新型疏水缔合聚合物压裂液的流变性能研究

杜 涛，姚奕明，蒋廷学，张旭东，贾文峰

（中国石化石油工程技术研究院，北京 100101）

目前油田广泛使用的压裂液主要包括天然植物胶及其衍生物类、黏弹性表面活性剂（VES）类和合成聚合物类。天然植物胶及其衍生物压裂液易生物降解、水不溶物含量高、破胶不彻底和伤害大等缺点［1-4］。VES压裂液对裂缝的伤害低、破胶后无残渣，但是耐温性能差（一般不超过110℃）且成本高［5-9］。合成聚合物压裂液具有耐温、耐盐、耐剪切性能好、水不溶物含量少、破胶后几乎无残渣等优点，该压裂液体系在高温低渗储层的应用前景非常广阔［10-12］。

目前疏水缔合聚合物压裂液是合成聚合物压裂液的研究热点。它是指在聚合物亲水性大分子链上带上少量疏水基团，聚合物分子内或者分子间形成疏水缔合作用，导致溶液黏度明显上升，表现出良好的增稠、抗温和抗盐性能［13-18］。笔者以丙烯酰胺、丙烯酸钠等为原料，按照溶液聚合法制备成新型疏水缔合聚合物增稠剂凝胶（SRFG-1），再经过造粒、干燥、粉碎和过筛操作后得到白色粉末状固体，制备一种不含金属元素的低分子化合物交联剂（SRFC-1），考察了自制增稠剂质量分数、自制交联剂质量分数、KCl用量、温度和溶胀时间对SRFG压裂液体系流变性能的影响，最后对比了SRFG压裂液和市售两种压裂液的流变性能。

1 实验部分

1.1 原料及仪器

SRFG-1增稠剂，自制；SRFC-1交联剂，自制；氯化钾，分析纯，北京化工厂。

HAAKE MARSⅢ型流变仪，德国Thermo Fisher公司；ZNN-D12型数显旋转黏度计，中国青岛宏祥石油机械制造有限公司；IKA RW20digital数显型顶置式机械搅拌器，德国艾卡公司。

1.2 压裂液基液制备

向一定量的水中加入1%的KCl，充分搅拌2 min，再加入一定量的SRFG-1增稠剂，充分搅拌0.5h，得到压裂液基液。

1.3 压裂液冻胶制备

向1.2制备的基液中加入一定量的SRFC-1交联剂，搅拌1min形成压裂液冻胶。

1.4 实验方法

采用HAAKE MARSⅢ型流变仪评价压裂液的流变性能，流变仪程序设定分以下3步：1）25℃稳定5min；2）以3℃／min的升温速率从25℃开始升温至120℃；3）稳定120℃直至实验结束。按照石油天然气行业标准SY／T 5107—2005进行SRFG压裂液流变性能评价［19］。

2 结果与讨论

2.1 增稠剂质量分数对表观黏度的影响

按照1.4实验方法，40min后SRFG压裂液体系温度从室温升至120℃。在温度120℃，170 s-1，剪切2h，交联剂质量分数0.1%的条件下，考察不同增稠剂质量分数对SRFG压裂液表观黏度的影响，结果见图1。

图1 SRFG压裂液的表观黏度随增稠剂质量分数变化规律

由图1可知：在120℃条件下，当增稠剂质量分数大于或者等于0.5%时，表观黏度大于50mPa·s，符合行业标准要求［19］；当增稠剂质量分数小于0.5%，表观黏度小于50mPa·s，不符合行业标准要求。由于增稠剂质量分数直接决定压裂液的实际应用成本，因此选择压裂液增稠剂的最佳质量分数为0.5%。

2.2 交联剂质量分数对表观黏度的影响

固定增稠剂质量分数为0.5%，其他条件不变，考察不同交联剂质量分数对SRFG压裂液表观黏度的影响，结果见图2。

由图2可知：当交联剂质量分数为0.25%、0.2%、0.15%和0.1%时，表观黏度都大于50mPa·s，符合行业标准［19］；当交联剂质量分数为0.08%时，表观黏度小于50mPa·s，不符合行业标准。因此，抗120℃的SRFG压裂液体系中交联剂最佳质量分数为0.1%。

图2 SRFG压裂液的表观黏度随交联剂质量分数变化规律

2.3 KCl质量分数对表观黏度的影响

保持温度120℃，增稠剂质量分数0.5%，交联剂质量分数0.1%不变，考察不同KCl质量分数对SRFG压裂液基液黏度和表观黏度的影响，结果见表1、图3。

表1 KCl质量分数对SRFG压裂液的基液黏度的影响

图3 SRFG压裂液的表观黏度与KCl质量分数的关系

由表1可知：SRFG压裂液中KCl质量分数对基液黏度影响较大。当KCl质量分数小于1%时，随着KCl质量分数的增加，SRFG压裂液的基液黏度增加；当KCl质量分数大于1%时，随着KCl质量分数的继续增加，SRFG压裂液的基液黏度减小。这是因为疏水缔合聚合物分子结构中带有部分长链烷烃，其在盐水中溶解度比在纯水中的溶解度小，加入一定量的盐后疏水缔合聚合物分子间的缔合作用大于分子内的缔合作用，导致聚合物分子中的长链烷烃会聚集或缠结在一起，起到增稠作用；但是加入盐的量过多，分子内的缔合效应大于分子间的缔合效应，因而黏度呈现下降趋势。

由图3可知：不同KCl质量分数配制的SRFG压裂液体系，表观黏度均大于50mPa·s。考虑将KCl加入到压裂液中，能起到良好的防膨效果，所以选择KCl质量分数为1%。

2.4 温度对表观黏度影响

保持增稠剂质量分数0.5%，交联剂质量分数0.1%和KCl质量分数1%不变，考察不同温度对SRFG压裂液表观黏度的影响，结果见图4。

图4 SRFG压裂液的表观黏度随温度的变化规律

由图4可知：当温度为140℃，表观黏度为62 mPa·s；当温度为160℃，表观黏度为45mPa·s。结果表明：SRFG压裂液体系耐温性能可以达到140℃。

2.5 溶胀时间对表观黏度影响

保持增稠剂质量分数0.5%，交联剂质量分数0.1%和KCl质量分数1%不变，考察基液溶胀时间对表观黏度的影响，结果见图5。

图5 SRFG压裂液的表观黏度随溶胀时间的变化规律

由图5可知：溶胀时间对SRFG压裂液流变性能影响不显著，因此该压裂液现场应用过程中，选择溶胀时间为0.5h。

2.6 不同聚合物压裂液流变性能比较

保持增稠剂质量分数0.5%，交联剂质量分数0.1%和KCl质量分数1%不变，选择DH-DB压裂液体系和APCF压裂液体系作为研究对象。在相同实验条件下比较上述两种压裂液体系与SRFG压裂液体系的流变性能，结果见图6。

图6 3种不同聚合物压裂液体系的流变性能比较

从图6可知：DH-DB压裂液表观黏度为35 mPa·s，APCF压裂液表观黏度为47mPa·s，SRFG压裂液表观黏度为56mPa·s。3种压裂液流变性能大小顺序为：SRFR压裂液＞APCF压裂液＞DH-DB压裂液。其中SRFR压裂液黏度大于50mPa·s，符合行业标准。DH-DB压裂液和APCF压裂液的流变性能有待进一步提高。

3 结 论

a.在温度120℃条件下，SRFG-1增稠剂最佳质量分数为0.5%，SRFC-1交联剂最佳质量分数为0.1%，KCl最佳质量分数为1%，溶胀时间为0.5h。

b.SRFG压裂液耐温性能可以达到140℃，表观黏度为62mPa·s，符合行业标准。

c.自制SRFG压裂液体系流变性能好于市售压裂液体系。

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