本發(fā)明涉及一種評價(jià)壓裂液溫度穩(wěn)定劑的方法。

背景技術(shù)：

石油和天然氣作為國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的優(yōu)質(zhì)能源，對保證國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的持續(xù)快速發(fā)展具有非常重要的意義。隨著勘探開發(fā)程度的不斷深入和工程技術(shù)的飛速發(fā)展，低滲透油氣田已成為勘探開發(fā)最重要的領(lǐng)域之一，這對于解決國家能源供需矛盾具有重要的戰(zhàn)略意義。低滲透油氣藏一般是指儲(chǔ)層孔隙度低、滲透性差、單井產(chǎn)能低、勘探開發(fā)難度大的一類油氣藏。壓裂技術(shù)作為增產(chǎn)技術(shù)，自1947年誕生以來，就與低滲透油氣田勘探開發(fā)歷程密不可分。

壓裂液作為壓裂施工過程中重要組成部分之一，被譽(yù)為壓裂的“血液”。壓裂液的性能在決定壓裂施工成功與否的同時(shí)，還會(huì)對壓裂后儲(chǔ)層改造效果產(chǎn)生極大的影響。壓裂液的主要功能是延伸裂縫和輸送支撐劑，通過混合和泵送設(shè)備將支撐劑送至裂縫中，并且鋪設(shè)在裂縫內(nèi)希望的位置。決定這些功能的一個(gè)重要性質(zhì)是壓裂液的流變性質(zhì)。壓裂液的流變性能可通過測定粘溫曲線、粘時(shí)曲線和粘溫-粘時(shí)曲線獲得，其中粘溫-粘時(shí)曲線可獲得壓裂液初始粘度、到達(dá)油層溫度的時(shí)間的粘度、最高粘度、施工結(jié)束時(shí)間的最低粘度等全面的粘度信息。

壓裂液溫度穩(wěn)定劑用來增強(qiáng)水溶性高分子膠液的耐溫能力，以滿足不同地層溫度、不同施工時(shí)間對壓裂液的粘度與溫度、粘度與時(shí)間穩(wěn)定性的要求。

目前已提出了許多用來評價(jià)壓裂液溫度穩(wěn)定劑的方法。例如，勝利油田和中原油田分別制定了壓裂液溫度穩(wěn)定劑的評價(jià)方法。

在勝利油田制定的技術(shù)規(guī)范(Q/SLCG 0030-2013壓裂液用溫度穩(wěn)定劑技術(shù)要求)中，通過將壓裂液加入MARS-III高溫高壓旋轉(zhuǎn)流變儀中，設(shè)定升溫速率為3.0℃±0.2℃，對樣品進(jìn)行加熱，同時(shí)以170s^-1的剪切速率對樣品進(jìn)行持續(xù)剪切，并測試表觀粘度，樣品的表觀粘度隨升溫和剪切而降低，待表觀粘度降至50mpa·s時(shí)所指示的溫度為抗溫能力，記為T₁；加入溫度穩(wěn)定劑后，重復(fù)上述步驟，待表觀粘度降至50mpa·s時(shí)所指示的溫度為抗溫能力，記為T₂；利用(T₂-T₁)值評價(jià)溫度穩(wěn)定劑的效果，以(T₂-T₁)≥10℃作為溫度穩(wěn)定劑的技術(shù)指標(biāo)。

在中原油田制定的技術(shù)規(guī)范(Q/SH10250580-2008壓裂用溫度穩(wěn)定劑)中，在120℃下以170s^-1的剪切速率對樣品進(jìn)行持續(xù)剪切60min，以加入溫度穩(wěn)定劑前后粘度的變化作為溫度穩(wěn)定劑的評價(jià)方法，并以能夠使得壓裂液的粘度提高40mpa·s作為壓裂液溫度穩(wěn)定劑的技術(shù)指標(biāo)。

從上述評價(jià)溫度穩(wěn)定劑效果的方法可以看出，勝利油田的技術(shù)規(guī)范是通過粘溫曲線測定溫度穩(wěn)定劑對壓裂液能夠保持粘度的最高溫度影響，中原油田的技術(shù)規(guī)范是測定溫度穩(wěn)定劑對壓裂液粘度的影響。這兩個(gè)技術(shù)規(guī)范中對壓裂液溫度穩(wěn)定劑的評價(jià)方法不能表達(dá)溫度穩(wěn)定劑定義的內(nèi)涵和實(shí)質(zhì)作用。因而，不能在此基礎(chǔ)上制定溫度穩(wěn)定劑的技術(shù)指標(biāo)。

綜上所述，本領(lǐng)域需要一種合適的評價(jià)壓裂液溫度穩(wěn)定劑的方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明對壓裂液溫度穩(wěn)定劑的作用原理進(jìn)行了分析，以壓裂液在保證壓裂施工的情況下，能夠使用的最高溫度T_max(η₀，t₀)表征壓裂液體系的耐溫性能，并通過測定加入溫度穩(wěn)定劑前后T_max(η₀，t₀)的差值ΔT_max(η₀，t₀)而評價(jià)溫度穩(wěn)定劑的效果。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種新的評價(jià)壓裂液溫度穩(wěn)定劑的方法，并以勝利油田常用的壓裂液和溫度穩(wěn)定劑為例說明了評價(jià)數(shù)據(jù)的具體分析方法。

與壓裂液熱穩(wěn)定性相關(guān)的重要參數(shù)如表1所示。

表1與壓裂液耐溫性能相關(guān)的重要參數(shù)

一般而言，壓裂施工要求的壓裂液最低粘度值η₀＝50mPa.s，壓裂施工要求的時(shí)間t₀＝120min。

T_max為壓裂液能夠達(dá)到最低要求粘度值的最高溫度，即滿足η[T]≥η₀的最高溫度。確定T_max的方法是通過流變儀程序升溫過程測定剪切速率170s^-1時(shí)壓裂液體系的表觀粘度η，表觀粘度降至最低要求粘度值η₀時(shí)所指示的溫度為壓裂液能夠達(dá)到最低要求粘度值的最高溫度，記為T_max。

t(T)為壓裂液在溫度T下滿足最低要求粘度值的持續(xù)時(shí)間，即滿足η[T，t]≥η₀的最長時(shí)間。確定t(T)的方法是通過流變儀測定在溫度T下剪切速率170s^-1時(shí)壓裂液體系的表觀粘度η隨時(shí)間t變化的粘時(shí)曲線，表觀粘度降至η₀時(shí)所指示的時(shí)間與升高至該溫度時(shí)間的差值為壓裂液在溫度T下滿足最低要求粘度值的持續(xù)時(shí)間，記為t(T)。

T_max(η₀，t₀)為壓裂液在保證壓裂施工要求的壓裂液最低粘度值和時(shí)間下，能夠使用的最高溫度，即滿足η[T，t₀]≥η₀的最高溫度。確定T_max(η₀，t₀)的方法是在溫度T下測定壓裂液體系的t(T)，能夠滿足t(T)≥t₀的最高溫度為壓裂液在保證壓裂施工要求的壓裂液最低粘度值和時(shí)間下，能夠使用的最高溫度，記為T_max(η₀，t₀)。

此外，值得提及的是，從參數(shù)的物理意義可以看出，對于由增稠劑和交聯(lián)劑形成的凍膠類壓裂液體系而言，總有T_max＞T_max(η₀，t₀)。

從表1可以看出，勝利油田制定的評價(jià)方法中實(shí)際上是測定的參數(shù)為壓裂液能夠達(dá)到最低要求粘度值的最高溫度T_max，并通過評價(jià)加入溫度穩(wěn)定劑前后T_max的差值ΔT_max評價(jià)壓裂液溫度穩(wěn)定劑的效果。從T_max的物理意義可以看出，T_max僅能表征壓裂液體系達(dá)到最低要求粘度值的最高溫度。因此，在此基礎(chǔ)上得到的ΔT_max僅考慮最低粘度要求，僅能說明溫度穩(wěn)定劑對壓裂液體系增粘性能的影響。類似地，中原油田制定的評價(jià)方法測定加入溫度穩(wěn)定劑前后壓裂液粘度的變化Δη，則是更間接地反映和評價(jià)壓裂液的耐溫性能。

在壓裂設(shè)計(jì)中，即使在短時(shí)間內(nèi)壓裂液體系的粘度滿足最低要求粘度，但不能在壓裂施工時(shí)間內(nèi)維持，也不能使用。因此，利用ΔT_max和Δη評價(jià)壓裂液溫度穩(wěn)定劑都不是合適的參數(shù)。壓裂液的耐溫性能和溫度穩(wěn)定劑的效果評價(jià)必須同時(shí)考慮最低要求粘度和壓裂施工時(shí)間兩個(gè)因素。

針對上述問題，本申請的發(fā)明人創(chuàng)造性地提出利用加入溫度穩(wěn)定劑前后T_max(η₀，t₀)的差值ΔT_max(η₀，t₀)來評價(jià)壓裂液溫度穩(wěn)定劑的效果，由此完成了本發(fā)明。T_max(η₀，t₀)為壓裂液在保證壓裂施工的情況下，能夠使用的儲(chǔ)層最高溫度，所以從原理上T_max(η₀，t₀)能夠真實(shí)反應(yīng)壓裂液體系的耐溫性能。在此基礎(chǔ)上，通過測定加入溫度穩(wěn)定劑前后T_max(η₀，t₀)的差值ΔT_max(η₀，t₀)才能夠評價(jià)溫度穩(wěn)定劑的作用效果。

基于上述分析，本發(fā)明提出了利用加入溫度穩(wěn)定劑前后T_max(η₀，t₀)的差值ΔT_max(η₀，t₀)來評價(jià)壓裂液溫度穩(wěn)定劑的效果。

因此，本發(fā)明提出了一種評價(jià)壓裂液溫度穩(wěn)定劑的方法，其中利用加入一定濃度的壓裂液溫度穩(wěn)定劑前后T_max(η₀，t₀)的差值ΔT_max(η₀，t₀)評價(jià)壓裂液溫度穩(wěn)定劑的效果，當(dāng)該差值大于等于8℃時(shí)，所述壓裂液溫度穩(wěn)定劑的效果好；當(dāng)該差值小于8℃時(shí)，所述壓裂液溫度穩(wěn)定劑的效果不好。

在實(shí)踐中，由于要考慮壓裂液溫度穩(wěn)定劑的使用成本，對濃度過高的壓裂液溫度穩(wěn)定劑而言，即使壓裂液溫度穩(wěn)定劑加入前后的ΔT_max(η₀，t₀)大于等于8℃，此時(shí)在實(shí)際生產(chǎn)中也因成本過高而不具有實(shí)用性。在實(shí)際生產(chǎn)中，通常要求壓裂液溫度穩(wěn)定劑的濃度≤0.3重量％。因此，在本發(fā)明中，所述一定濃度的壓裂液溫度穩(wěn)定劑通常為≤0.3重量％。

ΔT_max(η₀，t₀)可通過如下方法確定：

由于T_max＞T_max(η₀，t₀)，因此可以通過壓裂液的粘溫曲線測定T_max以確定搜索T_max(η₀，t₀)的上限溫度。從上限溫度開始，通過數(shù)值搜索方法(如二分搜索法)逐漸搜索T_max(η₀，t₀)。

具體地，本發(fā)明的壓裂液溫度穩(wěn)定劑評價(jià)方法包括如下步驟：

(1)設(shè)定壓裂液的最低要求粘度η0和壓裂施工時(shí)間t0。例如，設(shè)定壓裂液最低要求粘度η₀為50mPa.s，壓裂施工時(shí)間t₀為120min。

(2)確定該壓裂液體系的T_max。T_max的確定根據(jù)勝利油田制定的技術(shù)規(guī)范(Q/SLCG 0030-2013壓裂液用溫度穩(wěn)定劑技術(shù)要求)進(jìn)行。具體地，量取配制的待測試壓裂液50mL，加入MARS-Ⅲ高溫高壓旋轉(zhuǎn)流變儀中，設(shè)定升溫速率為3.0℃±0.2℃，對樣品進(jìn)行加熱，同時(shí)以170s^-1的剪切速率對樣品進(jìn)行持續(xù)剪切，并測試表觀粘度，樣品的表觀粘度隨升溫和剪切而降低，待表觀粘度降至最低要求粘度η₀時(shí)所指示的溫度為壓裂液達(dá)到最低要求粘度值的最高溫度，記為T_max。

(3)利用數(shù)值搜索方法確定壓裂液體系的T_max(η₀，t₀)；

壓裂液體系的T_max(η₀，t₀)采用數(shù)值搜索方法確定。具體地，數(shù)值搜索方法可包括如下步驟：

(i)以T_max為上限溫度，設(shè)置數(shù)值搜索的初始步長S₀和數(shù)值搜索的精度k；

(ii)在(T_max-S₀×n)℃下(n為任意選擇的大于0的整數(shù)，例如n可選擇為1-1000、1-100或1-10之間的任意整數(shù))根據(jù)Q/SLCG 0030-2013測量壓裂液體系的表觀粘度降至η₀時(shí)所指示的時(shí)間與升高至該溫度時(shí)間的差值，該差值即為壓裂液在該溫度下能夠達(dá)到最低要求粘度值的穩(wěn)定時(shí)間，記為t(T)，以t(T)≥t₀為判定條件，當(dāng)t(T)≥t₀時(shí)停止測試，此時(shí)溫度記為T(t)；

(iii)如t(T)＝t₀，停止搜索并執(zhí)行步驟(vi)；如t(T)>t₀，令T(t)＝T_m，此處m為執(zhí)行步驟(ii)-(iii)的次數(shù)，執(zhí)行步驟(iv)，直至滿足步驟(v)時(shí)停止搜索并執(zhí)行步驟(vi)；

(iv)在溫度區(qū)間T_m～T_m+S_m-1內(nèi)縮短搜索步長為S_m在(T_m+S_m-1-S_m×n)℃下，而非在(T_max-S₀×n)℃下重復(fù)步驟(ii)，(iii)，其中S_m-1為第m-1次執(zhí)行步驟(ii)-(iii)時(shí)的步長，S_m為第m次執(zhí)行步驟(ii)-(iii)時(shí)的步長，其中S_m-1和S_m是任取的數(shù)值，一般S₀≥S_m-1>S_m，n如步驟(ii)所定義；

(v)設(shè)定一個(gè)值a，其中a≤k，并且已經(jīng)完成T_m、(T_m+2a)、(T_m+4a)三個(gè)溫度下能夠達(dá)到最低要求粘度值的穩(wěn)定時(shí)間的測定并滿足t(T_m)＞t₀且t(T_m+2a)＜t₀，或者t(T_m+2a)＞t₀且t(T_m+4a)＜t₀；

(vi)如t(T)＝t₀，則此時(shí)的T(t)為符合數(shù)值搜索精度的壓裂液能夠滿足最低要求粘度η₀和壓裂施工時(shí)間t₀的最高適用溫度，記為T_{max，壓裂液}(η₀，t₀)；

如t(T_m)＞t₀且t(T_m+2a)＜t₀，則(T_m+a)為符合數(shù)值搜索精度的壓裂液能夠滿足最低要求粘度η₀和壓裂施工時(shí)間t₀的最高適用溫度，記為T_{max，壓裂液}(η₀，t₀)；

如t(T_m+2a)＞t₀且t(T_m+4a)＜t₀則(T_m+3a)為符合數(shù)值搜索精度的壓裂液能夠滿足最低要求粘度η₀和壓裂施工時(shí)間t₀的最高適用溫度，記為T_{max，壓裂液}(η₀，t₀)。

以二分搜索法搜索T_max(η₀，t₀)為例(圖1)，其具體步驟包括：

①設(shè)置數(shù)值搜索初始步長，如32℃或者24℃；設(shè)置數(shù)值搜索的精度，如1℃或者0.5℃；下面是以數(shù)值搜索初始步長32℃和數(shù)值搜索精度0.5℃作為示例；

②量取配制的交聯(lián)凍膠50mL，加入MARS-Ⅲ高溫高壓旋轉(zhuǎn)流變儀中，以32℃為步長遞減在(T_max-32×n)℃下對樣品進(jìn)行加熱(n為任意選擇的大于0的整數(shù))，同時(shí)以170s^-1的剪切速率對樣品進(jìn)行持續(xù)剪切，并測試表觀粘度，待表觀粘度降至η₀時(shí)所指示的時(shí)間與升高至該溫度時(shí)間的差值為壓裂液在該溫度下能夠達(dá)到最低要求粘度值的穩(wěn)定時(shí)間，記為t(T)。當(dāng)t(T)≥t₀時(shí)停止測試，此時(shí)溫度記為T(t)。如t(T)＝t₀，則執(zhí)行步驟⑧；如t(T)>t₀，令T(t)＝T₁。

③設(shè)T₁＝T(t)，按②中的方法測定(T₁+16)℃下壓裂液在該溫度下能夠達(dá)到最低要求粘度η₀的穩(wěn)定時(shí)間，如果(T₁+16)℃下的t(T)＝t₀，令T(t)＝(T₁+16)并執(zhí)行步驟⑧；如t(T)>t₀，令T(t)＝(T₁+16)。

④設(shè)T₂＝T(t)，按②中的方法測定(T₂+8)℃下壓裂液在該溫度下能夠達(dá)到最低要求粘度η₀的穩(wěn)定時(shí)間，如果(T₂+8)℃下的t(T)＝t₀，令T(t)＝(T₂+8)并執(zhí)行步驟⑧；如t(T)>t₀，令T(t)＝(T₂+8)。

⑤設(shè)T₃＝T(t)，按②中的方法測定(T₃+4)℃下壓裂液在該溫度下能夠達(dá)到最低要求粘度η₀的穩(wěn)定時(shí)間，如果(T₃+4)℃下的t(T)＝t₀，令T(t)＝(T₃+4)并執(zhí)行步驟⑧；如t(T)>t₀，令T(t)＝(T₃+4)。

⑥設(shè)T₄＝T(t)，按②中的方法測定(T₄+2)℃下壓裂液在該溫度下能夠達(dá)到最低要求粘度η₀的穩(wěn)定時(shí)間，如果(T₄+2)℃下的t(T)＝t₀，令T(t)＝(T₄+2)并執(zhí)行步驟⑧；如t(T)>t₀，令T(t)＝(T₄+2)。

⑦設(shè)T₅＝T(t)，按②中的方法測定(T₅+1)℃下壓裂液在該溫度下能夠達(dá)到最低要求粘度η₀的穩(wěn)定時(shí)間，如果(T₅+1)℃下的t(T)＝t₀，令T(t)＝(T₅+1)并執(zhí)行步驟⑧；如t(T)>t₀，令T(t)＝(T₅+1.5)；如t(T)＜t₀，令T(t)＝(T₅+0.5)。

⑧此時(shí)的T(t)為符合數(shù)值搜索精度的壓裂液能夠滿足最低要求粘度η₀和壓裂施工時(shí)間t₀的最高適用溫度，記為T_{max，壓裂液}(η₀，t₀)。

(4)以與步驟(3)相同的方法確定加入一定濃度的溫度穩(wěn)定劑后的壓裂液體系的T_{max，壓裂液+溫度穩(wěn)定劑}(η₀，t₀)。

(5)計(jì)算溫度穩(wěn)定劑對壓裂液體系適用溫度的提高值ΔT_max(η₀，t₀)；按下式計(jì)算適用溫度提高值ΔT_max(η₀，t₀)：

ΔT_max(η₀，t₀)＝T_{max，壓裂液+溫度穩(wěn)定劑}(η₀，t₀)-T_{max，壓裂液}(η₀，t₀)

式中：

ΔT_max(η₀，t₀)：適用溫度提高值，℃。

T_{max，壓裂液}(η₀，t₀)：未加入溫度穩(wěn)定劑時(shí)的最高適用溫度，℃；

T_{max，壓裂液+溫度穩(wěn)定劑}(η₀，t₀))：加入溫度穩(wěn)定劑后的最高適用溫度，℃。

(6)當(dāng)ΔT_max(η₀，t₀)≥8℃，認(rèn)為溫度穩(wěn)定劑的效果很好，適于壓裂操作；當(dāng)ΔT_max(η₀，t₀)＜8℃，認(rèn)為溫度穩(wěn)定劑的效果不好，不適于壓裂操作。

附圖說明

圖1為二分搜索法確定壓裂液T_{max，壓裂液}(η₀，t₀)示意圖；

圖2為0.45％HPG+0.2％NaOH+0.2％TB-1壓裂液體系的粘溫曲線；

圖3為116℃下，0.45％HPG+0.2％NaOH+0.2％TB-1壓裂液體系的粘時(shí)-粘溫曲線；

圖4為溫度穩(wěn)定劑S-1濃度對壓裂液適用溫度提高值ΔT的影響。

實(shí)施例

下文通過實(shí)施例具體闡述本發(fā)明的壓裂液溫度穩(wěn)定劑評價(jià)方法。

為了進(jìn)一步說明本發(fā)明評價(jià)方法的可行性和具體參數(shù)的確定方法，利用0.45％HPG(羥丙基瓜爾膠，獲自東營市信德化工有限責(zé)任公司)、0.2％NaOH、0.2％TB-1(有機(jī)硼交聯(lián)劑，獲自勝利油田采油工藝研究院)配制壓裂液體系，并設(shè)定壓裂施工時(shí)間t₀＝120min、壓裂液最低要求粘度η₀＝50mPa.s，T_max(η₀，t₀)數(shù)值搜索初始步長為24℃，數(shù)值搜索精度為0.5℃，按照設(shè)計(jì)的評價(jià)方法分析了溫度穩(wěn)定劑S-1的效果。

圖2是0.45％HPG+0.2％NaOH+0.2％TB-1壓裂液體系的粘溫曲線，按照T_max的確定方法可以從圖2中得出，此種壓裂液的T_max為164.7℃。

在確定壓裂液體系的T_max后，按照本發(fā)明的評價(jià)方法，實(shí)驗(yàn)依次測定了140℃、116℃、92℃、104℃、110℃、113℃和112℃下壓裂液的粘溫-粘時(shí)曲線。以116℃下壓裂液的粘溫-粘時(shí)曲線為例(圖3)，從升高到目標(biāo)溫度的時(shí)間和壓裂液粘度降低到50mpa·s時(shí)的時(shí)間差值Δt可以計(jì)算出壓裂液在T＝116℃時(shí)能夠達(dá)到最低要求粘度值的穩(wěn)定時(shí)間t(T＝116℃)為98min。在所測定的溫度下壓裂液達(dá)到最低要求粘度值的穩(wěn)定時(shí)間t(T)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。從表2中可以看出，當(dāng)以24℃為步長將溫度降低至92℃時(shí)，壓裂液體系的穩(wěn)定時(shí)間t(T＝92℃)>120min，這說明該壓裂液的T_max(η₀，t₀)在92℃和116℃之間。根據(jù)二分搜索法，分別以12℃、6℃、3℃、1℃為步長繼續(xù)搜索T_max(η₀，t₀)，當(dāng)溫度為113℃和112℃時(shí)該壓裂液的的穩(wěn)定時(shí)間t(T)分別為50min和124min，因此，該壓裂液的適用溫度T_max(η₀，t₀)在112℃和113℃之間，按照搜索精度0.5℃的要求，則0.45％HPG+0.2％NaOH+0.2％TB-1壓裂液體系的適用溫度T_max(η₀，t₀)為112.5℃。

表2 0.45％HPG+0.2％NaOH+0.2％TB-1壓裂液體系的T_max、t(T)和T_max(η₀，t₀)

含有不同濃度溫度穩(wěn)定劑S-1的0.45％HPG+0.2％NaOH+0.2％TB-1壓裂液體系的T_max(η₀，t₀)如表3所示。

表3溫度穩(wěn)定劑S-1濃度對0.45％HPG+0.2％NaOH+0.2％TB-1壓裂液體系耐溫性能的影響

根據(jù)適用溫度提高值的定義式可以計(jì)算加入溫度穩(wěn)定劑后壓裂液適用溫度提高值ΔT_max(η₀，t₀)，結(jié)果示于圖4中。

從圖4中可以看出，加入0.1％～0.8％的溫度穩(wěn)定劑S-1可以使得0.45％HPG+0.2％NaOH+0.2％TB-1壓裂液體系的適用溫度提高4.5～10℃。其中0.3％的S-1使得0.45％HPG+0.2％NaOH+0.2％TB-1壓裂液體系的適用溫度提高8℃，因此適合做該壓裂液體系的溫度穩(wěn)定劑。