超级瓜尔胶理化特征及压裂液配方评价

2011年10月
第30卷第5期
大庆石油地质与开发
Petroleum Geology and Oilfield Development in Daqing
Oct.,2011
Vol.30No.5
　收稿日期:2010⁃12⁃23 改回日期:2011⁃01⁃24
　基金项目:中国石油股份公司 十一五”科技攻关项目(2008D150305)部分成果资助㊂
　作者简介:王贤君,男,1968年生,博士,高级工程师,从事油田化学和增产改造技术研究㊂
E⁃mail:wangxianjun@
DOI :10.3969/J.ISSN.1000⁃3754.2011.05.022
超级瓜尔胶理化特征及压裂液配方评价
王贤君　韩　松　肖丹凤　张明慧　侯堡怀
(大庆油田有限责任公司采油工程研究院,黑龙江大庆　163453)
摘要:针对大庆油田特低渗透储层压裂增产改造的需要,开发了一种新型超级瓜尔胶压裂液㊂利用核磁共振和黏度实验技术表征了超级瓜尔胶的化学结构和相对分子质量,利用流变仪测定了超级瓜尔胶压裂液的流变性质㊂结果表明:超级瓜尔胶与瓜尔胶原粉的化学结构基本相同,但是相对分子质量却比瓜尔胶原粉高1.4倍左右;在相同温度和相同剪切速率条件下,配置相同剪切黏度压裂液所需超级瓜尔胶用量仅为羟丙基瓜尔胶用量的一半;和羟丙基瓜尔胶压裂液相比较,超级瓜尔胶配置的压裂液残渣含量降低了一半以上,破胶更加彻底㊂利用超级瓜尔胶压裂技术对海拉尔油田低渗透储层的61口井119个层位进行了压裂施工,平均产液强度为1.10t /(m㊃d),比利用常规的羟丙基瓜尔胶压裂液技术对相同区块12口井22个层位进行压裂施工的平均产液强度提高了22.7%,取得了较好的增产效果㊂关
键
词:超级瓜尔胶;相对分子质量;化学结构;低渗透储层;增产效果
中图分类号:TE357.1+
2
文献标识码:A 文章编号:1000⁃3754(2011)05⁃0101⁃04
PHYSICOCHEMICAL CHARACTERISTICS OF THE PROCESSED
ENHANCED GUAR AND FORMULA EVALUATIONS
FOR FRACTURING FLUID
WANG Xianjun ,HAN Song ,XIAO Danfeng ,ZHANG Minghui ,HOU Baohuai
(Production Engineering Research Institute of Daqing Oilfield Company Ltd .;Daqing 163453,China )Abstract :Aiming at the demands of fracturing stimulation in ultra⁃low permeability reservoirs in Daqing Oilfield ,a
new kind of processed enhanced guar fracturing fluid is developed.The chemical structure and molecular weight of the processed enhanced guar are characterized through the application of nuclear magnetic resonance (NMR )and viscosity measurement technique ,and the rheological properties of the processed enhanced guar fracturing fluid is measured by rheometers.The result shows that :chemical structures of the processed enhanced guar and the guar powder are basically the same ,but the molecular weight of the processed enhanced guar is approximately 1.4times greater than that of guar gum powder.At the same temperature and the same shear rate ,the usage of the processed enhanced guar used to prepare the fracturing fluid with the same shear viscosity is only half of the usage of
hydroxypropyl pared with hydroxypropyl guar fracturing fluid ,the residue content of the fracturing fluid prepared with the processed enhanced guar is reduced by more than fifty percent ,and meanwhile more complete ge⁃
lout is realized.The fracturing operation is conducted to the61wells in the119layers of the low⁃permeability reser⁃voirs in Hailaer Basin by the application of the processed enhanced guar fracturing technology.The average liquid production intensity is1.10t/(m㊃d),22.7%higher than that of the12wells in22layers in the same block by the application of the conventional hydroxypropyl guar fracturing liquid technology,and a relatively good stimulation effect is obtained.
Key words:processed enhanced guar;molecular weight;chemical structure;low⁃permeability reservoir;stimula⁃tion effect
海拉尔油田低渗透复杂岩性油层的物性差,含油丰度低,储层岩石黏土矿物含量高㊁易水敏㊁油藏注水受效差,油井产能低,如何在压裂过程中减少对储层渗透率的损害是低渗透油田开采必须要解决的关键问题[1]㊂采用的常规水基压裂液增稠剂,如瓜尔胶原粉㊁羟丙基瓜尔胶存在使用量大㊁水不溶物多㊁破胶液残渣含量较高,对储层及裂缝导流能力损害较大等缺点,严重影响了压裂改造效果[2,3]㊂对超级瓜尔胶压裂液技术的初步研究发现[4],和常规的瓜尔胶压裂液相比较,超级瓜尔胶压裂液具有较低的使用质量分数㊁低残渣和低伤害等优点㊂如何理解两者之间表现出的差异,在此基础上进一步优化超级瓜尔胶压裂液的性能,是解决大庆外围低渗透储层压裂改造最有效的技术途径之一㊂
1结构的表征
根据文献报道[4,5],制备超级瓜尔胶与瓜尔胶所用原材料是相同的,但是超级瓜尔胶在加工过程中采取了特殊的制粉工艺,可以有效地防止在高温和剪切过程对高分子结构的破坏㊂超级瓜尔胶高分子同时含有半乳糖和甘露糖2种结构单元,超级瓜尔胶的化学结构如图1所示㊂从图1中可以看出, 2种单糖中C 1相连的氧原子最多,相应的H 1处于最低场(化学位移δ在5.1~5.4)㊂由于半乳糖的H 1处于平伏位置,处在单键产生的各向异性磁场屏蔽区外,而甘露糖的H 1则处直立位置,位于屏蔽区内㊂一般说来屏蔽区外质子的化学位移都大于屏蔽区内质子的化学位移,因此核磁谱图中半乳糖H 1的δ为5.39,甘露糖H 1的δ值为5.11,两者积分面积的比值可以用来表征半乳糖和甘露糖的比值[6]㊂图2为60℃时超级瓜尔胶的核磁共振氢谱图,从图2中可以看出,超级瓜尔胶和前人所做的瓜尔胶原粉的谱图基本是一致的,半乳糖和甘露糖的比值为1∶1.5,可以确定超级瓜尔胶与瓜尔胶原粉的结构是一致的
㊂
2相对分子质量的表征
为了进一步比较超级瓜尔胶㊁瓜尔胶原粉和羟丙基瓜尔胶3者之间的差异,用乌式黏度计测定了
3者稀溶液的比浓黏度ηsp/C,比浓黏度与浓度C 的关系见图3㊂可以看出,比浓黏度与浓度之间满足线性关系,外推到浓度等于零可以得到高分子溶液的特性黏数[η],利用图3中直线斜率值b除以特性黏数[η]的平方(b/[η]2),可以获得Huggins相互作用参数k H㊂
根据高分子溶液理论[7],k H反映了溶液中高分子之间相互作用的大小,而[η]反映了高分子
㊃201㊃ 大庆石油地质与开发 2011年
相对分子质量M的大小,相对分子质量可以按照公式[η]=KMα进行计算,其中常数K和α可以从相关手册或者文献中查到㊂根据文献[8,9]提供的K和α数据,计算超级瓜尔胶㊁瓜尔胶原粉和羟丙基瓜尔胶的[η]㊁k H和M结果见表1㊂从表1可以看出,超级瓜尔胶的相对分子质量在2×106以上,远大于瓜尔胶原粉和羟胶,说明超级瓜尔胶特殊的造粉工艺有效地阻止了瓜尔胶高分子在加工过程中的降解,因此超级瓜尔胶比瓜尔胶原粉和羟丙基瓜尔胶增稠效果好㊂
表1　超级瓜尔胶㊁瓜尔胶原粉和
羟丙基瓜尔胶的[η]㊁k H和M
Table1[η],k H and M of the processed enhanced guar, the guar gum powder and the hydroxypropyl guar
项　目[η]k H M
超级瓜尔胶15.740.752.43×106
瓜尔胶原粉12.600.761.78×106
羟丙基瓜尔胶11.970.591.50×106
3水溶性与水不溶物测定
配制的超级瓜尔胶压裂液基液为浅黄色液体,目测无固体颗粒,用高速离心分离方法检测超级瓜尔胶水不溶物含量,并且与相同质量分数的羟丙基瓜尔胶进行了对比,实验结果见表2㊂由表2中可以看出,超级瓜尔胶的水不溶物含量少,和羟丙基瓜尔胶相比较,水不溶物含量降低40%以上,并且溶解速度快,易于现场配制,基液不产生鱼眼,
表2　超级瓜尔胶和羟丙基瓜尔胶水溶性对比
Table2Comparison of water⁃solubility of the processed enhanced guar and the hydroxypropyl guar 项 目超级瓜尔胶羟丙级瓜尔胶
外观淡黄色粉末黄色粉末含水率/%4.78.6
pH6~76~7
黏度(30℃,170s-1,0.6%)/(mPa㊃s)156.4115.8水不溶物含量/%5.48.1溶解性能配制20min后黏度最大配制60min后黏度最大
分散性和溶胀性好㊂
4压裂液的性能
4.1流变性能
图4是在100℃条件下超级瓜尔胶与常规羟丙基瓜尔胶压裂液黏度随剪切时间的变化,其中超级瓜尔胶的使用质量分数是0.28,而羟丙基瓜尔胶的使用质量分数是0.55,可以看出,在剪切达到稳定时,超级瓜尔胶的黏度和羟丙基瓜尔胶的黏度相当,说明超级瓜尔胶的增稠效率更高,因此使用质量分数更低,可以有效减小破胶的负载和对储层的损害㊂表3是在不同温度㊁
具有相同剪切黏度条件下,超级瓜尔胶与常规羟丙基瓜尔胶对应的使用㊃301㊃
第30卷　第5期 王贤君　等:超级瓜尔胶理化特征及压裂液配方评价
表3　不同温度(相同剪切黏度条件)超级瓜尔胶与常规羟丙基瓜尔胶用量对比
Table3Comparison of dosages of the processed enhanced guar and the conventional hydroxypropyl guar at different temperatures(but at the same shear viscosity)温度/℃羟丙基瓜尔胶质量分数超级瓜尔胶质量分数
450.360.18
600.400.19
800.500.25 1000.550.28 1200.600.28质量分数,可以看出,超级瓜尔胶的用量只是羟丙基瓜尔胶用量的二分之一左右㊂
4.2破胶性能
破胶程度及破胶液中残渣含量是衡量压裂液性能好坏的重要指标之一㊂在不同温度下,对超级瓜尔胶压裂液冻胶进行破胶实验㊂在80℃和100℃条件下测定了超级瓜尔胶压裂液和羟丙基瓜尔胶压裂液破胶水化6h后破胶液黏度㊁表界面张力和残渣含量(表4),所用破胶剂为过硫酸钾㊂从表4中可以看出,超级瓜尔胶压裂液破胶性能好,破胶液黏度低,残渣含量比羟丙基瓜尔胶压裂液降低了一半以上㊂
表4　超级瓜尔胶压裂液与羟丙基瓜尔胶压裂液主要性能对比
Table4Comparison of the main performances of the processed enhanced guar fracturing fluid
and hydroxypropyl guar fracturing fluid
温度/℃
破胶剂
质量分数
黏度/(mPa㊃s)
超级瓜尔胶羟丙基瓜尔胶
表面张力/(mN㊃m-1)
超级瓜尔胶羟丙基瓜尔胶
界面张力/(mN㊃m-1)
超级瓜尔胶羟丙基瓜尔胶
残渣浓度/(mg㊃L-1)
超级瓜尔胶羟丙基瓜尔胶
800.0101.814.0226.5128.071.314.02200.4412.6 1000.0082.024.6825.5829.331.953.62244.5495.0
5现场应用
超级瓜尔胶压裂液在贝中次凹地区开发井应用61口井119个层,施工成功率99%,压裂初期平均产液强度1.10t/(m㊃d);同区块常规羟丙基压裂液应用12口井22个层,施工成功率96%,平均产液强度0.85t/(m㊃d),超级瓜尔胶压裂液较常规羟丙基瓜尔胶压裂液产液强度提高了22.7%,取得了较好的增产效果㊂
6结　论
(1)采用核磁共振技术和黏度测量技术,分析了超级瓜尔胶分子结构和相对分子质量,结果表明,超级瓜尔胶的化学结构与瓜尔胶原粉相同,但是相对分子质量要大于瓜尔胶原粉和羟丙基瓜尔胶㊂此外,超级瓜尔胶的溶解性好,水不溶物的含量比羟丙基瓜尔胶降低40%以上㊂
(2)在相同油藏条件下,超级瓜尔胶的使用质量分数比常规使用的羟丙基瓜尔胶降低了50%左右㊂与羟丙基瓜尔胶压裂液相比较,超级瓜尔胶压裂液残渣含量下降一半以上㊂
(3)在海拉尔油田低渗透储层使用超级瓜尔胶压裂液的施工成功率为100%,与羟丙基瓜尔胶压裂液相比较,采用超级瓜尔胶压裂液,产液强度提高了22.7%,增产效果较好㊂
参考文献:
[1]王贤君,邓贤文,肖丹凤,等.特低渗透储层压裂液微观伤害
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编辑:刘桂玲
㊃401㊃ 大庆石油地质与开发 2011年。