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1、交联压裂液抗剪切性能评价方法探讨刘通义谭坤陈光杰(中圜石化中原油田分公司井下特种作业处河南濮阳457164)摘要对于评价压裂液的携砂能力，压裂液抗剪切性能是一个十分重要的技术指标确保压裂 施工的成功压裂液抗剪切性能评价被广泛地应用于压裂施工前液体携砂性能监测为了更准确 地评价压裂液的抗剪切性能，在实验室内采用了不同的评价方法如恒定剪切速率剪切、模拟油井 剪切历史的高低剪切速率组合剪切评价方法这些试验表明，不同的评价方法将会得出不同的结 果，特别是那些对剪切敏感的液体现场施工结果也证明了这些试验结果的准确性和重要性 关t调压裂液性能评价高剪切表观粘度中原油田1前言对于增加油气井的产量，水力压裂是
2、擐主要的传统的工程措施特别是对于中原油田这 样的高压低渗油气藏来讲，油气的产量增加主要依赖于水力压裂。经过十几年的发展，中原 油田已经使用过了甲撑基聚丙烯酰胺、香豆胶、改性瓜尔胶等多种压裂液。采用过铝交联、 有机钛交联、有机锆交联、无机硼酸盐交联、有机硼交联等多项技术为了更好地说明中原 油田压裂液冻胶性能，有必要对有机钛、硼或有机硼交联技术进行简单地描述。1I有机钛交联技术 有机钛交联剂与瓜尔胶、改性瓜尔胶(HPG)交联的冻胶在20世纪80年代以后国内外得到了广泛地应用。它具有抗高温性能，般认为，其抗温能力可达150C(大约300F)，携砂性能良好，交联的pH值范围广，因而在大型水力压裂施工中
3、得到广泛地应用。但是，它 的返排性能不好，冻胶破胶困难，对支撑裂缝导流能力伤害比较大，交联后的冻胶对剪切敏 感，因而在使用时，必须延缓交联，避开管柱流动的高剪切区，进入裂缝后开始交联。其在90年代初，使用量开始迅速下降。12有机硼交联技术 普通硼酸盐交联瓜尔胶抗温能力大约90(3，是使用最早的交联剂。目前，中原油田大多数地层温度均大于90C，最高井温为171，因而普通硼酸盐交联荆满足不了施工使用需求。从90年代中期中原油田开始使用有机硼交联剂，目前，绝大多数是有机硼交联剂，使用效 果良好。有机硼交联冻胶具有抗温能力强，易返排，携砂性能好，对地层伤害小，具有剪切 可逆性等特点n。2l，适合于大型
4、压裂、深井压裂。在中原油田，硼交联压裂液已成功地应用于170井温的压裂施工中。409=二=；-_l_-=：；_。一。巷醪2吧!鎏奎兰墨曼i堕塑坌至垫皇三堡i!堂苎翌兰垫查生些苎!璧型三竺堑曼兰苎=!竺卫针对不同的交联体系和不同的性能特点，采用不同的评价方法来进行抗温能力评价。使 用这些结果，指导压裂施工，对提高施工成功率具有重大意义。2试验方法21施工中液体的剪切速率 压裂过程中，压裂液所经受的剪切速率不是一个恒定的，是一个变量。压裂液在井简的油管中、在环空中、在孔眼处，剪切速率不一样仅以3”油管为例，不同排量下油管中流 体流动时剪切速如下表l所示。在射孔孔眼处，排量大小、孔眼数量均会影响剪切
5、速率。一般认为，此处的剪切速率应 在1000S。1以上。液体进入裂缝后，受缝宽、缝高的影响，剪切速率大约5080s因此， 压裂液是先遭受高速剪切，然后再经受低速剪切显然，传统的使用固定剪切速率测定压裂 液抗剪切性能是不科学的。表I压裂液在3。油管中的剪切速率捧量m3min22 53 3 5剪切速率s-l 3404255lO，952,2压裂液样品的制鲁 向2KCL溶液中加入杀菌剂、表面活性剂、温度稳定剂、pH控制剂等。瓜尔胶聚合物以干粉状态加入Warring混调器中，并不断地搅拌，以免产生“鱼眼”。这些添加剂的加入量 以压裂液设计配方为依据待液体起粘后持续搅拌lO分钟，停止。221试验方法一 这
6、是一种目前广泛采用的方法将配制好的压裂液基液静置2小时，取基液49ml，按要求加入交联剂，混合均匀，转入RT-20流变仪的样品杯中，如果是均相液体，选PZ38转子；如果含固相成分，则选择PZ36转子。取基液60ml，在设定温度下，以170s1之剪切速 率连续剪切，计算机自动纪录剪切速率、粘度、温度等指标。222试验方法二 与试验方法一相同，取基液49mi、60ml，按要求加入交联剂，混合均匀，用RT-20高温流变仪监测其抗剪切性能。剪切速率分为两个阶段设置。第一阶断：剪切速率51ls，温度从室温开始升温，剪切时间为5分钟：第二阶段：剪切速率170s1，按不同施工规模设定 剪切时间，自动纪录剪切
7、速率、粘度、温度等参数。4103试验结果与讨论两种型号的交联剂与瓜尔胶交联后的冻胶用RT20高温流变仪采用两种方法进行j墨竺 性能试验，包括剪切速率、温度、表观粘度等详细的数据显示在同一坐标系中详细的结果 见图1、图2、图3。圈1硼交联冻胶变剪切性能曲线 图2压裂液恒定速串剪切试验曲线竺=；兰r”一l#荤孬=#=拦#!：=。=。譬：!jI：!：二誊=：=。：基：lI l l嘉FFFFF图3压裂液变剪切速率试验曲线从图1可以看出，试验温度140C，前5分钟剪切速率设定为511s一，然后剪切速率一直 恒定在170s一，直到剪切到112分钟。压裂液为有机硼交联的羟丙基瓜尔胶。在高剪切区。 由于压裂液
8、冻胶为假塑性流体，故表观粘度值很低，进入低剪切区后。由于剪切速率降低， 因而表观粘度一直比较高，粘度值在400mPas以上。说明该冻胶的抗剪切性能良好。图2所显示的试验结果是使用某型号的交联剂与瓜尔胶交联冻胶。图中可见，剪切速率 恒定在170s，剪切时问80s。，当试验温度上升时，冻胶粘度也同步上升，最高粘度为400mPaS，然后粘度急剧下降但一直恒定在160-80mPas，从数据上看，压裂液的粘度值比较好。图3所显示的试验结果是使用冻胶完全与图2相同。从图中可见，剪切试验条件与图l 中试验所用条件完全相同。液体经过高剪切区进入低剪切区后，压裂液粘度不再上升，从 l!OmPas下降到50mPa
9、s，说明抗剪切性能差，压裂液性能不符合普通的旅工要求。这种 现象说明这种压裂液对剪切相当敏感，评价时剪切速率条件对试验结果产生了直接影响。41l4现场应用中原油田井下特种作业处从1998年底至今，实验室的压裂液性能评价、现场旆工方案 的制定、现场监督液体评价均采用如图l所示的交剪切评价方法。实践证明，该方法比较接 近实际情况，每年压裂施工400600口井，施工成功率在96以上，效果良好2001年， 在中原油田的文200块、桥口、陕北富县等区块的压裂施工中，部分井的压裂液监测采用了 图2、图3所用的压裂液体系，现场施工了6口井，全部砂堵，摘工失败。表2是中原油田2001年5月21日在桥66井的压
10、裂施工概况。该井在压裂前取压裂液样品按变剪切方法(方 法一)进行检测，发现该液体经过高剪切后，表观粘度很低，不能满足施工需求(如图3)。 但该井属于新工艺试验井，决定照常施工。施工中各项参数严格执行设计，设计加砂10mj， 施工排量3335mrain，当加完砂顶替时砂堵，少加砂4m3，施工失败。衰2桥黼井压裂设计与施工参数对比序号 项目(顾客，设计，标准)要求实际执行结果 结论I车型 H-1000H-10U0台格2施工方式 油套摁注，合压 油套捏洼台压 合格3 鲁液数量100+70rIl100+70m合格支撑荆 10 m10 m 合格5麓工压力 46-52MP 56&466 MPa6工捧量 3
11、 4-38mmin 3 5-33mrain台格7平均砂比 22 23 3 合格8 前置渍量 20+40m20+40合格9携砂渍量 45 5m 43m 台格、10 顶体渍量 4l 2+1 0m 29m 不合格11麓工日期 20 )i年5月21日12 鲁注顶替过程 p砂堵，实际加砂6一白6井为中原油田在白庙地区的一口试气井，该井设计两层加砂40Ill3(20+20)。压裂 液与桥-66相同，液体经过高剪切后粘度很低。提高排量，施工排量3642m3min，第二 层加砂15m3时砂堵其它的几口井采用该液体体系，施工均失败。5结论流变性能研究对石油与工程应用非常重要不同的压裂液流体具有不同的流变性能，
12、有机硼交联冻胶抗剪切性能良好而有的交联剂则对剪切速率相当敏感。前期高剪切后，性 能遭到严整破坏采用变剪切速率方法评价压裂液的抗剪切性能具有科学性和先进性，正确 模拟了压裂工程实际条件，对现场工程应用具有指导性。考文献IHDBr呻，MGAtilt一种新型的在高沮下应用的改进了裂麓导漉能力的硼交联压裂液SPE22838(1993)2卢拥军有机硼BCL-61交联檀物肢压裂液油田化学，1995N04412Discuss for Evaluate Method of Fracturing Fluid Shear PropertyLiu TongyiTan Kun Chen Guangjie(Techni
13、c Institute ofDownhole Operation，zhong yuan oilfield CompmyPuyang，Henan457164，China)AbstractFor evaluate the fracture fluid carfy sand ability,the fracture liquid resist shear property is a very important technical indexEnsure the success of the fracture treatment,the fracture liquidresist shear pro
14、perty test had been applied extensively before the fracture treatment fracture fluidcarry sand performance evaluateIn order to evaluate the fracture fluid more accurately resist shear property,in laboratory,have adopted different test method，constant shear rate to shearing，or imitate oil well to she
15、ar history high shear rate and low shear rate evaluate techniqueThese experiments show that different evaluate method will reach different result,especially those as shear sensitiveliquidThe treatment reset has also proved importance and the accuracy ofthese test resultsKey word fi-aeturing fluid performance evaluate hi曲shear rate apparent viscosity zhong肿noilfleld413