自上世纪60年代瓜尔胶用于水力压裂以来，经 过不断的发展与完善，硼交联羟丙基瓜尔胶 (BXHPG)己成为当前水基压裂液的主流体系。其 主要特点是低伤害，易配制，硼交联羟丙基瓜尔胶压裂液回收再用可行性研究,应用温度范围广，从常 温到近180 °C都具有优良的流变性能，可满足大部 分储层压裂施工的要求。

BXHPG在矿场应用中要经历三种形态。稠化 剂在水中溶胀后生成的基液，称为原胶，黏度约30 ~ 100 mPa*s。加父联剂増稠后的高黏液体称为冻 胶。冻胶完成携砂任务后，一般要用破胶剂降黏为 破胶残液，以利快速返排，为油气从地层流入井筒让 出高导流通道。各油田对压裂液破胶程度有不同的 要求，但一般要求破胶残液黏度在地层温度下低于 10 mPa.s。

单层压裂施工所需压裂液从几十到几百立方米 不等，返排压裂液中含有大量的化学剂，对环境保护 造成很大负担，处理费用往往很大。国外开发了 可重复利用的低分子量瓜尔胶压裂液，不但提高了 压裂效果，也减轻了压裂液对环境的压力[2]。国内 长庆油田等单位对这种压裂液进行了研究并投入了 应用[3,4]。就现有文献看，该工艺虽然堪称水基压 裂液的一次革命，但预处理工艺麻烦，费用较高。为 此对当前广泛使用的BXHPG直接回收与重复利用 的可行性进行了初步研究。

1交联与非降解性破胶机理

普通瓜尔胶分子量一般在200万以上，含有 4000多个半乳甘露糖重复单元。硼酸根离子与瓜 尔胶分子中的顺式羟基可形成相对稳定的氢键，通 过分子间交联生成具有优良流变性的高黏冻胶[5]。 瓜尔胶的衍生物如羟丙基瓜尔胶，以及瓜尔胶的类 似物如田菁胶、魔芋胶、香豆胶及其改性产物，只要 高分子链中含有相当比例的顺式羟基，都可以用硼 交联，见图1。 

 

压裂液中硼酸根含量决定交联程度。无论是有 机硼还是无机硼，都要离解为硼酸根才能起交联作 用。硼酸根浓度在数值上等于体系中总硼量与硼酸 根分布分数的乘积，最终取决于硼酸和硼酸根的化 学平衡(式1)，其平衡常数受温度影响。

B(OH)3+ OH-^B(OH)4—( 1)

根据化学平衡移动原理，调节压裂液的pH值 或温度，就可以控制交联程度。图2是Harris计算 的不同温度和pH值下溶液中硼酸根的分布分 数[61。交联剂用量在正常范围的压裂液，当分布分 数低于0. 2时硼酸根离子浓度较低，难以形成有效 的交联，冻胶即降黏蜕化为原胶。这种破胶机理与 传统的氧化破胶、自由基破胶和酶破胶机理完全不 同，它不破坏瓜尔胶高分子主链，仅通过化学平衡移 动原理改变交联状态，本文称之为非降解性破胶。 低分子量压裂液的回收与再利用正是基于这一原理 实现的。

 

2非降解性破胶途径

为验证上述交联与破胶机理，设计了一组流变 实验。实验仪器采用RT20高温高压流变仪(德国 Haake公司），实验剪切速率为170 s-、主要配液 材料如下：羟丙基瓜尔胶(HPG)，河南濮阳凯利化 工厂；有机硼交联剂（C150)，山东东营广饶县三源 化工厂；缓释酸，自配;烧碱及其他添加剂，取自中原 油田井下特种作业处。

2. 1温度破坏交联平衡

图 3 是 0. 4%HPG+ 0. 25% C150+ 0. 07% 烧碱 及其他添加剂配制的压裂液分别在85°C和135 °C测 试的流变曲线。在170 s- 1剪切速率下经90分钟剪 切，85°C时冻胶黏度稳定在500 mPa*s, 135°C下黏 度只有150 mPa*s。该组实验说明通过调节温度可 大幅度降低BXHPG的黏度。

 

马新仿根据质量和能量平衡方程采用数值计算 方法，硼交联羟丙基瓜尔胶压裂液回收再用可行性研究,求解了压裂施工时裂缝附近温度场分布[7]。 初期进入裂缝的压裂液温度很快升高，接近地层的 初始温度，随后进入的压裂液升温速率变缓。施工 结束时，整个人工裂缝前部近1/3为高温区，接近原 始地层温度，而裂缝中后部约2/ 3为降温区。停泵 以后，由于地层的热传导，裂缝内液体温度逐渐升 高。注液期间裂缝温度降低有利于压裂液的稳定， 停泵后裂缝温度恢复，使压裂液中硼酸根分布分数 减少，有利于压裂液实现非降解性破胶。据此可分 别设计前置液和携砂液，携砂液的耐温程度只要达 到注液后裂缝内相对较低的温度水平即可。携砂液 在地层温度恢复时就可大幅度降黏。除此之外，采 用自生热压裂液技术，通过控制气热剂放热速度，在 裂缝闭合期间可以人为地大幅度提高压裂液温度，

2.2缓释酸破坏交联平衡

压裂液中加入缓释酸，保证在泵注前置液、携砂 液时释放出的酸量不足以影响压裂液的交联性能； 施工结束后使压裂液pH值降低到适当的值，由此 降低压裂液中硼酸根的浓度,实现压裂液的非降解 性破胶。现己优选了几种缓释酸，可满足部分地层 温度和施工规模的压裂液配方调整。图4是120 °C 下实测的一组流变曲线，实验液体为0. 45%HPG + 0. 25%C150+ 0. 1%烧碱+ 3%缓释酸和其他添加 剂组成的BXHPG压裂液体系。其中曲线1为初次 配制的压裂液，说明添加缓释酸可使压裂液破胶，黏 度降低到40 mPa*s以下，有利于快速返排。曲线2 是在曲线1实验结束后补加烧碱和缓释酸后继续进 行高温剪切测试的结果，说明这种压裂液体系破胶 后重新调节pH值可重复利用。测试表明，用这种缓 释酸破胶剂可维持BXHPG压裂液120°C时的黏度 在200 mPa* s以上近3小时,可满足较大规模的压 裂施工。若施工排量取4 m3/min, 3小时内注前置 液300 m3、携砂液400 m3、顶替液20 m3,平均砂比 25%时可加砂100 m3。

 

2.3稀释降黏

地层中往往含有地层水，与压裂液混合后可降 低压裂液的黏度。图5是0. 4%HPG+ 0. 25% C150 + 0. 07%烧碱及其他添加剂配制的BXHPG用蒸馏 水稀释到HPG浓度为0. 3%和0. 2%后于85 °C测 试的流变曲线。该组曲线中,冻胶稀释前在170 s- 1 剪切90分钟的黏度稳定在500 mPa* s;冻胶与水以 3 1稀释，剪切90分钟后的黏度略高于100 mPa*s。 1: 1稀释后基本上不能交联,黏度为20 mPa* s左 右。实验表明，压裂液被稀释后黏度会大幅度下降。

 

图50. 4%HPG压裂液稀释前后流变性能对比（85°C,

170 s- ')

曲线标号为实验压裂液中HPG浓度

近年来国外在低渗致密油气藏成功应用的复合 清水压裂工艺为压裂液的回收拓展了空间。该工艺 先用大量清水加细砂支撑微裂缝，然后用冻胶尾追 大粒径支撑剂支撑主裂缝181。在冻胶之前注入大 量清水,有利于稀释冻胶降低黏度。

3压裂液返排监测

通常冻胶黏度大于100 mPa* s,原胶黏度100~ 30 mPa* s,破胶残液黏度小于10 mPa* s。单纯依靠 pH值破胶只能降黏到原胶黏度，达不到当前使用氧 化性破胶剂的降黏幅度。传统观念认为，破胶残液 黏度过高可能对压裂液返排不利，但通过对压裂液 返排过程的测试发现，压裂液的返排率与黏度并无 太大关系。

2002 年 Mahmoud Asadi 等191 选取了 10 种不相

© 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publis：顶替液段往往来不及取样,表现为低返排率的假象。

互干扰的非放射性示踪剂，在施工的不同阶段分别 以1 mg/L的浓度加入。返排时通过安装在入罐管 线上游的取样阀，定期取样同时检测10种示踪剂的 排出浓度，硼交联羟丙基瓜尔胶压裂液回收再用可行性研究,检出限低于1 ^g/ L。由此绘制示踪剂产 出浓度随返排时间的曲线，直观地分析不同泵注阶 段压裂液返排程度,评价返排效率。图6是一典型 的BXHPG压裂液返排示踪剂产出曲线。图中预前 置液和顶替液为清水，前置液和携砂液为BXHPG 冻胶。前置液和119 kg/m3、238 kg/ m3砂比携砂液 以及357 kg/m3砂比携砂液前期加高温稳定剂，不 加破胶剂。在357 kg/m3砂比中期停加高温稳定 剂，不加破胶剂。从357 kg/m3砂比后期开始加氧 化性破胶剂，直到注顶替液。根据前6小时的返排 量计算结果，由于压裂停泵后立即放喷，最先排出的

 

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最初的加砂段塞排出量最低（119 kg/m3砂比段）。 加砂前的前置冻胶段和携砂液加破胶剂前一段(3 57 kg/ m3砂比中期)的冻胶返排率总是较高。

 

图6不同泵注阶段压裂液返排示踪曲线

1，一,预前置液;2,前置液；3, •，119 kg/m3携砂液;4, □,

238 kg/m3 携砂液;5, 0,357 kg/m3 携砂液前期；6, x ,357 kg/ m3携砂液中期；7, ♦, 357 kg/m3携砂液后期；8,幻，476 kg/m3 携砂液前期;9,〇，476 kg/m3携砂液后期；10,顶替液

经多次示踪剂产出曲线分析，以上特点具有共 性。这说明压裂液的返排速度和最终返排率除受破 胶黏度影响外，还受其他因素控制。未破胶的冻胶 排出比例反而更高。因此，如果在压裂中全程采用 缓释酸破胶技术，对压裂液的总体返排率影响不会 太大,应接近当前通用的氧化剂破胶体系水平。

4重复利用可提高压裂效果

Halliburton公司于2002年成功开发了低分子 量瓜尔胶压裂液。该体系用硼交联低分子量瓜尔 胶，依靠地层矿物和地层水的酸性，中和压裂液的碱 性,将压裂液破胶返排液收集处理后重复利用[2]。 在Tex as北部Fort Worth盆地Barnett页岩油藏的 压裂施工效果对比表明，回收再利用的压裂液增产 效果反而高于新配制的压裂液（图7)。其原因可能

 

 

图7低分子量压裂液应用效果归一化对比

1,回收的压裂液;2,低分子量压裂液;3,清水压裂液

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来源于两个方面：①不完全破胶的压裂液返排时具 有更强的携带能力，可排出更多的水不溶物,从而使 支撑剂充填层具有更高的导流能力；②压裂液中含 有的部分水不溶物在返排过程中被支撑剂充填层滤 除，重复利用的压裂液相对更干净，对支撑裂缝导流 能力的伤害降低。

5结论

室内实验表明，通过非降解性破胶排出的HPG 高分子链不被破坏，硼交联羟丙基瓜尔胶压裂液回收再用可行性研究,普通BXHPG可以实现重复利

用。

有三种途径可实现非降解性破胶：地层温度 恢复或自生热压裂液技术；②缓释酸降低压裂液的 pH值；逗氷对压裂液的稀释。

现场返排监测和低分子量压裂液回收再利用的 增产效果说明，非降解性破胶不会影响返排率与施 工效果。

该技术可减少压裂液的排放量,减轻对环境的 污染,节约生产成本,提高施工效果。借鉴低分子量 压裂液的成功经验，现场应用极具发展潜力。但压 裂液重复利用所需的缓速交联技术尚不成熟，可选 用的缓释酸品种少。