快速水合瓜胶压裂液的研究与应用

2020-05-07王牧群邬国栋姚旭洋周兴旺麦尔耶姆古丽安外尔

钻井液与完井液 2020年6期

王牧群，邬国栋，姚旭洋，周兴旺，麦尔耶姆古丽·安外尔

（1.中国石油新疆油田分公司工程技术研究院，新疆克拉玛依 834000；2.中国石油化学昆山有限公司，江苏昆山 215300）

0 引言

新疆油田的玛湖和吉木萨尔地区分别发现10亿吨以上规模储量，由于储层致密，需采用大排量、大液量和大砂量的水平井体积压裂开发模式。为满足现场连续混配作业要求，压裂液基液黏度在3～5 min 内需达到最终黏度的85%以上。目前国内外主要以改性速溶瓜胶和常规瓜胶复配速溶剂的方式实现瓜胶压裂液的快速分散水合。改性速溶瓜胶主要对瓜胶进行化学改性，通过醚化、磺化、酯化等手段制备各种离子型或非离子型瓜胶，实现瓜胶快速分散水合[1-2]。但合成工艺较复杂，成本较高[3-4]。目前新疆油田连续混配作业主要采用常规羟丙基瓜胶复配速溶剂的方式，通过改变羟丙基瓜胶分子表面结构，实现瓜胶的快速分散水合。但面临原材料供货紧张、现场工艺复杂、成本高等问题。

快速水合瓜胶是通过对瓜胶原粉进行细度分级和表面处理后直接实现瓜胶的快速分散水合，可有效降低由于引入助剂而可能产生的储层伤害，减少改性合成过程，简化施工工艺，降低成本，丰富水平井体积压裂的液体稠化剂种类，为压裂液现有原料供给不足的问题提出一种新的解决路径。

1 室内实验

1.1 实验药品

快速水合瓜胶（FHG）、羟丙基瓜胶（HPG）；交联剂DY-1；杀菌剂KNF；氢氧化钠、氯化钾、溴化钾、过硫酸钠，市售分析纯。

1.2 实验设备

Haake RS150 流变仪；GJ-3S 型高速搅拌器；安东帕RheolabQC 旋转黏度计；Agilent DD2 600 MHz核磁共振波谱仪；Tensor-27 傅立叶红外光谱仪。

1.3 压裂液基液的制备

按SY/T 5107—2016《水基压裂液性能评价方法》，在GJ-3S 搅拌器中加入1000 mL 自来水，在1500～2000 r/min 下缓慢加入2.5～5.0 g FHG（或HPG），调节转速至（3000±200）r/min，搅拌3 min，加入其他助剂后继续搅拌，搅拌均匀后倒入1000 mL 锥形瓶中，加盖待用。

分别在250 mL 烧杯中加入100 mL 的FHG和HPG 压裂液基液，用NaOH 溶液调节pH 值为8～12，用移液管加入配制好的交联剂，用玻璃棒不断搅拌至形成可挑挂冻胶。

2 实验结果及讨论

2.1 稠化剂评价

2.1.1 结构评价

1）核磁氢谱。将FHG 和HPG 的水溶液稀释处理，使其黏度小于10 mPa·s，按1∶10 溶解于D2O，常温下进行测试。结果见图1 和图2。FHG和HPG 的核磁氢谱曲线基本吻合，HPG 较FHG在δ=1.16 处多一个单峰，为HPG 经化学改性后，其羟丙基上甲基的化学位移，说明FHG 是未经化学改性的瓜胶类稠化剂。

图1 FHG 核磁氢谱

图2 HPG 核磁氢谱

2）红外光谱。将FHG 和HPG 固体粉末使用溴化钾压片法制样，用红外光谱仪对样品片进行扫描，扫描范围为4000～400 cm-1，结果见图3 和图4。

图3 FHG 红外光谱

图4 HPG 红外光谱

FHG 和HPG 的红外光谱曲线基本吻合，HPG较FHG 多一个羧酸盐不对称伸缩振动特征峰（1579 cm-1），说明FHG 是未经化学改性的瓜胶类稠化剂。

2.1.2 溶胀性评价

在GJ-3S 型高速搅拌器中加入1000 mL 蒸馏水，在1500～2000 r/min 转速下分别加入一定量的FHG 或HPG，每1 min 测一次溶液黏度，直至黏度达到恒定，实验结果见图5。在稠化剂浓度为0.25%和0.35%时，FHG 压裂液基液的最终黏度值都高于HPG，FHG 的黏度在4 min 已达到稳定，而HPG 的黏度在8 min 基本达到稳定。当稠化剂浓度为0.40%时，FHG 压裂液基液黏度高达62 mPa·s，支撑剂分散均匀较困难，需开展配套交联剂研究，提高交联剂性能，保证压裂液稠化剂的用量不高于0.35%，有效控制压裂液基液黏度。

图5 FHG 和HPG 在不同时刻的黏度

HPG 是瓜胶原粉在碱性条件下经环氧丙烷醚化得到，由于链段还原末端β-位的切断反应，使分子链缩短，所以其黏度低于未改性瓜胶[5]。瓜胶在水中的溶胀是先分散后水合，分散是瓜胶颗粒在水中分离；水合是聚半乳甘露糖分子吸收水，使瓜胶分子体积膨胀后均匀分散在水中。FHG 是利用结合水在磨碎的瓜胶粉表面产生黏结力聚集而成。FHG 较HPG 粒径大，在水中不易聚集，其疏松的表面形成了较大的比表面，较高的含水度使瓜胶颗粒已产生部分溶胀，所以其增黏速率远大于HPG。

2.1.3 基液稳定性评价

配制质量分数为0.35%的FHG 和HPG 压裂液基液，测定基液放置不同时间的黏度，用基液的初始黏度减去不同时间的基液黏度再除以初始黏度得到基液在该时间的降黏率，实验结果见图6。FHG和HPG 的基液黏度均随着陈放时间的增大逐渐减小，在64 h 后，FHG 压裂液基液黏度从49 mPa·s降低至5 mPa·s，降黏率大于90%，HPG 压裂液基液黏度从34 mPa·s 降低至29 mPa·s，降黏率仅为14%。

图6 FHG 和HPG 压裂液基液在不同陈放时间的降黏率

瓜胶的主要成分为半乳甘露聚糖，在细菌酶的作用下会发生水解，使甙键断裂，分子链降解[6]。HPG 由于化学改性，羟丙基置换了原瓜胶分子侧链半乳糖3，5 位置的羟基[7]，使HPG 较FHG 具有更好的耐生物降解性，表现出更高的降黏率。这也说明FHG 压裂液进入储层后可能有更好的生物降解性，降低储层伤害。

针对FHG 压裂液降黏率较高的问题，通过采用具有配伍性好、杀菌效率高、用量低等特点的杀菌剂KNF，改善FHG 压裂液性能。在0.35%的FHG 基液中加入不同质量分数的杀菌剂，在光照条件下，每隔一定时间测定基液黏度，并计算降黏率，实验结果见图7。

图7 杀菌剂KNF 对FHG 压裂液基液降黏率的影响

加入杀菌剂后，FHG 基液的降黏率明显降低，其降黏率随着杀菌剂用量的增大而降低。加入0.05%KNF 后，可使0.35%FHG 溶液放置72 h的黏度从5 mPa·s 增大至30 mPa·s，降黏率仅为15%。说明杀菌剂KNF 杂环上的氮、氧等活性原子，能与FHG 压裂液中细菌体内蛋白质的脱氧核苷酸的碱基形成氢键，吸附在细菌细胞壁上，降低细菌的生长繁殖，改善FHG 压裂液的性能[8]。

2.2 压裂液性能评价

2.2.1 延缓交联性能

配制浓度为0.35%的FHG 和HPG 压裂液冻胶，在相同稠化剂和交联剂浓度下，FHG 压裂液的交联时间更短，结果见表1。FHG 未经化学改性，分子链更长，交联剂作用后更容易形成网络结构，故冻胶交联时间更短。DY-1 是一种有机硼交联剂[9]，延缓交联能力是结构特征所决定的。通过改进DY-1 交联剂配方，优化硼酸盐和多羟基化合物配位体的含量，调整对硼酸根屏蔽程度，再通过提高pH 值，增加游离的羟基数量，使这些羟基与瓜胶糖链上的羟基形成竞争，从而延缓FHG 压裂液交联时间，实现降低施工摩阻的目的。

表1 FHG 压裂液延缓交联性能

2.2.2 耐温耐剪切性能

为保证支撑剂分散均匀，保持稠化剂浓度最高为0.35%。改进DY-1 交联剂配方中硼酸盐和多羟基化合物的含量，同时增大压裂液中交联剂的用量。用HaakeRS150 流变仪测量压裂液在120 ℃、170 s-1条件下的流变性能，结果见图8。HPG 压裂液和FHG 压裂液的表观黏度随着温度和剪切时间的升高逐渐减小，达到120 ℃后，表观黏度基本保持稳定，最终剪切黏度均可达到200 mPa·s 以上，均表现出优异的耐高温性。

图8 FHG 和HPG 压裂液的耐温耐剪切性能

FHG 压裂液的耐温耐剪切性能低于HPG 压裂液，这是由于瓜胶压裂液冻胶的耐温性取决于交联剂的类型和瓜胶分子中的羟基。DY-1 为有机硼交联剂，硼酸盐离子与瓜胶侧基半乳糖3，4 位上的顺式邻位羟基反应活性最高，产生主要交联反应。HPG 是羟丙基置换了瓜胶侧链半乳糖3，5 位置的羟基，增加了羟基的反应活性，减小了配位时的位阻效应，表现出更好的耐温耐剪切性能。

2.2.3 残渣含量

配制不同浓度FHG 和HPG 压裂液冻胶，加入0.03%过硫酸钠后在80 ℃下，破胶3 h，冷却后测量破胶液的残渣含量，残渣形态见图9，残渣含量结果见图10。

图9 FHG 和HPG 压裂液的残渣形态

图10 FHG 和HPG 压裂液的残渣含量

从图9 可以看出，FHG 压裂液的残渣形态疏松、体积大，而HPG 压裂液的残渣形态致密、体积小。由图10 可知，在未进行化学改性的情况下，相比HPG，FHG 破胶液的残渣含量略微增加。HPG 是瓜胶用环氧丙烷改性后的产物，由于在加工及洗涤过程中除去了其细胞壁中含有的植物纤维素和蛋白质等水不溶物，故HPG 压裂液的残渣含量更低。通过改进交联剂配方，降低FHG 稠化剂浓度在0.35%以内，残渣含量小于400 mg/L，有效降低储层伤害。