在线聚合物压裂液的研究与应用

崔会杰， 崔艳昭， 曹景芝， 邱守美， 张丽娜， 吴友梅

目前，国内外使用的压裂液大多为水基压裂液， 大致可分为3种类型：天然植物胶压裂液、VES清洁压裂液、合成聚合物压裂液，其中使用最多的为瓜胶及其改性压裂液[1-2]。但是水基压裂液在配液及施工工艺方面仍存在不足：①一般都是先配制好，再施工，工序比较繁琐、效率低，需要有一定的富余量，过期变质导致大量的浪费，还会造成废液处理困难，污染环境；②植物胶压裂液含有残渣，对地层与支撑裂缝有伤害；而且碱性交联环境会对碱敏性储层造成较大的伤害，导致压裂效果变差[3]；③VES表面活性剂清洁压裂液耐温性能差、成本高[4-8]。利用超支分子化学和结构流体流变学理论研制出具有“可逆结构”的压裂液体系成为了研究方向。它是通过溶液分子间的非共价键（静电作用、氢键、疏水缔合效应等）发生相互作用，从而形成一个可逆的空间网状而达到增黏的目的[9]。基于该理论，利用阴离子聚丙烯酰胺与阳离子表面活性剂分子间的静电吸引作用，在不使化学交联情况下即起到增黏的效果，再通过优选对阴离子聚丙烯酰胺分散与增溶效果好的表面活性剂，研制开发出了一种在线聚合物压裂液体系,对其性能进行了实验评价，现场应用取得了较好的效果。

1 实验材料与仪器

1.1 实验材料

阴离子改性聚丙烯酰胺，氟碳非离子表面活性剂，十二烷三甲基氯化铵，十六烷三甲基氯化铵，工业甲醇；过硫酸铵；陶粒砂、钠膨润土、煤油等。

1.2 实验仪器

IA21002型电子天平，DK-98-ⅡA型电热恒温水浴锅，76-SA型玻璃水浴，ZNN-D6型旋转黏度计，ZNS42-4型高温高压滤失仪，HAAKEMARSⅢ流变仪，毛细管黏度计，JYW-200A型自动界面张力仪，TDL-40B-C型台式离心机，JJ-1型精密增力电动搅拌机，DWG-III型高温高压压裂液伤害仪。

2 在线聚合物压裂液添加剂的优选

2.1 稠化剂

由于阴离子聚丙烯酰胺具有溶解性好、黏度高、无味、无毒等特点，可用作压裂液的稠化剂。聚合物的分子量与水解度对其性能影响较大[10]，分子量小，则水溶性好、增稠能力差；反之则水溶性差、增稠能力越强。水解度越高，阴离子聚丙烯酰胺的溶解速度越快。优选分子量为600万～1 000万、水解度为25%～40%的阴离子聚丙烯酰胺，既能达到一定的增稠作用，又具有较好的水溶胀性能。

2.2 多效添加剂

根据静电吸附理论，优选阳离子表面活性剂十六烷基三甲基氯化铵与十二烷基三甲基氯化铵作交联剂，不仅能使阴离子聚丙烯酰胺分子交联在一起，还能吸附在砂岩岩石表面，对黏土起到较好的防膨稳定效果[11]。

优选TF281氟碳非离子表面活性剂作助排剂，其不仅表面张力低， 与阳离子表面活性剂配伍性好，而且还具有较好的分散、增溶作用，具体数据见表1。

为了简化配液工序，实现在线配制压裂液，压裂施工前按如下配方配制多效添加剂。该多效添加剂具有交联、 防膨、 助排、 洗油、 润湿与增溶作用。

10%TF281氟碳非离子表面活性剂+ 40%十六烷基三甲基氯化铵（含量不小于40%）+ 40%十二烷基三甲基氯化铵（含量不小于40%）+ 10%工业甲醇

3 在线聚合物压裂液评价实验

3.1 溶胀性能

在500 mL烧杯中加入400 mL清水， 置于电动搅拌机中， 以转速600 r/min搅拌，依次加入2.0 mL多效添加剂与定量的聚合物乳液，用旋转黏度计测定胶液在不同时间点的黏度，结果见表2。从表2可以看出，在线压裂液体系为中性，且具有溶胀时间短、溶胀快的特点，搅拌30 s后黏度不小于60 mPa·s，可实现在线压裂的工艺。

表2 胶液在室温与水温15 ℃时的溶胀性能

3.2 携砂实验

在15 ℃配制好不同稠化剂浓度的压裂液，同时迅速均匀地加入砂比为35%的0.35～0.66 mm陶粒，搅拌均匀后静置计时，在0.5 h、1.0 h、2.0 h后观察悬砂情况，见图1。

图1 不同稠化剂浓度的在线清洁压裂液的携砂性能

通过携砂实验可知，稠化剂的浓度越高，悬砂性能越好；当稠化剂的浓度不小于1.2%时，具有较好的携砂性能，实验数据见表3。

表3 在线清洁压裂液的室温携砂实验

3.3 破胶实验

按SY/T 5107—2005《水基压裂液性能评价方法》，在温度不高于90 ℃时，将配制好的在线压裂液倒入150 mL锥形瓶中，密封后置于电热恒温水浴锅中进行破胶；温度大于90 ℃时，将配制好的在线压裂液倒入高温高压滤失仪的不锈钢桶中，密封后置于高温高压滤失仪的加热套中进行破胶。用毛细管黏度计测定放置不同时间点的胶液黏度（见表4），优选出了压裂液在不同温度不同时间内破胶所需破胶剂的用量，见表5。

通过上述破胶实验数据可知：在60～120 ℃条件下，在线聚合物压裂液破胶时间可控。为了提高压裂液的造缝与携砂能力，确保压裂施工的成功率与压后效果，根据地层温度优选出的破胶剂量，施工时由小→大按楔形追加破胶剂。

表4 80 ℃压裂液破胶实验数据

表5 压裂液在不同温度不同时间内破胶所需破胶剂的用量

按配方（1.4%稠化剂+0.5%多效添加剂+0.05%过硫酸铵）配制好压裂液，在80 ℃破胶2 h，取出冷却至室温，用JYW-200A型自动界面张力仪测定破胶液的表面张力与界面张力，测量数据见表6。

表6 破胶液的表（界）面张力、防膨率与残渣实验数据

3.4 流变性实验

为检测在线聚合物压裂液耐温耐剪切流变性，用HAAKE-MARSⅢ流变仪在温度60～120 ℃、剪切速率为170 s-1下进行流变实验。剪切90 min后黏度不小于60 mPa·s，能完全满足压裂施工的要求，流变性曲线见图2。

图2 不同温度不同配方在线压裂液的流变曲线

3.5 对岩心伤害率的测定

按SY/T 5107—2005《水基压裂液性能评价方法》，用DWG-III型高温高压压裂液伤害仪，测定压裂液对岩心基质渗透率损害率，结果见表7。

表7 不同压裂液对L44井岩心的伤害实验数据

由表7可以看出，压裂液对岩心的伤害率与岩心的渗透率有关，渗透率越低，伤害率越大，在线聚合物压裂液对岩心的伤害率远远小于羟丙基瓜胶压裂液对岩心的伤害率。

3.6 压裂液配方的确定

通过室内实验研究可以确定出60～120 ℃下，在线聚合物压裂液系列配方，见表8。由表8可以看出，在线聚合物压裂液的配方与地层温度有关，地层温度越高，稠化剂的用量越高，过硫酸铵的用量越低。

表8 不同温度下在线清洁压裂液配方表

4 现场应用

在华北油田使用在线聚合物压裂液现场施工4口井，压裂施工时将阴离子聚丙烯酰胺乳液、多效添加剂与过硫酸铵通过计量泵直接打入混砂车内，与混砂车中的水、支撑剂混合就能完成压裂施工，最高砂比可达50%，成功率100%，取得了较好的压裂效果，压后初期4口井平均单井日增原油10.19 t/d，截至2017年5月31日，累计增产原油1 556 t，施工情况见表9。

表9 在线压裂液压裂施工情况表

5 结论

1.在线聚合物压裂液携砂与流变性能好，在60～120 ℃、剪切速率170 s-1条件下连续剪切90 min黏度不小于60 mPa·s，能完全满足中高温（60～130 ℃）储层压裂施工的要求。

2.在线聚合物压裂液体系的pH值呈中性，无残渣，对地层伤害小。

3.在线聚合物压裂液随配随用，使用多少配制多少，不留残液，返排液可用来重新配液，不污染环境。

4.经过现场应用，真正的实现了操作简便、节约环保、保护油藏，增产增效的目的。

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