复合线性胶压裂液性能评价与现场应用*

万青山，聂小斌，陈丽艳，李婷婷，扎克坚

（1.中国石油新疆油田分公司实验检测研究院，新疆克拉玛依 834000；2.新疆砾岩油藏实验室，新疆克拉玛依 834000）

线性胶压裂液属于水基压裂液中的一种。在页岩气体积压裂施工作业中，对预测的天然裂缝发育井段，可在前置液阶段即注滑溜水作业前采用适量的胶液造缝［1-2］。胶液的类型通常选用水溶性线性高分子聚合物增稠剂添加交联剂等辅剂组成线性胶压裂液。线性胶压裂液具有低伤害、低摩阻、易返排等优点。目前，随着页岩气储层勘探开发深度的不断增加，体积压裂施工所遇地层压裂温度随之升高，造成线形胶压裂液的黏度急剧下降和携砂能力的大幅降低［3-7］。传统的方法只能通过提高稠化剂的用量来弥补温度升高带来的负面影响，导致压裂液成本增加、流动摩阻增大以及压裂施工困难等［8］。

本文依据部分水解聚丙烯酰胺（HPAM）、多羟基醇弱凝胶的形成原理，分别合成有机硼、锆交联剂，并将二者按照优选比例混合形成有机硼/锆复合交联剂（FHBZ-1）。将FHBZ-1 与HPAM 增稠剂、复合多羟基醇及其他辅剂配制成LG-2 线性胶压裂液。评价了LG-2 线性胶压裂液在60～130 ℃的交联性能、耐温耐剪切性能及破胶性能等。基于FHBZ-1复合交联剂制备的LG-2线性胶压裂液体系在西部WY-8页岩气井取得了良好成效。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

氧氯化锆、乳酸、丙三醇、三乙醇胺、硼砂、甘露醇，分析纯，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；氢氧化钠、复合多羟基醇（CPA-1），分析纯，国药集团化学试剂有限公司；部分水解聚丙烯酰胺（HPAM），相对分子质量约800万，水解度25%，爱森（中国）絮凝剂有限公司；氟碳类助排剂（ZP）、阳离子聚合物类黏土稳定剂（NW），中原石油助剂厂；破胶剂过硫酸铵（APS），分析纯，上海阿拉丁生化科技股份有限公司。

Haake MARS Ⅲ型流变仪，德国Thermo Fisher公司；IKA RW20 Digital 数显型顶置式机械搅拌器，德国IKA公司；DV2T型旋转黏度计，美国Brookfield公司。

1.2 实验方法

（1）有机硼/锆交联剂的制备

将6 g 氧氯化锆加入100 mL 水中，待水浴温度达到75 ℃时，依次将5 g 丙三醇、1 g 乳酸和24 g 三乙醇胺滴加至烧瓶中，至溶液澄清后持续搅拌反应2 h，得到的无色透明黏稠状液体即为有机锆交联剂。将硼砂、氢氧化钠、丙三醇与水的混合溶剂（体积比为1∶3）、甘露醇按质量比18∶2∶64∶16 共100 g混合均匀后倒入烧瓶中，搅拌至全溶，注意待硼砂完全溶解后，方可加入甘露醇。升温至85 ℃反应5 h，即可得有机硼交联剂。将上述有机锆及有机硼交联剂按照体积比1∶2 混合均匀后得到复合交联剂FHBZ-1。

（2）LG-2线性胶压裂液的配制

称取一定量的水加入到烧杯中，将机械搅拌器的转速调节至800 r/min，缓慢加入HPAM 粉体，持续搅拌2 h使其完全溶解，避免形成“鱼眼”。在缓慢搅拌下依次加入复合多羟基醇、助排剂ZP及黏土稳定剂NW，分散均匀后便得到线形胶压裂液基液。基液配方为3 g/L HPAM+5 g/L CPA-1+0.5 g/L ZP＋3 g/L NW。然后，向基液中加入一定量的复合交联剂FHBZ-1，边搅拌边观察压裂液的成胶情况，以旋转黏度计测定的压裂液黏度值不再明显变化的时间为交联时间，此时的体系即为LG-2线性胶压裂液。

（3）压裂液性能测定方法

按照石油天然气行业标准SY/T 5107—2016《水基压裂液性能评价方法》，采用流变仪表征压裂液的耐温与抗剪切性能。①耐温性测试为不同交联剂加量下对应的峰值黏度，及170 s-1下剪切2 h后的冻胶黏度仍大于150 mPa·s 时对应的最高温度。选取的150 mPa·s 作为工程经验数值，一般当冻胶黏度不小于该数值时，说明冻胶仍有较好的悬浮压裂用石英砂的能力。②恒温耐剪切性能：测定胶液完全交联后在相应温度点的耐剪切性能。在某固定温度下，保持剪切速率（170 s-1）恒定，测试剪切90 min后样品的表观黏度。

2 结果与讨论

2.1 线性胶压裂液性能评价

2.1.1 交联性

FHBZ-1 复合交联剂结合了硼、锆络离子对HPAM 的交联作用［9-11］。在有机硼交联剂作用过程中，缓慢产生的硼酸根离子B（OH）4-会与基液分子中的顺式邻位羟基作用，形成三维网状凝胶；有机锆交联剂则通过Zr4+在一定pH 值的水溶液中经过络合、水解、羟桥作用形成多核羟桥络离子，然后与顺式邻位羟基产生交联形成凝胶。在有机硼/锆复合交联体系线形胶压裂液LG-2中，通过Zr4+和胶粒间的络合键将硼胶粒结合，使交联密度进一步提高，交联强度增强，从而提高凝胶的耐温性及抗剪切性。

在25 ℃下，向LG-2线性胶基液中加入FHBZ-1交联剂。FHBZ-1交联剂加量对LG-2线性胶压裂液性能的影响如表1 所示。LG-2 线性胶压裂液在交联比（基液与交联剂的质量比）为100∶1.2～100∶2.0范围内的交联性能较好，形成的凝胶挑挂性较好。随着FHBZ-1 交联剂在LG-2 线性胶基液中的加量逐渐增大，LG-2 线性胶压裂液的交联时间逐渐缩短，并具有良好的胶凝强度。这主要是由于LG-2线性胶压裂液体系中交联剂FHBZ-1的加量影响了解离的B（OH）4-及Zr4+的量。FHBZ-1 加量越大，在LG-2 线性胶液中越容易形成更多的交联位点。在加快交联作用的同时，也使最终形成的线性胶凝胶强度大大增加。

表1 交联剂加量对LG-2线性胶压裂液性能的影响

2.1.2 耐温耐剪切性

FHBZ-1与LG-2线性胶基液中的聚合物高分子链发生交联的主要是B3+［12］。当发生强剪切时，键的断裂应发生在胶粒上的B3+与聚合物的络合键上，剪切变弱或消失后又可重新交联，克服了单一Zr4+耐剪切性差的问题，同时提高了交联效率。向LG-2线性胶基液中加入5 g/L FHBZ-1，在110 ℃、170 s-1恒速剪切120 min 的条件下评价其恒温耐剪切性能，并同加入单一有机锆交联剂的HPAM 凝胶体系（3 g/L HPAM+5 g/L 有机锆交联剂+0.5 g/L ZP＋3 g/L NW）对比，结果如图1 所示。随着温度的上升，LG-2 线性胶液在约3 min 时出现黏度的最大值（412 mPa·s），而HPAM/有机锆交联凝胶黏度的最大值为172 mPa·s，显示了复合凝胶体系的强交联性。LG-2 胶液和HPAM/有机锆交联凝胶的最终黏度分别为103 mPa·s 和48 mPa·s，表明有机硼/锆交联HPAM/多羟基醇复合胶液体系的耐剪切性良好，保证了LG-2 线性胶在高温地层进行压裂作业的可行性。

图1 LG-2线性胶压裂液与HPAM/有机锆交联剂凝胶体系恒温耐剪切性能对比

在90～130 ℃下考察FHBZ-1 交联剂加量对LG-2线性胶压裂液耐温性能的影响，结果如表2所示。随着FHBZ-1 交联剂在LG-2 线性胶基液中的加量逐渐增大，LG-2线性胶压裂液的峰值黏度迅速增加，呈现出良好的胶凝强度。但是，LG-2 线性胶压裂液的耐温性反而呈现先增加后减小的趋势。其中，在FHBZ-1交联剂加量为12 g/L时，LG-2线性胶压裂液的峰值黏度为448 mPa·s，按照石油天然气行业标准SY/T 5107—2016 测得此加量下LG-2的耐温性可达130 ℃。这是由于随着FHBZ-1 交联剂的增加，线性胶液逐渐变得均一、连续、致密，并从液态逐渐过渡到三维网状结构。由于交联作用形成的三维网状结构使得分子链的运动受到极大的束缚，网络结构密度增大，LG-2 线性胶压裂液体系中冻胶结构越趋向于稳定状态。此时，线性胶压裂液体系中被束缚包裹的水分子越来越多，空隙区域越来越少，从而赋予了LG-2 冻胶体系更高的强度、刚性、热稳定性及耐剪切性。但是，随着FHBZ-1 交联剂加量的进一步增大，交联反应速率加快，LG-2线性胶压裂液体系中极有可能存在不均匀交联情况，从而使形成的三维结构冻胶不够均一，形成的网状结构不能有效地传递和抵抗应力作用，因此冻胶的耐温耐剪切能力随之下降。当交联剂加量增至20 g/L 时，冻胶的峰值黏度上升，但在最高耐受温度下剪切后的最终黏度迅速下降。通常综合考虑交联后LG-2线性胶压裂液有足够的凝胶强度进行压裂、携砂作业并兼顾其耐温性能，FHBZ-1交联剂在LG-2线性胶压裂液中的最佳加量为12 g/L。

表2 FHBZ-1交联剂加量对LG-2线性胶压裂液耐温性能的影响

2.1.3 破胶性能

在60 ℃及90 ℃条件下分别对配比为基液+12 g/L FHBZ-1 的LG-2 线性胶压裂液进行恒温破胶实验，结果如图2 所示。由图2 可见，在60 ℃及90 ℃时，加入0.5 g/L 破胶剂APS 的LG-2 线性胶压裂液30 min 内均能破胶，在180 min 内破胶液的黏度分别为2、3 mPa·s，满足压裂后快速破胶返排的要求。经测试，LG-2线性胶压裂液在60、90 ℃下破胶180 min 后的残渣含量分别约为16、12 mg/L；而羟丙基胍胶/有机硼交联体系的破胶残渣含量一般为150～300 mg/L，LG-2 线性胶的破胶残渣含量为其1/10～1/20，显示出较好的低伤害性能。

图2 LG-2线性胶压裂液的破胶性能

2.2 LG-2线性胶压裂液的现场应用

在LG-2线性胶基液中分别加入12 g/L FHBZ-1和0.5 g/L APS，其综合性能评价结果如表3所示。

表3 LG-2线性胶压裂液的综合性能评价

WY-8 页岩气井最高施工压力为82 MPa，最高施工排量约11 m3/min。其中第6 段水力压裂作业中为实现预先造缝，于滑溜水压裂液加入前泵入LG-2线性胶压裂液冻胶。开始注入LG-2线性胶压裂液至134 m3，其中最大排量为11.2 m3/min，最高砂浓度为106 kg/m3，施工过程中压力平稳，在75～82 MPa 小幅波动，无异常破胶、沉砂等。施工结束后，测试返排液黏度小于5 mPa·s。现场试验结果表明LG-2线性胶压裂液体系具有优良的造缝携砂性能。

3 结论

有机硼/锆复合交联剂FHBZ-1 与增稠剂HPAM、复合多羟基醇及辅剂组成的LG-2线性胶压裂液具有较好的耐温耐剪切性能。在60 ℃及90 ℃下，LG-2线性胶压裂液破胶迅速，残渣量小，对储层伤害低。在WY-8 井页岩气井的现场应用效果较好，最大排量为11.2 m3/min，最高砂浓度为106 kg/m3，施工结束后的返排液黏度小于5 mPa·s。