压裂用胶囊破胶剂性能评价方法研究

李继勇 邵红云 宋时权 夏凌燕 张贵玲

中国石化胜利油田分公司石油工程技术研究院

胶囊破胶剂是为实现压裂液延迟破胶的一种油田助剂[1-3]，包裹在外的囊膜能有效阻挡破胶剂与压裂液接触，防止压裂液提前破胶；同时，囊膜能在一定条件下发生破裂，释放包裹在内的破胶剂，达到破胶降黏的目的[4-8]。胶囊芯材主要以过硫酸盐为主[9]，目前，测定胶囊破胶剂过硫酸盐有效含量的方法较多[10-11]，而电导率法具有操作简单的特点，可通过电导率的变化分析破胶剂的释放情况[12]。国内学者的研究表明，温度与浸泡时间均会使破胶剂从胶囊释放，导致压裂液体系黏度下降[13-14]。为研究温度对胶囊破胶剂延迟破胶的影响，本研究拟采用电导率仪测定不同温度下胶囊破胶剂液体的电导率，以此测定其受热释放性能[15]。胶囊在压裂施工过程所受压力不仅源自地层裂缝闭合产生的机械挤压，地层环境还存在压裂过程中的液柱压力、泵注压力和地层压力等来自非机械挤压产生的环境压力[14,16]，而现有胶囊破胶剂释放性研究大多局限于压裂施工结束时地层裂缝闭合的机械挤压[17-19]，忽略了环境压力破坏胶囊囊膜结构的可能性，缺乏对实际压裂施工过程中胶囊破胶剂的性能研究。因此，为了科学有效地评价胶囊破胶剂在地层条件中的稳定性，须考查储层温度和压力对胶囊破胶剂的影响。

本研究利用电导率仪、高温高压稠化仪对胶囊破胶剂的受热释放性能、模拟地层条件下的破胶性能进行研究和评价，旨在结合实验和研究结果为胶囊破胶剂提出较为科学有效的评价方法。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

扫描电子显微镜(KYKY-EM6900)、高温高压稠化仪(TG-8040)、六速旋转黏度计(ZNN-D6B)、真空冷冻干燥机(LGJ-10C)、电导率仪、恒温水浴锅、过硫酸铵(成都科龙化工试剂厂)、胶囊破胶剂。

1.2 电导率法测定胶囊破胶剂的释放性

本研究所采用胶囊破胶剂中包裹物质均为过硫酸铵。过硫酸铵溶于水会导致溶液电导率发生变化，利用电导率法测定过硫酸铵的释放情况，实验步骤如下：

(1) 分别准确称量胶囊破胶剂样品(1#、2#)(0.100 0±0.005 0) g各3份，同时取相同质量的纯过硫酸铵作为空白对照组，将其分别置于100 mL去离子水中。

(2) 测定溶液在60 ℃、70 ℃和80 ℃下不同时间的电导率。

1.3 高温高压下胶囊破胶剂的性能研究

利用高温高压稠化仪对含胶囊压裂液体系在高温高压下进行性能研究[20]，以评价胶囊破胶剂在非机械压力挤压下的性能。实验步骤如下：

(1) 配制0.60%(w)的胍胶溶液，准确量取500 mL，加入0.30%(w)的交联剂，交联后配制成压裂液体系空白对照组。

(2) 取2组500 mL胍胶溶液，分别准确称量(0.100 0±0.005 0)g胶囊破胶剂(1#和2#)，分散均匀后分别加入0.30%(w)交联剂，交联后配制成含胶囊压裂液体系实验组。

(3) 将配制好的待测压裂液转至高温高压容器，对高温高压稠化仪进行实验程序设定，使测试室升温升压1 h，恒温恒压1 h。

(4) 测试结束后取出样品，利用六速旋转黏度计在170 s-1、对应实验测试温度条件下测定其黏度。

1.4 胶囊破胶剂微观形貌观察

取一定质量不同编号的胶囊破胶剂，在不同温度下热处理2 h后，使用冷冻干燥机对样品进行干燥，用扫描电子显微镜观察其外观形貌，研究温度对胶囊囊衣结构的影响。

2 结果与讨论

2.1 温度对胶囊破胶剂释放性能的影响

按1.2节实验步骤配制待测溶液，利用电导率仪测定不同温度下胶囊样品的电导率变化趋势，对胶囊在不同温度下的释放情况进行研究，结果见图1。

由图1可知：在不同实验温度下，加入纯过硫酸铵、1#样品和2#样品的溶液电导率均随时间的增加而增大，说明电导率法可以反映溶液中过硫酸铵含量的变化趋势，以此反映胶囊破胶剂的释放情况；1#样品和2#样品溶液在同一温度相同时间点的电导率远低于纯过硫酸铵溶液，说明1#样品和2#样品在未被机械压力压破的情况下，过硫酸铵释放速率较慢，过硫酸铵在胶囊囊衣的包裹作用下，胶囊中的过硫酸铵可实现延迟释放；随着实验温度的升高，相同时间点1#样品和2#样品的电导率也增大，说明随着温度的升高，两种胶囊破胶剂的释放速率逐渐增大，表明温度可以促进胶囊破胶剂中过硫酸铵释放到溶液中，影响胶囊破胶剂的稳定性能。电导率法可有效反映胶囊破胶剂在不同温度、不同时间下的释放情况，进而考查其稳定能力。

2.2 温度对胶囊破胶剂稳定性的影响

在地层条件下存在高温情况，为探究温度对胶囊延迟破胶性能的影响，按第1.3节所述配制待测样品，将配制的待测体系分别置于60 ℃、70 ℃和80 ℃下2 h，用六速旋转黏度计在170 s-1、对应实验测试温度(60 ℃、70 ℃、80 ℃)条件下测定体系黏度，考查温度对胶囊破胶剂延迟破胶能力的影响，实验结果见表1。

表1 不同温度下压裂液体系黏度类别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/%空白对照组135.0111.090.01#胶囊破胶剂123.091.1154.048.656.06.672#胶囊破胶剂114.084.4436.032.437.58.33

由表1可知：①随着温度的升高，加入胶囊破胶剂的压裂液体系黏度降低，说明胶囊破胶剂中的过硫酸铵在实验过程中释放到压裂液中，压裂液发生破胶，导致体系黏度下降；②温度越高，加入胶囊破胶剂的压裂液的黏度下降越明显，并且温度越高，胶囊破胶剂的稳定性越差，这与电导率法的结果相吻合。因此，在考查胶囊破胶剂的延迟破胶性能时，需要讨论未受机械压力破碎时温度对胶囊破胶剂的性能影响。

2.3 压力对胶囊破胶剂稳定性的影响

在地层条件下还存在压力，所以需探究压力对胶囊延迟破胶性能的影响。按1.3节压裂液体系配制方法配制待测样品，用高温高压稠化仪进行高温高压实验。模拟压裂液体系在地层中非机械挤压状态下的高温、高压条件，研究高温、高压对胶囊破胶剂的影响。高温高压设置为升温升压1 h，恒温恒压1 h，实验结束后，用六速旋转黏度计在170 s-1、对应实验测试温度条件下测定其黏度。实验结果见表2。

表2 不同压力下含胶囊破胶剂压裂液体系黏度压力/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在相同压力下，随着温度的升高，压裂液的黏度越来越低，说明温度越高，胶囊破胶剂越容易破裂；②在相同温度下，加入1#胶囊破胶剂压裂液的黏度随着压力的增加越来越低，说明在高压情况下，1#胶囊破胶剂的破裂程度会增大；③在相同温度下，2#胶囊破胶剂压裂液的黏度随压力的增加越来越大，说明在高压情况下，2#胶囊破胶剂的破裂程度会减弱。因此，高压会对于胶囊破胶剂的破裂产生不同的影响。在评价胶囊破胶剂的破胶性能时，要考虑地层环境压力对胶囊破胶剂延迟破胶性能的影响。目前，没有专门针对胶囊破胶剂延迟破胶性能的高温高压装置，可利用高温高压稠化仪模拟地层环境，考查胶囊破胶剂的延迟破胶性能。

2.4 不同温度处理后胶囊破胶剂微观结构分析

将在不同温度下处理过的1#样品和2#样品用扫描电子显微镜对其微观形貌进行观察，考查不同温度处理后胶囊破胶剂的微观结构变化，实验结果见图2和图3。

由图2和图3可知：未经热处理的1#和2#胶囊破胶剂外观呈明显圆状或椭圆状；随着温度的升高，胶囊囊衣发生不同程度的脱层和凹陷，说明包裹的过硫酸铵存在释放的情况。该结果与电导率法和温度稳定性研究结果一致。通过扫描电子显微镜实验结果可知，升高温度使胶囊破胶剂提前释放过硫酸铵，从而影响压裂液延迟破胶性能。因此，对胶囊破胶剂的破胶性能进行研究时，需要考虑在地层温度下，未经机械压力破碎的胶囊破胶剂的延迟破胶性能。电导率法可以准确地反映不同温度下胶囊破胶剂的释放情况。

3 结论

(1) 电导率仪可快速简便地测定胶囊水溶液中过硫酸铵浓度的变化趋势，是快速有效地评价胶囊破胶剂释放性能的方法。

(2) 温度越高，胶囊破胶剂释放越快。

(3) 温度和压力均会对胶囊破胶剂产生不同程度的影响，使胶囊发生提前破胶，降低压裂液黏度。在相同压力下，温度越高，胶囊破胶剂中过硫酸铵越容易释放；相同温度下，不同类型的胶囊破胶剂在不同压力条件下的释放程度不同。

(4) 在评价胶囊破胶剂性能时，须考虑温度和压力对其释放性能的影响。