水基压裂液增稠剂的研究进展

水基压裂液增稠剂的研究进展

李超颖1,王英东2,曾庆雪1

(1.东北石油大学化学化工学院;2.中国石油大庆石化分公司,黑龙江大庆　163711)

摘　要:本文综述了水基压裂液增稠剂的研究进展。低伤害、耐高温的改性胍胶研究广泛。除香豆胶、魔芋胶的改性物外,新型低损害苦苈胶综合性能优于羟丙基胍胶。疏水缔型聚合物,与传统聚丙烯酰胺类比较,热稳定性更好、抗剪切性能更强,具有广阔的应用前景。

关键词:压裂液;增稠剂;植物胶;疏水缔合型聚合物

中图分类号:T E357.1+2 文献标识码:A 文章编号:1006—7981(2011)05—0008—03

增稠剂是水基压裂液中的主要添加剂,其性能好坏对压裂液综合性能、压裂施工效果都有着重要影响。尤其面临高温、低渗、碱敏储层的开发,寻求增稠能力更强、对地层伤害更小、高温稳定性更好的增稠剂成为国内外学者研究的方向。目前使用的水基压裂液增稠剂种类繁多,可分为天然聚合物、人工合成聚合物两大类,本文分别就其研究进展进行评述。1　天然聚合物

1.1　植物胶衍生物

植物胶衍生物增稠能力强、易交联成冻胶、性能稳定,是国内外压裂作业主要使用的增稠剂。由于受分子精细结构、加工工艺、加工设备的影响,植物胶品种不同,性能有差异。

1.1.1　胍胶

胍胶原粉取自瓜尔豆内胚乳,直接使用具有不能快速溶胀和水合,溶解速度慢,水不溶物含量高,粘度不易控制,易被微生物分解而不能长期保存等缺点。而各种改性胍胶可改善胍胶原粉不足,但增稠能力均有所下降。目前,在广泛应用的改性胍胶:羟丙基胍胶(HP G)、羧甲基胍胶(CM G)、羧甲基羟丙基胍胶(CM HPG)、阳离子胍胶等基础上,适应当前要求的其他改性物出现。

1.1.1.1　低分子量胍胶

胍胶的低分子量化,是为了降低常规胍胶压裂液的造壁性和破胶后分子量依然很大的破胶液对低渗储层细小喉道的伤害。

程巍等[1,2]研究了硼交联低分子量胍胶凝胶体系的流变性,具有良好的粘弹性和剪切变稀性。J. Weaver等[3]提出的低分子量胍胶压裂液体系无需内部破胶剂,优良的支撑剂传输性能和低滤失性能,适合高砂比作业。

胍胶降解后分子量降低,为常规胍胶的1/20-

1/10,水不溶物降低,同样条件下压裂液破胶液分子量也降低,减少了对地层的伤害。但基液浓度下降,只有10mP a・s左右(常规压裂液现场应用的基液粘度一般在36m Pa・s以上),不适合高温作业。使用硼交联后,形成致密的聚合物网络结构,因为聚合物的短链和高紧密聚合物网络形成的交联液具有更好的粘性和弹性,液体链的体积也较小,粘弹性较高,提高了压裂液的携砂性能。

1.1.1.2　酸性交联胍胶

大多数植物胶压裂液都是在碱性条件下交联,为了保留植物胶稠化剂的优势并使其适应对碱敏性地层的压裂改造、进行酸性压裂和CO2泡沫压裂,需研制酸性条件下交联的植物胶压裂液,其中一个方向是研制可酸性交联的稠化剂。

郭吉清等[4]研究表明,改性胍胶M GG水不溶物含量及1%基液粘度优于特级羟丙基胍胶,与一种金属化合物可在pH值2.5～5.5范围内交联而形成稳定冻胶体系,其冻胶可用过硫酸铵破胶,破胶残渣质量浓度可降至180mg/L。

王博涛等[5]将羧甲基酸性交联冻胶压裂液应用于安塞油田长(10)储层,施工平稳,增产效果明显。周际春等[6,7]向普通胍胶分子中引入亲水基团钠羧甲基和羟丙基,研制出酸性条件下交联的新型压裂液增稠荆GXG。该增稠剂溶解和增黏性能都很好,破胶后残渣含量少,破胶液黏度低,有利于压裂液的破胶返排。由该增稠剂作为基液的压裂液有很好的流变性、破胶性,对储层伤害小。

胍胶改性后,除了本身具有适合碱性交联的羟基外,还具有酸性交联的官能团,而常规硼砂交联pH>9,因此,除了在稠化剂方面进行改性外,还需研制与其配伍的酸性交联剂。

1.1.1.3　高温改性胍胶

压裂施工趋于深井或超深井,而现有高温压裂液一般只满足150℃以下作业,因此需要研制适合180℃以上的超高温压裂液,其中一个方向是研制具有抗高温分子结构的稠化剂。

辛军等[8]研制了超高温改性胍胶(CHPG)稠化剂,与有机硼锆交联后,198℃下显示出优异的抗温抗剪切性能。张应安等[9]研制了新型羧甲基胍胶压裂液,有耐高温(180℃)、低浓度、低残渣、低伤害、低摩阻的特点,压裂施工获得很好的增产效果。疏水改性胍胶[10,11]具有疏水缔合物特殊的流变性:超过临

8内蒙古石油化工 2011年第5期　

收稿日期:2011-01-15

作者简介:李超颖(1986-),女,在读硕士研究生,东北石油大学化学工艺专业。

界缔合浓度后,表观粘度迅速增加,且稳定性增加。

国内外对疏水缔合物的研究很多,但将胍胶疏水改性以适应高温储层的研究很少,一般都是集中在人工合成疏水缔合物。与合成聚合物相比,胍胶的水不溶物不可避免,但目前以胍胶压裂液为中心的室内研究压裂施工都很成熟,因此对胍胶疏水改性可以作为提高高温稳定性的一个方向。

1.1.2　香豆胶

香豆胶是重要的国产植物胶,其不溶物含量比未改性胍胶原粉低,和国产羟丙基胍胶接近,水溶液稳定性和减阻性能良好,其综合性能虽不如胍胶,但基本上已接近改性胍胶。

以往对香豆胶的研究集中在香豆胶原粉的粘弹性、流变性、与锆配伍应用于超深井。近年来,出现了香豆胶的改性物,羧甲基香豆胶、羟丙基香豆胶、阳离子香豆胶、疏水改性香豆胶和低聚香豆胶。改性后,水不溶物都较香豆原胶不同程度降低,其中羟丙基香豆胶/有机锆冻胶黏度高,在150℃和160℃下,热剪切稳定性好,滤失小,抗盐抗钙性能好[12]。与香豆原胶相比,可用于温度更高的井组。

1.1.3　魔芋胶

魔芋胶具有较强的增粘能力和良好的流变特性,抗盐抗钙性好,分子量大,为120万左右。其固有水不溶物含量虽高,但KGM的甘键在酸或特定的酶作用下短裂,聚糖分子发生降解,残渣少,中低温条件下表现出了良好的综合性能[13]。为提高魔芋胶的抗温性能,将魔芋胶与2-丙烯酰胺基-甲基丙磺酸的接枝共聚改性,产品的稳定性、抗温性能有了较大的改善[14]。为了适应碱敏地层,基于黄原胶(XG)和魔芋胶(KG)在水溶液中形成嵌合结构体的原理,研制了非化学交联型XG/KG冻胶压裂液。该体系压裂液可用于碱敏、天然裂缝发育储层的压裂[15]。

1.1.4　苦苈胶

苦苈胶是近年来研究的新型植物胶品种。它与胍胶原粉相比增粘能力更强,耐温耐盐性能更好,酸性条件下比碱性条件下基液粘度大[16,17]。刘合等[18]研究了苦苈胶类压裂液,核磁共振谱图表明,其结构中半乳糖含量比羟丙基胍胶高,其重均分子量仅为胍胶的1/4,水溶性更好。室内破胶性能好,残渣少,降滤失性能好,对地层伤害小。压裂施工效果比羟丙基胍胶压裂液提高133%,且成本更低,是可推广的新型低损害植物胶。

除以上植物胶外,还有其它类型在研究、应用,如田菁胶、沙蒿胶等,大都是适应不苛刻地层、降低成本的选择。从比例来看,目前胍胶类稠化剂仍然占有很大比重,对国产植物胶的研究较少。胍胶类稠化剂发展时间长,已形成了完备的体系,但国产植物胶如香豆胶、苦苈胶与胍胶原粉相比,在增稠能力、水不溶物含量、耐温耐盐性等方面差距不大,它们的改性物也具有潜在的优势,有希望作为进口胍胶的替代品。

1.2　其他类型

除了植物胶类增稠剂,还有纤维素衍生物、变性淀粉、微生物多糖等天然聚合物增稠剂,它们大多因高温稳定性不好、不耐剪切、不易交联等不能适应当前对增稠剂的要求,但在食品工业、钻井液等方面有所应用。随着改性方法和生物合成方法的迅速发展,它们的复合改性物在压裂液方面也将有广阔的应用前景。

2　人工合成聚合物

2.1　低分子量聚合物

管保山等[19]研发了以低分子量合成聚合物P Y21(含有酰胺基团)为稠化剂的交联冻胶压裂液,压裂效果良好。蒋羿黎等[20]合成由短链分子聚合和交联的新型无破胶剂压裂液。它滤失量低,90℃下携砂能力较好,无残渣、易返排、使用方便,可再生重复使用。

以低含量的低分子量人工合成聚合物为增稠剂的水基冻胶压裂液,在裂缝壁面上形成滤饼的趋势较小,破胶后残渣含量较瓜尔胶压裂液大大减少。这种压裂液使用黏度低、携砂性能好、材料费用低、易破胶返排,适用于低压、低渗储层,已成为目前国内外压裂液体系研究的主要方向之一。

2.2　酸性交联聚合物

张汝生等[21]合成聚合物稠化剂FA-200不含水不溶物,水溶液呈中性,能在酸性条件下交联,形成的压裂液体系特别适用于碱敏性地层和CO2泡沫压裂。二氧化碳泡沫压裂液主要使用羟丙基瓜尔胶和羧甲基羟丙基瓜尔胶为稠化剂,在酸性交联剂作用下形成冻胶,材料费偏高,研制成本偏低的可酸性交联合成聚合物,降低施工成本的方向。

2.3　疏水缔合型聚合物

国内外研究比较多的人工合成聚合物增稠剂主要是丙烯酰胺类,比较有代表性的是聚丙烯酰胺类,它在改善增粘性方面已有一定进展,但抗剪切性一直不理想。疏水缔合型聚合物能在分子间产生具有一定强度但又可逆的物理缔合,形成三维网状结构,这一特性能够很好地解决以往丙烯酰胺类聚合物的抗剪切性差的问题。

周成峪等[22,23]利用丙烯酰胺、疏水单体N-烷基丙烯酰胺和N-乙烯吡咯环酮合成了一种疏水缔合物压裂液增稠剂AN N。用ANN和其他添加剂配制出了高温抗剪切聚合物压裂液。通过对该聚合物压裂液的性能进行评价,结果表明,该聚合物压裂液是非牛顿流体,具有较好的流变性、抗高温性和抗剪切性,并具有优良的黏土稳定性能和低残渣的特点。

肖丹凤等[24]将疏水缔合物增稠剂应用在大庆低渗储层,增产效果良好。何东等[25]以疏水缔合聚合物AP-P3为增稠剂,以胡尖山区块的地层水为溶剂,以及其他原料为配方的适合于胡尖山油田的对地层低伤害的压裂液体系,经现场试验证明:该压裂液体系对胡尖山油田提高采收率是有益的。吴伟等[26]合成了含有一个亲水段和一个疏水段的嵌段聚合物压裂液增稠剂,该嵌段聚合物压裂液耐温达到170℃,且耐剪切、破胶彻底,满足油田现场施工需要。

目前,疏水缔合型聚合物已在提高油田采收率方面应用广泛,但用作压裂液增稠剂的研究、应用较少,其特殊的结构可以很好地解决压裂液的热稳定性和抗剪切性问题,是人工合成聚合物发展的一个重要研究方向。另外,疏水缔合聚合物与VES的协

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