滑溜水壓裂液用乳液降阻劑的合成及應(yīng)用

徐太平，李 栓，周京偉，袁發(fā)明

(四川捷貝通能源科技有限公司，四川 成都 610015)

滑溜水作為非常規(guī)頁(yè)巖油氣儲(chǔ)層壓裂施工的主要壓裂液，具有無(wú)固相水不溶物、常規(guī)膠體殘?jiān)湍ψ璧偷奶攸c(diǎn)?；锼幕瘜W(xué)添加劑通常有降阻劑、表面活性劑、黏土穩(wěn)定劑、破膠劑等。目前滑溜水壓裂液用減阻劑存在著溶解困難、現(xiàn)場(chǎng)使用操作不便、對(duì)水質(zhì)要求高、需使用清水進(jìn)行配置和無(wú)法使用返排液配制重復(fù)利用等問(wèn)題[1-3]。

筆者使用反向乳液聚合法合成了一種共聚物降阻劑。采用AM、AMPS、丙烯酸及全氟甲基丙烯酸酯4種單體在反相乳液中發(fā)生共聚，以過(guò)硫酸銨、亞硫酸氫鈉為引發(fā)體系，合成得到共聚物降阻劑。該降阻劑加入全氟甲基丙烯酸酯單體，提高其在施工注入過(guò)程中的耐剪切性；加入AMPS單體，提高了降阻劑的抗溫耐鹽性能；同時(shí)反相乳液聚合方法提高了溶解性，縮短了溶解時(shí)間，使其能夠滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中連續(xù)混配的配液需求[4-5]。

圖1 聚合物分子結(jié)構(gòu)

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原料及儀器

丙烯酰胺(AM)，工業(yè)級(jí)，寧波先安化工；2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)、氯化鈉、氯化銨、氫氧化鈉、亞硫酸氫鈉、碘化鉀、硝酸鉀、全氟甲基丙烯酸酯、碳酸甘油酯、無(wú)水亞硫酸鈉、過(guò)硫酸銨均為分析純，成都科龍化工；山梨醇酐單油酸酯(Span-80)、十二烷基酚聚氧乙烯醚(OP-10)均為工業(yè)級(jí)，濟(jì)南浩天化工。

吳茵混調(diào)機(jī)，美國(guó)waring公司；MARS 40型高溫高壓旋轉(zhuǎn)流變儀，德國(guó)哈克儀器；WQF-520型紅外光譜儀，瑞利分析儀器公司；毛細(xì)管吸收時(shí)間測(cè)定儀，青島恒泰達(dá)設(shè)備公司；QBZY-2型全自動(dòng)表界面張力儀、HAMZ-IV型管路摩阻儀，四川高精；JCY-1型接觸角測(cè)試儀，上海方瑞儀器有限公司。

1.2 合成步驟

分別稱(chēng)取一定量的AM、AMPS溶于水中；稱(chēng)取一定量的全氟甲基丙烯酸酯、OP-10、Span-80加入至一定量的碳酸甘油酯中，混合均勻備用；將一定量的過(guò)硫酸銨和亞硫酸氫鈉溶解于少量水中備用；將前兩步中配好的溶液移至三口燒瓶中，放入水浴鍋中恒溫30 ℃，通入氮?dú)?，高速攪?0 min，充分乳化；隨后滴加引發(fā)體系至上述乳液，繼續(xù)保溫在30 ℃反應(yīng)16～18 h，用氫氧化鈉調(diào)節(jié)pH值6～7，得到最終產(chǎn)物。

2 紅外光譜表征

圖2 降阻劑紅外光譜

3 降阻劑性能評(píng)價(jià)

3.1 速溶分散性

用清水配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.1%的降阻劑溶液使用吳茵混調(diào)器在轉(zhuǎn)速2 500 r/min條件下進(jìn)行攪拌，隨后將配置好的溶液在常溫下采用流變儀雙狹縫(模具)在剪切速率為170 s-1下進(jìn)行速溶分散性測(cè)試[7]，結(jié)果如圖3所示。

圖3 降阻劑溶液黏度與溶解時(shí)間關(guān)系

由圖3可以發(fā)現(xiàn)，降阻劑溶解后40 s后黏度1.8 mPa·s，基本穩(wěn)定。此時(shí)降阻劑已經(jīng)充分溶解，溶液均一透明。因此可知，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行壓裂施工配液時(shí)，在配液水中循環(huán)即可實(shí)現(xiàn)降阻劑的連續(xù)混配，操作簡(jiǎn)單?；锼ざ刃∮? mPa·s，壓裂后即可返排，可實(shí)現(xiàn)重復(fù)利用，對(duì)儲(chǔ)層傷害小。

3.2 防膨性

滑溜水的防膨性通過(guò)毛細(xì)管吸收時(shí)間(CST)評(píng)價(jià)。實(shí)驗(yàn)分別評(píng)價(jià)質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.1%的降阻劑溶液和1%的KCl溶液的防膨效果并進(jìn)行對(duì)比，實(shí)驗(yàn)方法根據(jù)文獻(xiàn)[8]進(jìn)行，結(jié)果如表1所示。由表1可以看出，合成降阻劑溶液的CST值明顯低于KCl溶液，說(shuō)明其具有較低的水化分散程度和較強(qiáng)的防膨性。

表1 合成降阻劑CST值測(cè)試

3.3 降阻性

降阻性參照文獻(xiàn)[8]測(cè)試。測(cè)試原理為在測(cè)試管匯中，將試樣按設(shè)計(jì)方案投入管匯，測(cè)試管匯上游和下游的壓差，隨后通過(guò)與水比較后求得降阻率[9-10]。自制管路摩阻儀示意圖如圖4所示。

圖4 自制管路摩阻儀示意

按照質(zhì)量分?jǐn)?shù)將不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的降阻劑配置為滑溜水壓裂液，使用10 mm管匯，在線(xiàn)速度為10 m/s條件下，分別測(cè)試其降阻率，結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)降阻劑配制滑溜水壓裂液的降阻率曲線(xiàn)

由圖5可見(jiàn)，滑溜水的降阻率隨降阻劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高而增加。降阻劑加量為0.1%時(shí)，降阻率最高為74.31%。加量0.12%和0.14%時(shí)維持在72%～73%，說(shuō)明降阻性隨著降阻劑的濃度到達(dá)一定臨界值時(shí)即穩(wěn)定不會(huì)繼續(xù)升高。綜合考慮施工成本及儲(chǔ)層傷害性，降阻劑加量確定為0.1%。

3.4 巖心傷害性

實(shí)驗(yàn)使用人造巖心，根據(jù)文獻(xiàn)[11]評(píng)價(jià)巖心傷害性，結(jié)果如表2所示。

表2 合成降阻劑滑溜水巖心傷害評(píng)價(jià)結(jié)果

由表2可知，液測(cè)時(shí)，驅(qū)替60 PV后，合成降阻劑滑溜水傷害后巖心滲透率為117.2 mD，傷害率為5.18%；氣測(cè)時(shí)，驅(qū)替20 PV后，合成降阻劑滑溜水傷害后巖心滲透率為116.7 mD，傷害率為4.27%。而使用某商品乳液滑溜水傷害后的巖心，液測(cè)和氣測(cè)傷害率為35%左右，遠(yuǎn)高于所合成降阻劑滑溜水。因此，合成降阻劑滑溜水對(duì)巖心傷害率均很低，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于常規(guī)產(chǎn)品。

3.5 抗鹽性

3.5.1 離子種類(lèi)對(duì)降阻劑的影響

實(shí)驗(yàn)對(duì)某頁(yè)巖氣返排液進(jìn)行離子分析，由表3可以看出，地下水主要含Na+和K+，二價(jià)Ca2+和Mg2+，陰離子主要為Cl-。為驗(yàn)證降阻劑抗鹽性，分別配置質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%、2.0%、10.0%KCl和CaCl2溶液，驗(yàn)證降阻率是否受到鹽濃度影響，結(jié)果如表4所示。由表4可知，隨著一價(jià)離子濃度的增加，合成降阻劑滑溜水和某乳液滑溜水的降阻率均基本保持不變；而隨著Ca2+濃度的增加，合成降阻劑滑溜水的降阻率基本保持不變，某乳液滑溜水的降阻率隨離子濃度增加而下降。因此，可以看出合成降阻劑滑溜水降阻性能基本不受一價(jià)離子和二價(jià)離子的影響。

表3 某頁(yè)巖氣井返排液離子分析結(jié)果

表4 不同鹽含量下滑溜水降阻率 %

3.5.2 礦化度對(duì)降阻劑的影響

為驗(yàn)證降阻劑返排液總礦化度的影響，實(shí)驗(yàn)分別配置不同礦化度模擬地層水，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.1%的合成降阻劑配置滑溜水，測(cè)試其降阻率，結(jié)果如圖6所示。

圖6 礦化度對(duì)降阻率的影響

由圖6可以看出，礦化度的增加基本不影響滑溜水的降阻率，而200 g/L礦化度相當(dāng)于某頁(yè)巖氣井返排液礦物度(21 474.78 mg/L)的10倍，亦能保持74.2%的降阻性能。這是因?yàn)榫酆衔锏暮铣芍幸肓瞬糠帜蜏乜果}基團(tuán)，例如含有磺酸基的陰離子型強(qiáng)水化基團(tuán)以及含有強(qiáng)電離基團(tuán)的單元等，電解質(zhì)的濃度基本對(duì)該類(lèi)基團(tuán)的電離程度不會(huì)產(chǎn)生影響，使得溶液動(dòng)力學(xué)性質(zhì)不會(huì)發(fā)生巨大變化，最終可以看到降阻劑在溶液中受礦化度的影響較小，體現(xiàn)出良好的抗鹽性[5]。

3.6 返排液重復(fù)利用性

現(xiàn)場(chǎng)壓裂施工多采用返排液進(jìn)行配液，滑溜水體系的返排液重復(fù)利用性尤為重要[13]。實(shí)驗(yàn)分別使用現(xiàn)場(chǎng)返排液和自來(lái)水進(jìn)行配液，降阻劑加量為0.1%，使用10 mm管匯，在線(xiàn)速度為10 m/s條件下，分別測(cè)試其降阻率，結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知，利用返排液配制的滑溜水降阻率最后穩(wěn)定于72.9%，而使用自來(lái)水配制的滑溜水降阻率穩(wěn)定于73.91%，返排液所配制滑溜水降阻率只是略低于自來(lái)水配液，說(shuō)明返排液對(duì)該減阻劑的性能影響較小，因此可以確定該降阻劑可使用返排液配液，且降阻率基本不受影響。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

該降阻劑滑溜水體系于2020年10月在自211井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)施工，該井完鉆井深5 745 m，水平段長(zhǎng)1 485 m，施工井段為4 000～5 695 m，壓裂方式采用連續(xù)加砂+段塞式加砂模式，正常壓裂段單段液量30 m3/m，加砂強(qiáng)度3.0 t/m，單段加砂180 t，主體施工排量不低于16 m3/min。

現(xiàn)場(chǎng)施工結(jié)果表明：1)該降阻劑滑溜水?dāng)y砂效果良好，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)加砂，現(xiàn)場(chǎng)施工試驗(yàn)了連續(xù)加砂+段塞式加砂，施工壓力穩(wěn)定；2)施工最高壓力為97 MPa，平均壓力為95 MPa，停泵壓力為70 MPa，施工排量為16 m3/min，可以計(jì)算施工過(guò)程中摩阻為25 MPa，改造儲(chǔ)層中部深度5 301 m，計(jì)算得摩阻系數(shù)為4.72 MPa/1 000 m，降阻率達(dá)到76%，壓裂施工要求降阻率≥70%，而常規(guī)滑溜水壓裂液體系摩阻系數(shù)為5～7 MPa/1 000 m。該降阻劑滑溜水摩阻系數(shù)明顯低于傳統(tǒng)滑溜水壓裂液，具有低摩阻、高排量、高砂濃度的特點(diǎn)。

5 結(jié) 論

a.采用乳液聚合法合成一種新型滑溜水降阻劑，引入全氟甲基丙烯酸酯單體，提高了耐剪切性；AMPS的加入提高了抗溫耐鹽性；同時(shí)采用反相乳液聚合制備，使降阻劑溶解性得到提高，滿(mǎn)足頁(yè)巖氣壓裂連續(xù)混配施工工藝的需求。

b.合成降阻劑的溶解時(shí)間為40 s，CST值小于同條件下的KCl溶液，防膨性良好；加量為0.1%時(shí)降阻率最高為74.31%；巖心傷害試驗(yàn)中，液測(cè)和氣測(cè)滲透率恢復(fù)率分別為94.82%和95.73%；降阻劑在20 g/L礦化度模擬地層水中亦能保持74.2%的降阻性能，返排液所配液的降阻率仍為73.91%。

c.現(xiàn)場(chǎng)施工中，該降阻劑所配制滑溜水在施工中降阻率達(dá)到76%且性能穩(wěn)定，摩阻系數(shù)明顯低于傳統(tǒng)滑溜水壓裂液，具有低摩阻、高排量、高砂濃度的特點(diǎn)。