瓜胶类压裂液耐温耐剪切性能影响因素研究

2018-04-10赵俊桥李继勇张云芝

石油工业技术监督 2018年2期

赵俊桥，李继勇，张云芝，董浩

压裂作为油气藏增产增注的主要措施已得到迅速发展和广泛应用，而压裂液是压裂技术的重要组成部分，是决定压裂成败的关键。瓜胶类压裂液一直以来是油田应用最广泛的压裂液，其主要指标——耐温耐剪切性能，反映了压裂液的热稳定性和耐剪切性能，其质量的优劣直接影响到携砂效果。压裂液只有在不因升高温度或者剪切速度增加引起黏度大幅降低的情况下，才能保证为整个施工过程提供足够的黏度，确保施工顺利完成。因此对压裂液耐温耐剪切这一项性能指标进行准确测量尤其重要，主要针对瓜胶类压裂液在配制过程中影响其耐温耐剪切性能的各种因素进行了分析研究。

1　实验部分

1.1　主要试剂及仪器

主要试剂：不同种类的瓜胶粉、碳酸钠、碳酸氢钠、5%氢氧化钠、黏土稳定剂等。

主要仪器：哈克流变仪MSⅢ、吴茵混调器、水浴锅等。

1.2　实验方法与步骤

测试方法按照标准[1-3]进行实验，具体方法是：先配制基液，将瓜胶粉在吴茵混调器内混合均匀，并依次加入各种添加剂。添加完成后，放入恒温30℃水浴锅中静置4 h，使其充分溶解后，按照要求比例加入交联剂交联形成冻胶，放入哈克流变仪内测试耐温耐剪切性能。控制升温速度3℃/min，从30℃开始试验，同时转子以剪切速率170/s转动。温度达到要求的测试温度后，保持剪切速率和温度不变，直到达到要求的剪切时间为止，读取最终的测试黏度值。

2　影响因素分析

2.1　溶解时间的影响

瓜胶类压裂液在配制中，首先要将原粉在水中进行溶解，而溶解是否充分，直接影响到压裂液的性能。首先测试了基液黏度随溶解时间的变化情况，基液黏度越大说明原粉溶解越好，其耐温耐剪切性能就会越好。完全溶解后，基液黏度就不再变化，其耐温耐剪切性能也就达到最好效果。随着生产技术的提高，瓜胶粉溶解性能越来越好，溶解时间也越来越短。实验考察了3种不同瓜胶粉完全溶解所需时间，见表1。

表1　基液黏度随溶解时间变化情况　/(mPa·s)

从表1中数据可以看出，不同种类基液4h都能完全溶解完，最快的样品30 min即可溶胀完毕，3种样品都能在2h内溶胀完全。所以实验过程中可根据样品的实际性能确定样品的溶胀时间，进而可减少检测时间,提高检测效率。

2.2　瓜胶粉浓度的影响

瓜胶粉的用量，直接影响到压裂液的性能。随着瓜胶产品性能的改进，质量越来越好，低浓度的瓜胶粉也能得到比较好的应用效果。图1是同一种瓜胶粉不同浓度下成胶后的耐温耐剪切性能，不同浓度的瓜胶压裂液性能数值详见表2。

图1　不同浓度的压裂液耐温耐剪切性能

从图1和表2数据可以看出，随着瓜胶粉浓度的增大，其基液黏度增加，耐温温度升高，耐温耐剪切后的黏度也随着升高。这样就可以根据现场施工情况选择所加瓜胶粉浓度，瓜胶浓度为0.4%就能满足120℃井的要求。尤其是低温井，可大大降低瓜胶粉的加入量，从而降低压裂用料的成本。

2.3　pH值的影响

对压裂液基液进行pH值调节，能影响压裂液成胶速度和成胶状态[3]，从而影响压裂液的耐温耐剪切性能。增加pH值在一定程度上能延缓交联速度，增加其耐温耐剪切性能。但是pH值过高，影响样品成胶状态，使其长时间不能交联或者是样品脆性大，导致测试过程中数值不稳定，测试结果不稳定。

表2　不同浓度的瓜胶压裂液性能数值

表3　pH值对压裂液性能的影响

从表3测试结果可以看出，随着pH值的升高，交联速度降低。当pH值为13时，30min都不交联，这样会影响现场施工。通常现场施工要求在4～6 min交联合适，并综合考虑不同pH值下样品的各项性能。通过大量实验，最终确定了瓜胶类压裂液基液成胶最佳的pH值为10～11。通过实验确定了100 mL基液需要加入不同碱度调节剂的用量，见表4。

表4　不同碱度调节剂用量

通过实验还发现，碱的加入时间非常关键。碱的加入必须在基液溶胀完全后，如果样品还没有完全溶解就加入碱，在碱性环境下，瓜胶溶液不溶解，进而影响实验效果。所以需要先溶解瓜胶，再加入碱调节pH值。

2.4　温度稳定剂的影响

在样品中加入温度稳定剂，能提高压裂液的耐温性能。但是在测试过程中发现，大部分样品加入温度稳定剂后，在升温过程中会出现明显的二次交联现象，即黏度突然升高。这种现象要持续几分钟，然后黏度再降低。这一过程减缓了黏度降低的速度，使得最后结果能够满足标准的要求黏度大于50 mPa·s。但是中间的黏度如果突增很大会对施工过程中产生一定的影响。

图2　两种不同样品加入温度稳定剂后的耐温耐剪切性能

从图2测试结果可以看出，加入温度稳定剂后，都有二次交联的过程，只是不同样品的反应结果不同。从图2（b）可以看出，第二种样品加入温度稳定剂后，黏度升高过高，达到3 000 mPa·s以上，并且不稳定。因此可以看出当达到一定实验温度之后，温度稳定剂效果最明显，使瓜胶和交联剂突然进行完全交联，黏度迅速增大。这样样品测试的最终结果大于50 mPa·s，按照标准判断应该是合格产品。但是成胶过程中黏度突变很大，必然会影响现场施工过程，因此需要考虑温度稳定剂种类，或者调节温度稳定剂的浓度和加入量。

2.5　水质的影响

图3　两种不同矿化度水质配制的压裂液测试结果

在测试过程中，水质不同会对瓜胶的溶解有影响[4-5]，进而影响其耐温耐剪切性能。通过考察矿化度对压裂液的影响，当矿化度低于6 000 mg/L时，水质影响不明显，但是随着矿化度的进一步增大，当矿化度大于10 000 mg/L时，黏度会降低很快。

图3是针对两种不同矿化度的水质进行的分析实验:(a)是胜利盐水Ⅰ型，总矿化度5 727 mg/L，钙、镁离子总量108 mg/L；(b)是胜利盐水Ⅱ型，总矿化度19 334 mg/L，钙、镁离子总量514 mg/L。

由图3测试结果可看出，高矿化度的水质配置的冻胶初始黏度很低，低于200 mPa·s。在140℃条件下测试耐温耐剪切性能30 min后，样品黏度低于50 mPa·s，不能满足实验要求；而低矿化度水配置的冻胶，初始成胶黏度高达1 000 mPa·s，140℃条件下测试120 min后，黏度还保留在100 mPa·s以上。由此可见，随着矿化度的升高，样品的成胶黏度和耐温耐剪切性能均受到影响。所以在现场实际应用过程中，设计人员可以根据水质，调配不同浓度的压裂液，现场用料的测试需要配制相应的地层水进行测试。

2.6　添加剂的影响

现场应用的样品都是复合型样品，添加了各种添加剂。而加入添加剂后，如果配伍性不好，将会影响压裂液的性能。复配样品中主要含有助排剂、黏土稳定剂、杀菌剂、消泡剂等。其中在测试过程中，发现加入两种不同类型的黏土稳定剂，测试结果完全不同，详见图4。

其他加料都相同的情况下，改用两种不同的黏土稳定剂，测试其基液黏度和成胶性能相差不大，但是耐温耐剪切性能不同。加入能配伍的黏土稳定剂，测试120℃耐温耐剪切性能，样品在40 min后黏度就降为50 mPa·s以下；而加入不配伍的黏土稳定剂后，测试120℃耐温耐剪切性能，120 min后样品黏度保留在100 mPa·s以上。目前对压裂液的监督检验主要针对压裂液体系中的各种单剂进行检测，为了更加有效地反映现场应用情况，需要检测加入添加剂复配后样品的耐温耐剪切性能。