可逆交联聚合物压裂液流变及悬砂性能研究

杜涛，姚奕明，蒋廷学，张旭东，马鹏，聂育志

(中国石化石油工程技术研究院，北京 100101)

可逆交联聚合物压裂液具有耐温、耐盐和耐剪切性能好、滤失量少、破胶后几乎无残渣、压裂液滤液对岩心基质伤害小等优点，国内外学者一直十分关注该领域的研究［1-5］。压裂液流变及悬砂性能是决定压裂施工是否成功的关键因素［6］，压裂液携带支撑剂在地层裂缝作水平移动时颗粒会发生沉降［7］，沉降速度衡量压裂液的悬砂性能。国外报道认为，压裂液静态悬砂实验中支撑剂的自然沉降速率小于8 ×10－3mm/s 时，悬砂性能较好［8］。行业标准［9-10］介绍了压裂液各项性能评价方法及指标要求，但是唯独没有涉及压裂液悬砂性能测定方法及指标要求。文献［6］介绍了瓜胶和清洁压裂液悬砂性能，但是详细介绍可逆交联聚合物压裂液悬砂性能的文献未见报道。本研究以SRFP-1 增稠剂、SRFC-1 交联剂和KCl 工业品为原料制备可逆交联聚合物压裂液SRFP;评价了该压裂液体系在100 ～160 ℃流变性能;以20/40 目陶粒为研究对象开展压裂液静态悬砂实验;采用单颗粒法和砂比法，考察了不同配方SRFP 压裂液悬砂性能;比较了SRFP 压裂液与3 种不同厂家生产的聚合物压裂液的悬砂性能。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

SRFP-1 增稠剂、SRFC-1 交联剂均为工业品;氯化钾、过硫酸铵均为分析纯;20/40 目陶粒支撑剂。

HAAKE MARS III 型流变仪;IKA RW20 digital数显型顶置式机械搅拌器;ZNN-D12 型数显旋转粘度计;秒表。

1.2 SRFP 压裂液基液及冻胶制备

向一定量的水中加入1% 的KCl，充分搅拌2 min，再加入0.4% ～0.6% SRFP-1 增稠剂，充分搅拌5 ～10 min，制备SRFP 压裂液基液。向上述基液中加入0. 16% ～0. 3% SRFC-1 交联剂，搅拌1 min，形成耐100 ～160 ℃的SRFP 压裂液。利用ZNN-D12 型数显旋转粘度计测定不同浓度条件下的SRFP 压裂液基液及冻胶粘度，结果见表1。

表1 SRFP 压裂液基液及冻胶粘度Table 1 The viscosity of base fluid and cross-linked fluid for SRFP

1.3 SRFP 压裂液流变实验

采用HAAKE MARS III 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:①25 ℃稳定5 min;②以3 ℃/min 的升温速率从25 ℃开始升温至实验温度;③稳定实验温度直至实验结束。按照石油天然气行业标准SY/T 5107—2005《水基压裂液性能评价方法》进行SRFP 压裂液流变性能评价［9］。

1.4 单颗粒法评价SRFP 压裂液悬砂实验

向250 mL 量筒中装入100 mL SRFP 压裂液，用直尺测量液面高度h，将随机筛选的20 粒陶粒置于压裂液中，用秒表记录最先到达量筒底部陶粒的沉降时间t，计算单颗粒陶粒沉降速度。

1.5 砂比法评价SRFP 压裂液悬砂实验

向250 mL 量筒中装入100 mL SRFP 压裂液，将一定砂比的陶粒置于压裂液中，用直尺测量液面高度h，用秒表记录陶粒完全沉降的时间t，计算一定砂比陶粒沉降速度。

2 结果与讨论

2.1 压裂液流变实验

按照1.2 节实验步骤配制不同温度配方的SRFP 压裂液体系，按照1. 3 节实验步骤开展100 ～160 ℃流变实验，结果见图1 ～图4。由图1 ～图4可知，通过改变SRFP-1 增稠剂浓度和SRFC-1 交联剂浓度，可以满足100 ～160 ℃压裂施工需求。当温度为100 ～160 ℃，170 s－1，剪切2 h 后的粘度平均值分别为71.4，57.4，51.3，53.8 mPa·s，符合文献［9］行业标准要求。结果表明，SRFP 压裂液体系具备较好的流变性能。

图1 SRFP 压裂液表观粘度随剪切时间的变化规律(100 ℃)Fig.1 The effect of shear time on apparent viscosity for SRFP fracturing fluid at 100 ℃

图2 SRFP 压裂液表观粘度随剪切时间的变化规律(120 ℃)Fig.2 The effect of shear time on apparent viscosity for SRFP fracturing fluid at 120 ℃

图3 SRFP 压裂液表观粘度随剪切时间的 变化规律(140 ℃) Fig.3 The effect of shear time on apparent viscosity for SRFP fracturing fluid at 140 ℃

图4 SRFP 压裂液表观粘度随剪切时间的变化规律(160 ℃)Fig.4 The effect of shear time on apparent viscosity for SRFP fracturing fluid at 160 ℃

2.2 单颗粒和砂比法评价不同温度配方压裂液悬砂性能

按照1.2 节实验步骤配制不同温度配方的SRFP 压裂液体系。本研究采用单颗粒法和砂比法评价100 ～160 ℃SRFP 压裂液体系悬砂性能，结果见表2。

表2 单颗粒法和砂比法评价不同温度配方压裂液悬砂性能Table 2 The proppant-carrying capacity of different formula for fracturing fluids by single-particle method and sand-ratio method

由表2 可知，两种方法测定SRFP 压裂液沉降速度均小于8 ×10－3mm/s，符合文献［8］技术指标要求。总体而言，同一温度配方，砂比越高，越容易沉降;同一砂比，耐温越高的配方，悬砂性能越好，这是因为不同温度配方的SRFP 压裂液体系，冻胶表观粘度存在一定的差异，冻胶表观粘度越高，压裂液悬砂性能越好。

2.3 不同厂家生产聚合物压裂液悬砂实验

保持增稠剂浓度0.5%，交联剂浓度0.2%和KCl 含量1%不变，选择市售A、B 和C 压裂液作为研究对象。在相同实验条件下比较上述3 种压裂液体系与SRFP 压裂液体系的悬砂性能，结果见表3。

表3 4 种不同聚合物压裂液悬砂性能比较Table 3 The comparison of proppant-carrying capacity for four different kinds of fracturing fluids

由表3 可知，采用单颗粒方法，4 种压裂液单颗粒沉降速率均小于8 ×10－3mm/s，符合文献［8］技术指标要求;采用砂比法，40%砂比沉降速度大小顺序为:B 压裂液＞A 压裂液＞C 压裂液＞SRFP 压裂液，即4 种压裂液悬砂性能大小顺序为:SRFP 压裂液＞C 压裂液＞A 压裂液＞B 压裂液。以沉降速率小于8 ×10－3mm/s 作为评价依据，SRFP 压裂液满足技术指标要求，C 压裂液与技术指标基本相当，A和B 压裂液不符合技术指标要求。结果表明，SRFP压裂液的悬砂性能好于其它3 种聚合物压裂液。

3 结论

(1)当温度为100 ～160 ℃，170 s－1，剪切2 h 后的粘度平均值分别为71.4，57.4，51.3，53.8 mPa·s，SRFP 压裂液体系具备较好的流变性能。

(2)采用单颗粒法和砂比法，SRFP 压裂液沉降速度均小于8 ×10－3mm/s;4 种聚合物压裂液相比较，SRFP 压裂液悬砂性能最好，C 压裂液次之，A 和B 压裂液较差。

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［7］ 刘通义，刘磊，孙贺东.压裂液在地层裂缝中悬砂特性的模拟试验研究［J］.钻采工艺，2012，29(2):99-101.

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［9］ 国家发展和改革委员会. SY/T 5107—2005 水基压裂液性能评价方法［S］.北京:石油工业出版社，2005.

［10］国家发展和改革委员会. SY/T 6376—2008 压裂液通用技术条件［S］.北京:石油工业出版社，2008.