朱軍劍，張高群，喬國(guó)鋒，肖 兵

（1.新疆克拉瑪依雙信有限責(zé)任公司，新疆克拉瑪依 834000；2.中石化中原石油工程公司井下特種作業(yè)公司，河南濮陽 457164）

頁巖氣藏是典型的非常規(guī)天然氣藏，它具有超低滲透率、生產(chǎn)周期長(zhǎng)和開采壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)，滲透率一般在毫微達(dá)西至微納達(dá)西之間，針對(duì)頁巖氣儲(chǔ)層微納達(dá)西級(jí)別的滲透率，要想獲得工業(yè)氣流，必須進(jìn)行大規(guī)模的壓裂改造。頁巖氣儲(chǔ)層壓裂施工特點(diǎn)對(duì)壓裂液性能要求：壓裂規(guī)模大，“千方砂萬方液”，要求壓裂液成本低，配制簡(jiǎn)便；施工排量大（8~15 m3/min），摩阻高，要求壓裂液具有良好的流變性能，減阻效果好；粘度低，有利于液體濾失，波及更多儲(chǔ)層微裂縫和基質(zhì)，以達(dá)到體積改造的目的。滑溜水壓裂液是目前美國(guó)頁巖氣開發(fā)作業(yè)中應(yīng)用最多的壓裂液技術(shù)，不但使壓裂費(fèi)用較大型水力壓裂較少65 %，而且使頁巖氣最終采收率提高了20 %。因此開發(fā)一種速溶、低粘、低摩阻、易返排的滑溜水是非常必要的。本文通過室內(nèi)環(huán)流摩阻實(shí)驗(yàn)裝置和現(xiàn)場(chǎng)連續(xù)油管車進(jìn)行了滑溜水壓裂液的研究，對(duì)今后此種壓裂液體系的研究提供參考。

1 配方研究及評(píng)價(jià)

1.1 減阻劑

1.1.1 增粘及溶解特性 頁巖氣壓裂規(guī)模大，“千方砂萬方液”，要求壓裂液配制簡(jiǎn)便，因此減阻劑具有低粘、速溶特性以滿足現(xiàn)場(chǎng)快速連續(xù)混配的要求。為便于觀測(cè)比較，以濃度0.2 %進(jìn)行增粘及溶解性能分析，并以2 min 粘度數(shù)據(jù)對(duì)比2 h 粘度數(shù)據(jù)作為減阻劑產(chǎn)品溶解速率分析指標(biāo)。

由表1 結(jié)果可知FR-2 盡管具有速溶特性，達(dá)到79.5 %，但粘度太高，不能滿足滑溜水低粘要求；FR-4 盡管具有低粘特性，但溶解速率過低，不能滿足大規(guī)?，F(xiàn)場(chǎng)快速連續(xù)混配要求。因此選擇粘度較低、溶解速率較高的FR-1、FR-3、FR-5 和FR-6 進(jìn)行其它性能評(píng)價(jià)。

1.1.2 減阻性能 減阻劑作用機(jī)理有偽塑說、湍流脈動(dòng)抑制說、粘彈說、有效滑移說、湍流抑制說等。但總之是當(dāng)流體處于紊流區(qū)后，依靠減阻劑分子間相互引力抵抗流體質(zhì)點(diǎn)的作用力，改變流體質(zhì)點(diǎn)的作用方向和大小，使一部分做無用功的徑向力轉(zhuǎn)化為順流向的軸向力，從而減少了無用功的消耗，宏觀上表現(xiàn)出減少了流體的摩阻損失，即起到減阻作用[2-3]。

表1 不同減阻劑產(chǎn)品增粘及溶解特性評(píng)價(jià)

減阻率計(jì)算參照中華人民共和國(guó)石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5107-2005《水基壓裂液性能評(píng)價(jià)方法》，測(cè)量不同流體在一定剪切速率下，流經(jīng)一定長(zhǎng)度和直徑的管路時(shí)，均產(chǎn)生一定的壓差，由此計(jì)算流體的摩阻性能[4]。

減阻率計(jì)算公式：η=［（△P1－△P2）/△P1］×100

式中：η－流體對(duì)清水的降阻率，%；△P1－固定長(zhǎng)管中清水壓降，MPa；△P2固定長(zhǎng)管中待測(cè)流體壓降，MPa。

由圖1 結(jié)果可知，相同濃度情況下，F(xiàn)R-1、FR-3、FR-5、FR-6 減阻率都隨剪切速率增加而增大；在較低剪切速率時(shí)，F(xiàn)R-5 和FR-6 減阻率高于FR-1 和FR-3的減阻率，在高剪切速率時(shí)，F(xiàn)R-5 和FR-6 減阻率又低于FR-1 和FR-3 的減阻率?？紤]到頁巖氣壓裂現(xiàn)場(chǎng)施工，以139.7 mm 管柱，排量10 m3/min 左右計(jì)算，液體在管柱內(nèi)的剪切速率在1 000~3 000 s-1范圍內(nèi)[5-6]，因此初步選擇FR-1 和FR-3 作為滑溜水用減阻劑進(jìn)行研究。

圖1 變剪切減阻性能對(duì)比

圖2 耐剪切性能分析

圖3 不同濃度的減阻劑變剪切減阻性能對(duì)比

1.1.3 耐剪切性 頁巖氣井壓裂施工過程中，滑溜水在井筒內(nèi)要經(jīng)歷長(zhǎng)時(shí)間高剪切，因此為滿足施工要求，對(duì)FR-1 和FR-3 減阻劑進(jìn)行耐剪切性能評(píng)價(jià)。室內(nèi)設(shè)定剪切速率為1 200 s-1，用FPR-170 管路摩阻測(cè)試儀進(jìn)行時(shí)間為480 s 的耐剪切測(cè)試（見圖2）。由圖2 結(jié)果可知盡管0.1 %FR-3 初期具有較高的減阻率，但隨著剪切時(shí)間增加，其減阻率迅速降低，這可能是因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間高剪切破壞了其分子鏈結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生了剪切降解；而0.1 %FR-1 則具有較為穩(wěn)定的減阻率，說明其耐剪切性能較好。因此選擇FR-1 作為滑溜水用減阻劑。

1.1.4 濃度確定 室內(nèi)用FPR-170 管路摩阻測(cè)試儀對(duì)FR-1 減阻劑分別進(jìn)行濃度為0.05%、0.1%、0.2%的變剪切摩阻測(cè)試（見圖3）。由圖3 結(jié)果可知，在1 500 s-1剪切速率范圍內(nèi)，隨剪切速率增加，不同濃度的FR-1的減阻率增大，但減阻率提高幅度降低；在較低剪切速率范圍內(nèi)，減阻率隨濃度的增加而降低，在高剪切速率范圍內(nèi)，減阻率隨濃度的增加而增大，而并非減阻劑的濃度增大，可使減阻效率增加，而應(yīng)該是減阻劑產(chǎn)品在不同剪切速率范圍內(nèi)有一個(gè)最佳濃度值；考慮到現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，液體在管柱內(nèi)的剪切速率在1 000~3 000 s-1范圍內(nèi)，因此選擇確定FR-1 加量為0.1 %。

1.2 助排劑

為提高滑溜水壓裂后的返排效率，降低對(duì)儲(chǔ)層的傷害，需加入助排劑。一般選擇表界面張力較低的助排劑，實(shí)驗(yàn)結(jié)果（見表2），最終選擇了表界面張力較低的B-80 作為活性水壓裂液用助排劑，加量為0.3 %。

表2 助排劑性能對(duì)比

1.3 防膨劑

頁巖氣儲(chǔ)層中含有多種礦物質(zhì)，其中粘土礦物分布較廣，主要有高嶺石、伊利石、蒙脫石和綠泥石，因此在壓裂過程中應(yīng)考慮外來液體侵入造成粘土膨脹，從而導(dǎo)致儲(chǔ)層的傷害問題。考慮到施工成本與效果，選擇了濃度1.5 %KCl 作為頁巖氣滑溜水壓裂液用防膨劑（見圖4）。

1.4 其它添加劑

頁巖氣壓裂一般規(guī)模較大，為節(jié)約成本，就近獲得水源，常為雨水或河水，因此為避免水質(zhì)對(duì)滑溜水性能的影響和保障供液排量，可適當(dāng)加入殺菌劑和消泡劑。

圖4 防膨率隨KCl 濃度關(guān)系曲線

1.5 綜合評(píng)價(jià)

經(jīng)上述實(shí)驗(yàn)研究，最終確立滑溜水配方為：0.1 %FR-1+0.3 %ZP+1.5 %KCl+其它。室內(nèi)對(duì)本品滑溜水進(jìn)行部分性能進(jìn)行評(píng)價(jià)并與國(guó)外滑溜水進(jìn)行性能對(duì)比，由表3 結(jié)果可知，本品滑溜水具有更低的表界面張力和較高防膨率。

2 中試試驗(yàn)

2012 年7 月在中原油田井下特種作業(yè)處壓裂大院用直徑為1 寸半的連續(xù)油管車分別對(duì)清水、國(guó)外滑溜水與本品滑溜水進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)摩阻測(cè)試，并對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，由圖5、表4 結(jié)果可知，管徑一定的條件下，所有體系的摩阻和排量都為冪函數(shù)關(guān)系，排量越大，滑溜水降阻效果越為顯著，排量0.17 m3/min 時(shí)，國(guó)外滑溜水降阻率為60.62 %，而本品滑溜水則為64.74 %，超過國(guó)外水平，說明本品滑溜水具有更好的減阻效果。

表3 滑溜水部分性能評(píng)價(jià)

圖5 1 寸半的連續(xù)油管對(duì)不同液體體系進(jìn)行變排量測(cè)試摩阻趨勢(shì)圖

表4 相同管徑、排量下與國(guó)外滑溜水降阻率對(duì)比

3 結(jié)論及建議

（1）針對(duì)頁巖氣儲(chǔ)層超低滲透率，壓裂施工規(guī)模大，排量大特點(diǎn)，因此室內(nèi)開發(fā)一種速溶、低摩阻、低表界面張力、高防膨率的滑溜水壓裂液。

（2）室內(nèi)研究表明，在剪切速率100~1 500 s-1范圍內(nèi)，不同的減阻劑類型和濃度都具有不同的減阻效果，而并非減阻劑的濃度增大，可使減阻效率增加，因此在進(jìn)行減阻劑類型和濃度確定時(shí)，首先要考慮現(xiàn)場(chǎng)施工條件，確定剪切速率范圍之后再進(jìn)行優(yōu)化。

（3）現(xiàn)場(chǎng)中試應(yīng)用表明，管徑38.1 mm，排量0.17 m3/min 時(shí)，國(guó)外滑溜水降阻率為60.62 %，而本品滑溜水則為64.74 %，說明本品滑溜水具有更好的減阻效果，達(dá)到或超過國(guó)外水平。

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