双水相缔合型聚丙烯酰胺分子设计及压裂液的连续混配工艺构建

【摘要】：非常规能源已成为国内外关注的重点,体积压裂是开采非常规能源的有效手段,水平井单井体积压裂需要消耗近万方压裂液,目前体积压裂选用的压裂液主要以滑溜水+线性胶+携砂液的混合水压裂工艺来实现网状裂缝,滑溜水阶段主要选用低粘度的聚丙烯酰胺或天然胍胶水溶液来沟通微裂缝;线性胶阶段主要凭借稍高粘度的胍胶基液来扩充支裂缝;携砂液阶段主要依靠高粘度的交联胍胶携带支撑剂来充填主裂缝,通过微裂缝、支裂缝和主裂缝的相互交叉与沟通构成了网状裂缝增大油气产量。体积压裂的不同阶段需要使用不同类型的压裂液体系,不同压裂液需要使用不同的配液工艺及储存方式,对配液设备及井场条件提出了严格的要求。结合储层特征及敏感性分析选取的压裂液类型种类越多对储层伤害越大,另外压裂液的多样性使得压裂返排液的后处理工艺流程复杂及成本较高。针对体积压裂工艺特点及压裂液技术需求,采用单一主剂作为增稠剂兼顾滑溜水、线性胶和携砂液的多重功能,不但能够简化返排液处理工序而且通过在线连续混配解决配液工序复杂及储层伤害问题。本研究开发出一套能够采用单一主剂实现“低浓度减阻、中浓度造缝、高浓度携砂”的新型压裂液体系,该体系可在线连续施工具有易回收的特点,通过各种测试对其性能进行分析并在致密油储层进行应用。该研究是基于紊流边界层减阻机理和大分子自组装理论,结合现场增稠剂不易溶解,施工流程复杂等问题,通过分子设计合成出了一种双水相聚丙烯酰胺增稠剂并配套其他助剂研发出多功能一体化压裂液,该压裂液体系的研发为体积压裂工艺技术的推进和非常规能源的深度开采提供了有力的技术支撑。本论文主要从以下几个方面开展工作:(1)通过分子设计采用丙烯酰胺(AM)、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)、十八烷基二甲基烯丙基氯化铵为合成单体在硫酸铵水溶液的体系中加入聚2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(PAMPS)制备出了双水相疏水缔合型聚丙烯酰胺(简称OWPAM),分别讨论了功能单体、沉淀剂和引发剂用量等多项合成条件对聚合物的影响,确定出最优的合成工艺为m(AM):m(AMPS):m(功能单体)=10:2:0.24,w(I)/%=0.3%,反应温度:40℃,硫酸铵加量:25%,分散剂加量:8%。通过红外光谱仪、核磁共振质谱仪、X射线衍射等方法表征了聚合物OWPAM的分子结构;通过热重测试仪和多重光散射稳定仪测试出该聚合物及乳液具有较高的稳定性;采用表观粘度法测试出OWPAM水溶液的临界缔合浓度为0.32%;通过乳液粒径测试及微观形貌描述表明该乳液分散均匀,乳液平均粒径为162.8nm;采用荧光光谱、紫外光谱、原子力显微镜,透射电镜和环境扫描电镜测试发现OWPAM溶液浓度大于CAC值后疏水缔合现象较明显。(2)通过对低浓度OWPAM水溶液性能测试表明浓度为0.1%OWPAM体系粘度为8mPa.s,表面张力值为27.26mN/m,界面张力为1.95mN/m,能够满足滑溜水的基本性能要求;调节体系pH=6.0和9.0时体系粘度均为5mPa.s左右,能够适用弱酸碱环境;当矿化度为40000mg/L时体系粘度下降至2.5mPa。参照管式流变仪测试原理设计研发了压裂液摩阻性能测试仪,该设备能够满足6mm、9mm、12mm和15mm四种不同管径下的流体摩阻测试且自动化程度较高,在流速为2.0-12.0m/s条件下测试了水介质的摩擦系数并与莫迪图数据相比,发现该设备具有较高的准确度,能够进行室内压裂液摩阻测试。利用摩阻仪评价了OWPAM滑溜水的摩阻性能,在温度25℃、流速10m/s、测试管径6mm条件下体系的减阻率可达73%,随着测试温度和矿化度的增加,体系减阻率逐渐下降,当温度为60℃、矿化度为40000mg/L时体系减阻率为65%。以OWPAM为减阻剂配套相应的粘土稳定剂和助排剂研发出一套新型滑溜水压裂液,表现出较好的减阻效果;通过管流热力学测试,验证了边界层减阻及涡流稳定机理,边界层内的旋涡尺寸越小体系的温度变化幅度越小,OWPAM滑溜水较清水减阻率为73%时温度变化量是清水的50%。(3)通过对高浓度OWPAM水溶液的流变性分析并筛选出一系列配伍助剂形成一套OWPAM携砂液体系,其最优配方为1.2-1.6%OWPAM+0.5%NWJ-1粘土稳定剂+0.5%CF-5D油井助排剂+0.3-0.8%SAS60携砂稳定剂,在80℃下携砂液耐温耐剪切测试最终粘度为58mPa.s,耐剪切性能较好;粘弹性测试表明体系储能模量为2.4Pa,具有较高的弹性;静态和动态悬砂测试表明体系最高砂比可达40%,具有较好的携砂性;通过对压裂液的滤失性能测试发现该体系滤失系数为3.2m/min~(1/2),滤失系数较低;在过硫酸铵加量0.05%时体系完全破胶且破胶液表面张力为24.2mN/m,界面张力为0.21mN/m,破胶液的表界面活性较高;采用FracpoPT压裂模拟软件对不同压裂液进行裂缝剖面模拟,结果表明储层改造体积OWPAM压裂液VES胍胶聚合物。(4)针对压裂返排液特点,设计了氧化—调节酸碱度—絮凝—沉降的压裂液回收工艺,首先选用过硫酸铵为氧化剂进行预处理,随后调节体系为弱酸性选用PAC对处理液进行絮凝后静置沉降,得到一种可循环配液的返排液处理液,配制成滑溜水后体系的减阻率为75%,具有较高的减阻率;选用处理液配制成携砂液,经过80℃恒速剪切60min后体系的表观粘度为40mPa.s,依然表现出较好的流变性,因此该类型压裂液经过回收处理后能够满足压裂液再配液要求具有可回收的特点。(5)OWPAM压裂液的各项性能能够满足压裂液施工要求,选取了延长油田志丹区域的4口致密油井进行现场试验,通过性能测试发现所有滑溜水减阻率均大于65%,达到了现场降压增注的施工要求;所配制的携砂液经过耐温耐剪切测试后体系粘度为46mPa.s,表现出较好的耐温耐剪切性能够安全携带支撑剂进入地层;压裂破胶液粘度为3mPa.s,该类型压裂液能够完全破胶返排至地面。在现场施工过程中通过在线绞龙连续混配的配液方法,滑溜水能够快速溶解且减阻性较好;连续混配的携砂液由于浓度较大不能完全充分溶解,设计出“A+B通道”来保证携砂液性能,A、B通道协同配液同时在混砂车滴加携砂稳定剂来完成施工,经过对试验井产量及施工摩阻分析,OWPAM压裂液在不同排量下具有更低的摩阻及携砂效果,试验井的产量较邻井增加30%以上。