羥丙基瓜爾膠壓裂液的研究及應用:
羥丙基瓜爾膠壓裂液的研究及應用,壓裂作為改造低滲透油層的一種增產措施在我國各油田應用越來越廣泛，壓裂液的發(fā)展 也越來越快，80年代，全國各油田都是根據(jù)國內現(xiàn)有資源來研究適合于本油田使用的壓裂液， 如勝利油田研制的田菁膠壓裂液、羥丙基田菁膠壓裂液;大港油田研制的CMC鉻凍膠壓裂液； 長慶油田研制的甲叉基聚丙烯酰胺壓裂液等。為了減少壓裂液殘渣對地層及裂縫導流能力的 傷害，90年代初又相繼發(fā)展了幾種低傷害壓裂液，如四川瀘州天然氣研究所研制的魔竽膠壓 裂液(CT9_1);石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院研制的香豆膠壓裂液;勝利油田研制的SC_1 型植物膠壓裂液等。這些壓裂液的研制成功，對我國低滲透油田的壓裂改造，都起到了極大的 促進作用。
自1992年開始，我國部分地區(qū)和油田通過各種渠道從印度、巴基斯坦等國家進口瓜爾膠 原粉，為使瓜爾膠壓裂液更好地在全國各油田應用，我們研究了羥丙基瓜爾膠粉的合成工藝及 羥丙基瓜爾膠壓裂液的系列配方，并在現(xiàn)場進行了推廣應用。
_、交聯(lián)機理
1.羥丙基瓜爾膠的分子結構瓜爾膠原粉在常溫下的水合物可分為水溶性和水不溶性兩 部分，水溶性部分主要是半乳甘露聚糖，是工業(yè)使用的有效部分，水不溶性部分主要是分子量 較大的半乳甘露聚糖，粗纖維，蛋白質等。見瓜爾膠中的半乳甘露聚糖的結構式。
從結構式看出：瓜爾膠的主鏈是A——甘露糖通過1、4碳原子上的羥基縮聚而成，而a ——半乳糖則是通過1、6碳原子的羥基縮聚接枝在主鏈上，半乳糖與甘露糖的比值為1 : 2。
從瓜爾膠原粉結構上看，半乳糖為支鏈，甘露糖為主鏈，固態(tài)下通常以卷曲的球形結構存 在，因此，甘露糖在里，半乳糖在外，且半乳糖上的<：6羥基為伯醇羥基，所以，不管從立體位阻， 還是從反應活性來看，半乳糖上的Cs羥基產生醚化的機率最大。見羥丙基瓜爾膠的主要結構 式。
經丙基瓜爾膠結構式
CHjOH"""""……"
半乳甘S聚糖結構式
2.硎砂與羥丙基瓜爾股粉的交聯(lián)機理據(jù)文獻〔1〕介紹，硼砂和半乳甘露聚糖中的鄰位順 式羥基發(fā)生交聯(lián)反應，是通過極性鍵和配價鍵交聯(lián)起來，其具體反應如下 硼酸鹽溶于水形成硼酸鹽離子
Na2B407 + 7H20 ^^2Na+ + 2B(0H)3 + 2B(OH)「
進一步電離
B(OH)3 + 2HzO ^=±B(OH)r +H3O+
RR
II
H—C—OHHO~C——H
I+B(OH)r+
H—C—OHHO~~C——H
R
R
I
H—C—O
I B H—C—O
I
R
R
-H
I +4HzO -C——H
I
R
硼酸鹽離子與鄰位順式羥基反應
有機硼和羥丙基瓜爾膠反應目前尚無定論，可能是硼首先形成多核羥橋絡離子，再和羥丙 基瓜爾膠中的羥基交聯(lián)。
羥丙f瓜爾膠
(HZO)4
(H2〇)4
二、配方組成
根據(jù)全國各類低滲透油藏深度和油層溫度的不同，將其壓裂液劃分為4個系列配方為:配
方A,適用地層溫度25?5CTC;配方B，適用地層溫度50?8(TC;配方C，適用地層溫度80? 12CTC;配方D，適用地層溫度120?15(TC。4種壓裂液配方見表1。
表1羥丙基瓜爾膠壓裂液系列配方
名 稱增稠劑條菌劑助棑劑枯 土 稔定刑降漶劑稔定劑pH值 調節(jié)劑低溫 交聯(lián)劑破膠劑高溫
交聯(lián)荊激活荊
組 分HPGHCHOMANP216100目 粉砂Na2S03Na2C〇3NasB^O?(NH2)S2〇8有機期M
濃
度
范
圍K•方A0. 40? 0.450• 10 ? 0. 150.20? 0. 300? 0.200000• 04 ? 0. 050. 02 ? 0.0300. 02? 0.03
方B0. 45? 0. 500• 15 ? 0.200.20 ? 0. 30〇?
0.20 -0000• 04 ? 0. 060• 02 ? 0.0300
紀方C0. 50? 0.550,20 ? 0. 250.20 ? 0. 30〇? 0.202
(前置液)00.0170• 04 ? 0. 060. 01 ? 0. 020• 03 ? 0. 040
K•方D0.55 ? 0. 600.20 ? 0. 250.20 ? 0.30〇? 0.202
(前置液）0.020.0170. (H ? 0.060.02 (高砂比）0.05 ? 0. 150
表1列出了不同添加劑的應用范圍，應根據(jù)不同的油層特點及地質條件進行有針對性的 選擇。
三、性能評定
1.熱穗定性及流變作采用西德HAKKE公司生產的RV20旋轉粘度計（高溫）和RV2旋 轉粘度計(低溫），測定壓裂液的流變性及粘度，圖1、圖2是不同溫度下測定的粘度變化曲線， 圖3、圖4是不同溫度下測定的流變曲線。
困1 羥丙基瓜爾膠壓裂液粘度因2 羥丙基瓜爾膠壓裂液粘度
變化曲線變化曲線
表2壓裂液粘度與時間的關系
時間（min)6121824303642485460剪切速年
(s'1)
配方A30 °C1451361361411251191031039496145.8
釔方B80 °C119114156137138146134134107107145.8
配方C120°C270129252447447505617617576570170
配方D150*C364223153258294341305235270276170
具體測定結果如下：
» 試S度：12〇iC
2)*-
困3 羥丙基瓜爾膠壓裂液困4 羥丙基瓜爾膠壓裂液
流變曲線流變曲線
由表2看出：4個配方的壓裂液剪切l(wèi)h后粘度均大于90mPa • s，都能滿足攜砂要求。
表3壓裂液的流變性
(1)粘度。試驗方法:將壓裂液升到指定溫度后，在一定的剪切速率下剪切l(wèi)h，測定壓裂液 粘度隨時間的變化關系，其數(shù)據(jù)見表2。
fc 方稠度系數(shù)
(Pa • Sn)流態(tài)指數(shù)
a，相關系數(shù)
A4.6580. 302 3
B5. 4470. 312 5
C8.9640. 296 80. 98
D7. 3240. 384 20.96
(2)流變性。壓裂液在指定的溫度下，指定 的剪切速率剪切l(wèi)h后，羥丙基瓜爾膠壓裂液的研究及應用,改變剪切速率，測定相 應的剪切應力，按冪律流體數(shù)學模型進行回 歸，得到壓裂液的稠度系數(shù)if和流態(tài)指數(shù)》'，
其數(shù)據(jù)見表3。
由表3看出，壓裂液的稠度系數(shù)較大，流 態(tài)指數(shù)較小，易于造縫，相關系數(shù)為0.96?
0.98,是典型的冪律流體。
2.濾失性壓裂液的濾失實際上是一個過濾過程，它受許多參數(shù)的控制，包括液體成份、 壓力、液體粘度及造壁性等。室內進行濾失測定的儀器主要與壓裂液的造壁性有關，采用的儀 器為美國BAROAD公司生產的高溫高壓濾失儀，測定壓裂液在不同時間的濾失量，計算出濾 失系數(shù)C3和初濾失量匕，其數(shù)據(jù)見表4。
由表4看出：濾失系數(shù)C3都較小，但初濾失量K。稍大，這是由于增稠劑殘渣較低，最初不 能有效地形成濾餅的緣故。
3.破膠化水性壓裂液在地層條件下能否破膠化水極大地影響著壓裂液對地層的傷害， 這也是壓裂液應用的關鍵，它關系著整個壓裂施工過程的成敗及效果的好壞。室內進行破膠化 水試驗是采用高溫高壓反應釜，模擬地層條件，攪拌器以每分鐘20次的速率攪拌2h后，停止 攬拌，靜止破膠，在不同時間取其樣品，用逆流式毛細管粘度計在3CTC下測定其粘度，其數(shù)據(jù) 見表5。
由表5看出：除壓裂液配方A破膠化水后的粘度為3?4mPa • s外，配方B、C、D破膠化水 后的粘度均小于2mPa • s，說明該壓裂液破膠化水徹底。
4.戌渣壓裂液的殘渣主要受原粉質量、合成工藝、合成配方等各種因素影響，只要合成 工藝和合成配方確定后，壓裂液的殘渣基本保持穩(wěn)定，表6列出了對前1〇個工業(yè)合成樣品進 行殘渣含量檢測的數(shù)據(jù)。
表4壓裂液的初濾失置和濾失系數(shù)表5壓裂液在不同時間破膠化水后的粘度
配
方溫度
rc)時間
(h)濾失系數(shù)G (X lO—’m/min1’2)初濾失量
(Xl〇-3m3/m2)配
方不同時間破膠化水后的粘度（mPa • s)
4h8h12h24h
A3016. 16?7. 761.2 ?1.6A16. 248. 324. 343. 51
B8015. 32?7. 740• 96?1. 2B9.624. 762. 081. 97
C12014. 86?6. 62’1. 05?1. 23C8.964. 322. 761. 84
D15014. 25?6. 841. 1 ?1. 5D6.633.272.941. 78
表6壓裂液殘渣檢測數(shù)據(jù)
樣品12345678910平均
(%)2.342. 962. 743. 213.083.52'2. 762. 782.942. 452. 87
由表6看出：工業(yè)生產的前10個樣品的殘渣范圍為2. 34%?3. 52%，羥丙基瓜爾膠壓裂液的研究及應用,平均殘渣含量為 2.87%。
ITI
JZL
環(huán)壓
5.壓裂液對地層的傷害壓裂液對地層的傷害包括:破膠液進入地層后，產生附加毛細管 力，降低油的相對滲透率，造成“水堵”;破膠液與地層粘土反應，使粘土膨脹運移，導致滲透率 降低;濾餅和殘渣引起的傷害。為了檢驗破膠液引起的綜合傷害，進行了巖心傷害試驗，采用的 儀器為石油大學儀表廠生產的巖心流動試驗儀，試驗中所用的巖心直徑2. 5cm，試驗流程如圖 5所示。
平衡罐
n
啉囲®58
手動高壓泵
氮氣瓶
電子天平
放空觸
困5巖心傷害試驗流程困
試驗步驟為：（1)把巖心抽真空，飽和鹽水;（2)把巖心裝入夾持器中；（3)正通煤油，測定巖 心原始滲透率I; (4)正通化水液30g; (5)反通煤油30g; (6)正通煤油測其滲透率私。
巖心傷害率〃用下式計算
K,-K2
X100%
' A'
表7有機鈦和有機明|對巖心傷害比較
項目原始滲 透率A、
(XIO-W)滲透豐
K2
(XlO-Vn2)傷害率
n
(%)平均傷 害豐5
(%)
有機硝37. 1529. 9919. 2720. 08
259. 07204.9520. 89
有機鈦42. 3432. 0424. 3224. 10
247. 8188. 6023. 89
分別取較高和較低滲透率巖心進行測量，
并與有機鈦交聯(lián)的壓裂液化水液進行對比，其 數(shù)據(jù)見表7。
由表7看出：該壓裂液對巖心的傷害率較 小，硼交聯(lián)壓裂液比鈦交聯(lián)壓裂液的傷害率約 小4個百分點，因此使用有機砸作為高溫交聯(lián) 劑可明顯降低壓裂液對地層的傷害。
四、現(xiàn)場試驗及應用
1.綜合效果羥丙基瓜爾膠壓裂液在勝 利、延長、遼河等油田共現(xiàn)場應用237井次，其
中勝利173井次，延長油田44井次，遼河油田20井次。應用最深井為勝利油田的樁74 — 13 — 11井，壓裂井段3 605. 3?3 621.0m，油層溫度142€。壓裂最淺井為延長油田南溝岔6001井， 壓裂井段424. 88?438. 0m，油層溫度29. 8€。
在勝利油田應用的173井次中，平均施工排量2. 3mVmin，平均砂比31. 5%，最高砂比 60%，平均單井加砂量10.8m3,施工工藝成功率99%，有效率96%。截止到1995年8月，已累 計增產原油19. 8萬t，取得了明顯的經濟效益和社會效益。
如勝利油區(qū)的樊家油田，1991年投入開發(fā)，主力油層為沙三段，該油藏油層埋藏深，油層 厚度大，油層物性差，孔隙度小，滲透率低，層間非均質性嚴重，泥質含量高，但原油性質好，地 下原油粘度只有2.8mPa«S。
對這類油藏進行壓裂改造，壓裂液必須耐溫性能好，防粘土膨脹及運移能力強，羥丙基瓜爾膠壓裂液的研究及應用,易于從地 層中返排，同時針對地層非均質性嚴重的特點，結合限流壓裂工藝施工。羥丙基瓜爾膠壓裂液 在樊家油田共應用38井次，施工工藝成功率100%，有效率97. 4%，累計增產原油4.75萬t。
2、典型井例以樊家油田樊121井為例：表8樊121井壓裂液配方
成份濃度成份濃度
(成膠液）(%)(交聯(lián)液）(%)
HPG0. 55硎砂1. 0
HCHO0. 2有機領1. 0
P2160• 3過歧酸銨0. 2
(后期加）
MAN0. 2
Na2C030. 017
(1)油井基本數(shù)據(jù)。完井日期= 1993. 10. 6;
完鉆井深:3 450m;人工井底：3 330m;水泥返 高：1 600m;套管規(guī)范：139.7 mm X N 8 0 X 9. 17mm X 3398. 17m;油層井段：
3 270.3 ?3 278. 3m;射孔井段：327 1 ?
327 6m;孔隙度：16. 3%;滲透率：15. 3 X 10-Vm2;泥質含量：10. 4%;巖性：泥質粉砂 巖;油層溫度：129.5r;油層壓力：34MPa。
(2)壓裂液配方見表8。
(3)壓裂施工參數(shù)。施工排量：1. 5mVmiti;支撐劑：0• 4?0• 8mm陶粒;砂量Jm3;平均砂比 37. 4%;破裂壓力：39MPa;延伸壓力：37MPa;前置液量：45m3;攜砂液量：27m3;頂替液量： 14m3。
(4)壓后效果。壓后返排水量62m3;返排率72. 1%;返排時間60h;生產方式044min泵抽 油；壓后初產油35t/d，含水10. 1%;目前產油12t/d，含水3. 5%，累計增產原油5 768U
從樊121井施工效果看，該壓裂液耐溫性能強，攜砂能力好，壓裂液返排率高，達到了 72. 1%，對地層傷害小，增油效果顯著。
五、認識與結論
1.合成羥丙基瓜爾膠粉的設備簡單、配方合理、合成工藝先進可行，羥丙基瓜爾膠粘度大 于原粉粘度，殘渣含量較低。
2.羥丙基瓜爾膠壓裂液采用有機硼交聯(lián)劑，羥丙基瓜爾膠壓裂液的研究及應用,耐溫性能好、攜砂能力強、粘度高、破膠化水徹 底，與鈦交聯(lián)壓裂液相比，對地層傷害小。
3.加入激活劑的破膠系統(tǒng)使壓裂液在30 C下破膠化水徹底，該技術具有一定的新穎性， 擴大了壓裂液的應用范圍。
4.經237井次的現(xiàn)場試驗證實，該壓裂液施工效果好，有效率高。
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