頁巖氣藏清水壓裂減阻劑優(yōu)選與性能評(píng)價(jià)

肖 博，張士誠，雷 鑫，周 彤，曾 博，陳來軍

（1.中國石油大學(xué)（北京）石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102249；2.中國石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院，河北廊坊065007；3.西部鉆探國際鉆井公司，新疆烏魯木齊830000）

頁巖氣藏清水壓裂減阻劑優(yōu)選與性能評(píng)價(jià)

肖 博1，張士誠1，雷 鑫1，周 彤1，曾 博2，陳來軍3

（1.中國石油大學(xué)（北京）石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102249；2.中國石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院，河北廊坊065007；3.西部鉆探國際鉆井公司，新疆烏魯木齊830000）

針對(duì)頁巖氣藏清水壓裂時(shí)由于施工排量大，導(dǎo)致液體所受剪切速率較高的現(xiàn)狀，利用大型摩阻測定儀，對(duì)4種陰離子型減阻劑進(jìn)行室內(nèi)評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，4種減阻劑的降阻效果均隨著剪切速率的增大而趨于變好，其中XT-65B的降阻效果最好。通過分析剪切速率、剪切時(shí)間和剪切路徑等對(duì)減阻劑降阻效果的影響可知：隨著剪切速率的增加，減阻劑降阻率呈下降趨勢；在低速剪切（500 s-1）條件下，減阻劑降阻率對(duì)剪切時(shí)間不敏感，而在高速剪切（5 000 s-1）時(shí)，減阻劑降阻率隨剪切時(shí)間的增加而急劇下降；不同剪切路徑對(duì)減阻劑降阻效果影響顯著，較高的剪切速率會(huì)對(duì)減阻劑分子結(jié)構(gòu)造成不可恢復(fù)的傷害。由電子顯微鏡對(duì)XT-65B減阻劑剪切前后的分子結(jié)構(gòu)微觀觀測結(jié)果可見：當(dāng)剪切速率較低（500 s-1）時(shí)，分子結(jié)構(gòu)被輕微破壞；當(dāng)剪切速率較高（5 000 s-1）時(shí)，分子結(jié)構(gòu)破壞較為嚴(yán)重。

頁巖氣藏清水壓裂減阻劑性能評(píng)價(jià)降阻率高速剪切

頁巖氣藏基質(zhì)滲透率極低，一般小于0.000 1× 10-3μm2，通常無自然產(chǎn)能，須使用清水壓裂液進(jìn)行體積壓裂［1-3］。清水壓裂液由98%～99%的清水和極少量的添加劑混配而成，與常規(guī)凍膠壓裂相比，其產(chǎn)生的裂縫幾何形態(tài)更為復(fù)雜，極易與天然微裂縫溝通，產(chǎn)生復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)，從而實(shí)現(xiàn)較大的壓裂增產(chǎn)改造體積［4-5］。為了克服低粘清水壓裂液攜砂不足的弱點(diǎn)，國外頁巖氣藏壓裂改造通常采用高排量施工，排量一般大于16 m3/min，甚至高達(dá)19～24 m3/min［6-8］。在紊流流態(tài)下，管柱的沿程摩阻損失與流速的1.75～2次方成正比［9］，說明高速泵注不僅使能量損失較大，且對(duì)地面泵注設(shè)備的要求較高。為此，現(xiàn)場常采用在液體中添加減阻劑的方法來減小壓裂液在管柱中的摩阻損失，以降低地面施工壓力，從而減小施工規(guī)模［10］。效果較好的減阻劑的降阻率高達(dá)50%～70%。常見減阻劑的成分主要是聚合物和表面活性劑。由于表面活性劑類減阻劑具有加量大和不經(jīng)濟(jì)等原因［11］，施工現(xiàn)場常采用聚合物類減阻劑，用量一般為0.01%～0.1%。根據(jù)聚合物分子水解后所呈現(xiàn)的電性特征，一般分為陽離子型、陰離子型和非離子型3種減阻劑。陽離子型減阻劑價(jià)格較高；要達(dá)到相同的降阻效果，非離子型減阻劑用量要比陰離子型減阻劑高一個(gè)數(shù)量級(jí)；因此，工業(yè)上通常選用陰離子型減阻劑［12-13］。壓裂施工泵注常規(guī)凍膠壓裂液時(shí)的施工排量較?。?4］，而頁巖氣藏用清水進(jìn)行壓裂時(shí)，由于施工排量較大，流體在管柱內(nèi)雷諾數(shù)（數(shù)量級(jí)為105～107）和剪切速率（約為500～5 000 s-1）均較大，因此，須在較高剪切速率條件下進(jìn)行降阻效果評(píng)價(jià)。

1 減阻劑降阻機(jī)理

減阻劑的降阻機(jī)理非常復(fù)雜［15-16］，目前尚未完全定論。在紊流流態(tài)下，由于流體流動(dòng)中的徑向擾動(dòng)會(huì)產(chǎn)生漩渦，漩渦與管壁之間的動(dòng)量傳遞及大漩渦向小漩渦的轉(zhuǎn)化均伴隨著能量耗散，宏觀表現(xiàn)為摩阻壓降損失［17］。減阻劑降阻原理的主要觀點(diǎn)有：①抑制紊流。減阻劑分子依靠自身粘彈性，使分子長鏈順著液體流動(dòng)方向延伸，利用分子間引力抵抗流體微元的擾動(dòng)影響，改變流體微元作用力的大小和方向，使一部分徑向力轉(zhuǎn)化為軸向推動(dòng)力，抑制漩渦的產(chǎn)生及大漩渦向小漩渦的轉(zhuǎn)化，從而降低了能量損失。②粘彈性與漩渦相互作用。湍流漩渦的一部分動(dòng)能被聚合物分子吸收，以彈性能的形式儲(chǔ)存起來，使漩渦消耗的能量減少，從而達(dá)到降低摩阻損失的目的［18］。

減阻劑的降阻效果取決于溶液中減阻劑分子的旋轉(zhuǎn)半徑和主鏈結(jié)構(gòu)的彈性［19］。旋轉(zhuǎn)半徑越大，主鏈彈性越強(qiáng)，則減阻劑分子鏈在溶液中運(yùn)動(dòng)變形能力越強(qiáng)，降阻效果越好。此外，分子直鏈長短也會(huì)對(duì)降阻效果產(chǎn)生影響。分子直鏈太短，無法實(shí)現(xiàn)有效降阻；若聚合物分子直鏈太長，在高剪切速率環(huán)境中易發(fā)生斷裂，也會(huì)影響降阻效果［15-17］。

2 減阻劑優(yōu)選與性能評(píng)價(jià)

2.1 實(shí)驗(yàn)器材

實(shí)驗(yàn)材料主要包括：XT-65A，XT-65B，F(xiàn)S-300 和RY-300共4種陰離子型聚丙烯酰胺減阻劑，其相對(duì)分子質(zhì)量分別約為700×104，1 000×104，500×104和500×104；實(shí)驗(yàn)時(shí)，4種減阻劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.1%，0.1%，0.02%和0.08%。

實(shí)驗(yàn)儀器主要包括：YMC-1型摩阻測定儀和S360型電子顯微鏡。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

2.2.1 降阻效果評(píng)價(jià)方法

利用摩阻測定儀，在管徑為10 mm、剪切速率分別為500，1 000，1 500，2 000，2 500，3 000，3 500，4 000，4 500和5 000 s-1的條件下，測定4種減阻劑的管柱摩阻。

2.2.2 減阻劑穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法

為了評(píng)價(jià)減阻劑分子在高速剪切后，其結(jié)構(gòu)是否遭到破壞，須進(jìn)行減阻劑穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。在剪切速率遞增與剪切速率遞減2種剪切路徑下，比較每種減阻劑的降阻效果，評(píng)價(jià)其穩(wěn)定性。首先按照剪切速率由500—1 000—1 500—2 000—2 500—3 000—3 500—4 000—4 500—5 000 s-1的遞增方式測定4種減阻劑的管柱摩阻；再測定剪切速率由5 000—4 000—3 000—2 000—1 000 s-1的遞減方式測定4種減阻劑的管柱摩阻，對(duì)比分析各自的穩(wěn)定性。

2.2.3 減阻劑剪切前后分子微觀結(jié)構(gòu)觀察方法

利用電子顯微鏡觀察減阻劑分子在高速剪切（5 000 s-1）、低速剪切（500 s-1）后的分子形態(tài)，并與未經(jīng)剪切時(shí)的分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比，觀察不同剪切速率下減阻劑分子結(jié)構(gòu)的變化。

2.3 結(jié)果與分析

2.3.1 剪切速率對(duì)降阻效果的影響

由4種減阻劑在不同剪切速率下的管柱摩阻（圖1）可以看出：4種減阻劑均有明顯的降阻效果，當(dāng)剪切速率較低時(shí)（500～1 500 s-1），降阻效果相差不大，而在較高剪切速率下（大于2 000 s-1），4種減阻劑的降阻效果開始出現(xiàn)分化：XT-65B的降阻效果最好，F(xiàn)S-300和XT-65A次之，RY-300降阻效果最差?？傮w而言，4種減阻劑的降阻效果隨著剪切速率的增大而趨于變好。

圖1 4種減阻劑在不同剪切速率下的管柱摩阻

由圖2可知：當(dāng)剪切速率較小時(shí)（500～1 500 s-1），4種減阻劑的降阻效果均較穩(wěn)定，隨著剪切速率的增加，降阻率均呈緩慢減小的趨勢；隨著剪切速率的進(jìn)一步增加，尤其是當(dāng)剪切速率超過4 000 s-1時(shí)，XT-65A，F(xiàn)S-300和RY-300的降阻率呈急劇下降趨勢，而XT-65B的降阻率變化不大，保持在50%左右，效果較好。這是因?yàn)椋弘S著剪切速率的增加，由于剪切力增大，導(dǎo)致部分減阻劑分子的分子鏈斷裂，使得這部分減阻劑分子分解成為相對(duì)分子質(zhì)量較小的聚合物分子，從而失去降阻的能力；XT-65B的相對(duì)分子質(zhì)量是4種減阻劑中最大的，其長分子鏈在高速剪切中雖也會(huì)斷裂，但只要分解后的分子鏈仍足夠長，還可發(fā)揮一定的降阻作用，因此在高剪切作用下，XT-65B表現(xiàn)出相對(duì)穩(wěn)定的降阻能力。

2.3.2 剪切時(shí)間對(duì)降阻效果的影響

由4種減阻劑在不同剪切速率下的降阻率隨剪切時(shí)間的變化（圖3）可知：在低剪切速率下，XT-65B的降阻率基本保持穩(wěn)定，其他3種減阻劑的降阻率隨著剪切時(shí)間的增加均呈緩慢下降趨勢；而在高剪切速率下，隨著剪切時(shí)間的增加，4種減阻劑的降阻效果均迅速變差。這是因?yàn)椋涸诘图羟兴俾氏?，減阻劑分子所受的剪切力較小，不會(huì)對(duì)降阻效果造成較大影響；而在高剪切速率下，由于減阻劑分子所受剪切力較大，隨著剪切時(shí)間的增加，其分子結(jié)構(gòu)所受破壞愈大，因此降阻效果愈差。

圖3 不同剪切速率下4種減阻劑的降阻率隨剪切時(shí)間的變化

2.3.3 剪切路徑對(duì)降阻效果的影響

通過對(duì)比4種減阻劑在不同剪切路徑下的降阻效果（圖4）可知：與剪切速率遞增路徑相比，在同一剪切速率下，剪切速率遞減路徑中4種減阻劑的管柱摩阻均有所增加，表明減阻劑的降阻效果均呈一定程度的下降趨勢；并且剪切速率越高，減阻劑降阻效果下降程度越大；經(jīng)過高速剪切后，減阻劑XT-65A，F(xiàn)S-300和RY-300的管柱摩阻增幅較大，而XT-65B的管柱摩阻在2種剪切路徑下變化不大。主要原因是：經(jīng)過高速剪切后，聚合物分子結(jié)構(gòu)會(huì)受到不同程度的剪切破壞，降低了減阻劑分子的旋轉(zhuǎn)半徑和長度，從而影響其降阻效果；即使當(dāng)剪切速率逐漸減小后，被破壞的分子結(jié)構(gòu)也無法得到恢復(fù)；XT-65B的分子被破壞程度小于其他3種，故其降阻效果較其他3種減阻劑穩(wěn)定。

圖4 不同剪切路徑下減阻劑降阻效果對(duì)比

2.3.4 剪切前后分子結(jié)構(gòu)的變化

綜合分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，選定XT-65B作為清水壓裂液體系的減阻劑。為了明確剪切作用對(duì)減阻劑分子結(jié)構(gòu)的影響，進(jìn)而對(duì)其降阻機(jī)理進(jìn)行研究，利用電子顯微鏡，觀察被低速（500 s-1）和高速（5 000 s-1）剪切前后XT-65B的分子形態(tài)。結(jié)果（圖5）顯示：減阻劑被低速剪切（500 s-1）后，分子結(jié)構(gòu)遭到輕微破壞，基本未對(duì)其降阻效果造成顯著影響；經(jīng)過5 000 s-1高速剪切后，分子結(jié)構(gòu)破壞較為嚴(yán)重，嚴(yán)重影響其降阻效果；但是，較長的分子鏈仍然具有一定的降阻效果。這與圖2的結(jié)果相吻合。

圖5 剪切前后減阻劑XT-65B微觀分子結(jié)構(gòu)變化

3 結(jié)論

XT-65A，XT-65B，F(xiàn)S-300和RY-300共4種減阻劑的降阻率實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，XT-65B的降阻效果最好，且性能比較穩(wěn)定；隨著剪切速率的增加，其降阻率的降幅較小，在5 000 s-1高剪切速率條件下的降阻率仍在50%左右，因此確定XT-65B為清水壓裂液體系的減阻劑。

減阻劑的降阻率隨著剪切速率的增加而下降。在低速剪切（500 s-1）條件下，減阻劑降阻率對(duì)剪切時(shí)間不敏感；而在高速剪切（5 000 s-1）時(shí)，減阻劑降阻率隨剪切時(shí)間增加而急劇下降。不同剪切路徑對(duì)減阻劑降阻效果影響顯著，較高的剪切速率將會(huì)對(duì)減阻劑分子結(jié)構(gòu)造成不可恢復(fù)的傷害。

低速剪切作用對(duì)減阻劑分子結(jié)構(gòu)破壞較小，不會(huì)對(duì)降阻率造成顯著影響，而在高速剪切作用下，減阻劑分子的結(jié)構(gòu)會(huì)被剪切降解，從而影響減阻劑的降阻效果。

［1］ George E K.Thirty years of gas shale fracturing：what have we learned?［C］.SPE 133456，2010.

［2］ 馬寧，侯讀杰，包書景，等.頁巖氣資源潛力評(píng)價(jià)方法［J］.油氣地質(zhì)與采收率，2012，19（6）：25-29.

［3］ Brent H，William M C.Barnett shale：a resource play-locally ran?dom and regionally complex［C］.SPE 138987，2010.

［4］ Sutton R P，Cox S A，Barree R D.Shale gas plays：a performance perspective［C］.SPE 138447，2010.

［5］ 孫海，姚軍，孫致學(xué)，等.頁巖氣數(shù)值模擬技術(shù)進(jìn)展及展望［J］.油氣地質(zhì)與采收率，2012，19（1）：46-49.

［6］ Sondergeld C H，Newsham K E，Comisky J T，et al.Petrophysical considerations in evaluating and producing shale gas resources ［C］.SPE 131768，2010.

［7］ 孫海成，湯達(dá)禎，蔣廷學(xué)，等.頁巖氣儲(chǔ)層壓裂改造技術(shù)［J］.油氣地質(zhì)與采收率，2011，18（4）：90-93，97.

［8］ Carl A，Javad P.Critical evaluation of biocide-friction reducers in?teractions used in shale flowback slickwater fracs［C］.SPE 141358，2011.

［9］ Fredd C N，McConnell S B，Boney C L，et al.Experimental study of fracture conductivity for water-fracturing and conventional frac?turing applications［C］.SPE 74138-PA，2001.

［10］Javad P，Carl A，Michael H，et al.Critical evaluation of high brine tolerant additives used in shale slickwater fracs［C］.SPE 141356，2011.

［11］田軍，徐錦芬，薛群基，等.粘性減阻技術(shù)及其應(yīng)用［J］.實(shí)驗(yàn)力學(xué)，1997，12（2）：198-203.

［12］何鐘怡.高分子稀溶液減阻機(jī)理的研究進(jìn)展［J］.水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展，1993，8（4）：381-387.

［13］雷雯婷，管民，李惠萍，等.高聚物型減阻劑溶液減阻性能的評(píng)價(jià)［J］.石油煉制與化工，2009，40（5）：66-69.

［14］劉通義，譚坤，陳光杰，等.交聯(lián)壓裂液抗剪切性能評(píng)價(jià)方法探討［C］//李文陽.2002流變學(xué)進(jìn)展.北京：中國科學(xué)技術(shù)出版社，2002：409-412.

［15］尹國棟，關(guān)中原，劉兵，等.聚合物減阻率與相對(duì)分子質(zhì)量關(guān)系的研究［J］.油氣儲(chǔ)運(yùn)，2001，20（10）：36-38.

［16］管民，郭鳳鳳，馬鳳云，等.高分子減阻劑溶液對(duì)非牛頓流體流動(dòng)特性的影響［J］.油氣儲(chǔ)運(yùn)，2006，25（1）：33-36，41.

［17］袁恩熙.工程流體力學(xué)［M］.北京：石油工業(yè)出版社，1986.

［18］馬衛(wèi)榮，譚芳，趙玲莉，等.減阻劑溶液的發(fā)展與應(yīng)用［J］.新疆石油天然氣，2005，12（1）：71-74.

［19］Shawn M R，Paul R H，Michael O A.Are you buying too much firc?tion reducer because of your biocide?［C］.SPE 119569，2009.

編輯常迎梅

TE357.12

A< class="emphasis_bold">文章編號(hào)：1

1009-9603（2014）02-0102-04

2013-12-03。

肖博，男，在讀博士研究生，從事油氣井增產(chǎn)機(jī)理方面的研究。聯(lián)系電話：15210878409，E-mail：victorxiao@163.com。

國家科技重大專項(xiàng)“3000型成套壓裂裝備應(yīng)用技術(shù)研究及應(yīng)用示范”（2011ZX05048-006-002）。