高性能压裂液用交联剂的研制及性能评价

卢翔，曹云

（1.陕西延长石油丰源有限责任公司，陕西 延安 716000；2.延安市环境保护监测站，陕西 延安 716000）

近年来，由于对油气资源的需求大幅上升，我国的大部分油气田进入开采后期，该阶段含水量高、特低孔渗使得油气藏的开采难度进一步加大，因此，压裂技术就显得非常重要，只有依靠压裂手段改造储层特性，才能提高油气藏的产能[1-3]。压裂液是压裂施工的关键，而交联剂、增稠剂及破胶剂又是压裂液体系的3种重要添加剂，其中增稠剂是主剂，但过量的增稠剂使得残渣含量及成本增加，因此交联剂就起到重要作用，交联剂的加入不仅降低了增稠剂的使用量，还可提高压裂液的弹性及黏度，减少对地层的伤害等[4-6]。因此，交联剂的种类至关重要，为了改善压裂液性能，特研究一种新型交联剂，并对研制的交联剂进行性能评价。

1 实验原料及仪器

实验所用主要原料有：无水乙醇、偶联剂DL602、氢氧化钠、胍胶粉、陶粒、过硫酸铵、硼酸、ATO-1分散液，均为AR级及以上。

主要的实验仪器有：流变仪、红外光谱仪、投射电镜仪、旋转粘度计、恒温水浴锅、电热鼓风干燥箱、电子天平、搅拌仪等。

2 交联剂的制备及实验方法

2.1 交联剂的制备

1）在烧杯中加入无水乙醇，用量筒量取一定量的硼酸并加入烧杯中，用搅拌仪在42℃的条件下搅拌30 min，待完全溶解后加入一定量的偶联剂DL602和ATO-1分散液，并将溶液升温至80℃后让其反应120 min，最终可得到所研究的交联剂，为了便于研究，将其命名为LJN-2。

2）将反应完全得到的白色乳液置于108℃的干燥箱干燥，即可使得LJN-2呈固体粉末状，在后期压裂施工过程中不仅便于携带，且现场配制更简单。

2.2 交联剂性能评价实验方法

交联剂性能评价主要从交联剂本身的结构、粒度分布、流变性能、悬砂性能、交联时间、破胶性能几个方面进行综合评价[7-10]。

胍胶溶液的配制：量取1 000 mL去离子水于烧杯中，在搅拌条件下缓慢加入称量好的3.0 g胍胶粉，120 min后即可得到质量分数为0.3%的胍胶溶液。

1）结构分析。实验选用红外光谱仪对交联剂LJN-2的结构进行分析，判定交联剂是否具有较好的交联性能。

2）粒度分析。实验选用投射电镜仪对交联剂LJN-2的粒径进行分析，判定该交联剂在水中的分散情况，是否具有较好的分散性能是交联剂性能评价的一个重要因素。

3）流变性能。反映流变性能的两个主要参数为溶液的耐温性和剪切性。实验选用仪器为流变仪，设置流变仪的为温度范围为30～90℃，升温程序为5℃·min-1，剪切速率为170 s-1，将配制好的交联剂LJN-2溶液置于流变仪的转筒中，记录交联剂黏度的变化。

4）交联时间。量取配制好的0.3%的胍胶溶液100 mL于烧杯中，用搅拌仪搅拌并用氢氧化钠调节溶液的pH至8，加入配制好的交联剂LJN-2，并记录加入的时间T1，观察溶液形成冻胶的情况，以可以挑起为标准记录此刻的时间为T2，时间差即为交联剂的交联时间。其他条件不变，将溶液的pH分别调至7和9进行重复实验。

5）悬砂性能。将配制好的0.3%胍胶溶液用氢氧化钠调节pH至8后加入配制好的交联剂LJN-2，并用搅拌仪搅拌后量取1 000 mL于量筒中，将陶粒从溶液表面开始放下，记录陶粒下沉的长度及时间，为了实验的准确性，应多次实验该步骤并取平均数。

6）破胶性能。量取配制好的0.3%的胍胶溶液100 mL于烧杯中，用搅拌仪搅拌并用氢氧化钠调节溶液的pH至8，加入配制好的交联剂LJN-2后加入0.2%的过硫酸铵，用黏度仪测定溶液黏度的变化；用滤纸过滤溶液并将残渣烘干后称重，计算残渣含量。其他条件不变，将过硫酸铵的质量分数替换为0.4%重复实验。

3 交联剂的性能评价

3.1 交联剂LJN-2的结构、粒度性能评价

依据红外光谱仪实验结果可知，交联剂LJN-2的有机链较长，与胍胶高分子间的交联大大提高，且具有的纳米微粒表面和硼羟基增加了与胍胶的交联点，使得交联剂LJN-2具有较高的交联效率。依据投射电镜仪实验结果可知，交联剂LJN-2为球形结构，粒径在18 nm左右，在水中具有较好的分散性，符合交联剂的性能特征。

3.2 交联剂LJN-2的流变性能评价

交联剂LJN-2黏度随时间和温度的变化关系如图1所示。由图1可知，在一定的实验条件下，交联剂LJN-2的黏度会随着温度的升高而逐渐降低，实验设定的温度范围为30～90 ℃，当温度从30℃升高至60℃的过程中，LJN-2的黏度由650 mPa·s下降为200 mPa·s，下降幅度十分明显，当温度继续升高至90℃的过程中，LJN-2的黏度虽仍降低，但降低的幅度较小，最终稳定在120 mPa·s左右，表明LJN-2具有较强的耐温性能。当设置实验温度为60℃时，LJN-2的黏度随时间变化不够明显，120 min的实验时间内，LJN-2的黏度一直保持在200 mPa·s左右，表明该交联剂具有较强的抗剪切性能。

图1 交联剂LJN-2黏度随时间和温度的变化关系图

3.3 交联剂LJN-2的交联时间评价

不同pH条件下LJN-2交联时间如表1所示。由表1可知，在pH不同、其他实验条件相同的情况下，交联剂LJN-2配制的溶液的交联时间表现出明显的不同，溶液的碱性越强，LJN-2的交联时间越长，主要是由于溶液中氢氧根离子浓度的增加使得LJN-2与胍胶高分子的相互作用时间变长导致的。由于交联时间是衡量压裂液性能的一个基础指标，当交联时间过短，使得输送压裂液的至目的层系的压力增大，能耗增加。故当溶液pH为8时，LJN-2表现出较好的延迟交联作用。

表1 不同p H条件下LJN-2交联时间表

3.4 交联剂LJN-2的悬砂性能评价

LJN-2的悬砂实验结果如表2所示。由表2可知，在其他实验条件不变的情况下，陶粒在用交联剂LJN-2配制的压裂液中的沉降速率介于0.23～0.31 cm·min-1之间，平均为0.27 cm·min-1，具有较好的稳定性。实验选用的陶粒粒度为30目（0.55 mm）左右，依据压裂液体系悬砂性能评价标准，沉降速率小于5 cm·min-1时，都能较好地满足压裂需要。故交联剂LJN-2配制的压裂液具有较好的悬砂性能。

表2 LJN-2的悬砂实验结果表

3.5 交联剂LJN-2的破胶性能评价

交联剂LJN-2破胶实验结果如表3所示。由表3可知，在破胶剂用量不同、其他条件相同的情况下，交联剂LJN-2配制的溶液破胶后的黏度：破胶剂用量为0.2%时，破胶后的黏度为1.79 mPa·s，残渣含量为132 mg·L-1；破胶剂用量为0.4%时，破胶后的黏度为1.68 mPa·s，残渣含量为121 mg·L-1。依据压裂液通用技术要求的破胶黏度不大于5 mPa·s和残渣质量浓度不大于600 mg·L-1，该交联剂的实验结果远小于技术要求值，表现出了较好的破胶性能。破胶用量不同，但残渣含量差别不大，其主要是由胍胶本身存在的不溶物导致的。

表3 交联剂LJN-2破胶实验结果表

4 结论

通过大量实验确定了高性能压裂液用交联剂的研制配方，命名为LJNA-2，并阐述了LJN-2的制备过程。从本身的结构、粒度分布、流变性能、悬砂性能、交联时间、破胶性能几个方面对研制的LJN-2进行综合评价，指出各个性能评价的实验方法及步骤，并对实验结果进行详细分析，确定交联剂LJN-2具有较高的交联效率，水中具有较好的分散性，具有优异的流变性能，表现出较好的延迟交联作用，具有较好的悬砂性能以及较好的破胶性能。综合其性能评价，认为研制的LJN-2交联剂的使用范围较广，优点突出，具有较好的应用前景。