羅向榮,王樹眾,孫 曉,任曉娟

(1.西安交通大學(xué)動力工程多相流國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西西安710049;2.陜西延長石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司研究院,陜西西安710075;3.西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院,陜西西安710065)

無聚合物黏彈性表面活性劑壓裂液,也被稱為清潔壓裂液,具有無殘?jiān)?、低傷害和低黏高彈的?yōu)點(diǎn),現(xiàn)場配制簡單,無需交聯(lián)劑、破膠劑和其他化學(xué)添加劑。近幾年來,國外的Schlumberger、BJ等公司將黏彈性表面活性劑壓裂液與CO2泡沫壓裂技術(shù)相結(jié)合,成功應(yīng)用于低滲透及低壓砂巖油氣藏的壓裂改造,取得了非常顯著的增產(chǎn)效果,受到極大關(guān)注[1-7]。目前,國外對于清潔泡沫壓裂液的研究僅限于為數(shù)不多的幾次現(xiàn)場試驗(yàn),而國內(nèi)對于清潔壓裂液與CO2泡沫壓裂液工藝相結(jié)合用于低滲透油氣藏開采的技術(shù)更是未見報(bào)道,研究清潔泡沫壓裂液流變特性,對于選擇合理的壓裂參數(shù)、有效實(shí)施壓裂工藝具有重要意義。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及原理

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

本實(shí)驗(yàn)采用的GRF-CO2壓裂液配方為:1.0%KCl+0.6%GRF-1+0.35%GRF-2+1.0%YC-QP-1+水。其中,GRF-1為稠化劑,屬水溶性疏水締合聚合物;GRF-2為流變助劑,由多種表面活性劑組成;YC-QP-1為添加劑。

流變性能測試采用高參數(shù)泡沫壓裂液測試系統(tǒng)(如圖1所示),此測試系統(tǒng)由液態(tài)二氧化碳制冷系統(tǒng)、電加熱系統(tǒng)、水平流變測試段3部分組成。進(jìn)行流變實(shí)驗(yàn)時(shí),先將CO2氣瓶內(nèi)的高壓氣體經(jīng)制冷系統(tǒng)轉(zhuǎn)變成過冷液態(tài),之后通過2臺柱塞泵分別將液態(tài)CO2和GRF清潔壓裂液增壓到實(shí)驗(yàn)壓力,并在三通處混合,為確保二者能夠混合得更加均勻充分,在三通處安裝了濾網(wǎng)?；旌暇鶆蚝蠼?jīng)電加熱系統(tǒng)升溫并達(dá)到實(shí)驗(yàn)所需溫度后,進(jìn)入水平流變特性實(shí)驗(yàn)測試段。水平流變實(shí)驗(yàn)段由內(nèi)徑分別為4 mm和8 mm的2段不銹鋼管組成,以適應(yīng)不同剪切速率下管內(nèi)壓降的測量。它們分別由單獨(dú)的閥門進(jìn)行控制,鋼管外表面覆蓋有保溫材料,以確保實(shí)驗(yàn)段中的流體溫度在每一工況下盡量均勻和恒定。特定長度(1 m)上的摩擦壓降通過差壓變送器與IMP數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示和采集,結(jié)合對應(yīng)流量算出壓裂液在一定工況下的有效黏度以及流變參數(shù),泡沫壓裂液流變參數(shù)計(jì)算遵循冪律模型。

1.2 實(shí)驗(yàn)原理

通常用于測量非牛頓型流體流變特性的儀器主要包括細(xì)管式流變儀、錐板式黏度計(jì)、旋轉(zhuǎn)圓筒式黏度計(jì)及控制應(yīng)力流變儀等,其各自具有不同的特點(diǎn)。細(xì)管式流變儀適用的剪切速率范圍較廣,特別適用于高剪切速率范圍,并且能在升溫或升壓的同時(shí)進(jìn)行測量。因此實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中采用了細(xì)管式流變儀的原理,通過測量水平管內(nèi)流體的壓降和流量來獲得剪切應(yīng)力與剪切速率之間的關(guān)系,以此確定流體流變特性。

圖1 泡沫壓裂液實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)流程圖Fig.1 Flow diagram of foam fracturing fluid experiment system

由冪律流體本構(gòu)方程和管式流變儀基本公式可以得到:

式中:n為流動指數(shù);k為稠度系數(shù),Pa·sn,τw為壁面切應(yīng)力,Pa為管內(nèi)平均流速,m/s;D為管內(nèi)徑,m。τw和分別為:

其中Δp為管內(nèi)壓降,Q為流量,L為測量段長度。通過實(shí)驗(yàn)測得Δp、Q后,可以整理成關(guān)系曲線。由直線斜率和截距即可確定冪律流體的流變特性參數(shù)n和k。

有效黏度為:

根據(jù)羅賓諾維奇—莫納方程,管壁剪切應(yīng)力可表示為:

式中:k'為流變系數(shù);n'為流變指數(shù)。

經(jīng)過推導(dǎo)可以得出冪律流體有如下關(guān)系式:

2 GRF-CO2清潔泡沫壓裂液流變特性實(shí)驗(yàn)研究

實(shí)際施工中,常常將高壓下的過冷液態(tài)CO2與壓裂液先進(jìn)行混合后再打入地層進(jìn)行壓裂。隨著壓裂液進(jìn)入地層,溫度逐漸升高,高壓CO2由過冷液態(tài)完全轉(zhuǎn)變?yōu)槌R界狀態(tài)。這2種狀態(tài)下的CO2在混合液中所起的作用完全不同。圖2為CO2的相圖,CO2的臨界溫度為31.2℃,臨界壓力為7.38MPa。因此,分2個(gè)階段研究清潔泡沫壓裂液泡沫質(zhì)量對流變特性的影響,并把CO2處于過冷液態(tài)和超臨界狀態(tài)下的泡沫壓裂液分別定義為未發(fā)泡和發(fā)泡條件下的泡沫壓裂液。

圖2 CO2相圖Fig.2 Phase diagram of CO2

泡沫壓裂液中氣相所占份額通常用泡沫質(zhì)量或泡沫干度來描述,它表示氣相體積在泡沫壓裂液總體積中所占的比例,即單位體積泡沫壓裂液中所含的氣體體積。通常用Г來表示[9]:

式中:Г為泡沫質(zhì)量;VG為氣體體積,m3;VL為液體體積,m3;VF為溶液總體積,m3。

由于本實(shí)驗(yàn)中CO2分別處于過冷液態(tài)和超臨界狀態(tài),因此,文中泡沫質(zhì)量的定義為一定溫度及壓力條件下CO2體積占整個(gè)溶液體積的百分比。

2.1 溫度對GRF-CO2清潔泡沫壓裂液流變特性的影響

采用高參數(shù)泡沫壓裂液測試系統(tǒng)研究了溫度對GRF-CO2清潔泡沫壓裂液有效黏度的影響,在壓力20 MPa、剪切速率170 s-1條件下考察了有效黏度隨溫度的變化規(guī)律,結(jié)果見圖3。從圖3可以看出,有效黏度都隨溫度的升高而減小。這是由于清潔壓裂液的黏度與壓裂液中蠕蟲狀膠束的數(shù)量、長短、纏繞的密集程度以及由纏繞所形成的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的韌性有著直接關(guān)系[8],而溫度是影響表面活性劑溶液內(nèi)蠕蟲狀膠束生長的重要因素,溫度升高會使膠束的長度和體積減少,空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)被破壞,導(dǎo)致清潔壓裂液黏度減小。

圖3 有效黏度隨溫度的變化曲線(γ=170 s-1,p=20 MPa)Fig.3 Effective viscosity varying curves of foam fracturing fluid with temperature

為了說明溫度對GRF-CO2清潔泡沫壓裂液流變參數(shù)的影響,根據(jù)關(guān)系曲線,取泡沫質(zhì)量25%、55%的各工況點(diǎn)進(jìn)行分析,溫度范圍為40～80℃,壓力為20 MPa,流變參數(shù)的計(jì)算結(jié)果見表1。由表1可以看出,流變指數(shù)n'隨溫度的增加而增加,流變系數(shù)k'隨溫度的增加而減小,這說明隨著溫度的增加使得表面活性劑分子聚集形成的蠕蟲狀膠束長度和體積減小,空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)被破壞,導(dǎo)致泡沫壓裂液黏度降低,壓裂液變稀,非牛頓特性減弱。

表1 不同溫度所對應(yīng)的流變參數(shù)Tab.1 Rheological parameters of foam fracturing fluid at different temperatures

2.2 泡沫質(zhì)量對流變特性的影響

泡沫質(zhì)量是表征泡沫壓裂液性能的重要參數(shù),因此,研究一定溫度和壓力及剪切速率條件下泡沫質(zhì)量對流變特性的影響具有十分重要的意義。在壓力為20 MPa、溫度分別為20℃和80℃的條件下,考察了有效黏度隨泡沫質(zhì)量的變化情況,結(jié)果見圖4、圖5。從圖4中可以看出,在未發(fā)泡條件下有效黏度隨泡沫質(zhì)量的升高而降低,當(dāng)泡沫質(zhì)量大于55%后,變化幅度加劇。從圖5中可以看出,在發(fā)泡條件下有效黏度隨著泡沫質(zhì)量的增加而增加,當(dāng)泡沫質(zhì)量大于55%時(shí),增加幅度變大,這正好與未發(fā)泡時(shí)的變化規(guī)律相反;而當(dāng)泡沫質(zhì)量達(dá)到85%以后,壓裂液有效黏度突然發(fā)生大幅下降。

圖4 未發(fā)泡時(shí)有效黏度隨泡沫質(zhì)量的變化曲線(p=20 MPa,t=20 ℃)Fig.4 Effective viscosity varying curves of not foaming fracturing fluid with mass fraction of foaming agent

圖5 發(fā)泡時(shí)有效黏度隨泡沫質(zhì)量的變化曲線(p=20 MPa,t=80 ℃)Fig.5 Effective viscosity varying curves of foaming fracturing fluid with mass fraction of foaming agent

由于CO2未發(fā)泡時(shí)在壓裂液體系中以過冷液態(tài)存在,此時(shí)的CO2對于整個(gè)體系有效黏度的提高沒有任何幫助,相反隨著濃度的進(jìn)一步增加反而會減小整個(gè)壓裂液體系的有效黏度。而當(dāng)CO2比例大于55%時(shí),壓裂液逐漸由表面活性劑溶液包裹液態(tài)CO2轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)CO2包裹表面活性劑溶液,由于液態(tài)CO2的性質(zhì)近似于牛頓流體,黏度很低,因此表現(xiàn)為有效黏度急劇減小。在發(fā)泡條件下,超臨界狀態(tài)的CO2以乳狀液滴形式附著在空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)表面,通過擠壓變形增加壓裂液黏度,附著在膠束表面的CO2乳狀液滴越密集,流動時(shí)相互間的干擾也越來越劇烈,黏度增加的也越快。而當(dāng)泡沫質(zhì)量過大時(shí),泡沫壓裂液的內(nèi)外相發(fā)生顛倒,溶液內(nèi)部不再是CO2乳狀液滴穩(wěn)定附著在膠束纏繞形成的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)上,而變成表面活性劑膠束分散在CO2乳狀液內(nèi)部,甚至由于表面活性劑濃度低于臨界膠束濃度,使得表面活性劑分子不再以膠束形式存在,導(dǎo)致溶液黏彈性急劇減小。

表2 不同泡沫質(zhì)量對應(yīng)的流變參數(shù)Tab.2 Rheological parameters of fracturing fluid of different mass fractions of foaming agent

在溫度分別為20℃和40℃條件下,不同泡沫質(zhì)量對應(yīng)的流變參數(shù)的計(jì)算結(jié)果見表2。由表2可以看出,未發(fā)泡時(shí)(20℃)流變指數(shù)n'隨泡沫質(zhì)量的增大而增大,流變系數(shù)k'隨泡沫質(zhì)量的增大而減小;發(fā)泡時(shí)(40℃)流變指數(shù)n'隨泡沫質(zhì)量的增大而減小,流變系數(shù)k'隨泡沫質(zhì)量的增大而增大。這說明未發(fā)泡時(shí),液態(tài)CO2的加入降低了壓裂液黏度,使得溶液變稀,非牛頓性減弱。而當(dāng)壓裂液處于發(fā)泡狀態(tài)時(shí),隨著泡沫質(zhì)量的增加,泡沫之間的相互影響逐漸增強(qiáng),泡沫壓裂液黏度增加,表現(xiàn)為溶液變稠,非牛頓性增強(qiáng)。

2.3 壓力與剪切速率對流變特性的影響

在溫度為40℃、泡沫質(zhì)量為55%的條件下,GRF-CO2清潔泡沫壓裂液有效黏度隨壓力和剪切速率的變化趨勢見圖6。從圖6中可以看出,有效黏度隨壓力的增加而增大,但是不同曲線對應(yīng)工況點(diǎn)的黏度值差別很小,即壓力對于GRF-CO2清潔泡沫壓裂液有效黏度的影響很小,同時(shí)有效黏度還隨著剪切速率的增加而減小。這主要是因?yàn)樵鰤簳鹑芤后w積的收縮,使得密度增加,溶液內(nèi)部分子間距變小,造成分子間的摩擦力增加,從而使得有效黏度增加,但由于GRF清潔壓裂液是水基壓裂液,而水的密度相對較大,壓縮性很小,同時(shí),CO2以超臨界狀態(tài)存在,盡管此時(shí)CO2并不屬于過冷液態(tài),但是卻表現(xiàn)為一種乳狀液滴,密度更接近液態(tài)時(shí)的密度,所以其變化幅度也不明顯。因此表現(xiàn)為壓力對于清潔泡沫壓裂液有效黏度的影響很小。此外,剪切速率的增加破壞了溶液內(nèi)部蠕蟲狀膠束所形成的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),隨著剪切速率的不斷增加,空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)逐漸被拆散成單個(gè)或者較少纏結(jié)的膠束,表現(xiàn)出剪切稀化的特性,而剪切速率越大,這種破壞作用也越大,因此有效黏度也隨之減小。

圖6 不同壓力下有效黏度隨剪切速率的變化曲線(t=40 °C,Γ=55%)Fig.6 Effective viscosity varying curves of foaming fracturing fluid with shearing rate at different pressures

溫度為40°C,泡沫質(zhì)量為55%時(shí)流變參數(shù)隨壓力的變化規(guī)律如表3所示。由表3可以看出,隨著壓力的增大,流變指數(shù)n'減小,流變系數(shù)k'增大,但變化幅度很小。

表3 不同壓力所對應(yīng)的流變參數(shù)Tab.3 Rheological parameters of foam fracturing fluid at different pressures

2.4 流變參數(shù)計(jì)算關(guān)聯(lián)式

由于實(shí)際壓裂作業(yè)中溫度和泡沫質(zhì)量是影響壓裂液流變特性的2個(gè)重要參數(shù),并且會同時(shí)影響到壓裂效果的好壞。通過流變實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),溫度和泡沫質(zhì)量是影響壓裂液流變特性的最主要因素,因此有必要建立一個(gè)同時(shí)包括溫度和泡沫質(zhì)量2個(gè)自變量的流變參數(shù)函數(shù)關(guān)聯(lián)式,為預(yù)測壓裂效果提供數(shù)據(jù)參考。

由之前溫度和泡沫質(zhì)量對流變參數(shù)n'和k'影響規(guī)律的分析得到,采用指數(shù)函數(shù)exp(a1+a2x)的形式描述流變參數(shù)分別隨泡沫質(zhì)量和溫度的變化規(guī)律時(shí),均取得較高的精度,因而將2個(gè)因素同時(shí)作為自變量時(shí),可以按照的形式進(jìn)行擬合。因?yàn)橹挥羞@樣才能保證當(dāng)溫度和泡沫質(zhì)量其中一個(gè)因素取為定值時(shí),另外一個(gè)因素對流變參數(shù)的影響規(guī)律能夠回到exp(a1+a2x)的形式。并且都可以用指數(shù)函數(shù)的形式對其變化規(guī)律進(jìn)行近似描述,應(yīng)用上述參數(shù)模型對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。同時(shí),由于壓力對流變參數(shù)影響較小,對實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)(即10～30 MPa)的數(shù)據(jù)進(jìn)行模型擬合時(shí),可以忽略壓力因素的影響。這里選擇20 MPa條件下實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,在實(shí)際壓裂過程中,溫度和泡沫質(zhì)量是主要的影響因素,因此在此壓力條件下擬合得到的關(guān)聯(lián)式可以用來計(jì)算現(xiàn)場壓裂參數(shù),最終得出如下的流變參數(shù)計(jì)算關(guān)聯(lián)式,所得各式平均誤差均在10%以內(nèi)。

(1)未發(fā)泡情況下:

圖7 未發(fā)泡時(shí)流變指數(shù)n'計(jì)算值與實(shí)測值對比圖Fig.7 Comparison of calculated rheological index with measured rheological index of not foaming fracturing fluid

圖8 未發(fā)泡時(shí)流變系數(shù)k'計(jì)算值與實(shí)測值對比圖Fig.8 Comparison of calculated rheological coefficient with measured rheological coefficient of not foaming fracturing fluid

(2)發(fā)泡情況下:

式(11)、(12)的適用范圍為:10%≤Г≤85%,40℃≤t≤80℃,p=20MPa。式(11)、(12)的平均計(jì)算誤差分別為3.16%及9.74%.圖9、圖10所示為GRF-CO2清潔泡沫壓裂液發(fā)泡時(shí)流變參數(shù)的擬合結(jié)果對比圖。

圖9 發(fā)泡時(shí)流變指數(shù)n'計(jì)算值與實(shí)測值對比圖Fig.9 Comparison of calculated rheological index with measured rheological index of foaming fracturing fluid

圖10 發(fā)泡時(shí)流變系數(shù)k'計(jì)算值與實(shí)測值對比圖Fig.10 Comparison of calculated rheological coefficient with measured rheological coefficient of foaming fracturing fluid

3 結(jié)論

GRF-CO2清潔泡沫壓裂液有效黏度會隨剪切速率和溫度的增加而減小,隨壓力的增加而增加;流變指數(shù)隨剪切速率和溫度的增加而增加,隨壓力的增加而減小;流變系數(shù)隨剪切速率和溫度的增加而減小,隨壓力的增加而增加。泡沫質(zhì)量對流變特性的影響在發(fā)泡與未發(fā)泡階段的變化規(guī)律完全相反,發(fā)泡時(shí)隨著泡沫質(zhì)量的增加,有效黏度增加,流變指數(shù)減小,流變系數(shù)增加。各影響因素中,溫度和泡沫質(zhì)量對壓裂液流變特性參數(shù)的影響比壓力更大。GRF-CO2清潔泡沫壓裂液流變指數(shù)、流變系數(shù)的計(jì)算關(guān)聯(lián)式平均誤差均小于10%,能夠滿足實(shí)際工程需要。

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