng)1 h,得到反相乳液聚合物,即耐高溫自交聯(lián)乳液稠化劑FA16。

      1.3 耐高溫乳液稠化劑壓裂液的制備

      量取500 mL清水倒入混調(diào)器,在攪拌下,用注射器量取一定量的乳液稠化劑,快速加入水中,攪拌1 min,取出備用。

      1.4 性能評(píng)價(jià)方法

      評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)按照SY/T 5107—2016《水基壓裂液性能評(píng)價(jià)方法》進(jìn)行測試。

      對(duì)于低于120 ℃儲(chǔ)層,使用的乳液稠化劑為FA16-1型,稠化劑中不含交聯(lián)劑組分;對(duì)于120~180 ℃儲(chǔ)層,使用的乳液稠化劑為FA16-2型,稠化劑中含交聯(lián)劑組分,可滿足耐中高溫的需求。

      2 耐高溫乳液稠化劑壓裂液的性能評(píng)價(jià)

      2.1 溶解性及耐溫性

      表1是不同含量乳液稠化劑壓裂液黏度。由表1可知,在30 s時(shí),黏度達(dá)到最高黏度的90%以上,遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)中粉末類降阻劑連續(xù)混配滑溜水的溶解時(shí)間(小于5 min)。說明FA16具有良好的溶解性能,無須連續(xù)混配裝置,可滿足壓裂施工即配即用的要求。

      表1 不同含量乳液稠化劑壓裂液黏度

      乳液稠化劑壓裂液耐溫性能見圖1和圖2。當(dāng)乳液稠化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于0.2%時(shí),可作為滑溜水使用;0.6%~1.0%時(shí),可作為90~120 ℃攜砂液使用;1.0%~1.5%時(shí),可作為120~180 ℃攜砂液使用。由圖2可知,在120 ℃以上時(shí),乳液稠化劑中含有雙烯基組分,黏度的大幅升高可受溫度控制,實(shí)現(xiàn)溫控交聯(lián),降低施工摩阻。

      圖1 乳液稠化劑壓裂液耐溫耐剪切曲線

      圖2 乳液稠化劑壓裂液耐溫耐剪切曲線

      2.2 微觀結(jié)構(gòu)

      圖3為壓裂液微觀形貌。

      圖3 乳液稠化劑壓裂液微觀結(jié)構(gòu)

      從圖3可以看出,當(dāng)乳液稠化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%時(shí),可以觀察到大部分都是水,沒有形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),該濃度下可作為滑溜水使用,攜砂性能有限,需要大排量注入彌補(bǔ)攜砂不足的問題。當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%時(shí),可觀測到明顯的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),具有較好的黏彈性能,可作為攜砂液使用,不再受排量的限制,但耐溫性能有限;當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.2%時(shí),乳液稠化劑含有雙烯基組分,由冷凍掃描電鏡圖片可見類似支架結(jié)構(gòu)連接聚丙烯酰胺的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),使其在溫度和剪切的雙重作用下具有更好的耐溫和攜砂性能,滿足壓裂液耐高溫的需求。

      2.3 黏彈性及攜砂性能

      所制備乳液稠化劑壓裂液不僅具有表面活性劑壓裂液的黏彈性特點(diǎn),還兼具交聯(lián)壓裂液的耐高溫優(yōu)勢,具有更好的黏彈性和攜砂性能,見表2。由表2可知,乳液稠化劑壓裂液具有更強(qiáng)的儲(chǔ)能模量和耗能模量。在0.6%乳液稠化劑中,加入體積分?jǐn)?shù)30%的中密度陶粒進(jìn)行支撐劑沉降實(shí)驗(yàn),在室溫或90 ℃條件下,30 min后未見明顯沉降。

      表2 乳液稠化劑壓裂液黏彈性參數(shù)(20 ℃)及支撐劑懸浮性能

      2.4 低傷害性能

      乳液稠化劑是聚丙烯酰胺和表面活性劑的特殊締合物。與植物膠壓裂液相比,采用過硫酸銨徹底破膠后,黏度低于3 mPa·s,殘?jiān)績H為18~42 mg/L,有利于降低殘?jiān)八蝗芪飳?duì)儲(chǔ)層的傷害。實(shí)驗(yàn)測得巖心在滑溜水傷害前后的傷害率為6.98%,巖心在破膠液傷害前后的傷害率為13.56%,傷害率均低于15%,對(duì)儲(chǔ)層傷害較小。針對(duì)180 ℃壓裂液配方,開展了壓裂液濾失性能測試,見表3。由表3可見,壓裂液濾失系數(shù)在10-4數(shù)量級(jí),濾失量較小,濾失傷害較低。

      表3 壓裂液的濾失性能

      2.5 現(xiàn)場應(yīng)用情況

      2021年,應(yīng)用該壓裂液技術(shù)在某油田進(jìn)行5口井先導(dǎo)性實(shí)驗(yàn),溫度90~170 ℃。采用了低濃度滑溜水+高濃度攜砂液變濃度連續(xù)施工,施工排量7~12 m3/min,前置液采用滑溜水,段塞、連續(xù)加砂階段采用高濃度攜砂液,乳液稠化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.1%~1.5%,通過改變泵注排量,實(shí)現(xiàn)了滑溜水到膠液的無障礙轉(zhuǎn)換。施工成功率100%,支撐劑為70/100目石英砂+30/50陶粒,支撐劑體積分?jǐn)?shù)5%~30%。壓后放噴返排液黏度低于3 mPa·s,壓后產(chǎn)量與鄰井對(duì)比提高30%,儲(chǔ)層改造效果良好。

      3 結(jié) 論

      a.針對(duì)目前非常規(guī)、深層、頁巖油氣等儲(chǔ)層的大規(guī)模開發(fā),研發(fā)的耐高溫乳液稠化劑壓裂液不僅實(shí)現(xiàn)了在線免配、降本增效的目的,還能夠滿足耐高溫高攜砂的壓裂液性能。

      b.耐高溫免配壓裂液在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%~0.2%時(shí),可以作為滑溜水使用;在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%~1.5%時(shí),可作為90~180 ℃攜砂液使用。該體系具有添加劑種類少、使用方便、高黏彈性、耐高溫、低摩阻及低傷害等特點(diǎn)?,F(xiàn)場應(yīng)用增產(chǎn)效果顯著,滿足目前大規(guī)模體積改造工藝的要求。

      c.耐高溫乳液稠化劑屬于微米級(jí)液體,作為壓裂液在油田中的初步應(yīng)用展現(xiàn)出諸多優(yōu)勢,是壓裂液技術(shù)的發(fā)展方向。

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