220℃超高温聚合物压裂液性能研究

刘 萍 ，管保山 ，徐敏杰 ，许 可 ，王海燕 ，翟 文 ，杨文轩 ，杨艳丽

（1.中国石油勘探开发研究院压裂酸化技术服务中心，河北廊坊 065007；2.油气藏重点实验室，河北廊坊 065007；3.中国科学院大学，北京 100049）

随着油气勘探开发不断深入，低渗、超低渗储层、致密油气储层比重加大，深层超高温储层由于埋藏深，储层渗透率低，射孔后自然产能低甚至无产量。压裂作为这类储层最为有效的增产措施，受到国内外专业人士的广泛关注。对于高温储层的改造，需要攻关耐温180℃以上的压裂液是关键技术之一，植物胶体系大多所使用的是有机硼交联剂'它们是在碱性的环境下交联'耐温能力不能满足高温环境的要求。因此，聚合物类耐高温的压裂液体系被广泛研究[1-3]，耐温可达200℃以上，由于温度高使用稠化剂浓度大，破胶成为研究重点，大多数使用氧化剂作为破胶剂，如过硫酸铵、过硫酸钾等，通过自由基反应使分子降解，黏度降低实现破胶[4，5]，同时高温条件下需要液体保持良好的携砂性，破胶剂不能让冻胶降解太快，有时需要延迟功能的破胶剂[6]，如胶囊类的破胶剂，缓慢释放，最终实现彻底破胶，减少储层伤害。本文针对研发的聚合物高温压裂液进行流变性能、破胶性能、滤失性能及残渣含量的研究。

1 实验仪器设备和材料

电子天平：精度 0.001 g；搅拌器：吴茵（waring）混调器；恒温水浴锅：精度±1℃；黏度计：六速旋转黏度计、RS6000流变仪；高温高压滤失仪；聚合物稠化剂：合成；交联剂：室内合成；破胶剂1#：工业品；过硫酸铵：工业品。

2 实验方法

实验用的压裂液是使用自来水在Waring混调器中配制而成，压裂液基液性能、破胶、滤失及残渣含量等参照中石油行业标准SY/T 5107-2016《压裂液性能评价方法》规定的方法测定。

3 实验结果与讨论

3.1 压裂液基本性能

稠化剂：由丙烯酰胺（AA）、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸（AMPS）、甲基丙烯酸（MAA）和乙烯基膦酸（VPA）等单体通过特殊聚合工艺制作而成，作为压裂液的稠化剂具有良好的增稠和减阻作用、热稳定性较好、无残渣等优点。合成聚合物稠化剂为白色固体小颗粒，易溶于水，在水中为无色透明液体，离心分离检测没有固态物质，不含水不溶物，水溶液呈中性。交联剂为含有锆、铝金属元素的复合交联剂，能与合成的稠化剂形成冻胶。针对高温220℃储层，对研究的稠化剂和交联剂不断优化，确定配方为稠化剂用量0.5%、稳定剂0.5%、交联剂用量0.5%，通过调整配方组成，可以得到适用于不同温度需求的压裂液体系。

压裂液配方：0.5%稠化剂+0.5%稳定剂+其他添加剂+0.5%交联剂；基液表观黏度：46.5 mPa·s；基液pH：6.5；交联时间：15″增稠，1′继续增稠，胶稀可挑，具有延迟交联作用，冻胶在初期交联时较稀，利于泵送，随着温度升高，升温至50℃以上冻胶强度增加可挑挂（变化过程见图1）。

图1 冻胶随温度变化过程

3.2 流变性能

压裂液在220℃，100 s-1剪切速率下，剪切2 h的结果（见图2），从图2中数据可知：开始冻胶黏度不高50 mPa·s左右，随着温度升高，黏度快速增加，最高大于700 mPa·s，随着剪切和时间的推移，黏度波动变化慢慢降低，剪切40 min后黏度降至140 mPa·s左右，然后缓慢的降低，剪切120 min黏度保持在100 mPa·s以上，能够满足携砂要求。与其他聚合物类压裂液初始黏度高相比，该体系的初始黏度低，减小井筒里的泵送摩阻。

3.3 破胶性能

利用两种方式考察破胶剂对压裂液黏度的影响，（1）按照标准方法进行静态条件下的破胶，选择了破胶剂1#和通常使用的过硫酸铵作为破胶剂，加入不同的破胶剂量，测定不同时间的黏度，结果（见表1和表2），由数据可知：两种破胶剂在180℃和220℃下都能够实现彻底破胶，在180℃下，破胶剂1#加量在大于0.1%时，8 h能够破胶，0.20%时，6 h能够破胶，表明随着时间加长，破胶剂持续破胶；在220℃下，加量在大于0.1%时，4 h～6 h能够破胶，因此破胶剂相同加量下，温度高的破胶时间缩短。

图2 体系的流变性能

表1 使用破胶剂1#的破胶结果

表2 使用过硫酸铵的破胶结果

过硫酸铵作为破胶剂，在180℃下，只有加到足够量0.2%才能破胶，并且是快速的，1 h可彻底破胶；在220℃下，0.15%加量，2 h可以彻底破胶。相对于破胶剂1#利用过硫酸铵作为破胶剂破胶速度快，可用于施工的后期加入，影响携砂性能小，破胶彻底，减少伤害。

（2）在做流变时加入不同量的破胶剂过硫酸铵[7]，加量为0、0.01%、0.03%和0.05%，考察不同破胶剂下黏度的变化，结果（见图3），不加破胶剂120 min的黏度157 mPa·s，加0.01%破胶剂120 min 的黏度135 mPa·s，加0.03%破胶剂120 min的黏度120 mPa·s，加0.05%破胶剂50 min的黏度100 mPa·s，92 min时黏度低于50 mPa·s，110 min 时黏度低，在 30 mPa·s左右。随着破胶剂量的增加，能够明显降低冻胶的黏度，起到破胶作用。

图3 不同破胶剂加量的流变性能

表3 压裂液的静态滤失性能实验结果

3.4 压裂液的静态滤失性能

压裂液在180℃的滤失性能（见表3），由于使用的滤纸耐温最高180℃，所以对体系的滤失性能只能做到这个温度，滤失数据表明，由于温度高，初期未能形成滤饼，初滤失较大，体系的滤失系数和滤失速率与常规胍胶体系相当。

3.5 残渣

压裂液破胶剂可以使用过硫酸铵，其加量随温度降低而增加，可以看出，合成聚合物体系破胶彻底，破胶液黏度低，破胶后产生的残渣也比较少，含量为14 mg/L～32 mg/L，而同浓度的羟丙基胍胶压裂液的残渣含量大于300 mg/L。

4 结论与认识

（1）实验表明，研发的聚合物压裂液体系，基液黏度适中，具有延迟交联的性能，利于减少泵送摩阻。

（2）体系在220℃下具有良好的流变性能，剪切120 min黏度保持在100 mPa·s以上，能够满足携砂要求。

（3）聚合物体系能够利用氧化类破胶剂在高温下破胶，通过优化破胶剂的加量，实现彻底破胶，减少了对储层的伤害。