羟丙基瓜尔胶压裂液的研究及应用:
羟丙基瓜尔胶压裂液的研究及应用,压裂作为改造低渗透油层的一种增产措施在我国各油田应用越来越广泛，压裂液的发展 也越来越快，80年代，全国各油田都是根据国内现有资源来研究适合于本油田使用的压裂液， 如胜利油田研制的田菁胶压裂液、羟丙基田菁胶压裂液;大港油田研制的CMC铬冻胶压裂液； 长庆油田研制的甲叉基聚丙烯酰胺压裂液等。为了减少压裂液残渣对地层及裂缝导流能力的 伤害，90年代初又相继发展了几种低伤害压裂液，如四川泸州天然气研究所研制的魔竽胶压 裂液(CT9_1);石油勘探开发研究院廊坊分院研制的香豆胶压裂液;胜利油田研制的SC_1 型植物胶压裂液等。这些压裂液的研制成功，对我国低渗透油田的压裂改造，都起到了极大的 促进作用。
自1992年开始，我国部分地区和油田通过各种渠道从印度、巴基斯坦等国家进口瓜尔胶 原粉，为使瓜尔胶压裂液更好地在全国各油田应用，我们研究了羟丙基瓜尔胶粉的合成工艺及 羟丙基瓜尔胶压裂液的系列配方，并在现场进行了推广应用。
_、交联机理
1.羟丙基瓜尔胶的分子结构瓜尔胶原粉在常温下的水合物可分为水溶性和水不溶性两 部分，水溶性部分主要是半乳甘露聚糖，是工业使用的有效部分，水不溶性部分主要是分子量 较大的半乳甘露聚糖，粗纤维，蛋白质等。见瓜尔胶中的半乳甘露聚糖的结构式。
从结构式看出：瓜尔胶的主链是A——甘露糖通过1、4碳原子上的羟基缩聚而成，而a ——半乳糖则是通过1、6碳原子的羟基缩聚接枝在主链上，半乳糖与甘露糖的比值为1 : 2。
从瓜尔胶原粉结构上看，半乳糖为支链，甘露糖为主链，固态下通常以卷曲的球形结构存 在，因此，甘露糖在里，半乳糖在外，且半乳糖上的<：6羟基为伯醇羟基，所以，不管从立体位阻， 还是从反应活性来看，半乳糖上的Cs羟基产生醚化的机率最大。见羟丙基瓜尔胶的主要结构 式。
经丙基瓜尔胶结构式
CHjOH"""""……"
半乳甘S聚糖结构式
2.硎砂与羟丙基瓜尔股粉的交联机理据文献〔1〕介绍，硼砂和半乳甘露聚糖中的邻位顺 式羟基发生交联反应，是通过极性键和配价键交联起来，其具体反应如下 硼酸盐溶于水形成硼酸盐离子
Na2B407 + 7H20 ^^2Na+ + 2B(0H)3 + 2B(OH)「
进一步电离
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
硼酸盐离子与邻位顺式羟基反应
有机硼和羟丙基瓜尔胶反应目前尚无定论，可能是硼首先形成多核羟桥络离子，再和羟丙 基瓜尔胶中的羟基交联。
羟丙f瓜尔胶
(HZO)4
(H2〇)4
二、配方组成
根据全国各类低渗透油藏深度和油层温度的不同，将其压裂液划分为4个系列配方为:配
方A,适用地层温度25〜5CTC;配方B，适用地层温度50〜8(TC;配方C，适用地层温度80〜 12CTC;配方D，适用地层温度120〜15(TC。4种压裂液配方见表1。
表1羟丙基瓜尔胶压裂液系列配方
名 称增稠剂条菌剂助棑剂枯 土 稔定刑降漶剂稔定剂pH值 调节剂低溫 交联剂破胶剂高温
交联荆激活荆
组 分HPGHCHOMANP216100目 粉砂Na2S03Na2C〇3NasB^O?(NH2)S2〇8有机期M
浓
度
范
围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
纪方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列出了不同添加剂的应用范围，应根据不同的油层特点及地质条件进行有针对性的 选择。
三、性能评定
1.热穗定性及流变作采用西德HAKKE公司生产的RV20旋转粘度计（高温）和RV2旋 转粘度计(低温），测定压裂液的流变性及粘度，图1、图2是不同温度下测定的粘度变化曲线， 图3、图4是不同温度下测定的流变曲线。
困1 羟丙基瓜尔胶压裂液粘度因2 羟丙基瓜尔胶压裂液粘度
变化曲线变化曲线
表2压裂液粘度与时间的关系
时间（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
具体测定结果如下：
» 试S度：12〇iC
2)*-
困3 羟丙基瓜尔胶压裂液困4 羟丙基瓜尔胶压裂液
流变曲线流变曲线
由表2看出：4个配方的压裂液剪切lh后粘度均大于90mPa • s，都能满足携砂要求。
表3压裂液的流变性
(1)粘度。试验方法:将压裂液升到指定温度后，在一定的剪切速率下剪切lh，测定压裂液 粘度随时间的变化关系，其数据见表2。
fc 方稠度系数
(Pa • Sn)流态指数
a，相关系数
A4.6580. 302 3
B5. 4470. 312 5
C8.9640. 296 80. 98
D7. 3240. 384 20.96
(2)流变性。压裂液在指定的温度下，指定 的剪切速率剪切lh后，羟丙基瓜尔胶压裂液的研究及应用,改变剪切速率，测定相 应的剪切应力，按幂律流体数学模型进行回 归，得到压裂液的稠度系数if和流态指数》'，
其数据见表3。
由表3看出，压裂液的稠度系数较大，流 态指数较小，易于造缝，相关系数为0.96〜
0.98,是典型的幂律流体。
2.滤失性压裂液的滤失实际上是一个过滤过程，它受许多参数的控制，包括液体成份、 压力、液体粘度及造壁性等。室内进行滤失测定的仪器主要与压裂液的造壁性有关，采用的仪 器为美国BAROAD公司生产的高温高压滤失仪，测定压裂液在不同时间的滤失量，计算出滤 失系数C3和初滤失量匕，其数据见表4。
由表4看出：滤失系数C3都较小，但初滤失量K。稍大，这是由于增稠剂残渣较低，最初不 能有效地形成滤饼的缘故。
3.破胶化水性压裂液在地层条件下能否破胶化水极大地影响着压裂液对地层的伤害， 这也是压裂液应用的关键，它关系着整个压裂施工过程的成败及效果的好坏。室内进行破胶化 水试验是采用高温高压反应釜，模拟地层条件，搅拌器以每分钟20次的速率搅拌2h后，停止 揽拌，静止破胶，在不同时间取其样品，用逆流式毛细管粘度计在3CTC下测定其粘度，其数据 见表5。
由表5看出：除压裂液配方A破胶化水后的粘度为3〜4mPa • s外，配方B、C、D破胶化水 后的粘度均小于2mPa • s，说明该压裂液破胶化水彻底。
4.戌渣压裂液的残渣主要受原粉质量、合成工艺、合成配方等各种因素影响，只要合成 工艺和合成配方确定后，压裂液的残渣基本保持稳定，表6列出了对前1〇个工业合成样品进 行残渣含量检测的数据。
表4压裂液的初滤失置和滤失系数表5压裂液在不同时间破胶化水后的粘度
配
方温度
rc)时间
(h)滤失系数G (X lO—’m/min1’2)初滤失量
(Xl〇-3m3/m2)配
方不同时间破胶化水后的粘度（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压裂液残渣检测数据
样品12345678910平均
(%)2.342. 962. 743. 213.083.52'2. 762. 782.942. 452. 87
由表6看出：工业生产的前10个样品的残渣范围为2. 34%〜3. 52%，羟丙基瓜尔胶压裂液的研究及应用,平均残渣含量为 2.87%。
ITI
JZL
环压
5.压裂液对地层的伤害压裂液对地层的伤害包括:破胶液进入地层后，产生附加毛细管 力，降低油的相对渗透率，造成“水堵”;破胶液与地层粘土反应，使粘土膨胀运移，导致渗透率 降低;滤饼和残渣引起的伤害。为了检验破胶液引起的综合伤害，进行了岩心伤害试验，采用的 仪器为石油大学仪表厂生产的岩心流动试验仪，试验中所用的岩心直径2. 5cm，试验流程如图 5所示。
平衡罐
n
啉囲®58
手动高压泵
氮气瓶
电子天平
放空觸
困5岩心伤害试验流程困
试验步骤为：（1)把岩心抽真空，饱和盐水;（2)把岩心装入夹持器中；（3)正通煤油，测定岩 心原始渗透率I; (4)正通化水液30g; (5)反通煤油30g; (6)正通煤油测其渗透率私。
岩心伤害率〃用下式计算
K,-K2
X100%
' A'
表7有机钛和有机明|对岩心伤害比较
项目原始渗 透率A、
(XIO-W)渗透丰
K2
(XlO-Vn2)伤害率
n
(%)平均伤 害丰5
(%)
有机硝37. 1529. 9919. 2720. 08
259. 07204.9520. 89
有机钛42. 3432. 0424. 3224. 10
247. 8188. 6023. 89
分别取较高和较低渗透率岩心进行测量，
并与有机钛交联的压裂液化水液进行对比，其 数据见表7。
由表7看出：该压裂液对岩心的伤害率较 小，硼交联压裂液比钛交联压裂液的伤害率约 小4个百分点，因此使用有机砸作为高温交联 剂可明显降低压裂液对地层的伤害。
四、现场试验及应用
1.綜合效果羟丙基瓜尔胶压裂液在胜 利、延长、辽河等油田共现场应用237井次，其
中胜利173井次，延长油田44井次，辽河油田20井次。应用最深井为胜利油田的桩74 — 13 — 11井，压裂井段3 605. 3〜3 621.0m，油层温度142€。压裂最浅井为延长油田南沟岔6001井， 压裂井段424. 88〜438. 0m，油层温度29. 8€。
在胜利油田应用的173井次中，平均施工排量2. 3mVmin，平均砂比31. 5%，最高砂比 60%，平均单井加砂量10.8m3,施工工艺成功率99%，有效率96%。截止到1995年8月，已累 计增产原油19. 8万t，取得了明显的经济效益和社会效益。
如胜利油区的樊家油田，1991年投入开发，主力油层为沙三段，该油藏油层埋藏深，油层 厚度大，油层物性差，孔隙度小，渗透率低，层间非均质性严重，泥质含量高，但原油性质好，地 下原油粘度只有2.8mPa«S。
对这类油藏进行压裂改造，压裂液必须耐温性能好，防粘土膨胀及运移能力强，羟丙基瓜尔胶压裂液的研究及应用,易于从地 层中返排，同时针对地层非均质性严重的特点，结合限流压裂工艺施工。羟丙基瓜尔胶压裂液 在樊家油田共应用38井次，施工工艺成功率100%，有效率97. 4%，累计增产原油4.75万t。
2、典型井例以樊家油田樊121井为例：表8樊121井压裂液配方
成份浓度成份浓度
(成胶液）(%)(交联液）(%)
HPG0. 55硎砂1. 0
HCHO0. 2有机领1. 0
P2160• 3过歧酸铵0. 2
(后期加）
MAN0. 2
Na2C030. 017
(1)油井基本数据。完井日期= 1993. 10. 6;
完钻井深:3 450m;人工井底：3 330m;水泥返 高：1 600m;套管规范：139.7 mm X N 8 0 X 9. 17mm X 3398. 17m;油层井段：
3 270.3 〜3 278. 3m;射孔井段：327 1 〜
327 6m;孔隙度：16. 3%;渗透率：15. 3 X 10-Vm2;泥质含量：10. 4%;岩性：泥质粉砂 岩;油层温度：129.5r;油层压力：34MPa。
(2)压裂液配方见表8。
(3)压裂施工参数。施工排量：1. 5mVmiti;支撑剂：0• 4〜0• 8mm陶粒;砂量Jm3;平均砂比 37. 4%;破裂压力：39MPa;延伸压力：37MPa;前置液量：45m3;携砂液量：27m3;顶替液量： 14m3。
(4)压后效果。压后返排水量62m3;返排率72. 1%;返排时间60h;生产方式044min泵抽 油；压后初产油35t/d，含水10. 1%;目前产油12t/d，含水3. 5%，累计增产原油5 768U
从樊121井施工效果看，该压裂液耐温性能强，携砂能力好，压裂液返排率高，达到了 72. 1%，对地层伤害小，增油效果显著。
五、认识与结论
1.合成羟丙基瓜尔胶粉的设备简单、配方合理、合成工艺先进可行，羟丙基瓜尔胶粘度大 于原粉粘度，残渣含量较低。
2.羟丙基瓜尔胶压裂液采用有机硼交联剂，羟丙基瓜尔胶压裂液的研究及应用,耐温性能好、携砂能力强、粘度高、破胶化水彻 底，与钛交联压裂液相比，对地层伤害小。
3.加入激活剂的破胶系统使压裂液在30 C下破胶化水彻底，该技术具有一定的新颖性， 扩大了压裂液的应用范围。
4.经237井次的现场试验证实，该压裂液施工效果好，有效率高。
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