陳鵬飛 唐永帆 劉友權(quán) 吳文剛 孫 川 張亞東 龍順敏

(中國石油西南油氣田公司天然氣研究院)

隨著非常規(guī)油氣的勘探，尤其是頁巖氣的勘探開發(fā)，大排量、大液量體積壓裂模式日益受到重視；而壓裂用滑溜水降阻性能好壞直接決定了體積壓裂施工的成敗。目前研究較多的是聚異丁烯、苯乙烯共聚物、聚乙烯-丙烯共聚物等烯烴類油溶性降阻劑[1-2]，對(duì)體積壓裂中采用的水溶性乳液類聚丙酰胺及其衍生物降阻劑研究則較少，因此，對(duì)體積壓裂水溶性降阻劑性能的影響因素進(jìn)行了研究。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)均在室溫下進(jìn)行，裝置流程示意見圖1。回路包括一個(gè)30 L的儲(chǔ)液罐，在泵的作用下可以以不同流量進(jìn)行循環(huán)，最大流量達(dá)35 L/min。液體從儲(chǔ)液罐經(jīng)過流量計(jì)測得流量、密度、溫度，壓力傳感器測量不同的壓力。實(shí)驗(yàn)方法如下：

(1) 在儲(chǔ)液罐中裝入清水，循環(huán)1 min，使管路裝滿清水，檢查流量計(jì)、壓力傳感器，確保量程合適和穩(wěn)定性。

(2) 循環(huán)清水5 min，記錄不同流量下的不同壓差Δp0、剪切應(yīng)力、線速度和流量。

(3) 重復(fù)步驟(1)。

(4) 加入降阻劑，循環(huán)5 min，記錄不同流量下的不同壓差Δp1、剪切應(yīng)力、線速度和流量。

(5) 用清水清洗系統(tǒng)。

降阻率計(jì)算公式：

FR%=(Δp0-Δp1)/Δp0×100%

(1)

2 結(jié)果與討論

2.1 剪切速率、線速度、雷諾數(shù)與降阻性能關(guān)系

實(shí)驗(yàn)過程中記錄了壓力、流速、液體密度和液體溫度，根據(jù)數(shù)據(jù)可以計(jì)算得到雷諾數(shù)、剪切速率和線速度。雷諾數(shù)的計(jì)算公式是：

(2)

式中，ρ為流體密度,kg/m3;v為線速度：m/s;Q為流體流量,m3/s;d為管徑，m；μ為流體黏度Pa·s;A為過流斷面,m2。

牛頓流體管流時(shí)剪切速率與線速度的關(guān)系為：

(3)

式中，n為流變行為指數(shù)。均按n=1估算：

(4)

式中，Q為流體流量,m3/s;D為剪切速率,s-1;d為管路內(nèi)徑，m。

通常，實(shí)驗(yàn)室模擬評(píng)價(jià)現(xiàn)場降阻性能時(shí)是根據(jù)相似定律進(jìn)行的，因此實(shí)驗(yàn)室可以依據(jù)現(xiàn)場施工的剪切速率、線速度及雷諾數(shù)模擬評(píng)價(jià)現(xiàn)場降阻性能。頁巖氣體積壓裂時(shí)一般采用114.3～139.7 mm套管，施工排量8～15 m3/min時(shí)，剪切速率700～2 500 s-1，雷諾數(shù)1 000 000～3 200 000，線速度11～31.4 m/s。

圖2和圖3分別是12.7 mm、6.35 mm管徑降阻性能評(píng)價(jià)裝置評(píng)價(jià)得到的剪切速率與降阻性能的關(guān)系。從圖2可知，當(dāng)剪切速率小于450 s-1時(shí)，水的摩阻小于滑溜水1的摩阻；剪切速率大于450 s-1時(shí)，水的摩阻大于滑溜水1的摩阻。而滑溜水2的摩阻一直小于水的摩阻，此時(shí)按照剪切速率相似評(píng)價(jià)滑溜水1、滑溜水2的降阻性能是有效的。但采用其他管徑來評(píng)價(jià)滑溜水1時(shí)則出現(xiàn)了差異。由圖3可知，只有當(dāng)剪切速率大于1 500 s-1，滑溜水1才具有降阻性能。如果此時(shí)再按照剪切速率(700～1 200 s-1)相似原則評(píng)價(jià)滑溜水1的降阻性能，結(jié)論是滑溜水1不具有降阻性能。由此可見，按照剪切速率相似評(píng)價(jià)滑溜水降阻性能會(huì)出現(xiàn)誤差。

從圖4～圖7可知，隨著雷諾數(shù)、線速度的增加，降阻性能提高。如按照線速度、雷諾數(shù)相似原則，則可以有效評(píng)價(jià)滑溜水的降阻性能。

2.2 相對(duì)分子質(zhì)量與降阻性能關(guān)系

線型高分子鏈伸展時(shí)的長度與其相對(duì)分子質(zhì)量大小成正比，即相對(duì)分子質(zhì)量值大者其分子鏈伸展時(shí)的長度也大，它的均方根末端距值也大，在諸多因素中，相對(duì)分子質(zhì)量對(duì)降阻效果影響極為明顯[3]。

從圖8可知，降阻劑的降阻性能與相對(duì)分子質(zhì)量有直接的關(guān)系。當(dāng)降阻劑的有效濃度一致時(shí)，相對(duì)分子質(zhì)量越大，降阻劑的降阻性能越好。相對(duì)分子質(zhì)量為160×104時(shí)，降阻性能最差；相對(duì)分子質(zhì)量為1 250×104時(shí)，降阻性能最好。

2.3 降阻劑濃度與降阻性能關(guān)系

從圖9可知，降阻劑CT1-20B的質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0.03%提高到0.10%時(shí)，降阻劑的降阻性能也相應(yīng)提高，但質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.12%摩阻曲線與質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的摩阻曲線重合，降阻性能一致。這說明隨著降阻劑濃度的增加，降阻性能會(huì)提高；但濃度增加到一定程度后降阻性能不再有明顯變化。從降阻劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.03%的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，隨著時(shí)間延長，摩阻增大，降阻劑濃度太低，滑溜水耐剪切性能差[9]。

2.4 水質(zhì)對(duì)降阻性能的影響

從圖10可知，當(dāng)采用自來水配制滑溜水時(shí)，陽離子和陰離子降阻劑配制的滑溜水降阻性能相當(dāng)；但采用地層水配制滑溜水后出現(xiàn)了差異[10]，陽離子降阻劑配制的滑溜水與自來水配制的滑溜水降阻性能相當(dāng)，而陰離子降阻劑配制的滑溜水摩阻迅速增大，在線速度10 m/s時(shí)與清水的摩阻接近?？梢娝|(zhì)對(duì)降阻性能影響較大，當(dāng)?shù)V化度高時(shí)，陽離子降阻劑降阻性能較好。

3 結(jié) 論

(1) 小管徑模擬現(xiàn)場降阻性能時(shí)，剪切速率相同不能有效評(píng)價(jià)降阻劑的降阻性能，建議采用線速度、雷諾數(shù)相同進(jìn)行模擬。

(2) 降阻劑結(jié)構(gòu)相似，有效濃度一致時(shí)，相對(duì)分子質(zhì)量越大，降阻性能越好，但高相對(duì)分子質(zhì)量的降阻劑耐剪切、溶解等性能差，建議選擇適宜的相對(duì)分子質(zhì)量。

(3) 降阻劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，降阻性能提高，但質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到一定值時(shí)，降阻性能提高較小，降阻劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于一定值時(shí)耐剪切性能差。

(4) 水質(zhì)對(duì)降阻劑性能有影響，礦化度高時(shí)，陽離子降阻劑降阻性能較好。

參考文獻(xiàn)

[1] 富雯婷,管民,李惠萍,等.高聚物型減阻劑減阻性能的研究[J].石油煉制與化工,2009,40(5):66-68.

[2] 羅旗榮,張帆,肖博元,等.減阻劑減阻效果的評(píng)價(jià)與分析[J].天然氣與石油,2010,28(2):8-11.

[3] 沃良華,廖其奠.添加劑分子結(jié)構(gòu)對(duì)減阻性能的影響及減阻效果的試驗(yàn)結(jié)果[J].上海機(jī)械學(xué)院學(xué)報(bào),1991,13(1):9-12.

[4] Nathan Houston, Matt Blauch, and Dalton Weaver. Fracture-stimulation in the marcellus shale-lessons learned in fluid selection and execution [C]//SPE Eastern Regional Meeting, Charleston, West Virginia, USA: SPE , 2009.

[5] karen bybee.critical evaluation of additives used in shale slickwater fracs[C]//SPE Shale Gas Production Conference, Fort Worth,Texas, USA: SPE , 2008.

[6] Palisch T T , Vincent M C, Handren P J. Slickwater fracturing-food for thought[C]//SPE Annual Technical Conference and Exhibition ,Denver,Colorado,USA: SPE ,2008.

[7] Reynolds M M.Development update for an emerging shale gas giant field-horn river basin, british columbia, Canada[C]//SPE Unconventional Gas Conference, Pittsburgh, Pennsylvania, USA: SPE , 2010.

[8] Mark parker,bily slabaugh.Cas study:optimizing hydraulic fracturing performance in northeastern united states fractured shale formations[C]//SPE Production and Operations Symposiium, Oklahoma City, Oklahoma, USA: SPE , 2003.

[9] 陳鵬飛,劉友權(quán),鄧素芬,等.頁巖氣體積壓裂滑溜水的研究及應(yīng)用[J].石油與天然氣化工,2013,42(3):270-274.

[10] 劉友權(quán),陳鵬飛,吳文剛,等.加砂壓裂用滑溜水返排液重復(fù)利用技術(shù)[J].石油與天然氣化工,2013,42(5):493-497.