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水基植物胶压裂液流变特性研究与应用

发布日期:2015-05-13 14:06:00
植物胶聚合物
在提髙石油天然气采收率和日增产水平方面,水力植物胶聚合物压裂起着重要作用,成为低渗进油气藏 开采的主要手段水力压裂是指将由多种添加剂组成的压裂液在髙排量、离泵压下注入地 层,在产层以水力劈开、延伸裂缝、并用支掸剂支#裂缝的过程。形成一条高导流能力的油气通 道。水力压裂过程包括:①植物胶猕化剂(粉末状)在水溶液中分敢、溶解、增粘过程;②溶胶液 与交联剂的动态交联,形成具有网状结构的交联流体;③压裂液在经管道注入的离剪切作用和 在裂缝内的低剪切过程;④压裂过程中压裂液经受的热流变过程;⑤压裂液在多孔介?的渗滤 作用I⑥压裂液携带及输送支撑剂,即携砂压裂液流变过程;⑦压裂液硖胶、返排与伤窨地层等 流变过程。
 
瓜尔胶、香豆胶为主的植物胶压裂液占全国压裂液使用量的90%以上,年用童达6. 0X l〇sm3。压裂液多为粘掸性流体,在现场压裂施工条件下,研究其流变特性是很有必要的。国内 80年代对田菁胶压裂液研究较多[〃\而对90年代开发的椬物胶压裂液流变性能研究报道较 少。本文应用控制应力流变仪等手段,研究了瓜尔胶、香豆胶水溶液和交联冻胶的流变特性,介 绍了在工程的应用情况。
 
2.实验2.1仪?与药品RV-20旋转粘度计(德国Haake公司产品),CSL-100控制应力流变仪(英国Carti-med公 司产品),髙温髙压滤失仪(美国Baroid公司产品),XD香豆胶,工业一级,压裂酸化技术服务 中心产品;GRJ羟丙基瓜尔胶,工业一级(山东东黄油田化学剂联营公两产品;);BCL有机■交? 291 *联剂,工业品(压裂酸化技术服务中心产品);过疏酸铵,碳酸钠均为化学纯。
 
2_ 2试验方法使用Warring混调器配制不同浓度的香豆胶或羟丙基瓜尔胶溶液,3(TC下静置4小时溶 解增粘后待用。
 
流体稳态剪切实验和滤失实验详细测定方法见文献^,动态振荡实验方法见文献W。试验 中浓度为g/l〇〇mK&%表示3.结果与讨论3.1植物胶的水合堆粘特性瓜尔胶、香豆胶和田菁胶均是一年生草本植物的内胚乳,经粉碎、研磨和过筛制成的浅黄 色粉末^它们不溶于有机溶剂,但可被水分散、水合、溶胀,形成粘稠液。其化学组成是以1,4卜 毗哺型甘鳝糖为主链、1,6心Z)-吡哺型半乳糖为侧链的聚糖。在压裂工程中,为减少压裂液 残渣对储层孔除的堵塞,可加入瓜尔胶和田菁胶,但由于水不溶物含纛高,需经化学改性,降低 残渣含量,才可使用^在碱性条件下,羟丙基化是其主要的改性途径^它们的物化性能对比见 表1。
 
表1不同植*鼓稳化拍性能对比项目瓜尔胶改性瓜尔胶香豆胶羟丙基田菁胶半乳糖与甘廨箒之比2 * 5?J-81 * 1- 5?U1 * a,2J * 2, 0?2]分子量190万(霣均)190万(霣均)25万(粘均)39.1万(粘均)
 
希度/mPa ? a187?35】25卜2邱150?258肋?126水不溶物含量AK)1&?252?4卜104~18交联特性与尔、钛、磨交联, 形成冻胶与铁、交联, 形成冻胶与钛、锥交联, 形成冻胶与■、钛、瓣交联, 形成冻胶应用成改性必尔通过"¥1?或 化学改性后才觞 可直接应用可直接应用可直接应用不同植物胶聚合物增粘能力不同。图1是香豆胶、改性瓜尔胶和改性田菁胶在水溶液介质 中经充分溶胀后,在2〇_C、17〇Sw下测得的增粘能力对比试验结果。从图1可知,这三种植物胶 都具有良好的水溶性和较强的增粘能力,且增粘能力大小为:改性瓜尔胶>香豆胶>改性田菁 胶?在低浓度时,溶液粘度主要取决于聚合物在溶液的分子纛大小》在较高浓度C大于临界接触 浓度Cp”时,分子在溶液中的水动力体积开始重叠和缠绕,使流体粘度显着增大03.2植物胶水溶液的流变特性图2显示了植物胶(瓜尔胶、羟丙基瓜尔胶和香豆胶)和合成聚合物(聚丙烯酰胺,分子量 为1200万)水溶液剪切应力对剪切速率的依赖性。可见,这些聚合物溶液属典型的假塑性流 体,表现为带有屈服应力的幂律特性。其水溶液的流变性符合H-B模型,即t=Tr+/C 卞式中ry为屈服应力,尺'为稠度系数,^为幂律指数,Y为剪切速率D不同聚合物水溶液的流变参 数见表2。可见,这些聚合物水溶液具有较强的非牛顿流体特性,幂律指数均小于1. 〇;同时,由 于各聚合物分子量和分子构象不同,流变参数具有较大差异。
 
(2〇r、170s 一 *)
 
(0.5% 浓度、20TC)
 
表2不同聚合*水溶液的流变参数聚合物类型聚丙婶酰眩瓜尔胶羟丙基瓜尔胶香豆胶拥皮系数/0^*sw>0. 85610.98450.34130.1663幂律指数0.51860. 46760.64790.6868胭讽应力/P?1.3630. 85900.291603.3植物胶压裂液的延迟交联特性为改赛压裂液的造缝和携砂能力,降低植物胶使用浓度,通常将聚合物溶液交联。植物胶 交联是通过交联离子将溶解于溶液中植物胶分子链上的膘式邻位羟基相互连接起来,形成空 间网络结构,使流体粘度大大增加。为降低施工摩阻和改着流变性能,压裂工程中要求压裂液 具有可控@的延迟交联时间。不同的交联体系具有不同交联时间。使用混调*旋涡法[5],测得 不同压裂掖交联时间见表3。可见,有机W交联压裂液具有明显可调节的延迟交联时间,且香 豆胶由于在单位分子链段中含有较多的顺式邻位羟基,交联速度较快。
 
表3不同交联压裂液的交联时间交联拥类壅砺砂BCL有机面有机梅交联时间羟丙基瓜尔胶1560~90030 ?120/B香豆胶960 ?72030?95交联可W节性不可雨调节范H大属节范围较小3.4交联冻胶压裂液的热稳定性和镓切恢复特性不同的压裂液体系具有不同的耐温耐剪切特性,有机砺交联压裂液由于具有良好淹变性 能和破胶性能,在油田得到广泛应用[<"]。图3是有机硼与无机硼交联植物胶压裂液在170s一1 剪切速率下的流变性能对比及髙低剪切速率动态模拟试验曲线。可见与无机硼压裂液耐温 l〇〇_C相比,有机硼交联压裂液具有明显的延迟交联作用和更强的耐温能力;由髙低动态剪切 试验表明,有机覇交联流体在高剪切作用(1000C1)下具有较低的粘度特性(37?65mPa ? S), 但剪切速率降低(4〇s_l)后流体粘度快速增加,并达到最大值<614mPa * s),尔后随热降解和 剪切作用粘度缓悝减少。可见,交联压裂液具有随着剪切速率降低,粘度迅速增加的流变特性, 即剪切恢复特性。同时这样的“低-高-低”流变特性有利于满足压裂施工中压裂液管道流动,降■293 *交联压裂液是粘弹性流体。通过小振帻的动态振荡试验,所产生的流体应力可分解为表示 流体弹性的同相分量,即储能模鸶^和表示流体粘性的9CT相位差分量,即损耗棋量"。0. 6% 香豆胶溶液和有机■交联香豆胶前后的动态模量随振薄频率变化图分别见图4和罔5。可见, 未交联流体在低中频(0<6Orad/S)时,以粘性为在商躯时显示出一交叉点,尔后 弹性增大。交联冻胶具有较强的交联网状结构,流体以弹性为主,枯性较低即<?>G%且在低 频时C接近一有限值,即平衡剪切模童。交联前后对比试验表明,交联后压裂液弹性大大增 加,特别是低频振蔼下更为显着;而粘性变化较小,当频本大于40rad/s后交联前后损耗模量 基本一致。当温度增加,动态模置发生变化,流体网状结构遭到硖坏,由交联冻胶返回到溶液 状态,出现香豆胶交联流体随角软率变化的温度谱图见图6。可见,在低湿中频时流 体弹性出现明显的峰值,并随fi度的增加,峰值减小,以至消失。
 
图5香豆胶压裂液交联前后的瘫筹试验对比囲6有机碍交联香豆肢压裂液的殚性祖度谱图(0■ 6%XD,30C>(0.5^XDH-0,25^BCU资料研究表明,压裂液表征弹性的储能模量大小直接影响支撑剂的携带能力,在试验条 件下,当C?>1. 9Pa时流体就具有良好的输砂能力^表4是不同压裂液的粘弹特性对比结果。
 
可见优化后的有机棚交联植物胶压裂液体系具有优异的携砂能力,G'为10. 0?20. OPa。
 
表4植物皎水基压制液粘弹性对比压裂液类型香豆胶水溶液有机硼交联聚合物冻胶香豆胶(200改性瓜尔胶(80C)
 
储能祺置C/Pa0. 1220. 2410.12损耗棋童0. 982. 283.25支掸剂沉降速丰/(mm/s>1. 5633. 524X10-*0. 02783.6 *失与破胶特性压裂液流经岩石多孔介质表面时,由于压差的存在将发生滤失作用,以初滤失量和滤失系 数表征。使用髙温高压as失仪在丄5Mpa压差下测得不同温度压裂液的滤失特性(表sh由表 5可见,瓜尔胶水溶液流变性能较差,不能及时形成滤饼,滤失量很大;交联冻胶具有网络结 构,流变性能好,滤失量大大降低,并随温度的増加,粘度洚低,滤失量增大。
 
表5不同压裂液ft失性觎对比压裂液类塑改性瓜尔胶水*液有机m交联改性瓜尔胶试sa度/x:252560100滤失总董/mt8613. 516*224. 3初滤失童/(mVm2)0.1540.02170.03790. 0483滤失系数/im/minM )3, 436X10^*4. 248X10^*6. 068 X10-39, 128X10-3为改善压裂液的压后返排能力,降低对储层的堵塞,要求流体在施工结束实现快速彻底破 胶。其主要途径是通过玻胶剂(过氧化物或酶)化学作用和热降散作用,离解压裂液的网络结 构,降解高聚物分子长链。在试赊温度下,有机兰交联植物胶水基压裂液在4?8小时内,最终 破胶液粘度仅为1_ 50?3. 25mPa ? s。
 
4.现场应用水基植物胶压裂液体系在全国各油田得到了广泛应用。有机硼交联香豆胶和改性瓜尔胶 压裂液体系在1995年一1998年期间先后在胜利、吐哈、塔里木等12个油田试验与推广应用 达258#次,满足了近6000m的塔里木超深井压裂,胜利153C商温边际低渗储层区块整体压 , 裂与吐哈油田髙砂比(83. 8%)重复压裂施工等的需要,取得了 100%的施工成功率和良好的 增产(注)经济效益。统计91 口油井压裂改造,目前已为油田增产原油186973吨,压裂创收达 21447万元,投人产出比1 : 9_ 52。现场应用表明,有机兰交联植物胶压裂液体系具有优异的流 变性能、施工雎a低、携砂能力强、施工简便、成本低、应用效果明显等特点
 
5.结论(1)压裂液流变特性受温度、剪切速率、化学添加剂和1:程应用条件等多种因素的影响,压 裂过程是流变学在复杂工程的典型应用实例。
 
(2)植物胶聚合物具有良好的水溶性、增粘能力和流变特性,溶液流变特性符号H-B模型。
 
(3)有机硼交联植物胶具有可控制的延迟交联、耐髙温能力和剪切恢复特性。
 
(4)植物胶水溶液以粘性为主,交联冻胶弹性显着增强,携砂能力强。
 
(5)水基植物胶压裂液具有良好的溶解、增粘、延迟交联、耐温耐剪切、粘弹特性和滤失与 破胶等流变综合性能,满足了压裂工程复杂的应用需要。
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