协同增效低伤害复合压裂液研究

李海涛，赵修太，史贞利

(1.中国石化胜利油田分公司地质科学研究院，东营 257015;2.中国石油大学(华东)石油工程学院，青岛 266555;3.中国石化胜利油田分公司河口采油厂，东营 257015)

压裂液可使油井增产、水井增注，通常可分为油基压裂液和水基压裂液，其中水基压裂液应用较为广泛。目前水基压裂液使用较多的稠化剂是天然植物胶类和聚合物类，前者有瓜尔胶、田菁胶等，后者有聚丙烯酰胺等［1，2］。天然植物胶压裂液的抗盐、抗剪切性均较好，但破胶后残渣含量较高，对地层渗透率、填砂裂缝的导流能力均有伤害。而聚合物压裂液虽然破胶后残渣含量低，但其与地层内盐类配伍性较差［3－5］。这两种稠化剂在性能上存在较强的互补性，因此将两者复合使用具有较大的实际应用价值。

本研究将油田目前常用的两种稠化剂羟丙基瓜尔胶(HPG)和聚丙烯酰胺(PAM)复合，建立一种复合型增稠剂体系，以获得配制使用效果好、对地层伤害低的聚合物复合压裂液。

1 实验部分

1.1 试剂

羟丙基瓜尔胶(HPG)、聚丙烯酰胺(PAM，相对分子质量8×106，水解度4%)，均为工业品;氧氯化锆(ZrOCl2·8H2O)、过氧化氢(H2O2，30%)，盐酸(HCl)，氢氧化钠(NaOH)，均为分析纯。

1.2 仪器

DV－ⅢBrookfield黏度计，ZNN－D6型六速旋转黏度计，JR型黏度计计量加热器，电热恒温水浴锅，GGS42型高温高压滤失仪，岩心流动试验仪，电子天平，增力电动搅拌器。

1.3 压裂液冻胶的制备

先将HPG与PAM分别溶于蒸馏水，配成质量分数均为0.5%的溶液，然后按1∶1比例混合均匀，得到质量分数为0.5%HPG/PAM复合溶液，调节溶液pH=4～6，再将预先配制好的氧氯化锆交联剂溶液加入到复合溶液中，即可制得具有较高黏度的冻胶。

2 结果与讨论

2.1 HPG与PAM相互作用

将质量分数均为0.5%HPG和0.5%PAM溶液按不同比例混合，用黏度计(转速为12 min－1)在20℃下测定混合溶液的黏度，结果如图1所示。图1中复合溶液黏度随HPG用量变化曲线的计算值是根据分子间复合原理，假设两种聚合物混合后不发生相互作用而得出的［6］。

图1 HPG用量对复合体系黏度的影响

从图1可以看出，在HPG/(HPG+PAM)质量比考察范围内，复合溶液的实际黏度高于按混合规则计算得到的黏度，表明复合体系中HPG与PAM分子间存在相互作用［7］。随着复合体系中HPG比例增加，体系黏度先增加后下降，这说明不同比例的HPG与PAM复合，其分子链间的相互作用程度不同。当HPG/(HPG+PAM)质量比为50%时，复合体系黏度达到最大，为590 mPa·s。因此，要获得好的增黏效果，HPG与PAM 的质量比在40∶60～60∶40为宜。

2.2 复合压裂液性能评价

将HPG与PAM复合使用，以期达到优势互补，从而获得性能较好的压裂液，为此对复合压裂液的性能进行评价。实验采用六速旋转黏度计在170 s－1下测其黏度变化。

2.2.1 耐温抗剪切性能

在地层温度和裂缝剪切作用下，压裂液黏度损失过大，则压裂液携砂性能下降且易滤失。因此，评价压裂液的耐温抗剪切性能尤为重要。

测定了不同温度、不同剪切时间下的压裂液黏度，结果见图2。在20℃下，随着剪切时间延长，复合压裂液黏度变化不大，具有较好的耐剪切性能。在60℃和80℃下，随着剪切时间延长，压裂液黏度有一定的降低，但1 h后仍保持较高黏度。说明复合压裂液具有较好的耐温抗剪切性能。

图2 复合压裂液耐温抗剪切性能

2.2.2 剪切恢复性能

压裂液在油管流动过程中受高剪切作用，而当压裂液进入地层后，受到的剪切逐渐减小。压裂液经受高剪切后的黏度恢复特性，是评价压裂液性能的又一个重要指标。60℃下，HPG，PAM，HPG/PAM(质量比1∶1)压裂液经高剪切后的黏度值见表1。

表1 3种压裂液剪切恢复性能对比

由表1可看出，经高剪切后，HPG/PAM压裂液的黏度恢复性能较好，有利于压裂液在裂缝中低流速下的携砂。

2.2.3 静态滤失性能

压裂液的滤失性能直接影响到压裂施工中压裂液的造缝能力和裂缝的几何形状。有效控制滤失流体进入地层，可减少对地层的伤害，也可提高压裂液的使用效率。采用静态滤失法，在3.5 MPa压差下，测定了复合压裂液在60℃和80℃下的滤失性能，结果见表2。复合压裂液在60℃和80℃下的滤失系数分别为6.7×10－4m/min0.5和8.2×10－4m/min0.5，滤失系数较低，均低于10×10－4m/min0.5标准，可满足压裂施工要求。

表2 复合压裂液滤失性能

2.2.4 破胶性能

压裂液在地层条件下能否彻底破胶，直接影响到支撑剂裂缝导流的导流能力。在3种压裂液中分别加入0.5%过氧化氢，在不同温度下放置8 h，然后测其残渣含量，结果见表3。PAM压裂液破胶彻底，破胶液外观清澈透明，黏度较低，肉眼看不见压裂液残渣。HPG压裂液和复合压裂液中都有残渣存在，但复合压裂液的残渣量明显低于HPG压裂液。说明复合压裂液兼具PAM与HPG两种压裂液的特点。

表3 3种压裂液破胶性能对比

2.2.5 对岩心伤害性能

压裂液滤液可引起地层黏土膨胀、分散、运移而堵塞孔道，滤液进入喉道易造成水锁伤害;压裂液滤饼和压裂液的浓缩物对裂缝导流能力也有严重的伤害［8］。压裂液对储层岩心的伤害，是上述因素综合作用的结果。压裂液伤害实验表明，复合压裂液破胶后对岩心基质渗透率伤害率低，小于10%。

表4 压裂液对岩心伤害实验结果

3 结论

(1)HPG与PAM复配后，复合溶液的实际黏度高于按混合规则计算得到的黏度，说明HPG与PAM具有较好的协同增稠特性。当复合体系中HPG与PAM质量比为1∶1时，黏度达到最大。

(2)复合压裂液具有较好的耐温抗剪切性能和剪切恢复性能，80℃，170 s－1条件下剪切60 min后，仍然具有较高的黏度，且剪切恢复性能明显好于PAM压裂液。

(3)复合压裂液破胶后的残渣含量比HPG压裂液的更低，低于200 mg/L，并且对岩心伤害率低，小于10%。

(4)HPG与PAM复配后，很好地综合了两者各自优点，弥补了聚合物压裂液在应用中的缺陷，显著改善了其各项性能。

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