HPAM有机锆交联体系压裂液的研究

由图 ２ 可 知，随 着 ＨＰＡＭ 浓 度 增 大，凝 胶 黏 度增加．当 ＨＰＡＭ 浓 度 较 低 时，高 分 子 链 上 可 供 交联的交联点少，所 形 成 的 网 状 结 构 稀 少，凝 胶 黏 度较 低．ＨＰＡＭ 浓 度 增 大，交 联 点 密 度 增 加，凝 胶 黏度增加．
第１期
罗 庆 梅 等 ：ＨＰＡＭ／有 机 锆 交 联 体 系 压 裂 液 的 研 究
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｐｒｅｐａｒｅｄ ｏｆ ＨＰＡＭ／ｏｒｇａｎｉｃ－ｚｉｒｃｏｎｉｕｍ ｃｒｏｓｓ－ｌｉｎｋｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ａｃｉｄ ｆｒａｃｔｕｒｉｎｇ ｆｌｕ－ ｉｄ．Ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｒｅａｃｔｉｏｎ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｔｈｅ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｏｆ ＨＰＡＭ ａｎｄ ｏｒｇａｎｉｃ－ｚｉｒｃｏ－ ｎｉｕｍ ｃｒｏｓｓ－ｌｉｎｋｉｎｇ ｗｅｒｅ ｅｘａｍｉｎｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｆｒａｃｔｕｒｉｎｇ ｆｌｕｉｄ ｐｒｅｐａｒｅｄ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｏｒｇａｎｉｃ－ｚｉｒｃｏｎｉｕｍ ｃｒｏｓｓ－ｌｉｎｋｉｎｇ，ＨＰＡＭ ｗｅｒｅ ５００ ｍｇ·Ｌ－１，ａｎｄ ｔｈａｔ ｏｆ ａｍｍｏｎｉｕｍ ｐｅｒｓｕｌｆａｔｅ ａｓ ｇｅｌ ｂｒｅａｋｉｎｇ ａｇｅｎｔ ｉｓ １６ｇ· Ｌ－１．Ｔｈｉｓ ｓｙｓｔｅｍ ｓａｌｉｎｉｔｙ ｔｏｌｅｒ－ ａｎｃｅ ｗａｓ ７ ０００ ｍｇ·Ｌ－１ ．Ｓｈｅａｒ ａｎｄ ｈｅａｔ－ｒｅｓｉｓｔａｎｔ ｔｅｓｔ ｉｎｄｉｃａｔｅｄ ｔｈａｔ ｆｒａｃｔｕｒｉｎｇ ｆｌｕｉｄ ｓｙｓｔｅｍ ｖｉｓｃｏｓｉｔｙ ｍｏｒｅ ｔｈａｎ ３００ｍＰａ·ｓ ａｎｄ ｈｅａｔ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｗａｓ ９５ ℃，ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｏｆ １７０ｓ－１ ｓｈｅａｒ ｒａｔｅ，１２０ ｍｉｎ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｌｙ ｓｈｅａｒ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｆｒａｃｔｕｒｉｎｇ ｆｌｕｉｄ ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ ｐｅｒ－ ｆｏｒｍａｎｃｅ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ：ｅｘｃｅｌｌｅｎｔ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｅｎｃａｐｓｕｌａｔｉｏｎ，ｌｅｓｓ ｂｒｏｋｅｎ ｇｌｕｅ ｒｅｓｉ－ ｄｕｅ，ａｎｄ ｌｅｓｓ ｄａｍａｇｅ ｔｏ ｔｈｅ ｃｏｒｅ ｍａｔｒｉｘ ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｈｙｄｒｏｌｙｚｅｄ ｐｏｌｙａｃｒｙｌａｍｉｄｅ （ＨＰＡＭ）；ｚｉｒｃｏｎｉｕｍ－ｏｒｇａｎｉｃ ｃｒｏｓｓｌｉｎｋｅｒ；ｈｙｄｒｏ－ｆｒａｃ－ ｔｕｒｉｎｇ ｆｒｕｉｔ
Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ＨＰＡＭ／Ｚｉｒｃｏｎｉｕｍ－ｏｒｇａｎｉｃ ｃｒｏｓｓ－ｌｉｎｋｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｆｒａｃｔｕｒｉｎｇ ｆｌｕｉｄ
ＬＵＯ Ｑｉｎｇ－ｍｅｉ １，ＧＵＯ Ｍｉｎ１，ＢＡＩ Ｙｕ－ｊｕｎ１，ＳＨＥＮ Ｋｕｎ１， ＨＵＯ Ｙａｎ－ｍｉｎ１，ＺＨＡＮＧ Ｍｉｎｇ１，ＦＥＩ Ｇｕｉ－ｑｉａｎｇ２
图 １ 氧 氯 化 锆 含 量 对 压 裂 液 成 胶 时 间 和成胶强度的关系曲线
由图 １ 可 知，氧 氯 化 锆 含 量 增 加，凝 胶 强 度 持 续增强，成胶时间 缩 短．因 为 当 氧 氯 化 锆 含 量 较 低 时，锆元素被多羧 基 配 位 体 充 分 络 合，释 放 出 较 少 锆 离 子 ，成 胶 时 间 长 ，凝 胶 强 度 弱 ．氧 氯 化 锆 含 量 较 高时，体系中存在 游 离 锆，未 络 合 的 锆 直 接 与 基 液 ＨＰＡＭ 反应［１１］，成胶时 间 缩 短，凝 胶 强 度 增 加．由 图可知，当用量在２％～６％ 之 间，其 最 大 黏 度 呈 现 出较大 幅 度 增 长，且 含 量 在 ５％ 时，延 迟 时 间 为 ５ ｍｉｎ，凝胶强度 为 ２２０ ｍＰａ·ｓ，因 而 氧 氯 化 锆 的 最 佳 用 量 为 ５％ ．
（１．Ｎｏ．１ Ｏｉｌ Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ Ｐｌａｎｔ，Ｃｈｉｎａ Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ Ｃｈａｎｇｑｉｎｇ Ｏｉｌｆｉｅｌｄ Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｙａｎ′ａｎ ７１６０００，Ｃｈｉｎａ；２． Ｓｈａａｎｘｉ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｉ′ａｎ ７１００２１，Ｃｈｉｎａ）
１ 实 验 部 分
形 成 多 核 羟 桥 络 离 子；该 多 核 羟 桥 络 离 子 与 ＨＰＡＭ 中的 －ＣＯＮＨ２ 及 －ＣＯＯ－ 进 行 交 联 ， ［９］ 形 成 弱 凝 胶 ．因 此 ，在 制 备 锆 交 联 剂 时 ，利 用 多 羧 基 化合物和锆离子间络合 反 应，达 到 缓 释 的 目 的 ， ［１０］ 从而延缓压裂液的交联时间．
压裂液均 采 用 蒸 馏 水 配 制，压 裂 液 黏 度 使 用 ＬＤＶ－３＋ＰＲＤ 数字式 黏 度 计 在 ２５ ℃、１７０ｒ／ｍｉｎ 下测定．
１．４ 实 验 原 理 ＨＰＡＭ／有机锆弱凝胶 的 形 成 过 程 如 下：首 先
是 Ｚｒ４＋ 从 络 合 物 中 离 解 出 来，Ｚｒ４＋ 历 经 水 解、羟 桥
目前，随着深 井 油 田 开 采 的 深 入，研 制 一 种 高 温延缓型交联剂亟待解决，因锆化合物（Ｚｒ４＋ ）对 羟 基 较 强 的 亲 和 力 ，可 通 过 引 入 多 羟 基 配 位 体 达 到 延 缓 交 联 的 目 的 ．有 机 锆 交 联 剂 在 引 入 有 机 配 位 体 后 稳定性提高，因为 多 核 络 离 子 的 形 成，单 位 交 联 点 强度增加，从而提 高 弱 凝 胶 的 抗 温 性．由 于 有 机 配 位 体 和 有 机 锆 同 时 竞 争 与 聚 合 物 的 反 应 ，有 机 锆 本 身的稳定性提高，因 此，能 够 与 聚 合 物 反 应 的 离 子 数量减少，使交联反应延迟［７］．另外，Ｚｒ４＋ 还 可 以 防 止 粘 土 膨 胀 ，因 此 有 机 锆 交 联 剂 在 石 油 增 产 领 域 中 起着重要作用 ． ［８］
＊ 收稿日期：２０１４－１１－１３ 基金项目：国家自然科学基金项目（２１２０４０４６）；教育部留学回国人员科研启动基金项目（１７０７）；陕西省科技厅科学技术 研 究 发 展 计 划 项 目 （２０１３ＫＪＸＸ－７７） 作者简介：罗庆梅（１９７３－ ），女，陕西延安人，工程师，硕士，研究方向：采油技术
２ 结 果 与 讨 论
２．１ 氧 氯 化 锆 含 量 对 压 裂 液 性 能 的 影 响 固定交联 剂 配 方 中 其 他 组 分 含 量，ＨＰＡＭ 浓
度为５００ｍｇ·Ｌ－１，在２５ ℃下反应，讨论氧氯化锆 含 量 对 压 裂 液 成 胶 时 间 和 凝 胶 强 度 的 影 响 ．结 果 如 图１所示．
１：ｗｔ％８００ ｍｇ·Ｌ－１ （ＨＰＡＭ）＋ ｗｔ％５００ ｍｇ·Ｌ－１ （交 联 剂）；２：ｗｔ％５００ｍｇ·Ｌ－１（ＨＰＡＭ）＋ｗｔ％５００ ｍｇ·Ｌ－１（交 联剂 ）；３：ｗｔ％３００ ｍｇ·Ｌ－１（ＨＰＡＭ）＋ｗｔ％５００ ｍｇ·Ｌ－１ （交 联 剂 ）
图 ２ 剪 切 速 率 对 压 裂 液 成 胶 体 系 黏 度 的 影 响 该弱凝胶体系为非牛顿流体呈现剪切变稀的
流变特性．剪切速 率 增 加，凝 胶 黏 度 均 出 现 降 低 的 趋势．ＨＰＡＭ 浓 度 ３００ ｍｇ·Ｌ－１ 时，凝 胶 强 度 低． 考虑适宜的成 胶 时 间 和 凝 胶 强 度，ＨＰＡＭ 最 佳 浓 度为５００ ｍｇ·Ｌ－１［１２］． ２．３ 交 联 剂 浓 度 对 成 胶 性 能 的 影 响
１．１ 主 要 试 剂 与 仪 器 氧氯化锆，ＡＲ，南 京 市 乐 丰 化 工 有 限 公 司；部
分水解聚丙烯 酰 胺 （ＨＰＡＭ），相 对 分 子 质 量 １０× １０６，水解度３５％，大庆 油 田 助 剂 厂 生 产．有 机 锆 交 联剂，实验室自制；ＬＤＶ－３＋ＰＲＤ 数字式黏度计， 上海尼润智能科技有限公司．
１．３ 压 裂 液 的 配 制
按配 方 要 求 将 ＨＰＡＭ 配 制 成 一 定 浓 度 的 水 溶液，向其中加入 一 定 量 的 有 机 锆 交 联 剂，搅 拌 均 匀，观察压裂液的 成 胶 情 况，以 压 裂 液 黏 度 不 在 明 显 变 化 为 成 胶 时 间 ，黏 度 随 时 间 变 化 的 拐 点 处 为 压 裂液黏度．
ＨＰＡＭ／有机锆交联体系压裂液的研究
罗 庆 梅１，郭 敏１，白 玉 军１，申 坤１，侯 艳 敏１，张 明１，费 贵 强２
（１．中国石油长庆油田分公司 第一采油厂，陕西 延安 ７１６０００；２．陕西农产品加工 技 术 研 究 院，陕 西 西 安 ７１００２１）
摘 要：制备了一种 ＨＰＡＭ／有机锆交联体系酸 性 压 裂 液，分 别 讨 论 了 ＨＰＡＭ 和 有 机 锆 交 联 剂浓度对压裂液成胶性能的影响．结果表明，在 ２５ ℃ 下，有 机 锆 交 联 剂 浓 度 为 ５００ ｍｇ·Ｌ－１， ＨＰＡＭ 浓度为５００ｍｇ·Ｌ－１，破 胶 剂 过 硫 酸 铵 浓 度 为 １６ｇ·Ｌ－１．耐 矿 化 度 为 ７ ０００ ｍｇ· Ｌ－１，耐温耐剪切测试表明，该压裂液体系在剪切速率１７０ｓ－１条 件 下，连 续 剪 切 １２０ ｍｉｎ，耐 温 为９５ ℃黏度在３００ｍＰａ·ｓ以上，表明该压裂液体系具有良好的耐温耐剪切性能．压裂液综合 性 能 评 价 表 明 ：压 裂 液 体 系 悬 砂 性 能 好 ，破 胶 速 度 快 、彻 底 ，破 胶 液 残 渣 含 量 低 ，对 岩 心 伤 害 小 ． 关 键 词 ：部 分 水 解 聚 丙 烯 酰 胺 （ＨＰＡＭ）；有 机 锆 交 联 剂 ；水 基 压 裂 液 中 图 分 类 号 ：ＴＥ３９ 文 献 标 志 码 ：Ａ
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胶 强 度 ，交 联 剂 最 佳 用 量 为 ５００ ｍｇ·Ｌ－１．
２．４ 矿 化 度 对 成 胶 时 间 的 影 响 用 不 同 矿 化 度 水 配 制 弱 凝 胶 溶 液 ，考 察 矿 化 度
对弱凝胶溶液成胶时间的影响．实验在２５ ℃下，固 定 ＨＰＡＭ 质量 浓 度 ５００ ｍｇ·Ｌ－１ 和 交 联 剂 的 质 量 浓 度 ５００ ｍｇ·Ｌ－１，测 得 结 果 如 图 ４ 所 示 ．