劉 慶，盧亞平，趙 敏，王小寶，廖波蘭

（北京礦冶研究總院，北京100070）①

目前，我國(guó)出現(xiàn)了大量的低滲、特低滲油氣田儲(chǔ)層，絕大部分需要壓裂增產(chǎn)，而壓裂液質(zhì)量直接影響壓裂效果的好壞［1－2］。隨著壓裂技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)壓裂液的功能和產(chǎn)量提出了新的要求。

纖維壓裂液是一種新型壓裂液，通過(guò)纖維與支撐劑間的相互作用形成空間網(wǎng)狀并提供支撐劑與裂縫之間的粘合力，從而將支撐劑穩(wěn)定在原始位置，而流體可以自由通過(guò)，有利于形成有效的裂縫長(zhǎng)度，解決了壓后出砂問題，利于支撐劑的反排，從而達(dá)到增產(chǎn)的目的。壓裂過(guò)程中全程加入纖維，利用纖維對(duì)支撐劑的攜帶、分布和運(yùn)輸作用，不需要通過(guò)增加壓裂液的黏度來(lái)提高攜砂能力，降低壓裂液中聚合物的濃度，進(jìn)而降低壓裂液的傷害；同時(shí)可以形成更好的裂縫鋪置剖面，使裂縫高度得到相應(yīng)的控制，獲得更加有效的裂縫支撐長(zhǎng)度［3－6］。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)纖維壓裂技術(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)性應(yīng)用，均取得了很好的效果，而針對(duì)纖維壓裂液配制工藝設(shè)備的研究較少。

1 配制工藝

1.1 主要成分特性

纖維壓裂液的主要成分是水、瓜爾膠、纖維以及微量的其他添加劑。根據(jù)壓裂工藝要求，纖維壓裂液中主要成分瓜爾膠與水的配比通常在0.3%～0.6%之間，纖維與水的配比通常在0.1%～0.3%之間，配制壓裂液時(shí)瓜爾膠、纖維與水的均勻融合是配液工藝的關(guān)鍵。

1） 瓜爾膠是壓裂液的主要原料，是一種天然有機(jī)聚合物，主要化學(xué)成分是半乳甘露聚糖。當(dāng)瓜爾膠粉與水接觸進(jìn)行水合時(shí)，半乳甘露聚糖分子上豐富的羥基與水分子結(jié)合，隨著水分子附著在聚合物鏈上的數(shù)目增多，聚合物長(zhǎng)鏈逐漸展開，與另一聚合物線團(tuán)相互作用，表觀特性形成了黏稠溶液，形成穩(wěn)定的親水性膠體。

從物理特性上看，瓜爾膠粉是超細(xì)顆粒，具有團(tuán)聚特性，黏度高，易溶于水。但其與水接觸時(shí)很容易形成水包粉團(tuán)，即“魚眼”現(xiàn)象：外層膠粉迅速溶于水所形成的隔膜包裹內(nèi)部的干粉。這種水包粉團(tuán)一旦產(chǎn)生，則很難再被打開?！棒~眼”現(xiàn)象的產(chǎn)生，既影響了膠液黏度的釋放，又浪費(fèi)了大量的膠粉，同時(shí)還會(huì)影響壓裂施工的效果。因此，配制壓裂液時(shí)防止“魚眼”產(chǎn)生，是一項(xiàng)重要指標(biāo)。

根據(jù)以上的分析和研究，可得出如下初步結(jié)論：須研制出一種高效水粉混合裝置，這種裝置在膠粉與水接觸的瞬間能產(chǎn)生巨大的沖擊力，使得膠粉迅速分散到水中，均勻地與水溶合，同時(shí)確定纖維的添加順序應(yīng)在膠粉之后，否則會(huì)對(duì)膠粉的均勻分散起阻礙作用。

2） 壓裂液中添加纖維材料是一項(xiàng)新技術(shù)，主要添加的是化學(xué)纖維。纖維的特性是其長(zhǎng)徑比較大，當(dāng)量直徑10～25μm，密度1.36～1.38g／cm3。在與液體混合時(shí)纖維極易漂浮在液面上，且有成團(tuán)、成撮現(xiàn)象，難于與膠液均勻溶合。因此，纖維在添加之前需采用適當(dāng)?shù)姆绞綄⑵浯蛏ⅲ估w維以松散狀態(tài)向壓裂基液中均勻加入，以減少和消除其團(tuán)聚的可能性，在添加的過(guò)程中通過(guò)計(jì)量裝置控制纖維的添加比例。為使其與膠液充分溶合，獲得纖維濃度均勻一致的壓裂液，消除纖維表面漂浮及團(tuán)聚現(xiàn)象，尚需采用機(jī)械方式迅速?gòu)?qiáng)力攪拌，使纖維均勻分散到壓裂基液中，才能配制出均勻合格的纖維壓裂液。

1.2 工藝流程

在對(duì)瓜爾膠及纖維進(jìn)行水溶機(jī)理研究的基礎(chǔ)上，制定了如圖1所示的纖維壓裂液配制工藝流程。

圖1 纖維壓裂液配制工藝流程

纖維壓裂液的配制由電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、供水泵、流量計(jì)、膠粉供給裝置、纖維儲(chǔ)供裝置、水粉混合裝置、液氣分離器、接力泵、纖維混合裝置等完成。

清水通過(guò)流量計(jì)、調(diào)節(jié)閥進(jìn)入配制流程，經(jīng)供水泵加壓后，進(jìn)入水粉混合裝置，高速水流產(chǎn)生負(fù)壓，吸入膠粉供給裝置提供的膠粉，同時(shí)吸入纖維儲(chǔ)供裝置提供的膠粉，形成較為均勻的膠液。水粉混合裝置所形成的溶膠液進(jìn)入氣液分離裝置，釋放溶液中的氣體。再由接力泵加壓后進(jìn)入纖維混合裝置。纖維溶膠液在纖維混合裝置中受到擠壓、摩擦、撞擊和傳流等綜合作用后，壓裂液黏度釋放率及膠液中纖維混合均勻度均可達(dá)到工藝設(shè)計(jì)要求，經(jīng)過(guò)輸出泵發(fā)放到壓裂液儲(chǔ)液裝置中，完成纖維壓裂液的配制。

纖維壓裂液配制中，流量計(jì)對(duì)進(jìn)水量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過(guò)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥和膠粉、纖維儲(chǔ)供系統(tǒng)，自動(dòng)調(diào)整水粉混配比和纖維混配比。為確保工作中氣液分離裝置不發(fā)生溢流情況，供水泵的流量和揚(yáng)程均低于后段接力泵的流量和揚(yáng)程；同時(shí)，裝置內(nèi)安裝有液位計(jì)，當(dāng)其中液位達(dá)到警戒位置時(shí)，自控系統(tǒng)可通過(guò)調(diào)控進(jìn)水電動(dòng)閥的開度對(duì)進(jìn)水量進(jìn)行調(diào)節(jié)，保證不溢流。

2 主要設(shè)備

2.1 水粉混合裝置

負(fù)壓輸送工藝相對(duì)來(lái)說(shuō)較適合于黏性粉狀物料與液體的混合，利用射流產(chǎn)生負(fù)壓，直接將粉狀物料帶入，完成粉狀物料在液體中的均勻分散。為了獲得良好的混合效果，還需要控制物料輸送時(shí)的濃度以及射流所產(chǎn)生的負(fù)壓大小，濃度過(guò)大即負(fù)壓吸送的氣固兩相流中，固體顆粒的含量超過(guò)一定的數(shù)值，顆粒之間無(wú)法充分分離，也就無(wú)法均勻分散于液體中，極易產(chǎn)生“魚眼”現(xiàn)象；而濃度過(guò)小，又可能無(wú)法滿足粉液配比的要求。因此，需通過(guò)精密給料裝置控制給粉濃度。一定的給粉濃度需要與相應(yīng)大小的負(fù)壓相匹配，才能使粉狀物料成為懸浮狀態(tài)，負(fù)壓過(guò)小也無(wú)法使粉料均勻分散到流動(dòng)的液體中。負(fù)壓的大小主要取決于高效混合器的結(jié)構(gòu)。

水粉混合裝置由中心吸粉管、注水套管、噴嘴、混合室、擴(kuò)散室等組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 水粉混合裝置結(jié)構(gòu)

工作時(shí)，液體經(jīng)泵增壓后在噴嘴處形成高速射流，由于流速很高，在噴嘴的出口及中心吸粉管內(nèi)形成負(fù)壓，將粉狀物料吸入混合器，混合室內(nèi)由于高速水射流形成強(qiáng)烈的渦流，可以形成劇烈的切割和攪拌作用，使粉料顆粒之間相互分離，同時(shí)充分潤(rùn)濕，有效防止了粉料聚結(jié)使混合液中形成魚眼和黏團(tuán)的現(xiàn)象?；旌掀鞯奶攸c(diǎn)在于固體粉料與空氣混合后進(jìn)入水中，粉顆粒分散地與水接觸，不出現(xiàn)水包粉團(tuán)，且高壓水能攜帶粉料高速流動(dòng)，與管壁進(jìn)行沖擊，有利于黏性物料膠液黏度的釋放。

混合裝置關(guān)鍵變量因素是噴嘴面積A1與吸粉面積A2的比值R＝A1／A2。要選擇最佳的R值，協(xié)調(diào)處理負(fù)壓與吸粉量的關(guān)系，在保證吸粉量的同時(shí)加大負(fù)壓。為使得R值能夠根據(jù)配液流量的不同而進(jìn)行相應(yīng)的改變，噴嘴設(shè)計(jì)為可調(diào)節(jié)形式，通過(guò)調(diào)節(jié)改變水的流量和壓力，使吸粉負(fù)壓達(dá)到最佳狀態(tài)。

水粉混合裝置中心吸粉管的端部外錐面與注水套管端部的內(nèi)錐面形成的環(huán)狀間隙直接形成為噴嘴，簡(jiǎn)化了水粉混合裝置的機(jī)構(gòu)。通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使此環(huán)狀間隙大小可調(diào)，根據(jù)液體流量的不同，調(diào)節(jié)環(huán)逢間隙大小，可控制水粉混合裝置產(chǎn)生足夠大的負(fù)壓，這樣形成的高速水射流具有足夠的能量，其產(chǎn)生的負(fù)壓既提供了干粉的輸送動(dòng)力，又增加了干粉與液體的接觸面積，進(jìn)而迅速濕潤(rùn)、溶解。此外，這種中心吸粉的方式較好地避免了粉料粘附在混合室內(nèi)壁的現(xiàn)象，使配液效果持續(xù)穩(wěn)定，也無(wú)需經(jīng)常停機(jī)清理混合器內(nèi)腔。

2.2 纖維儲(chǔ)供裝置

根據(jù)單位時(shí)間的纖維添加量，決定纖維儲(chǔ)供裝置應(yīng)有一定的儲(chǔ)量，能夠在配制過(guò)程中輸出定量的纖維，同時(shí)能夠?qū)⒗w維有效打散，呈均勻蓬松狀。因此，纖維儲(chǔ)供裝置具有以下功能：

1） 儲(chǔ)存一定數(shù)量的纖維，滿足配制一定數(shù)量壓裂液的需求。

2） 具有纖維打散機(jī)構(gòu)。

3） 具有輸送計(jì)量裝置。

4） 具有可調(diào)給料裝置，按照配制量和配比的要求，調(diào)整給料速度，將纖維均勻輸送至混合裝置。

針對(duì)纖維物料的特性，采用齒狀螺帶打散機(jī)構(gòu)。纖維儲(chǔ)供裝置中安裝有外部齒狀螺帶和內(nèi)部齒狀螺帶，外部螺帶將纖維推移至儲(chǔ)供裝置中心位置，內(nèi)部螺帶將纖維推移至儲(chǔ)供裝置兩端，纖維物料在儲(chǔ)供裝置中沿順時(shí)針或逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，做輻射狀運(yùn)動(dòng)，纖維束在運(yùn)動(dòng)中被拉散，達(dá)到了纖維物料在儲(chǔ)供裝置中呈均勻蓬松狀態(tài)，保證了纖維物料的均勻性。纖維儲(chǔ)供裝置結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 纖維儲(chǔ)供裝置機(jī)構(gòu)

儲(chǔ)供裝置下部安裝有變頻電機(jī)帶動(dòng)的精密給料裝置，打散均勻的纖維物料通過(guò)精密給料裝置均勻、定量地輸送至混合裝置。纖維儲(chǔ)供裝置中纖維物料的質(zhì)量及給料速度可以通過(guò)安裝在下部的電子秤進(jìn)行監(jiān)測(cè)與計(jì)量，變頻電機(jī)根據(jù)監(jiān)測(cè)與計(jì)量信號(hào)，調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速，達(dá)到適合要求的纖維給料速度。

2.3 纖維混合裝置

由于纖維密度小，易漂浮在液面上，使得纖維在壓裂液中分布不均，需要設(shè)計(jì)一種專用混合裝置，確保纖維在壓裂液中的快速均勻分散與溶合。纖維混合裝置的設(shè)計(jì)需滿足：

1） 使纖維在壓裂液中快速均勻分散與溶合。

2） 可與壓裂液配制裝置配套使用，滿足連續(xù)配制纖維壓裂液的要求。

針對(duì)工藝要求，將混合裝置設(shè)計(jì)成管線式結(jié)構(gòu)，便于和壓裂液配制裝置配套使用，保證了纖維壓裂液配制工作的連續(xù)性。

管線式混合裝置工作腔中設(shè)計(jì)有定子和轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時(shí)所產(chǎn)生的高切線速度和高頻攪拌效應(yīng)，使物料在定子與轉(zhuǎn)子狹小的間隙中受到液力剪切、離心擠壓、液層摩擦、撞擊撕裂和傳流等綜合處理。物料經(jīng)定、轉(zhuǎn)子綜合處理后，從徑向噴射出來(lái)，使得原本不易相溶的固相和液相充分混合。為保證配液質(zhì)量，設(shè)計(jì)采用雙層定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，增加混合裝置的混合能力：纖維物料經(jīng)第1組定、轉(zhuǎn)子綜合處理后，從徑向噴射出來(lái)，在轉(zhuǎn)子離心力的作用下，進(jìn)入第2組定、轉(zhuǎn)子工作區(qū)，再次經(jīng)定、轉(zhuǎn)子處理后，從徑向噴射出來(lái)。2組定、轉(zhuǎn)子依次處理后，使得原本不易相溶的纖維固相在壓裂液相中快速均勻分散并充分混合，得到穩(wěn)定的高質(zhì)量纖維壓裂液產(chǎn)品。管線式混合裝置結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 管線式混合裝置結(jié)構(gòu)

3 配制試驗(yàn)

在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了纖維壓裂液配制試驗(yàn)，在溫度為10℃、配液流量為0.35m3／min時(shí)，進(jìn)行了不同的粉水混配比和纖維／液配比試驗(yàn)，檢查纖維壓裂液的混合情況。

表征一個(gè)混合狀態(tài)的混合度只能是統(tǒng)計(jì)學(xué)的數(shù)值，采用混合均勻度相對(duì)偏差（σ）考核纖維混合裝置混合效果［7］。在纖維溶合裝置出口，在一定時(shí)間間隔內(nèi)，選取m個(gè)樣品，按以下公式分別計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)偏差和纖維平均濃度，從而計(jì)算出混合均勻度相對(duì)偏差σ。

式中：m為取樣次數(shù)；xi為纖維濃度為纖維平均濃度。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：纖維混合裝置具有良好的混合效果，對(duì)于混合長(zhǎng)度為6mm的纖維，混合均勻度相對(duì)偏差均＜5.5%，取得了很好的混合效果，如表1所示。

表1 纖維壓裂液混合均勻度相對(duì)偏差

4 結(jié)論

1） 在纖維壓裂液的配制工藝中，瓜爾膠粉采用負(fù)壓吸入的方式加入，可保證瓜爾膠粉在水中均勻分散，杜絕水包粉的產(chǎn)生；膠粉和纖維的供給均配有精密給料計(jì)量裝置，按要求比例均勻添加；纖維添加前呈均勻打散狀態(tài)，然后通過(guò)纖維溶合裝置，使纖維與膠液均勻溶合。采用此配制工藝和設(shè)備，能夠快速配制出符合壓裂要求的高品質(zhì)纖維壓裂液。

2） 纖維壓裂液已逐漸形成了新型壓裂液體系，目前已成為國(guó)內(nèi)外壓裂液研究中的一個(gè)熱點(diǎn)，具有較廣闊的應(yīng)用前景。纖維壓裂液配制工藝及設(shè)備的研究為纖維網(wǎng)絡(luò)加砂壓裂工藝的推廣和應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。

［1］姚展華，張世林，韓祥海，等.水平井壓裂工藝技術(shù)現(xiàn)狀及展望［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2012，41（1）：56－61.

［2］姜民政，曹彥鵬，葉 鵬，等.壓裂液在射孔眼處壓力損失規(guī)律研究［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2011，40（3）：1－4.

［3］張紹彬，譚明文，張朝舉，等.實(shí)現(xiàn)快速排液的纖維增強(qiáng)壓裂工藝現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用研究［J］.天然氣工業(yè)，2005，25（11）：53－55.

［4］黃禹忠，任 山，蘭 芳，等.纖維網(wǎng)絡(luò)加砂壓裂工藝技術(shù)先導(dǎo)性試驗(yàn)［J］.鉆采工藝，2008，31（1）：77－79.

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