在提髙石油天然氣采收率和日增產(chǎn)水平方面，水力植物膠聚合物壓裂起著重要作用，成為低滲進(jìn)油氣藏 開采的主要手段水力壓裂是指將由多種添加劑組成的壓裂液在髙排量、離泵壓下注入地 層，在產(chǎn)層以水力劈開、延伸裂縫、并用支撣劑支#裂縫的過程。形成一條高導(dǎo)流能力的油氣通 道。水力壓裂過程包括：①植物膠獼化劑（粉末狀)在水溶液中分敢、溶解、增粘過程;②溶膠液 與交聯(lián)劑的動態(tài)交聯(lián)，形成具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的交聯(lián)流體;③壓裂液在經(jīng)管道注入的離剪切作用和 在裂縫內(nèi)的低剪切過程;④壓裂過程中壓裂液經(jīng)受的熱流變過程;⑤壓裂液在多孔介?的滲濾 作用I⑥壓裂液攜帶及輸送支撐劑，即攜砂壓裂液流變過程;⑦壓裂液硤膠、返排與傷窨地層等 流變過程。
以瓜爾膠、香豆膠為主的植物膠壓裂液占全國壓裂液使用量的90%以上，年用童達(dá)6. 0X l〇sm3。壓裂液多為粘撣性流體，在現(xiàn)場壓裂施工條件下，研究其流變特性是很有必要的。國內(nèi) 80年代對田菁膠壓裂液研究較多[〃\而對90年代開發(fā)的椬物膠壓裂液流變性能研究報道較 少。本文應(yīng)用控制應(yīng)力流變儀等手段，研究了瓜爾膠、香豆膠水溶液和交聯(lián)凍膠的流變特性，介 紹了在工程的應(yīng)用情況。
2.實驗2.1儀?與藥品RV-20旋轉(zhuǎn)粘度計(德國Haake公司產(chǎn)品），CSL-100控制應(yīng)力流變儀(英國Carti-med公 司產(chǎn)品），髙溫髙壓濾失儀(美國Baroid公司產(chǎn)品），XD香豆膠，工業(yè)一級，壓裂酸化技術(shù)服務(wù) 中心產(chǎn)品;GRJ羥丙基瓜爾膠，工業(yè)一級（山東東黃油田化學(xué)劑聯(lián)營公兩產(chǎn)品;)；BCL有機(jī)■交? 291 *聯(lián)劑，工業(yè)品（壓裂酸化技術(shù)服務(wù)中心產(chǎn)品）；過疏酸銨，碳酸鈉均為化學(xué)純。
2_ 2試驗方法使用Warring混調(diào)器配制不同濃度的香豆膠或羥丙基瓜爾膠溶液，3(TC下靜置4小時溶 解增粘后待用。
流體穩(wěn)態(tài)剪切實驗和濾失實驗詳細(xì)測定方法見文獻(xiàn)^，動態(tài)振蕩實驗方法見文獻(xiàn)W。試驗 中濃度為g/l〇〇mK&%表示3.結(jié)果與討論3.1植物膠的水合堆粘特性瓜爾膠、香豆膠和田菁膠均是一年生草本植物的內(nèi)胚乳，經(jīng)粉碎、研磨和過篩制成的淺黃 色粉末^它們不溶于有機(jī)溶劑，但可被水分散、水合、溶脹，形成粘稠液。其化學(xué)組成是以1，4卜 毗哺型甘鱔糖為主鏈、1，6心Z)-吡哺型半乳糖為側(cè)鏈的聚糖。在壓裂工程中，為減少壓裂液 殘渣對儲層孔除的堵塞，可加入瓜爾膠和田菁膠，但由于水不溶物含纛高，需經(jīng)化學(xué)改性，降低 殘渣含量，才可使用^在堿性條件下，羥丙基化是其主要的改性途徑^它們的物化性能對比見 表1。
表1不同植*鼓穩(wěn)化拍性能對比項目瓜爾膠改性瓜爾膠香豆膠羥丙基田菁膠半乳糖與甘廨箒之比2 * 5?J-81 * 1- 5?U1 * a,2J * 2, 0?2]分子量190萬（霣均）190萬（霣均）25萬（粘均）39.1萬（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交聯(lián)特性與爾、鈦、磨交聯(lián)， 形成凍膠與鐵、交聯(lián)， 形成凍膠與鈦、錐交聯(lián)， 形成凍膠與■、鈦、瓣交聯(lián)， 形成凍膠應(yīng)用成改性必爾通過"￥1?或 化學(xué)改性后才觴 可直接應(yīng)用可直接應(yīng)用可直接應(yīng)用不同植物膠聚合物增粘能力不同。圖1是香豆膠、改性瓜爾膠和改性田菁膠在水溶液介質(zhì) 中經(jīng)充分溶脹后，在2〇_C、17〇Sw下測得的增粘能力對比試驗結(jié)果。從圖1可知，這三種植物膠 都具有良好的水溶性和較強(qiáng)的增粘能力，且增粘能力大小為：改性瓜爾膠>香豆膠>改性田菁 膠?在低濃度時，溶液粘度主要取決于聚合物在溶液的分子纛大小》在較高濃度C大于臨界接觸 濃度Cp”時，分子在溶液中的水動力體積開始重疊和纏繞，使流體粘度顯著增大03.2植物膠水溶液的流變特性圖2顯示了植物膠（瓜爾膠、羥丙基瓜爾膠和香豆膠）和合成聚合物（聚丙烯酰胺，分子量 為1200萬）水溶液剪切應(yīng)力對剪切速率的依賴性?？梢?，這些聚合物溶液屬典型的假塑性流 體，表現(xiàn)為帶有屈服應(yīng)力的冪律特性。其水溶液的流變性符合H-B模型，即t=Tr+/C 卞式中ry為屈服應(yīng)力，尺'為稠度系數(shù)，^為冪律指數(shù)，Y為剪切速率D不同聚合物水溶液的流變參 數(shù)見表2?？梢?，這些聚合物水溶液具有較強(qiáng)的非牛頓流體特性，冪律指數(shù)均小于1. 〇;同時，由 于各聚合物分子量和分子構(gòu)象不同，流變參數(shù)具有較大差異。
(2〇r、170s 一 *)
(0.5% 濃度、20TC)
表2不同聚合*水溶液的流變參數(shù)聚合物類型聚丙嬸酰眩瓜爾膠羥丙基瓜爾膠香豆膠擁皮系數(shù)/0^*sw>0. 85610.98450.34130.1663冪律指數(shù)0.51860. 46760.64790.6868胭諷應(yīng)力/P?1.3630. 85900.291603.3植物膠壓裂液的延遲交聯(lián)特性為改賽壓裂液的造縫和攜砂能力，降低植物膠使用濃度，通常將聚合物溶液交聯(lián)。植物膠 交聯(lián)是通過交聯(lián)離子將溶解于溶液中植物膠分子鏈上的膘式鄰位羥基相互連接起來，形成空 間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使流體粘度大大增加。為降低施工摩阻和改著流變性能，壓裂工程中要求壓裂液 具有可控@的延遲交聯(lián)時間。不同的交聯(lián)體系具有不同交聯(lián)時間。使用混調(diào)*旋渦法[5]，測得 不同壓裂掖交聯(lián)時間見表3。可見，有機(jī)W交聯(lián)壓裂液具有明顯可調(diào)節(jié)的延遲交聯(lián)時間，且香 豆膠由于在單位分子鏈段中含有較多的順式鄰位羥基，交聯(lián)速度較快。
表3不同交聯(lián)壓裂液的交聯(lián)時間交聯(lián)擁類壅礪砂BCL有機(jī)面有機(jī)梅交聯(lián)時間羥丙基瓜爾膠1560~90030 ?120/B香豆膠960 ?72030?95交聯(lián)可W節(jié)性不可雨調(diào)節(jié)范H大屬節(jié)范圍較小3.4交聯(lián)凍膠壓裂液的熱穩(wěn)定性和鎵切恢復(fù)特性不同的壓裂液體系具有不同的耐溫耐剪切特性，有機(jī)礪交聯(lián)壓裂液由于具有良好淹變性 能和破膠性能，在油田得到廣泛應(yīng)用[<"]。圖3是有機(jī)硼與無機(jī)硼交聯(lián)植物膠壓裂液在170s一1 剪切速率下的流變性能對比及髙低剪切速率動態(tài)模擬試驗曲線?？梢娕c無機(jī)硼壓裂液耐溫 l〇〇_C相比，有機(jī)硼交聯(lián)壓裂液具有明顯的延遲交聯(lián)作用和更強(qiáng)的耐溫能力；由髙低動態(tài)剪切 試驗表明，有機(jī)覇交聯(lián)流體在高剪切作用（1000C1)下具有較低的粘度特性（37?65mPa ? S)， 但剪切速率降低（4〇s_l)后流體粘度快速增加，并達(dá)到最大值<614mPa * s)，爾后隨熱降解和 剪切作用粘度緩悝減少。可見，交聯(lián)壓裂液具有隨著剪切速率降低，粘度迅速增加的流變特性， 即剪切恢復(fù)特性。同時這樣的“低-高-低”流變特性有利于滿足壓裂施工中壓裂液管道流動，降■293 *交聯(lián)壓裂液是粘彈性流體。通過小振幘的動態(tài)振蕩試驗，所產(chǎn)生的流體應(yīng)力可分解為表示 流體彈性的同相分量，即儲能模鷥^和表示流體粘性的9CT相位差分量，即損耗棋量"。0. 6% 香豆膠溶液和有機(jī)■交聯(lián)香豆膠前后的動態(tài)模量隨振薄頻率變化圖分別見圖4和罔5?？梢?， 未交聯(lián)流體在低中頻(0<6Orad/S)時，以粘性為在商軀時顯示出一交叉點，爾后 彈性增大。交聯(lián)凍膠具有較強(qiáng)的交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，流體以彈性為主，枯性較低即<?>G%且在低 頻時C接近一有限值，即平衡剪切模童。交聯(lián)前后對比試驗表明，交聯(lián)后壓裂液彈性大大增 加，特別是低頻振藹下更為顯著；而粘性變化較小，當(dāng)頻本大于40rad/s后交聯(lián)前后損耗模量 基本一致。當(dāng)溫度增加，動態(tài)模置發(fā)生變化，流體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)遭到硤壞，由交聯(lián)凍膠返回到溶液 狀態(tài)，出現(xiàn)香豆膠交聯(lián)流體隨角軟率變化的溫度譜圖見圖6。可見，在低濕中頻時流 體彈性出現(xiàn)明顯的峰值，并隨fi度的增加，峰值減小，以至消失。
圖5香豆膠壓裂液交聯(lián)前后的癱籌試驗對比囲6有機(jī)礙交聯(lián)香豆肢壓裂液的殫性祖度譜圖(0■ 6%XD，30C>(0.5^XDH-0,25^BCU資料研究表明，壓裂液表征彈性的儲能模量大小直接影響支撐劑的攜帶能力，在試驗條 件下，當(dāng)C?>1. 9Pa時流體就具有良好的輸砂能力^表4是不同壓裂液的粘彈特性對比結(jié)果。
可見優(yōu)化后的有機(jī)棚交聯(lián)植物膠壓裂液體系具有優(yōu)異的攜砂能力，G'為10. 0?20. OPa。
表4植物皎水基壓制液粘彈性對比壓裂液類型香豆膠水溶液有機(jī)硼交聯(lián)聚合物凍膠香豆膠（200改性瓜爾膠（80C)
儲能祺置C/Pa0. 1220. 2410.12損耗棋童0. 982. 283.25支撣劑沉降速豐/(mm/s>1. 5633. 524X10-*0. 02783.6 *失與破膠特性壓裂液流經(jīng)巖石多孔介質(zhì)表面時，由于壓差的存在將發(fā)生濾失作用，以初濾失量和濾失系 數(shù)表征。使用髙溫高壓as失儀在丄5Mpa壓差下測得不同溫度壓裂液的濾失特性(表sh由表 5可見，瓜爾膠水溶液流變性能較差，不能及時形成濾餅，濾失量很大；交聯(lián)凍膠具有網(wǎng)絡(luò)結(jié) 構(gòu)，流變性能好，濾失量大大降低，并隨溫度的増加，粘度洚低，濾失量增大。
表5不同壓裂液ft失性覦對比壓裂液類塑改性瓜爾膠水*液有機(jī)m交聯(lián)改性瓜爾膠試sa度/x：252560100濾失總董/mt8613. 516*224. 3初濾失童/(mVm2)0.1540.02170.03790. 0483濾失系數(shù)/im/minM )3, 436X10^*4. 248X10^*6. 068 X10-39, 128X10-3為改善壓裂液的壓后返排能力，降低對儲層的堵塞，要求流體在施工結(jié)束實現(xiàn)快速徹底破 膠。其主要途徑是通過玻膠劑（過氧化物或酶)化學(xué)作用和熱降散作用，離解壓裂液的網(wǎng)絡(luò)結(jié) 構(gòu)，降解高聚物分子長鏈。在試賒溫度下，有機(jī)蘭交聯(lián)植物膠水基壓裂液在4?8小時內(nèi)，最終 破膠液粘度僅為1_ 50?3. 25mPa ? s。
4.現(xiàn)場應(yīng)用水基植物膠壓裂液體系在全國各油田得到了廣泛應(yīng)用。有機(jī)硼交聯(lián)香豆膠和改性瓜爾膠 壓裂液體系在1995年一1998年期間先后在勝利、吐哈、塔里木等12個油田試驗與推廣應(yīng)用 達(dá)258#次，滿足了近6000m的塔里木超深井壓裂，勝利153C商溫邊際低滲儲層區(qū)塊整體壓 ， 裂與吐哈油田髙砂比（83. 8%)重復(fù)壓裂施工等的需要，取得了 100%的施工成功率和良好的 增產(chǎn)（注)經(jīng)濟(jì)效益。統(tǒng)計91 口油井壓裂改造，目前已為油田增產(chǎn)原油186973噸，壓裂創(chuàng)收達(dá) 21447萬元，投人產(chǎn)出比1 : 9_ 52?，F(xiàn)場應(yīng)用表明，有機(jī)蘭交聯(lián)植物膠壓裂液體系具有優(yōu)異的流 變性能、施工雎a低、攜砂能力強(qiáng)、施工簡便、成本低、應(yīng)用效果明顯等特點。
5.結(jié)論(1)壓裂液流變特性受溫度、剪切速率、化學(xué)添加劑和1：程應(yīng)用條件等多種因素的影響，壓 裂過程是流變學(xué)在復(fù)雜工程的典型應(yīng)用實例。
(2)植物膠聚合物具有良好的水溶性、增粘能力和流變特性，溶液流變特性符號H-B模型。
(3)有機(jī)硼交聯(lián)植物膠具有可控制的延遲交聯(lián)、耐髙溫能力和剪切恢復(fù)特性。
(4)植物膠水溶液以粘性為主，交聯(lián)凍膠彈性顯著增強(qiáng)，攜砂能力強(qiáng)。
(5)水基植物膠壓裂液具有良好的溶解、增粘、延遲交聯(lián)、耐溫耐剪切、粘彈特性和濾失與 破膠等流變綜合性能，滿足了壓裂工程復(fù)雜的應(yīng)用需要。
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