范海明, 王兆興, 范海建, 周海剛, 左家強(qiáng),陳 凱, 王增林, 康萬(wàn)利, 戴彩麗

(1.中國(guó)石油大學(xué)石油工程學(xué)院,山東青島 266580; 2.中國(guó)石化勝利油田分公司技術(shù)檢測(cè)中心,山東東營(yíng) 257061;3.中國(guó)石化勝利油田分公司石油工程技術(shù)研究院,山東東營(yíng) 257067)

壓裂液溫度穩(wěn)定劑的評(píng)價(jià)方法設(shè)計(jì)和應(yīng)用

范海明1, 王兆興1, 范海建1, 周海剛2, 左家強(qiáng)3,陳 凱3, 王增林1, 康萬(wàn)利1, 戴彩麗1

(1.中國(guó)石油大學(xué)石油工程學(xué)院,山東青島 266580; 2.中國(guó)石化勝利油田分公司技術(shù)檢測(cè)中心,山東東營(yíng) 257061;3.中國(guó)石化勝利油田分公司石油工程技術(shù)研究院,山東東營(yíng) 257067)

為考察溫度穩(wěn)定劑對(duì)壓裂液耐溫性能的提升效果,設(shè)計(jì)從上限溫度開(kāi)始通過(guò)數(shù)值搜索方法逐步確定最高溫度Tmax(η0,t0) 計(jì)算溫度穩(wěn)定劑對(duì)壓裂液適用溫度的提高值ΔTmax(η0,t0)的方法;通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析兩種壓裂液溫度穩(wěn)定劑對(duì)有機(jī)硼交聯(lián)羥丙基瓜膠壓裂液的作用效果。結(jié)果表明:加入0.1%～0.8%的溫度穩(wěn)定劑S-1、S-2分別可以使得壓裂液的最高適用溫度提高4.5～10 ℃、6～14 ℃;所設(shè)計(jì)的評(píng)價(jià)方法可以判別不同壓裂液溫度穩(wěn)定劑產(chǎn)品的作用效果差異。

壓裂液; 耐溫性能; 溫度穩(wěn)定劑; 評(píng)價(jià)方法設(shè)計(jì); 二分搜索法

壓裂是非常規(guī)和低滲透油氣田增產(chǎn)增注的重要措施之一[1-3]。壓裂液的主要功能是延伸裂縫和輸送支撐劑,通過(guò)混合和泵送設(shè)備將支撐劑送至裂縫中,并且鋪設(shè)在裂縫內(nèi)希望的位置,決定這些功能的一個(gè)重要性質(zhì)是壓裂液的流變性質(zhì)[4-10]。隨著壓裂工藝技術(shù)的不斷完善,越來(lái)越多的高溫油氣儲(chǔ)層已成為壓裂增產(chǎn)改造的首選目標(biāo)。對(duì)高溫油氣儲(chǔ)層進(jìn)行壓裂施工,壓裂液必須具備良好的耐溫性能[11-17]。壓裂液溫度穩(wěn)定劑用來(lái)增強(qiáng)壓裂液的耐溫能力,以滿足不同地層溫度對(duì)壓裂液的黏度與溫度、黏度與時(shí)間穩(wěn)定性的要求[18]。然而,壓裂液溫度穩(wěn)定劑性能評(píng)價(jià)還缺少統(tǒng)一的科學(xué)規(guī)范[19-22]。壓裂施工時(shí),壓裂液在地層溫度下保持壓裂要求的有效黏度的時(shí)間不能少于壓裂作業(yè)時(shí)間,否則會(huì)由于壓裂液黏度的降低而影響壓裂施工的效果[1-3]。在壓裂液溫度穩(wěn)定劑的性能評(píng)價(jià)方法中,不僅要考慮壓裂施工的最低有效黏度,更要考慮壓裂液有效黏度所能維持的時(shí)間。筆者分析表征壓裂液耐溫性能的相關(guān)參數(shù)和壓裂液溫度穩(wěn)定劑的作用,提出利用加入溫度穩(wěn)定劑前后Tmax(η0,t0)的差值ΔTmax(η0,t0)來(lái)評(píng)價(jià)壓裂液溫度穩(wěn)定劑的效果;從上限溫度開(kāi)始通過(guò)數(shù)值搜索方法逐步確定Tmax(η0,t0) 以計(jì)算溫度穩(wěn)定劑對(duì)壓裂液適用溫度的提高值ΔTmax(η0,t0);利用有機(jī)硼交聯(lián)羥丙基瓜膠壓裂液按照設(shè)計(jì)的評(píng)價(jià)方法分析壓裂液溫度穩(wěn)定劑的作用效果。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

羥丙基瓜膠(HPG)由東營(yíng)市信德化工有限責(zé)任公司提供;有機(jī)硼交聯(lián)劑TB-1、溫度穩(wěn)定劑S-1和S-2均由勝利油田石油工程技術(shù)研究院提供;氫氧化鈉購(gòu)自于國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;實(shí)驗(yàn)用水為蒸餾水。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 壓裂液的制備

量取配置一定量壓裂液所需的實(shí)驗(yàn)用水,緩慢加入所需量的HPG,利用高速攪拌機(jī)在6 000 r/min下攪拌5 min。然后再往杯中加入一定量的NaOH溶液以調(diào)節(jié)溶液至設(shè)定的pH值,加入所需量的溫度穩(wěn)定劑S-1,繼續(xù)高速攪拌5 min后倒入燒杯。密封燒杯將其放入30 ℃恒溫箱中恒溫4 h作為基液。在攪拌杯中加入一定量的基液,再在攪拌狀態(tài)下按配方設(shè)計(jì)的交聯(lián)比加入一定量交聯(lián)劑TB-1,繼續(xù)攪拌數(shù)分鐘至形成黏彈性良好的均勻壓裂液體系,即可獲得不含有和含有一定濃度溫度穩(wěn)定劑的壓裂液樣品。

1.2.2 壓裂液表觀黏度測(cè)定

壓裂液樣品的黏度-溫度曲線、黏度-時(shí)間/黏度-溫度曲線的測(cè)定在HAAKE MARS-Ⅲ型高溫高壓流變儀(Thermo Fisher Scientific,Germany)上進(jìn)行。

壓裂液體系黏度-溫度曲線量的測(cè)定須取配制的壓裂液樣品50 mL,加入HAAKE MARS-Ⅲ型高溫高壓旋轉(zhuǎn)流變儀中,設(shè)定升溫速率為(3.0±0.2) ℃/min,對(duì)樣品持續(xù)升溫,同時(shí)以170 s-1的剪切速率對(duì)樣品進(jìn)行持續(xù)剪切,并測(cè)試相應(yīng)溫度下的表觀黏度,得到壓裂液體系黏度-溫度曲線。

壓裂液體系黏度-時(shí)間曲線的測(cè)定須取配制的壓裂液樣品50 mL,加入HAAKE MARS-Ⅲ高溫高壓旋轉(zhuǎn)流儀中,升溫至目標(biāo)溫度后恒定溫度,同時(shí)以170 s-1的剪切速率對(duì)樣品進(jìn)行持續(xù)剪切,并測(cè)試此時(shí)體系的表觀黏度隨時(shí)間的變化,得到壓裂液體系黏度-時(shí)間曲線。

2 作用分析

根據(jù)壓裂施工的技術(shù)要求和黏度測(cè)試方法,表征壓裂液耐溫性能的相關(guān)參數(shù)有:壓裂施工要求的壓裂液最低黏度值η0;壓裂施工要求的時(shí)間t0;壓裂施工儲(chǔ)層溫度T0;剪切速率170 s-1時(shí)壓裂液的表觀黏度η;壓裂液能夠達(dá)到最低要求黏度值的最高溫度Tmax,即η[T]≥η0,η[Tmax]=η0;壓裂液在溫度T下滿足最低要求黏度值的持續(xù)時(shí)間t(T),即η[T,t]≥η0,η[T,t(T)]=η0;壓裂液在滿足壓裂施工要求的壓裂液最低黏度值和時(shí)間下,能夠使用的最高溫度Tmax(η0,t0),即η[T,t0]≥η0,η[Tmax(η0,t0),t0]=η0。其中,Tmax和Tmax(η0,t0)、t(T)是表征壓裂液耐溫性能的重要參數(shù)。

Tmax為壓裂液能夠達(dá)到最低要求黏度值的最高溫度,即滿足η[T]≥η0的最高溫度。確定Tmax的方法是通過(guò)流變儀程序升溫過(guò)程測(cè)定剪切速率170 s-1時(shí)壓裂液體系的表觀黏度η,表觀黏度降至最低要求黏度值η0時(shí)所指示的溫度為壓裂液能夠達(dá)到最低要求黏度值的最高溫度。

t(T)為壓裂液在溫度T下滿足最低要求黏度值的持續(xù)時(shí)間,即滿足η[T,t]≥η0的最長(zhǎng)時(shí)間。確定t(T)的方法是通過(guò)流變儀測(cè)定在溫度T下剪切速率170 s-1時(shí)壓裂液體系的表觀黏度η隨時(shí)間t變化的黏度-時(shí)間曲線,表觀黏度降至η0時(shí)所指示的時(shí)間與升高至該溫度時(shí)間的差值為壓裂液在溫度T下滿足最低要求黏度值的持續(xù)時(shí)間。

Tmax(η0,t0)為壓裂液在保證壓裂施工要求的壓裂液最低黏度值和時(shí)間下,能夠使用的最高溫度,即滿足η[T,t0]≥η0的最高溫度。確定Tmax(η0,t0)的方法是在溫度T下測(cè)定壓裂液體系的t(T),能夠滿足t(T)≥t0的最高溫度為壓裂液在保證壓裂施工要求的壓裂液最低黏度值和時(shí)間下能夠使用的最高溫度。此外,值得提及的是,從參數(shù)的物理意義可以看出,對(duì)于壓裂液體系而言總有Tmax>Tmax(η0,t0)。

壓裂液能夠滿足施工要求的條件為η[T0,t≥t0]≥η0,即在壓裂施工儲(chǔ)層溫度下,壓裂液表觀黏度保持在最低要求黏度值以上的時(shí)間不能少于壓裂施工要求的時(shí)間。在壓裂設(shè)計(jì)中一旦設(shè)定壓裂施工時(shí)間t0、壓裂液最低要求黏度η0、壓裂施工儲(chǔ)層溫度T0后,根據(jù)壓裂液的Tmax和Tmax(η0,t0)分為3種情況,如表1所示。當(dāng)T0≤Tmax(η0,t0) 時(shí),無(wú)須提高耐溫性能壓裂液就能夠滿足施工要求。當(dāng)Tmax(η0,t0)

表1 壓裂液耐溫性能的提高方法Table 1 Improving method for temperature resistance properties of fracturing fluid

勝利油田壓裂液用溫度穩(wěn)定劑技術(shù)要求中[19],通過(guò)將壓裂液持續(xù)升溫,同時(shí)以170 s-1的剪切速率對(duì)樣品進(jìn)行持續(xù)剪切,并測(cè)試表觀黏度,樣品的表觀黏度隨升溫和剪切而降低,待表觀黏度降至50 mPa·s時(shí)所指示的溫度為抗溫能力,記為T(mén)1;加入溫度穩(wěn)定劑后,重復(fù)上述步驟,待表觀黏度降至50 mPa·s時(shí)所指示的溫度為抗溫能力,記為T(mén)2;利用(T2-T1)值評(píng)價(jià)溫度穩(wěn)定劑的效果,以(T2-T1)≥10 ℃作為溫度穩(wěn)定劑的技術(shù)指標(biāo)。中原油田制定的壓裂用溫度穩(wěn)定劑技術(shù)規(guī)范中[20],通過(guò)在120 ℃下以170 s-1的剪切速率對(duì)樣品進(jìn)行持續(xù)剪切60 min,以加入溫度穩(wěn)定劑前后黏度的變化作為溫度穩(wěn)定劑的評(píng)價(jià)方法,并以能夠使得壓裂液的黏度提高40 mPa·s作為壓裂液溫度穩(wěn)定劑的技術(shù)指標(biāo)。

勝利油田制定的評(píng)價(jià)方法中實(shí)際上測(cè)定的參數(shù)為壓裂液能夠達(dá)到最低要求黏度值的最高溫度Tmax,并通過(guò)評(píng)價(jià)加入溫度穩(wěn)定劑前后Tmax的差值ΔTmax評(píng)價(jià)壓裂液溫度穩(wěn)定劑的效果。從Tmax的物理意義可以看出,Tmax僅能表征壓裂液滿足最低要求黏度值的最高溫度。在此基礎(chǔ)上得到的ΔTmax僅考慮壓裂施工的最低黏度要求,僅能說(shuō)明溫度穩(wěn)定劑對(duì)壓裂液增黏性能的影響。類(lèi)似地,中原油田制定的評(píng)價(jià)方法測(cè)定加入溫度穩(wěn)定劑前后壓裂液黏度的變化Δη,則是更間接地反映和評(píng)價(jià)溫度穩(wěn)定劑對(duì)壓裂液耐溫性能的影響。在壓裂設(shè)計(jì)中,即使在短時(shí)間內(nèi)壓裂液體系的黏度滿足最低要求黏度,但不能在壓裂施工時(shí)間內(nèi)維持,也不能使用。ΔTmax和Δη都不是評(píng)價(jià)壓裂液溫度穩(wěn)定劑合適的參數(shù)。壓裂液的耐溫性能和溫度穩(wěn)定劑的效果評(píng)價(jià)必須同時(shí)考慮最低要求黏度和壓裂施工時(shí)間兩個(gè)因素。

綜上所述,在對(duì)壓裂液熱穩(wěn)定性的表現(xiàn)形式和溫度穩(wěn)定劑的作用原理分析的基礎(chǔ)上,提出利用加入溫度穩(wěn)定劑前后Tmax(η0,t0)的差值ΔTmax(η0,t0)來(lái)評(píng)價(jià)壓裂液溫度穩(wěn)定劑的效果。Tmax(η0,t0)為壓裂液在保證壓裂施工的情況下,能夠使用的儲(chǔ)層最高溫度,所以從原理上Tmax(η0,t0)能夠真實(shí)反映壓裂液體系的耐溫性能。在此基礎(chǔ)上,通過(guò)測(cè)定加入溫度穩(wěn)定劑前后Tmax(η0,t0)的差值ΔTmax(η0,t0)能夠評(píng)價(jià)壓裂液溫度穩(wěn)定劑對(duì)壓裂液耐溫性能的提升效果。

3 評(píng)價(jià)方法設(shè)計(jì)

由于Tmax>Tmax(η0,t0),可以通過(guò)壓裂液的黏度-溫度曲線測(cè)定Tmax以確定搜索Tmax(η0,t0)的上限溫度,從上限溫度開(kāi)始通過(guò)數(shù)值搜索方法逐步確定Tmax(η0,t0)。根據(jù)這一思路,設(shè)計(jì)壓裂液溫度穩(wěn)定劑的評(píng)價(jià)方法。

(1)根據(jù)壓裂施工要求設(shè)定壓裂液最低要求黏度η0和壓裂施工時(shí)間t0。

(2)確定壓裂液體系的Tmax。在高溫高壓旋轉(zhuǎn)流變儀中加入待測(cè)試壓裂液,設(shè)定升溫速率對(duì)樣品進(jìn)行加熱,同時(shí)以170 s-1的剪切速率對(duì)樣品進(jìn)行持續(xù)剪切,并測(cè)試表觀黏度,樣品的表觀黏度隨升溫和剪切而降低,待表觀黏度降至最低要求黏度η0時(shí)所指示的溫度為壓裂液達(dá)到最低要求黏度值的最高溫度,記為T(mén)max。

(3)利用數(shù)值搜索方法確定壓裂液體系的Tmax(η0,t0)。包括如下步驟:

①以Tmax為上限溫度,設(shè)置數(shù)值搜索的初始步長(zhǎng)S0和數(shù)值搜索的精度k;

②在(Tmax-S0n) ℃下(n為大于0的整數(shù))測(cè)量壓裂液體系的表觀黏度降至η0時(shí)所指示的時(shí)間與升高至該溫度時(shí)間的差值,該差值即為壓裂液在該溫度下能夠達(dá)到最低要求黏度值的穩(wěn)定時(shí)間,記為t(T),以t(T)≥t0為判定條件,當(dāng)t(T)≥t0時(shí)停止測(cè)試,此時(shí)溫度記為T(mén)(t);

③如t(T)=t0,停止搜索并執(zhí)行步驟⑥;如t(T)>t0,令T(t)=Tm,下角m為執(zhí)行步驟②～③的次數(shù),執(zhí)行步驟④,直至滿足步驟⑤停止搜索并執(zhí)行步驟⑥;

④在溫度區(qū)間Tm～Tm+Sm-1內(nèi)縮短搜索步長(zhǎng)為Sm在(Tm+Sm-1-Smn) ℃下重復(fù)步驟②和③;

⑤令a≤k,并且已經(jīng)完成Tm、(Tm+2a)、(Tm+4a)三個(gè)溫度下能夠達(dá)到最低要求黏度值的穩(wěn)定時(shí)間的測(cè)定,并滿足t(Tm)>t0且t(Tm+2a)t0且t(Tm+4a)

⑥如t(T)=t0,則此時(shí)的T(t)為符合數(shù)值搜索精度的壓裂液能夠滿足最低要求黏度η0和壓裂施工時(shí)間t0的最高適用溫度,記為T(mén)max,壓裂液(η0,t0);

如t(Tm)>t0且t(Tm+2a)

如t(Tm+2a)>t0且t(Tm+4a)

(4)以與步驟(2)和(3)相同的方法確定含溫度穩(wěn)定劑的壓裂液體系的Tmax,壓裂液+溫度穩(wěn)定劑(η0,t0)。

(5)計(jì)算溫度穩(wěn)定劑對(duì)壓裂液適用溫度的提高值ΔTmax(η0,t0),評(píng)價(jià)壓裂液溫度穩(wěn)定劑的作用效果。

ΔTmax(η0,t0)=Tmax,壓裂液+溫度穩(wěn)定劑(η0,t0)-

Tmax,壓裂液(η0,t0).

(1)

式中,ΔTmax(η0,t0)為適用溫度提高值,℃;Tmax,壓裂液(η0,t0)為未加溫度穩(wěn)定劑時(shí)的最高適用溫度,℃;Tmax,壓裂液+溫度穩(wěn)定劑(η0,t0))為加入溫度穩(wěn)定劑后的最高適用溫度,℃。

值得說(shuō)明的是,所設(shè)計(jì)的壓裂液溫度穩(wěn)定劑評(píng)價(jià)方法中步驟(3)是以Tmax為上限溫度通過(guò)數(shù)值搜索方法確定Tmax(η0,t0),并給出了嚴(yán)密的數(shù)學(xué)表述。在實(shí)際執(zhí)行過(guò)程中,仍然有很多可以靈活掌握的實(shí)驗(yàn)步驟。首先,可以選擇Tmax附近任一溫度Tmax′使得t(Tmax′)Tma(η0,t0),就可以作為數(shù)值搜索的上限溫度。其次,建議采用易于掌握的二分搜索法作為確定Tmax(η0,t0)的數(shù)值搜索方法。雖然黃金分割法、Fibonacci法等相比于二分搜索法是更優(yōu)策略的一維數(shù)值搜索方法,但是程序相對(duì)復(fù)雜不易被掌握[23-24]。二分搜索法中數(shù)值搜索的步長(zhǎng)均縮小一半,每次搜索都將搜索區(qū)間縮短一半,易于實(shí)驗(yàn)人員掌握。圖1為以Tmax′為上限溫度24 ℃為搜索初始步長(zhǎng)的二分搜索法確定壓裂液Tmax(η0,t0)的示意圖,其具體步驟包括:

①在Tmax附近選擇Tmax′作為上限溫度,設(shè)置數(shù)值搜索初始步長(zhǎng)24 ℃和數(shù)值搜索精度0.5 ℃;

②在(Tmax′-24n) ℃下(n為大于0的整數(shù))測(cè)量壓裂液體系的表觀黏度降至η0時(shí)所指示的時(shí)間與升高至該溫度時(shí)間的差值,該差值即為壓裂液在該溫度下能夠達(dá)到最低要求黏度值的穩(wěn)定時(shí)間,記為t(T),當(dāng)t(T)≥t0時(shí)停止測(cè)試,此時(shí)溫度記為T(mén)(t)。如t(T)=t0,則執(zhí)行步驟⑦;如t(T)>t0,令T(t)=T1。

③設(shè)T1=T(t),按②中的方法測(cè)定(T1+12) ℃下壓裂液在該溫度下能夠達(dá)到最低要求黏度η0的穩(wěn)定時(shí)間,如果(T1+12)℃下的t(T)=t0,令T(t)=(T1+12)并執(zhí)行步驟⑦;如t(T)>t0,令T(t)=(T1+12)。

④設(shè)T2=T(t),按②中的方法測(cè)定(T2+6)℃下壓裂液在該溫度下能夠達(dá)到最低要求黏度η0的穩(wěn)定時(shí)間,如果(T2+6)℃下的t(T)=t0,令T(t)=(T2+6)并執(zhí)行步驟⑦;如t(T)>t0,令T(t)=(T2+6)。

⑤設(shè)T3=T(t),按②中的方法測(cè)定(T3+3)℃下壓裂液在該溫度下能夠達(dá)到最低要求黏度η0的穩(wěn)定時(shí)間,如果(T3+3)℃下的t(T)=t0,令T(t)=(T3+3)并執(zhí)行步驟⑦;如t(T)>t0,令T(t)=(T3+3)。

⑥設(shè)T4=T(t),按②中的方法測(cè)定(T4+1) ℃和(T4+2) ℃下壓裂液在該溫度下能夠達(dá)到最低要求黏度η0的穩(wěn)定時(shí)間,如果(T4+1) ℃下的t(T)=t0,令T(t)=(T4+1)并執(zhí)行步驟⑦;如果(T4+2) ℃下的t(T)=t0,令T(t)=(T4+2)并執(zhí)行步驟⑦;如果(T4+2) ℃下的t(T)>t0,令T(t)=(T4+2.5)并執(zhí)行步驟⑦;如果(T4+2) ℃下的t(T) t0,令T(t)=(T4+1.5)并執(zhí)行步驟⑦;如果(T4+1) ℃下的t(T)

⑦此時(shí)的T(t)為符合數(shù)值搜索精度的壓裂液能夠滿足最低要求黏度η0和壓裂施工時(shí)間t0的最高適用溫度,記為T(mén)max,壓裂液(η0,t0)。

圖1 二分搜索法確定壓裂液Tmax(η0,t0)示意圖Fig.1 Scheme for determining the Tmax(η0,t0) of fracturing fluid by binary search method

4 應(yīng) 用

為了進(jìn)一步說(shuō)明所設(shè)計(jì)的壓裂液溫度穩(wěn)定劑評(píng)價(jià)方法的可行性和具體參數(shù)的確定方法,利用羥丙基瓜膠HPG、有機(jī)硼交聯(lián)劑TB-1、氫氧化鈉制備了配方為0.45%HPG+0.2%NaOH+0.2%TB-1的壓裂液,并按照設(shè)計(jì)的評(píng)價(jià)方法分析了壓裂液溫度穩(wěn)定劑S-1和S-2的效果。由于所制備的壓裂液為水基凍膠壓裂液,因此設(shè)定壓裂液最低要求黏度η0為50 mPa·s、壓裂施工時(shí)間t0為120 min[25]。圖2是0.45%HPG+0.2%NaOH+0.2%TB-1壓裂液的黏度-溫度曲線,按照Tmax的確定方法可以從圖2中得出壓裂液的Tmax為164.7 ℃。

確定壓裂液的Tmax后,按照所設(shè)計(jì)的評(píng)價(jià)方法,取Tmax′=164 ℃作為上限溫度,并設(shè)置數(shù)值搜索初始步長(zhǎng)為24 ℃和數(shù)值搜索精度0.5 ℃,采用二分搜索法確定壓裂液Tmax(η0,t0)。實(shí)驗(yàn)依次測(cè)定了140、116、92 ℃下壓裂液的黏度-溫度/黏度-時(shí)間曲線,以116 ℃下壓裂液的黏度-溫度/黏度-時(shí)間曲線為例(圖3),從升高到目標(biāo)溫度的時(shí)間和壓裂液黏度降低到50 mPa·s時(shí)的時(shí)間差值Δt可以計(jì)算出壓裂液在T=116 ℃時(shí)能夠達(dá)到最低要求黏度值的穩(wěn)定時(shí)間t(T=116 ℃)為98 min。測(cè)定壓裂液達(dá)到最低要求黏度值的穩(wěn)定時(shí)間t(T)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)以24 ℃為步長(zhǎng)將溫度降低至92 ℃時(shí),壓裂液體系的穩(wěn)定時(shí)間t(T)>120 min,這說(shuō)明該壓裂液的適用溫度Tmax(η0,t0)在92和116 ℃間。按照二分搜索法依次以12、6、3、1 ℃為步長(zhǎng)繼續(xù)搜索Tmax(η0,t0),當(dāng)溫度為113和112 ℃時(shí)該壓裂液的的穩(wěn)定時(shí)間t(T)分別為50和124 min。因此,該壓裂液的最高適用溫度Tmax(η0,t0)在112～113 ℃,則滿足數(shù)值搜索精度要求的壓裂液最高適用溫度Tmax(η0,t0)為112.5 ℃。

圖2 壓裂液黏度-溫度曲線Fig.2 Viscosity-temperature curve of fracturing fluid

圖3 壓裂液黏度-時(shí)間曲線Fig.3 Viscosity-time curve of fracturing fluid

類(lèi)似地,按照設(shè)計(jì)的評(píng)價(jià)方法也可以通過(guò)黏度-溫度曲線、黏度-溫度/黏度-時(shí)間曲線測(cè)定確定含有不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)壓裂液溫度穩(wěn)定劑S-1、S-2的0.45%HPG+0.2%NaOH+0.2%TB-1壓裂液體系的Tmax(η0,t0),實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。根據(jù)適用溫度提高值的定義式可以計(jì)算加入壓裂液溫度穩(wěn)定劑后適用溫度提高值ΔTmax(η0,t0),結(jié)果如圖4所示。可以看出,加入0.1%～0.8%的溫度穩(wěn)定劑S-1、S-2分別可以使得0.45%HPG+0.2%NaOH+0.2%TB-1壓裂液的最高適用溫度提高4.5～10 ℃、6～14 ℃,因而壓裂液溫度穩(wěn)定劑S-2的作用效果優(yōu)于S-1。上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的評(píng)價(jià)方法可以判別不同性能壓裂液溫度穩(wěn)定劑產(chǎn)品的作用效果差異。

表2 溫度穩(wěn)定劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)壓裂液體系耐溫性能的影響Table 2 Effect of temperature stabilizer mass fraction on temperature resistance properties

圖4 溫度穩(wěn)定劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)適用溫度提高值 ΔTmax(η0,t0)的影響Fig.4 Effect of temperature stabilizer mass fration on increased value of applicable temperature ΔTmax(η0,t0)

5 結(jié) 論

(1)壓裂液在壓裂施工溫度下,表觀黏度保持在最低要求黏度值η0以上的時(shí)間不能少于壓裂施工要求的時(shí)間t0才能夠滿足施工要求。壓裂液在保證壓裂施工的情況下能夠使用的最高溫度Tmax(η0,t0)從原理上反映了壓裂液體系的耐溫性能。在此基礎(chǔ)上,通過(guò)測(cè)定加入溫度穩(wěn)定劑前后Tmax(η0,t0)的差值ΔTmax(η0,t0)能夠評(píng)價(jià)壓裂液溫度穩(wěn)定劑對(duì)壓裂液耐溫性能的提升效果。

(2)設(shè)計(jì)從上限溫度開(kāi)始通過(guò)數(shù)值搜索方法逐步確定Tmax(η0,t0) 以計(jì)算溫度穩(wěn)定劑對(duì)壓裂液適用溫度的提高值ΔTmax(η0,t0),評(píng)價(jià)壓裂液溫度穩(wěn)定劑的作用效果的具體方法。其中,搜索上限溫度由壓裂液黏度-溫度曲線確定,數(shù)值搜索方法推薦為二分搜索法。利用有機(jī)硼交聯(lián)羥丙基瓜膠壓裂液按照設(shè)計(jì)的評(píng)價(jià)方法分析了壓裂液溫度穩(wěn)定劑的作用效果,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的評(píng)價(jià)方法可以判別不同性能壓裂液溫度穩(wěn)定劑產(chǎn)品的作用效果差異。

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(編輯 劉為清)

Design and application of the evaluation method for fracturing fluid temperature stabilizer

FAN Haiming1, WANG Zhaoxing1, FAN Haijian1, ZHOU Haigang2, ZUO Jiaqiang3,CHEN Kai3, WANG Zenglin1, KANG Wanli1, DAI Caili1

(1.CollegeofPetroleumEngineeringinChinaUniversityofPetroleum,Qingdao266580,China;2.TechnologyInspectionCenterofShengliOilfieldCompany,SINOPEC,Dongying257061,China;3.PetroleumEngineeringTechnologyResearchInstituteofShengliOilfieldCompany,SINOPEC,Dongying257067，China)

In order to evaluate the improving effect of the temperature stabilizer on the temperature resistance properties of fracturing fluid, one method was designed, in which the highest temperatureTmax(η0,t0) was determined gradually using the numerical search method starting from the upper limit temperature, and the increased value of applicable temperature ΔTmax(η0,t0) for temperature stabilizer was calculated. The improving effects of two temperature stabilizers for organic boron crosslinked hydroxypropyl guar gum fracturing fluid were analyzed experimentally. It is found that theTmax(η0,t0) of fracturing fluid increases 4.5-10 ℃ and 6-14 ℃ by the addition of 0.1%-0.8% temperature stabilizer S-1 and S-2, respectively. Hence, the designed evaluation method is able to distinguish the performance of different temperature stabilizers.Keywords: fracturing fluid; temperature resistance properties; temperature stabilizer; evaluation method design; binary search method

2017-02-10

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51574267, 21273286);中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)(15CX08003A); 國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)(2016ZX05011004);長(zhǎng)江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃(IRT14R58);長(zhǎng)江學(xué)者獎(jiǎng)勵(lì)計(jì)劃項(xiàng)目(T2014152)

范海明(1982-)，男，副教授，博士，研究方向?yàn)橛吞锘瘜W(xué)。E-mail: haimingfan@126.com。

1673-5005(2017)04-0160-07

10.3969/j.issn.1673-5005.2017.04.021

TE 357.46

A

范海明,王兆興,范海建,等.壓裂液溫度穩(wěn)定劑的評(píng)價(jià)方法設(shè)計(jì)和應(yīng)用[J].中國(guó)石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2016,41(4):160-166.

FAN Haiming, WANG Zhaoxing, FAN Haijian, et al. Design and application of the evaluation method for fracturing fluid temperature stabilizer[J].Journal of China University of Petroleum (Edition of Natural Science),2016,41(4):160-166.