羟丙基瓜胶压裂液流变行为影响因素研究

姜阿娜,仲岩磊,陈 凯,钟安海

(中国石化胜利油田分公司采油工艺研究院,山东东营257000)

羟丙基瓜胶压裂液流变行为影响因素研究

姜阿娜,仲岩磊,陈 凯,钟安海

(中国石化胜利油田分公司采油工艺研究院,山东东营257000)

以哈克流变仪为主要工具,通过测定170 s-1、120 min时间内羟丙基瓜胶压裂液的抗剪切性能,对瓜胶压裂液流变行为的影响因素进行研究。室内试验表明,影响羟丙基瓜胶压裂液流变行为的因素众多,稠化剂、交联剂、温度稳定剂以及p H调节剂均对压裂液的流变行为产生较大影响。

羟丙基瓜胶;流变行为;影响因素

压裂作为油气藏增产增注的主要措施已得到广泛应用和迅速发展,压裂液是压裂技术的主要组成部分,是压裂施工的关键性环节之一。压裂液的流变特性是目前表征压裂液的主要手段,其与压裂液的输送、携砂、摩阻和压裂效果密切相关。因此,研究压裂液的流变行为十分重要。笔者以哈克流变仪为主要工具,模拟不同条件下压裂液的流变行为,通过测定170 s-1、120 min时间内压裂液的抗剪切性能,对瓜胶压裂液流变行为的影响因素进行研究。

1 压裂液流变行为影响因素

1.1 稠化剂

稠化剂是压裂液的主剂,最主要作用是增粘,其次还具有降低滤失和减少压裂液摩阻等作用。稠化剂的增稠能力主要与其相对分子质量、分子链上的基团性质及分子链状态有关。一般来说,稠化剂相对分子质量愈大,增稠能力愈强;稠化剂分子链上的基团水化性质愈强,水化基团愈多,水溶性愈强,压裂液破胶后的残渣愈少[1]。

考察普通羟丙基瓜胶粉(HPG)、超级羟丙基瓜胶粉(SHPG)以及罗地亚415#瓜胶粉(LUO-415 #)3种不同性质的羟丙基瓜胶粉在其他助剂相同情况下的压裂液耐剪切性能。压裂液配方如下: 0.6%瓜胶粉+0.35%HTC-160交联剂+其他。图1为3种不同羟丙基瓜胶压裂液在120℃、170 s-1条件下的耐剪切流变曲线。

图1 不同羟丙基瓜胶压裂液耐剪切性能

从图1可以看出,稠化剂对瓜胶压裂液的流变行为有较大影响,在其他助剂、剪切条件相同的情况下,罗地亚415#瓜胶粉经120 min剪切后,压裂液黏度为220 mPa·s,耐剪切能力要强于超级羟丙基瓜胶粉的106 mPa·s和普通瓜胶粉的62 mPa·s。

羟丙基瓜胶经瓜尔胶改性制得,经胚乳片→水合→粉碎→原粉→改性→洗涤→干燥→粉碎→筛分→均质得成品[2]。瓜尔胶是一种天然的半乳甘露聚糖胶,从产于印度、巴基斯坦等地的瓜尔豆种子的胚乳中提取得到。因来源不同,瓜尔胶的相对分子质量及单糖比例也不同,其相对分子质量约为100～200万,甘露糖与半乳糖之比约为(1.5～2∶1),这些都会影响羟丙基瓜胶的性能。改性过程中,工艺及条件的不同对羟丙基瓜胶性能亦有影响。

另外,随着瓜胶粉比的增加,压裂液的增黏能力增加,但压裂液破胶后的残渣也随之增加,因此需根据地层需要筛选适宜粉比的稠化剂,既保证压裂液的携砂性能,又减少其对地层的伤害。

1.2 交联剂

交联剂是决定压裂液粘度性质的主要因素之一。交联剂与稠化剂产生交联反应,使体系进一步增稠形成冻胶,成为典型的黏弹性流体,黏弹性能的好坏直接影响压裂液的造缝能力,与形成的裂缝长度密切相关。

考察了有机硼交联剂HTC-160,有机硼缓交联剂CK-OBC、有机硼钛交联剂SD-1三种不同类型的交联剂,在其他助剂相同情况下的耐剪切性能。瓜胶粉选用目前现场施工最常用的普通羟丙基瓜胶粉。压裂液配方如下:0.6%HPG+0.35%交联剂+其他。图2为3种不同交联剂压裂液在120℃、170 s-1条件下的耐剪切流变曲线。

图2 不同交联剂压裂液的耐剪切性能

从图2可以看出,交联剂类型不同,压裂液交联体系的耐剪切性能不同。交联体系初始黏度均可达1000 mPa·s,在170s-1下连续剪切120 min后,黏度变化较大,但其表观黏度均大于50 mPa·s,说明3种交联体系均有较好的耐剪切性能。从图2还可以看出,有机硼缓交联剂CK-OBC的交联体系耐剪切能力明显强于其他两种交联剂HTC-160和SD-1形成的交联体系。

有机硼交联剂作用机制可能是:首先有机硼络合物多级电离,缓慢产生硼酸根离子B(OH)4-,然后硼酸根离子B(OH)4-与植物胶聚糖分子链上的顺式邻位羟基作用,形成三维网状冻胶。缓交联的作用机制可能是由于过量配位体包裹在有机硼交联剂周围,对硼酸根离子产生屏蔽,从而延缓其与聚糖分子的交联时间[3]。

另外,在一定浓度范围内,随着交联剂浓度的增大,压裂液流变性变好,但同时破胶难度也增大,因此需根据地层需要,筛选适宜浓度。

1.3 温度稳定剂

温度稳定剂可除去压裂液中溶解的氧,提高交联剂与稠化剂羟基的络合程度,使形成的交联网更牢固庞大,增强压裂液的耐剪切性能。

考察了常用的温度稳定剂Na2S2O3和CH3OH对瓜胶压裂液流变行为的影响。图3为添加和未添加Na2S2O3的压裂液在135℃、170 s-1条件下的耐剪切流变曲线,压裂液配方如下:0.6%HPG+ 0.35%HTC-160+Na2S2O3(加量为0或0.2%)+其他。图4为添加和未添加CH3OH的压裂液在120℃、170 s-1条件下的耐剪切流变曲线,压裂液配方如下:0.6%HPG+0.35%HTC-160+CH3OH (加量为0或20%)+其他。

图3 Na2S2O3加量为0和0.2%的压裂液的耐剪切性能比较

图4 CH3OH加量为0和20%的压裂液的耐剪切性能比较

从图3中可以看出,经过120 min剪切,添加Na2S2O3的压裂液黏度有120 mPa·s,而未加Na2S2O3的压裂液黏度只有50 mPa·s。由此可见,Na2S2O3可明显增强压裂液的耐剪切性能。在107℃以上,瓜胶压裂液中的溶解氧会使增稠剂发生化学分解而引起粘黏度下降,而Na2S2O3能除去压裂液中的溶解氧,使黏度损失速度下降。

经过120 min的连续剪切后,添加20% CH3OH的压裂液和未加CH3OH的压裂液的表观黏度分别为220 mPa·s和63 mPa·s。在相同剪切条件下,添加CH3OH的压裂液剪切后的黏度比未加CH3OH的压裂液黏度高157 mPa·s,具有更强的耐剪切性能。这是因为甲醇可以除去压裂液中的氧,防止由于氧的存在而导致的压裂液快速降解,提高有机交联剂与稠化剂羟基的络合程度,使形成的交联网更牢固庞大,压裂液的抗剪切性能增强。

1.4 p H调节剂

压裂液中p H调节剂有两个主要作用,一是控制特定交联剂的交联时间,加速或者缓和某些聚合物的水合作用;二是保证压裂液处于破胶剂和降解剂的作用范围内[4]。但经室内试验证实,p H调节剂对压裂液冻胶的流变行为也有一定的影响。考察了氢氧化钠、碳酸钠、某有机碱对瓜胶压裂液冻胶流变行为的影响,如图5所示。压裂液配方如下: 0.6%HPG+0.35%HTC-160+p H调节剂(分别调p H=10)+其他。

图5 不同pH调节剂对压裂液耐剪切性能的影响

从图5可以看出,氢氧化钠和碳酸钠两种p H调节剂对压裂液冻胶流变行为的影响相似,两条流变曲线基本重合。目前现场施工中,瓜胶压裂液的p H调节剂多采用碳酸钠,但碳酸钠易与Ca2+型地层水形成沉淀,故应根据地层水水型选择是否采用碳酸钠作为p H调节剂。另外,从图5可以看出,有机碱p H调节剂可以明显改善压裂液冻胶的流变性能,原因可能是有机碱体系在高温的条件下,较碳酸钠和氢氧化钠能够更好的继续保持压裂液适宜交联的p H值环境。

2 结 论

(1)羟丙基瓜胶粉性质不同,压裂液耐剪切性能不同,3种压裂液性能顺序是罗地亚415#瓜胶粉>超级羟丙基瓜胶粉>普通羟丙基瓜胶粉。

(2)交联剂类型不同,压裂液的耐剪切性能也不同。3种交联剂中,有机硼缓交联剂CK-OBC性能优于HTC-160和SD-1两种交联剂。

(3)温度稳定剂Na2S2O3和CH3OH均可不同程度的提高压裂液的耐剪切性能。

(4)氢氧化钠和碳酸钠两种p H调节剂对压裂液冻胶流变行为影响相似,有机碱体系作为压裂液的p H调节剂,性能优于氢氧化钠和碳酸钠。

[1] 龙政军.压裂液添加剂对压裂液性能及效果的影响分析(I)-稠化剂和交联剂的影响[J].石油与天然气化工,2000,29(6): 314-316.

[2] 罗彤彤,卢亚平,潘英民.羟丙基瓜尔胶合成工艺的研究[J].矿冶,2008,17(3):67-68.

[3] 王佳,怡宝安,杨文,等.压裂液用硼交联剂作用机理分析[J].精细石油化工进展,2009,10(8):23-26.

[4] 周成裕,萧瑛,段培珍,等.聚合物压裂液性能的影响因素及研究方向[J].精细石油化工,2008,25(1):68-71.

[责任编辑] 王艳丽

TE357.12

A

1673-5935(2011)01-0015-03

2010-12-13

姜阿娜(1978-),女,山东莱阳人,中国石化胜利油田分公司采油工艺研究院工程师,硕士,主要从事压裂液研究。