２０１１年３月 第２５卷第１期 中国石油大学胜利学院学报 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｈｅｎｇｌｉ Ｃｏｌｌｅｇｅ Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ Ｍａｒ．２０１１ Ｖｏ１．２５ Ｎ０．１
羟丙基瓜胶压裂液流变行为影响因素研究
姜阿娜，仲岩磊，陈 凯，钟安海
（中国石化胜利油田分公司采油工艺研究院，山东东营２５７０００）
［摘 要］ 以哈克流变仪为主要工具，通过测定１７ｏ ｓ～、１２ｏ ｍｉｎ时间内羟丙基瓜胶压裂液的抗剪切性能，
对瓜胶压裂液流变行为的影响因素进行研究。室内试验表明，影响羟丙基瓜胶压裂液流变行为的因素众多，稠化 荆、交联剂、温度稳定荆以及ｐＨ调节剂均对压裂液的流变行为产生较大影响。
［关键词］ 羟丙基瓜胶；流变行为；影响因素
［中图分类号］ＴＥ３５７．１２ ［文献标识码］Ａ ［文章编号］１６７３—５９３５（２０１１）０１—００１５—０３
压裂作为油气藏增产增注的主要措施已得到广
泛应用和迅速发展，压裂液是压裂技术的主要组成
部分，是压裂施工的关键性环节之一。压裂液的流
变特性是目前表征压裂液的主要手段，其与压裂液
的输送、携砂、摩阻和压裂效果密切相关。因此，研
究压裂液的流变行为十分重要。笔者以哈克流变仪
为主要工具，模拟不同条件下压裂液的流变行为，通
过测定１７０ Ｓ＿。、１２０ ｍｉｎ时间内压裂液的抗剪切性
能，对瓜胶压裂液流变行为的影响因素进行研究。
１压裂液流变行为影响因素
１．１稠化剂
稠化剂是压裂液的主剂，最主要作用是增粘，其
次还具有降低滤失和减少压裂液摩阻等作用。稠化
剂的增稠能力主要与其相对分子质量、分子链上的
基团性质及分子链状态有关。一般来说，稠化剂相
对分子质量愈大，增稠能力愈强；稠化剂分子链上的
基团水化性质愈强，水化基团愈多，水溶性愈强，压
裂液破胶后的残渣愈少Ｌ１］。
考察普通羟丙基瓜胶粉（ＨＰＧ）、超级羟丙基瓜
胶粉（ＳＨＰＧ）以及罗地亚４１５＃瓜胶粉（ＬＵＯ一４１５
＃）３种不同性质的羟丙基瓜胶粉在其他助剂相同
情况下的压裂液耐剪切性能。压裂液配方如下：
０．６％瓜胶粉十０．３５ ＨＴＣ一１６０交联剂＋其他。 图１为３种不同羟丙基瓜胶压裂液在１２０℃、１７０
Ｓ 条件下的耐剪切流变曲线。
口 ● 目
桴 赠
图１不同羟丙基瓜胶压裂｛硬耐剪切性能
从图１可以看出，稠化剂对瓜胶压裂液的流变
行为有较大影响，在其他助剂、剪切条件相同的情况
下，罗地亚４１５＃瓜胶粉经１２０ ｒａｉｎ剪切后，压裂液
黏度为２２０ ｍＰａ・Ｓ，耐剪切能力要强于超级羟丙基
瓜胶粉的１０６ ｍＰａ・Ｓ和普通瓜胶粉的６２ ｍＰａ・Ｓ。
羟丙基瓜胶经瓜尔胶改性制得，经胚乳片一水
合一粉碎一原粉一改性一洗涤一干燥一粉碎一筛分
一均质得成品Ｌ２］。瓜尔胶是一种天然的半乳甘露聚
糖胶，从产于印度、巴基斯坦等地的瓜尔豆种子的胚
乳中提取得到。因来源不同，瓜尔胶的相对分子质
量及单糖比例也不同，其相对分子质量约为１００～
２００万，甘露糖与半乳糖之比约为（１．５～２：ｉ），这
［收稿日期］２０１０—１２—１３ ［作者简介］姜阿娜（１９７８一）。女，山东莱阳人，中国石化胜利油田分公司采油工艺研究院工程师，硕士，主要从事压裂液研究。
１５ Ｏ Ｏ ０ Ｏ Ｏ Ｏ ０ ０ Ｏ Ｏ Ｏ ０ ∞ 舳加∞如柏如 ｍ ．
第２５卷 中国石油大学胜利学院学报 ２０１１年第ｌ期
些都会影响羟丙基瓜胶的性能。改性过程中，工艺
及条件的不同对羟丙基瓜胶性能亦有影响。
另外，随着瓜胶粉比的增加，压裂液的增黏能力
增加，但压裂液破胶后的残渣也随之增加，因此需根
据地层需要筛选适宜粉比的稠化剂，既保证压裂液
的携砂性能，又减少其对地层的伤害。
１．２交联剂
交联剂是决定压裂液粘度性质的主要因素之
一。交联剂与稠化剂产生交联反应，使体系进一步
增稠形成冻胶，成为典型的黏弹性流体，黏弹性能的
好坏直接影响压裂液的造缝能力，与形成的裂缝长
度密切相关。
考察了有机硼交联剂ＨＴＣ－１６０，有机硼缓交联
剂ＣＫ—ＯＢＣ、有机硼钛交联剂ＳＤ一１三种不同类型
的交联剂，在其他助剂相同情况下的耐剪切性能。
瓜胶粉选用目前现场施工最常用的普通羟丙基瓜胶
粉。压裂液配方如下：０．６％ＨＰＧ＋０．３５ 交联剂
＋其他。图２为３种不同交联剂压裂液在１２０℃、
１７０ ｓ 条件下的耐剪切流变曲线。
● ｇ
耦
圈２ 不同交联剂压裂液的耐剪切性能
从图２可以看出，交联剂类型不同，压裂液交
联体系的耐剪切性能不同。交联体系初始黏度均可
达１０００ ｍＰａ・ｓ，在１７０ｓ 下连续剪切１２０ ｍｉｎ后，
黏度变化较大，但其表观黏度均大于５０ ｍＰａ・ｓ，说
明３种交联体系均有较好的耐剪切性能。从图２还
可以看出，有机硼缓交联剂ＣＫ—ＯＢＣ的交联体系耐
剪切能力明显强于其他两种交联剂ＨＴＣ一１６０和
ＳＤ－１形成的交联体系。
有机硼交联剂作用机制可能是：首先有机硼络
合物多级电离，缓慢产生硼酸根离子Ｂ（ＯＨ） 一，然
后硼酸根离子Ｂ（ＯＨ） 一与植物胶聚糖分子链上的
顺式邻位羟基作用，形成三维网状冻胶。缓交联的
作用机制可能是由于过量配位体包裹在有机硼交联
１ ６ 剂周围，对硼酸根离子产生屏蔽，从而延缓其与聚糖
分子的交联时间［３］。
另外，在一定浓度范围内，随着交联剂浓度的增
大，压裂液流变性变好，但同时破胶难度也增大，因
此需根据地层需要，筛选适宜浓度。
１．３温度稳定剂
温度稳定剂可除去压裂液中溶解的氧，提高交
联剂与稠化剂羟基的络合程度，使形成的交联网更
牢固庞大，增强压裂液的耐剪切性能。
考察了常用的温度稳定剂Ｎａ ＳｚＯ 和ＣＨ。ＯＨ
对瓜胶压裂液流变行为的影响。图３为添加和未添
加Ｎａ。Ｓ：Ｏ。的压裂液在１３５℃、１７０ ｓ 条件下的耐
剪切流变曲线，压裂液配方如下：０．６ ＨＰＧ＋
０．３５ ＨＴＣ一１６０＋Ｎａ２Ｓ。Ｏ。（加量为０或０．２ ）
＋其他。图４为添加和未添加ＣＨ。ＯＨ的压裂液在
１２０℃、１７０ ｓ－１条件下的耐剪切流变曲线，压裂液配
方如下：０．６ ９／６ ＨＰＧ＋０．３５％ＨＴＣ一１６０＋
ＣＨ。ＯＨ（加量为０或２Ｏ ）＋其他。
＿ 宕
趟 德
图３ Ｎａ２Ｓ２Ｏ３加量为０和０．２ 的压裂液的耐剪切性能比较
● 吕
勰
图４ ＣＨ ＯＨ加量为０和２０ 的压裂液的耐剪切性能比较
从图３中可以看出，经过１２０ ｒａｉｎ剪切，添加
Ｎａ。Ｓ。Ｏ。的压裂液黏度有１２０ ｍＰａ・ｓ，而未加
Ｎａ Ｓ。Ｏ。的压裂液黏度只有５０ ｍＰａ・ｓ。由此可 姜阿娜，等：羟丙基瓜胶压裂液流变行为影响因素研究
见，Ｎａ。Ｓ。Ｏ。可明显增强压裂液的耐剪切性能。在
１０７℃以上，瓜胶压裂液中的溶解氧会使增稠剂发
生化学分解而引起粘黏度下降，而Ｎａ。Ｓ Ｏ。能除去
压裂液中的溶解氧，使黏度损失速度下降。
经过１２０ ｍｉｎ的连续剪切后，添加２０
ＣＨ。ｏＨ的压裂液和未加ＣＨ。ＯＨ的压裂液的表观
黏度分别为２２０ ｍＰａ・Ｓ和６３ ｍＰａ・Ｓ。在相同剪
切条件下，添加ＣＨ。ｏＨ的压裂液剪切后的黏度比
未加ＣＨ。ＯＨ的压裂液黏度高１５７ ｍＰａ・Ｓ，具有更
强的耐剪切性能。这是因为甲醇可以除去压裂液中
的氧，防止由于氧的存在而导致的压裂液快速降解，
提高有机交联剂与稠化剂羟基的络合程度，使形成
的交联网更牢固庞大，压裂液的抗剪切性能增强。
１．４ ｐＨ调节剂
压裂液中ｐＨ调节剂有两个主要作用，一是控
制特定交联剂的交联时间，加速或者缓和某些聚合
物的水合作用；二是保证压裂液处于破胶剂和降解 剂的作用范围内［４］。但经室内试验证实，ｐＨ调节
剂对压裂液冻胶的流变行为也有一定的影响。考察
了氢氧化钠、碳酸钠、某有机碱对瓜胶压裂液冻胶流
变行为的影响，如图５所示。压裂液配方如下：
０．６ ＨＰＧ＋０．３５ ＨＴＣ～ｉ６０＋ＰＨ调节剂（分别
调ｐＨ＝＝＝１０）十其他。
● 山 目
耦
图５ 不同ｐＨ调节剂对压裂液耐翦切性能的影响 从图５可以看出，氢氧化钠和碳酸钠两种ｐＨ
调节剂对压裂液冻胶流变行为的影响相似，两条流
变曲线基本重合。目前现场施工中，瓜胶压裂液的
ｐＨ调节剂多采用碳酸钠，但碳酸钠易与Ｃａ。 型地
层水形成沉淀，故应根据地层水水型选择是否采用
碳酸钠作为ｐＨ调节剂。另外，从图５可以看出，有
机碱ｐＨ调节剂可以明显改善压裂液冻胶的流变性
能，原因可能是有机碱体系在高温的条件下，较碳酸
钠和氢氧化钠能够更好的继续保持压裂液适宜交联
的ｐＨ值环境。
２ 结 论
（Ｉ）羟丙基瓜胶粉性质不同，压裂液耐剪切性能
不同，３种压裂液性能顺序是罗地亚４１５＃瓜胶粉＞
超级羟丙基瓜胶粉＞普通羟丙基瓜胶粉。
（２）交联剂类型不同，压裂液的耐剪切性能也不
同。３种交联剂中，有机硼缓交联剂ＣＫ—ＯＢＣ性能
优于ＨＴＣ－Ｉ６０和ＳＤ－Ｉ两种交联剂。
（３）温度稳定剂Ｎａ。Ｓ。Ｏ。和ＣＨ。ｏＨ均可不同
程度的提高压裂液的耐剪切性能。
（４）氢氧化钠和碳酸钠两种ｐＨ调节剂对压裂
液冻胶流变行为影响相似，有机碱体系作为压裂液
的ｐＨ调节剂，性能优于氢氧化钠和碳酸钠。
［参考文献］ ［１］龙政军．压裂液添加剂对压裂液性能及效果的影响分析（Ｉ）一稠 化剂和交联剂的影响［Ｊ］．石油与天然气化工，２０００，２９（６）； ３Ｉ４—３ｌ６． Ｅ２３罗彤彤，卢亚平，潘英民．羟丙基瓜尔胶合成工艺的研究［Ｊ］． 矿冶，２００８，１７（３）：６７—６８． Ｅ３３王佳，怡宝安，杨文，等．压裂液用硼交联剂作用机理分析ＥＪ３． 精细石油化工进展，２００９，１ｏ（８）：２３—２６． Ｅ４］周成裕，萧瑛，段培珍，等．聚合物压裂液性能的影响因素及研 究方向ｒＪ＿．精细石油化工，２００８，２５（Ｉ）：６８—７Ｉ．
［责任编辑］王艳丽
ｌ７