胍胶压裂液高效破胶降解剂体系研究

黄飞飞，蒲春生，陆雷超，刘静，吴飞鹏

(1.中国石油大学(华东) 石油工程学院，山东 青岛 266580；2.中国石油塔里木油田公司，新疆 库尔勒 841000)

致密油藏[1-3]基质渗流能力差[4-5]，需水力压裂改造才能得到经济产量[6-8]。压裂液的性质对效果至关重要[9-11]，以胍胶为代表的聚合物水基压裂液由于其材料来源广、携砂效果好，应用最为广泛[12-13]。但是，胍胶压裂液水不溶物含量较高，且难以彻底破胶，其残渣、残胶易对压后储层造成伤害[14-15]。本文利用氧化破胶剂与生物酶降解剂的协同作用[16-17]，通过系统实验对鄂尔多斯盆地HL低渗透区块胍胶压裂液破胶剂进行优化，确定高效破胶降解剂体系，并通过相应测试分析，明确其低伤害作用机理，为提升该区块压裂改造效果提供支持，并对同类低渗透油藏压裂液设计提供参考。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

氯化钾、无水碳酸钠、无水亚硫酸钠、七水合硫酸亚铁、过氧化氢、抗坏血酸、过硫酸钠、过硫酸铵均为分析纯；次氯酸钠，化学纯；HRS复合破胶剂、羟丙基胍尔胶、YCS-1杀菌剂、有机硼交联剂、BAT-1、BAT-2、BAT-3、JCS-1、JCS-2、纤维素酶、甘露聚糖酶、α-半乳糖苷酶、葡糖淀粉酶均为工业品；芬顿试剂，自制。

M302流变仪；AB204S精密电子天平；HWY-501循环恒温水浴；JJ-1定时电动搅拌器；LD-4台式离心机；GGS42-2乌氏黏度计；101-1-BS电热恒温鼓风干燥箱；Bettersize2000激光粒度分析仪；1515/515凝胶渗透色谱仪。

1.2 压裂液配制

按照行业标准水基压裂液性能评价方法(SY/T 5107—2005)[18]配制压裂液。

1.2.1 压裂液基液配制 取去离子水1 000 mL于烧杯中，搅拌状态下依次加入0.35%羟丙基胍尔胶、1.0% KCl、0.1% YCS-1杀菌剂，用无水碳酸钠调节体系pH值至10左右。羟丙基胍尔胶应缓慢添加，防止形成鱼眼，并及时调整搅拌机转速，以能看到搅拌器浆叶中轴顶端为宜。添加完毕后，继续搅拌10 min。随后将烧杯置于30 ℃水浴内恒温静置 4 h，即得压裂液基液。

1.2.2 交联液配制 取去离子水100 mL于烧杯中，搅拌状态下加入3.5%有机硼交联剂、破胶/降解剂搅拌均匀，即得交联液。

1.2.3 胍胶压裂液配制 搅拌状态下，将交联液加入压裂液基液中，制得交联胍胶压裂液。

1.3 实验方法

1.3.1 耐温耐剪切性测定 设置流变仪测试温度为60 ℃(HL区块油藏温度)，剪切速率为170 s-1，持续剪切1 h，记录压裂液黏度随时间变化。分别测试各破胶剂、降解剂体系在给定浓度下胍胶压裂液的耐温耐剪切性曲线，选择能够满足压裂施工要求的体系进行后续研究。

1.3.2 破胶液残渣含量测定 将压裂液装入密闭容器中，放到恒温箱中恒温加热，设置温度为 60 ℃，每隔30 min用玻璃棒挑起，直到不能挑挂。每隔 15 min 取上层清液测其黏度，直到黏度低于5 mPa·s，即得破胶液。按照行业标准压裂用植物胶通用技术要求SY/T 5764—2007[19]进行残渣含量测试，计算残渣含量。

式中η2——残渣含量，mg/L；

m2——干燥离心管和残渣总质量，mg；

m1——干燥离心管质量，mg；

V2——溶液体积，mL。

1.3.3 分子量测试 利用凝胶渗透色谱仪测试，将破胶液过滤、脱气后放入样品瓶，打开浓度检测器，等待系统平衡稳定后开始测试。用注射器将样品匀速注入进样器，在计算机上观察凝胶渗透色谱(GPC)曲线，测试完成后导出数据。

1.3.4 残渣粒径测试 激光粒度仪开机预热，样品池进液，在超声和搅拌作用下测试，排放样品，结束测试。

2 结果与讨论

2.1 破胶剂优选

测试不同破胶剂体系(表1)在各质量浓度下压裂液的耐温耐剪切性。已有研究表明，胍胶压裂液黏度在100 mPa·s左右时，能够使流动阻力和携砂能力达到较好的平衡[20]，据此确定各破胶剂体系的适宜使用浓度，并统计各体系在适宜浓度下破胶液的黏度、残渣含量，统计结果见表2。

表1 破胶剂信息统计表

表2 不同破胶剂体系下破胶液黏度、残渣含量统计

根据破胶液黏度，优选出破胶剂为0.07%的P4(过硫酸铵∶亚硫酸钠= 9∶1，质量比)，相应的胍胶压裂液耐温耐剪切性曲线见图1。

图1 P4破胶剂各浓度下胍胶压裂液耐温耐剪切性曲线

由图1可知，该体系较好发挥了氧化还原体系的诱导和协同效应，在优选的浓度下既能较好满足压裂液耐温耐剪切性要求(耐温耐剪切性测试结束稳定黏度为107 mPa·s左右)，又能实现有效破胶(最终破胶液黏度仅1.49 mPa·s)，此外破胶液中残渣含量也处于相对较低水平(325 mg/L)。

2.2 降解剂优选

测试不同降解剂体系(表3)在各质量浓度下压裂液的耐温耐剪切性，选取胍胶压裂液耐温耐剪切性测试稳定黏度在100 mPa·s左右的降解剂体系，结果仅M1～M5五种降解剂在实验浓度范围内具有适宜浓度，统计其在适宜浓度下的破胶液黏度、残渣含量，测试结果见表4。

表3 降解剂信息统计表

表4 不同降解剂体系下破胶液黏度、残渣含量统计

由表4可知，降解剂M1～M5破胶液黏度差别不大。采用降解剂M2时，破胶液残渣含量最小，为252 mg/L；此外其破胶液黏度为4.09 mPa·s，处于相对较低水平，故优选高效降解剂为M2，即BAT-2生物酶，其合理使用浓度为0.010%。该体系对应的胍胶压裂液耐温耐剪切性测试结果见图2，测试结束时，稳定黏度保持在137 mPa·s，满足压裂液耐温耐剪切性要求。

图2 不同浓度降解剂M2下胍胶压裂液耐温耐剪切性曲线

2.3 破胶降解剂体系优选

为了更好地发挥破胶剂与降解剂的协同作用，既降低破胶液的黏度，又降低残渣含量，对P4破胶剂和M2降解剂进行复配，进行复合破胶降解剂体系的优选。通过对16个复配体系的耐温耐剪切性、破胶液黏度、残渣含量进行排序、打分(分值1～16，性能指标越理想，打分越高)，根据HL区块现场压裂经验，将耐温耐剪切性、破胶液黏度、残渣含量的打分结果分别按照0.5，0.2，0.3的权重进行加权求和，得到各复合体系综合分值，结果见表5。

表5 各复合破胶降解剂效果统计

由表5可知，最佳的复合破胶降解剂体系为第5组，即0.06%破胶剂P4(过硫酸铵∶亚硫酸钠=9∶1)+0.009%降解剂M2(BAT-2)，其破胶液黏度为1.5 mPa·s，残渣含量为202 mg/L，对应的耐温耐剪切性曲线见图3，测试结束时，稳定黏度为103 mPa·s。

图3 复合破胶降解胍胶压裂液耐温耐剪切性曲线

2.4 分子量测试

为了量化对比HL区块当前所用的过硫酸铵(0.1%)破胶剂和优化的复合破胶降解剂对破胶液中聚合物相对分子量的影响，分别测试了无破胶剂(HL区块现用压裂液交联剂为有机硼，可自行破胶)、现用过硫酸铵破胶剂、优选的破胶降解剂体系条件下胍胶压裂液破胶液的凝胶渗透色谱，结果见图4，其平均分子量统计见表6。

图4 凝胶渗透色谱测试分子量分布对比图

表6 破胶液平均分子量统计表

由表6可知，优化后的复合破胶降解剂相对于现用过硫酸铵破胶剂，降低了破胶液中聚合物平均相对分子质量6.7×104，降低率16.0%。

2.5 残渣粒径测试

为了量化对比HL区块当前所用的过硫酸铵破胶剂和优化的复合破胶降解剂对破胶液中残渣粒径的影响，利用激光粒度仪分别测试了无破胶剂、现用过硫酸铵破胶剂、优选的破胶降解剂体系条件下胍胶压裂液破胶液中的残渣粒径，结果见图5，其平均残渣粒径统计见表7。

图5 破胶液残渣粒度分布曲线

表7 破胶液残渣粒径统计

由表7可知，优选的破胶降解剂相对于现用的过硫酸铵破胶剂，降低了破胶液中残渣粒径中值(19.58 μm)，残渣粒径中值减小率21.5%。

3 结论

通过对胍胶压裂液耐温耐剪切性、破胶液黏度、破胶液残渣含量测试，从10种破胶剂、9种降解剂中筛选、优化出复合破胶降解剂0.06%破胶剂P4(过硫酸铵∶亚硫酸钠=9∶1)+0.009%降解剂M2(BAT-2)，在复合破胶降解剂条件下胍胶压裂液 60 ℃下耐温耐剪切测试稳定黏度为103 mPa·s，破胶液黏度为 1.5 mPa·s，破胶液中残渣含量为 202 mg/L。优化的复合破胶降解剂相对于现用过硫酸铵破胶剂，可降低破胶液中聚合物平均相对分子量6.7×104，聚合物分子量降低率16.0%；减小破胶液中残渣粒径中值19.58 μm，残渣粒径中值减小率21.5%。