自交联高携砂增粘压裂液的研制及应用

邱忠

摘要:以丙烯酰胺、２-丙烯酰胺基-２-甲基丙磺酸钠、烷基二甲基烯丙基氯化铵、Ｎ,Ｎ-亚甲基双丙烯酰胺为单体，采用反相乳液聚合方法制备了自交联高乳液，并考察其溶解性、抗剪切性、流变性、粘弹性、耐温性、携砂性、降阻率、抗盐性、破胶性及返排性能。研究结果表明，该压裂液稠化剂是集降阻、携砂、助排等多功能于一体的清洁型产品，一剂多效，可在线混配，仅通过改变加量即可实现滑溜水与胶液的无缝切换，实现滑溜水胶液一体化，具有良好的推广应用前景。

关键词：自交联；降阻；携砂；清洁型；在线混配

1.研究背景

低渗透油气层分布广、开采难度大，体积压裂是增储上产的首选措施，压裂液特点“低摩阻+ 高黏度”，同时满足大排量和变黏多级交替注入，实现主导裂缝的充分延伸以及复杂裂缝连通，最大限度提高裂缝的复杂性。目前的压裂液体系已难以满足高效化、清洁化生产的需求，存在以下弊端：（1）成本高：压裂

液体系添加剂加量大导致液体成本高，连续混配车、缓冲罐费用高；（2）配液效率低：简化压裂液体系配方复杂，导致配液效率低；（3）伤害高：速溶体系连续混配混配很容易形成鱼眼堵塞裂缝孔道；体系破胶后残渣较多，对储层造成伤害； (4)返排液不可重复利用。

因此，为满足大排量压裂施工的技术要求，急需开发一种具有一剂多效、自由切换、现配现用乳液型压裂液。该体系可依靠聚合物分子间的多元缔合作用形成空间网状结构，超快速溶，无需连续混配，易破胶返排，对储层伤害小，清洁环保，可利用返排水重复配液。

2.自交联高携砂增粘稠化剂GZJ-X的合成

根据乳液降阻剂和聚合物稠化剂的特点，在聚丙烯酰胺分子上引入磺酸基团，提高抗盐性能；疏水长链使分子具有疏水缔合作用；季铵盐的引入提高防膨性能 ；引入五元杂环结构提高聚集体空间复杂性和稳定性，从而提高压裂的黏弹性和耐温性能。

2.1聚合单体的选取

（1）主链单体

丙烯酰胺（AM）是一种具有高反应活性的聚合单体，能够为其均聚物和共聚物提供以Ｃ－Ｃ键为主的主链结构。由于Ｃ－Ｃ键断裂所需的温度较高，可以提高聚合物的热稳定性，并且以Ｃ－Ｃ键为主链的聚合物也具有良好的耐细菌腐蚀性能。

（2）阴离子单体

2－丙烯酰胺基－2－甲基丙磺酸钠（AMPS－Ｎａ）是一种水溶性好、聚合活性高的阴离子单体。由于其分子结构支化程度高，具有较大的空间位阻效应，可以使聚合物链刚性提高，明显增加聚合物的粘度。此外，含有热稳定性好、对盐不敏感的磺酸基可以大大增加聚合物稠化剂的耐温耐盐性能。

（3）阳离子单体

烷基二甲基烯丙基氯化铵是一种带有疏水长链的季铵盐。分子中的阳离子基团可以显著降低聚合物对储层的伤害，抑制黏土的水化膨胀和运移，而分子中含有的疏水长链可以增强聚合物分子间阴阳离子的协同效应，提高稠化剂的增稠效果。

(4)其他单体

Ｎ，Ｎ－亚甲基双丙烯酰胺是一种常用于高分子聚合物共聚、改性、交联的单体。较高的分子量和独特的分子结构理论上可以进一步增强聚合物的结构，满足稠化剂的悬砂性能要求。

2.2引发剂选择

采用氧化还原引发剂体系，在过硫酸盐作为引发剂的同时，补充使用还原剂，使过硫酸盐的分解活化能降低，提高聚合速率、降低引发温度，从而提高聚合产物的基本性能。因此，选取氧化剂为过硫酸钾、还原剂为亚硫酸钠。

2.3聚合方式的选择

采用反相乳液聚合方式,确定本实验选用水/白油聚合体系，以Span80为乳化剂，Tween80 为助乳化剂。

2.4合成实验

1. 在三口烧瓶中通入氮气，加入白油、Span80、Tween80 ，得到均匀的油相体系。

2. 将丙烯酰胺、２-丙烯酰胺基-２-甲基丙磺酸钠、烷基二甲基烯丙基氯化铵、Ｎ，Ｎ-亚甲基双丙烯酰胺、亚硫酸氢钠溶于水中，然后用恒压滴液漏斗将水溶液滴加到油相中，直至获得均匀的乳状液。

3、在恒温下，向乳液中缓慢滴加过硫酸钾溶液，5min滴加完毕，保持乳液稳定性，持续搅拌并通入氮气，恒温反应3～4 h后获得白色乳状液即为自交联高携砂增粘稠化剂GZJ-X。

3.性能评价

3.1溶解性能

加入0.6%自交联乳液后测试其溶解性能，粘度随时间的变化情况如表4-1所示。

表3-1 自交联高携砂增粘压裂液粘度与溶解时间关系

序号	溶解时间 min	表观粘度 mPa.s
1	1	20
2	2	40
3	3	50
4	5	55
5	20	80

实验结果表明，自交联乳液加入后，水溶液粘度迅速上升，3min内便可达到50mPa.s，具有一定的携砂能力，已经达到了最大粘度值的60％以上，因此认为该稠化剂能在3min内基本溶解，溶解时间较快且溶液均匀透明，无沉淀，无絮凝物出现。因此，自交联乳液具有较高的溶解速率和良好的溶解性能。在现场施工配液过程中，该自交联乳液只需在配液水中循环即可，实现连续混配，无需额外增加设备，配制流程简单，缩短了压裂施工周期。

3.2耐温抗剪切性

图3-2 自交联高携砂增粘压裂液耐温性能

由上图可知，随着温度的升高，压裂液体系的黏度迅速降低，当体系温度稳定在设定值后，体系黏度基本维持不变。最终黏度最终稳定在140mPa.s和190mPa.s，耐温性能良好。

4. 应用效果分析

交联高粘携砂增粘压裂液的应用技术，现场液体质量控制简单，溶胀携砂正常，起粘速度快，无堵低压管线情况，自交联乳液低温下具备较好流动性。

该项目取得了显著的经济效益，以后将进一步发挥其技术优势，为国家的增油上产做出重要贡献。

5. 结论

1. 以丙烯酰胺、２-丙烯酰胺基-２-甲基丙磺酸钠、烷基二甲基烯丙基氯化铵、Ｎ,Ｎ-亚甲基双丙烯酰胺为单体采用反相乳液聚合方法制备了自交联高乳液，满足现配现用需求。

2.自交联高乳液 体积浓度在0.1%时，溶液黏度为3.0～6 mPa · s，可作为滑溜水 ；在 0.4%～0.6%时，溶液黏度为75～120 mPa · s，可作为携砂液 ，满足 2种液体自由切换的需求。

3.自交联乳液在压裂液现场应用情况良好，施工段加砂强度高于同井相邻段及邻井相同段，无需其他添加剂，液体性能稳定，实现了一体化压裂液完成整个施工的目标，具有良好的推广应用前景。

参考文献

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作者姓名：邱忠，西部钻探吐哈井下作业公司，长期从事压裂、酸化、油田化学方面研究工作。