李繼勇 邵紅云 宋時權 夏凌燕 張貴玲

中國石化勝利油田分公司石油工程技術研究院

膠囊破膠劑是為實現(xiàn)壓裂液延遲破膠的一種油田助劑[1-3]，包裹在外的囊膜能有效阻擋破膠劑與壓裂液接觸，防止壓裂液提前破膠；同時，囊膜能在一定條件下發(fā)生破裂，釋放包裹在內(nèi)的破膠劑，達到破膠降黏的目的[4-8]。膠囊芯材主要以過硫酸鹽為主[9]，目前，測定膠囊破膠劑過硫酸鹽有效含量的方法較多[10-11]，而電導率法具有操作簡單的特點，可通過電導率的變化分析破膠劑的釋放情況[12]。國內(nèi)學者的研究表明，溫度與浸泡時間均會使破膠劑從膠囊釋放，導致壓裂液體系黏度下降[13-14]。為研究溫度對膠囊破膠劑延遲破膠的影響，本研究擬采用電導率儀測定不同溫度下膠囊破膠劑液體的電導率，以此測定其受熱釋放性能[15]。膠囊在壓裂施工過程所受壓力不僅源自地層裂縫閉合產(chǎn)生的機械擠壓，地層環(huán)境還存在壓裂過程中的液柱壓力、泵注壓力和地層壓力等來自非機械擠壓產(chǎn)生的環(huán)境壓力[14,16]，而現(xiàn)有膠囊破膠劑釋放性研究大多局限于壓裂施工結束時地層裂縫閉合的機械擠壓[17-19]，忽略了環(huán)境壓力破壞膠囊囊膜結構的可能性，缺乏對實際壓裂施工過程中膠囊破膠劑的性能研究。因此，為了科學有效地評價膠囊破膠劑在地層條件中的穩(wěn)定性，須考查儲層溫度和壓力對膠囊破膠劑的影響。

本研究利用電導率儀、高溫高壓稠化儀對膠囊破膠劑的受熱釋放性能、模擬地層條件下的破膠性能進行研究和評價，旨在結合實驗和研究結果為膠囊破膠劑提出較為科學有效的評價方法。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

掃描電子顯微鏡(KYKY-EM6900)、高溫高壓稠化儀(TG-8040)、六速旋轉(zhuǎn)黏度計(ZNN-D6B)、真空冷凍干燥機(LGJ-10C)、電導率儀、恒溫水浴鍋、過硫酸銨(成都科龍化工試劑廠)、膠囊破膠劑。

1.2 電導率法測定膠囊破膠劑的釋放性

本研究所采用膠囊破膠劑中包裹物質(zhì)均為過硫酸銨。過硫酸銨溶于水會導致溶液電導率發(fā)生變化，利用電導率法測定過硫酸銨的釋放情況，實驗步驟如下：

(1) 分別準確稱量膠囊破膠劑樣品(1#、2#)(0.100 0±0.005 0) g各3份，同時取相同質(zhì)量的純過硫酸銨作為空白對照組，將其分別置于100 mL去離子水中。

(2) 測定溶液在60 ℃、70 ℃和80 ℃下不同時間的電導率。

1.3 高溫高壓下膠囊破膠劑的性能研究

利用高溫高壓稠化儀對含膠囊壓裂液體系在高溫高壓下進行性能研究[20]，以評價膠囊破膠劑在非機械壓力擠壓下的性能。實驗步驟如下：

(1) 配制0.60%(w)的胍膠溶液，準確量取500 mL，加入0.30%(w)的交聯(lián)劑，交聯(lián)后配制成壓裂液體系空白對照組。

(2) 取2組500 mL胍膠溶液，分別準確稱量(0.100 0±0.005 0)g膠囊破膠劑(1#和2#)，分散均勻后分別加入0.30%(w)交聯(lián)劑，交聯(lián)后配制成含膠囊壓裂液體系實驗組。

(3) 將配制好的待測壓裂液轉(zhuǎn)至高溫高壓容器，對高溫高壓稠化儀進行實驗程序設定，使測試室升溫升壓1 h，恒溫恒壓1 h。

(4) 測試結束后取出樣品，利用六速旋轉(zhuǎn)黏度計在170 s-1、對應實驗測試溫度條件下測定其黏度。

1.4 膠囊破膠劑微觀形貌觀察

取一定質(zhì)量不同編號的膠囊破膠劑，在不同溫度下熱處理2 h后，使用冷凍干燥機對樣品進行干燥，用掃描電子顯微鏡觀察其外觀形貌，研究溫度對膠囊囊衣結構的影響。

2 結果與討論

2.1 溫度對膠囊破膠劑釋放性能的影響

按1.2節(jié)實驗步驟配制待測溶液，利用電導率儀測定不同溫度下膠囊樣品的電導率變化趨勢，對膠囊在不同溫度下的釋放情況進行研究，結果見圖1。

由圖1可知：在不同實驗溫度下，加入純過硫酸銨、1#樣品和2#樣品的溶液電導率均隨時間的增加而增大，說明電導率法可以反映溶液中過硫酸銨含量的變化趨勢，以此反映膠囊破膠劑的釋放情況；1#樣品和2#樣品溶液在同一溫度相同時間點的電導率遠低于純過硫酸銨溶液，說明1#樣品和2#樣品在未被機械壓力壓破的情況下，過硫酸銨釋放速率較慢，過硫酸銨在膠囊囊衣的包裹作用下，膠囊中的過硫酸銨可實現(xiàn)延遲釋放；隨著實驗溫度的升高，相同時間點1#樣品和2#樣品的電導率也增大，說明隨著溫度的升高，兩種膠囊破膠劑的釋放速率逐漸增大，表明溫度可以促進膠囊破膠劑中過硫酸銨釋放到溶液中，影響膠囊破膠劑的穩(wěn)定性能。電導率法可有效反映膠囊破膠劑在不同溫度、不同時間下的釋放情況，進而考查其穩(wěn)定能力。

2.2 溫度對膠囊破膠劑穩(wěn)定性的影響

在地層條件下存在高溫情況，為探究溫度對膠囊延遲破膠性能的影響，按第1.3節(jié)所述配制待測樣品，將配制的待測體系分別置于60 ℃、70 ℃和80 ℃下2 h，用六速旋轉(zhuǎn)黏度計在170 s-1、對應實驗測試溫度(60 ℃、70 ℃、80 ℃)條件下測定體系黏度，考查溫度對膠囊破膠劑延遲破膠能力的影響，實驗結果見表1。

表1 不同溫度下壓裂液體系黏度類別60 ℃70 ℃80 ℃黏度/(mPa·s)黏度保留率/%黏度/(mPa·s)黏度保留率/%黏度/(mPa·s)黏度保留率/%空白對照組135.0111.090.01#膠囊破膠劑123.091.1154.048.656.06.672#膠囊破膠劑114.084.4436.032.437.58.33

由表1可知：①隨著溫度的升高，加入膠囊破膠劑的壓裂液體系黏度降低，說明膠囊破膠劑中的過硫酸銨在實驗過程中釋放到壓裂液中，壓裂液發(fā)生破膠，導致體系黏度下降；②溫度越高，加入膠囊破膠劑的壓裂液的黏度下降越明顯，并且溫度越高，膠囊破膠劑的穩(wěn)定性越差，這與電導率法的結果相吻合。因此，在考查膠囊破膠劑的延遲破膠性能時，需要討論未受機械壓力破碎時溫度對膠囊破膠劑的性能影響。

2.3 壓力對膠囊破膠劑穩(wěn)定性的影響

在地層條件下還存在壓力，所以需探究壓力對膠囊延遲破膠性能的影響。按1.3節(jié)壓裂液體系配制方法配制待測樣品，用高溫高壓稠化儀進行高溫高壓實驗。模擬壓裂液體系在地層中非機械擠壓狀態(tài)下的高溫、高壓條件，研究高溫、高壓對膠囊破膠劑的影響。高溫高壓設置為升溫升壓1 h，恒溫恒壓1 h，實驗結束后，用六速旋轉(zhuǎn)黏度計在170 s-1、對應實驗測試溫度條件下測定其黏度。實驗結果見表2。

表2 不同壓力下含膠囊破膠劑壓裂液體系黏度壓力/MPa黏度(mPa·s)60 ℃70 ℃80 ℃1#2#1#2#1#2#30102.081.069.039.030.010.54087.085.563.051.024.012.05075.090.051.060.015.019.57066.093.045.064.512.021.0

由表2可知：①在相同壓力下，隨著溫度的升高，壓裂液的黏度越來越低，說明溫度越高，膠囊破膠劑越容易破裂；②在相同溫度下，加入1#膠囊破膠劑壓裂液的黏度隨著壓力的增加越來越低，說明在高壓情況下，1#膠囊破膠劑的破裂程度會增大；③在相同溫度下，2#膠囊破膠劑壓裂液的黏度隨壓力的增加越來越大，說明在高壓情況下，2#膠囊破膠劑的破裂程度會減弱。因此，高壓會對于膠囊破膠劑的破裂產(chǎn)生不同的影響。在評價膠囊破膠劑的破膠性能時，要考慮地層環(huán)境壓力對膠囊破膠劑延遲破膠性能的影響。目前，沒有專門針對膠囊破膠劑延遲破膠性能的高溫高壓裝置，可利用高溫高壓稠化儀模擬地層環(huán)境，考查膠囊破膠劑的延遲破膠性能。

2.4 不同溫度處理后膠囊破膠劑微觀結構分析

將在不同溫度下處理過的1#樣品和2#樣品用掃描電子顯微鏡對其微觀形貌進行觀察，考查不同溫度處理后膠囊破膠劑的微觀結構變化，實驗結果見圖2和圖3。

由圖2和圖3可知：未經(jīng)熱處理的1#和2#膠囊破膠劑外觀呈明顯圓狀或橢圓狀；隨著溫度的升高，膠囊囊衣發(fā)生不同程度的脫層和凹陷，說明包裹的過硫酸銨存在釋放的情況。該結果與電導率法和溫度穩(wěn)定性研究結果一致。通過掃描電子顯微鏡實驗結果可知，升高溫度使膠囊破膠劑提前釋放過硫酸銨，從而影響壓裂液延遲破膠性能。因此，對膠囊破膠劑的破膠性能進行研究時，需要考慮在地層溫度下，未經(jīng)機械壓力破碎的膠囊破膠劑的延遲破膠性能。電導率法可以準確地反映不同溫度下膠囊破膠劑的釋放情況。

3 結論

(1) 電導率儀可快速簡便地測定膠囊水溶液中過硫酸銨濃度的變化趨勢，是快速有效地評價膠囊破膠劑釋放性能的方法。

(2) 溫度越高，膠囊破膠劑釋放越快。

(3) 溫度和壓力均會對膠囊破膠劑產(chǎn)生不同程度的影響，使膠囊發(fā)生提前破膠，降低壓裂液黏度。在相同壓力下，溫度越高，膠囊破膠劑中過硫酸銨越容易釋放；相同溫度下，不同類型的膠囊破膠劑在不同壓力條件下的釋放程度不同。

(4) 在評價膠囊破膠劑性能時，須考慮溫度和壓力對其釋放性能的影響。