滑溜水用速溶型減阻劑研究與應(yīng)用

常青，曹骕骕 （中石油渤海鉆探工程技術(shù)研究院壓裂技術(shù)中心，天津300280）

劉音 （中石油渤海鉆探工程技術(shù)研究院油田化學(xué)研究所，天津300457）

牛增前 （中石油渤海鉆探工程技術(shù)研究院儲層改造研究所，天津300457）

蔡景超，陳得裕 （中石油渤海鉆探工程技術(shù)研究院壓裂技術(shù)中心，天津300280）

隨著油氣勘探開發(fā)的不斷深入，致密氣、頁巖氣、煤層氣、致密油等非常規(guī)油氣展示了巨大的潛力。壓裂改造是非常規(guī)油氣資源勘探開發(fā)的重要措施之一，但由于非常規(guī)油氣藏與常規(guī)油氣藏的儲層特征存在巨大差異，因此對壓裂液的要求也不相同。近年來，滑溜水壓裂已成為國外開采致密氣藏的主要增產(chǎn)技術(shù)，滑溜水具有低黏度、低成本、對致密氣藏低傷害等優(yōu)點(diǎn)，可以大大減少在裂縫及井筒中的殘留凝膠量，降低對地層的傷害并提高產(chǎn)量，還可以節(jié)約成本［1］。

早在20世紀(jì)60年代，國外就開始研究減阻劑，Virk等［2］通過速度測量對減阻流動進(jìn)行研究，得到了Virk漸近線。美國ARCO石油公司等相繼開發(fā)出性能較好的減阻劑，將其應(yīng)用于原油輸送過程中，有效地降低了管內(nèi)摩阻。例如美國墨西哥海灣一條直徑250mm的海底原油管道，加入減阻劑后最大輸送量從6000×104m3／d增加到8500×104m3／d，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。近年來，高分子材料作為減阻劑得到了廣泛應(yīng)用，如 Magnafloc 101［3］、Nalco ASP-700［4］和 ASP-820［5］等產(chǎn)品均表現(xiàn)出良好的減阻效率。Hunston等［6］總結(jié)出高分子材料減阻理論，得到直鏈型高分子比支鏈型高分子減阻能力強(qiáng)，而高分子的分子量足夠大時才表現(xiàn)出良好的減阻能力，這也為未來高分子減阻劑的設(shè)計和合成奠定了基礎(chǔ)。

筆者根據(jù)減阻理論，研制出改性高分子材料，得到了溶解速度快、配伍性好且減阻性能優(yōu)良的高分子速溶減阻劑，將其應(yīng)用于滑溜水體系中，并研究滑溜水體系的減阻效率和巖心傷害性。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)儀器及藥品

1）試驗(yàn)儀器 減阻率測試儀 （中國石油大學(xué) （華東））；LDY-1型巖心流動試驗(yàn)儀器 （山東中石大石儀科技有限公司）。

2）試驗(yàn)藥品 改性聚丙烯酰胺J60（相對分子質(zhì)量400×104）；BH助排劑；BH壓裂用防水鎖劑；BH壓裂用解水鎖劑；BH壓裂用防膨劑。

1.2 減阻性能評價方法

記錄測試過程中管路長度、管路內(nèi)徑、不同排量條件下的壓差，分別計算出雷諾數(shù)與摩阻因數(shù)，將所得每組數(shù)值計入雷諾數(shù)與摩阻因數(shù)的關(guān)系，可以表現(xiàn)出減阻劑的減阻性能。雷諾數(shù)計算公式：

式中：Re為雷諾數(shù)，1；Q 為體積流量，m3／s；d為測試段管內(nèi)徑，m；μ為水的運(yùn)動黏滯系數(shù)，m2／s。

摩阻因數(shù)計算公式：

式中：f為摩阻因數(shù)，1；l為測試段長度，m；ρ為被測流體密度，kg／m3；Δp為測試段兩端壓差，Pa。

評價用到2條重要的曲線分別是Prantl-Karman曲線與Virk曲線，Prantl-Karman曲線為清水的摩阻因數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系曲線；Virk曲線是極限減阻曲線，即測得的曲線與之越接近則減阻性越好。

研究所用Prantl-Karman曲線［7］與 Virk曲線［8］對應(yīng)的公式分別為：

分別在Prantl-Karman坐標(biāo)下進(jìn)行擬合［9］：

1.3 滑溜水減阻率測試方法

研究使用的減阻率測試儀的流量范圍是0．1～0．3m3／h，依據(jù)管內(nèi)徑、測試段長度計算流體的雷諾數(shù)在6000～25000之間，分別記錄沒有加入減阻材料前的流量、對應(yīng)壓差，以及加入減阻材料后的流量和對應(yīng)壓差，按照以下公式計算減阻率：

式中：η為減阻率，%；Δpw為流動相是清水時兩端壓差，Pa；Δps為流動相是滑溜水時兩端壓差，Pa。

1.4 速溶性能評價方法

速溶能力測試是評價減阻劑是否能在短時間內(nèi)表現(xiàn)出良好的減阻能力，以滿足連續(xù)混配作業(yè)的要求。其方法是測試減阻劑加入水中攪拌2min時的減阻率，與其完全溶解后的測試結(jié)果比較，間接測試速溶性能。測試工作直接在儀器的水箱中進(jìn)行，加入減阻劑后立即開始計時，2min后開啟循環(huán)泵及系統(tǒng)測試減阻率，隨后清洗管路，將減阻劑加入水中后，攪拌20min并靜置至充分溶解后測試減阻率。

1.5 巖心傷害性能評價方法

取3塊已洗油、洗鹽處理的巖心做平行試驗(yàn)，首先用煤油測試每塊巖心的原始滲透率，然后使用減阻劑配制的滑溜水對巖心進(jìn)行污染，再測試污染后的巖心滲透率，通過污染前后滲透率的比值評價其巖心傷害性。

2 結(jié)果與討論

2.1 減阻劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對減阻性能的影響

首先測量流體為清水時，不同排量下測試段兩端的壓差，經(jīng)過計算得出清水的摩阻因數(shù)，清水的摩阻因數(shù)基本符合Prantl-Karman曲線，由此證明儀器符合檢測要求。然后對含有不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)J60減阻劑的滑溜水體系進(jìn)行減阻性能測試，計算結(jié)果如圖1所示，隨著J60質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，其f-Re曲線不斷接近Virk極限減阻曲線，說明減阻能力隨減阻劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增強(qiáng)。當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到0．03%后，繼續(xù)增加J60減阻劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，摩阻因數(shù)的降低不明顯，綜上考慮施工成本及對地層的傷害，確定J60的使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0．03%。

2.2 減阻劑的速溶性能評價

先將防膨劑、助排劑等助劑加入儀器水箱中，再加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0．03%的J60減阻劑。分兩組進(jìn)行測試：①攪拌2min；②攪拌2h。測試結(jié)果如圖2所示，兩種溶液減阻能力幾乎一致。因此J60減阻劑的溶解速度完全可以滿足連續(xù)混配壓裂的要求。

2.3 滑溜水的減阻性能評價

由圖2可以看出，隨著雷諾數(shù)的增加，減阻率逐漸增大，該滑溜水體系在雷諾數(shù)為15000時，減阻率已達(dá)到65%以上，說明其

圖1 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的J60減阻劑對減阻性能的影響

具有良好的減阻性能。

2.4 減阻劑的配伍性評價

將J60減阻劑與防膨劑、助排劑、防水鎖劑等在燒杯中混合均勻，觀察其配伍性，結(jié)果如圖3所示，減阻劑與其他助劑配伍性良好，混合后無沉淀、無分層。

2.5 巖心傷害性能評價

為保證使用J60減阻劑進(jìn)行壓裂等施工后，目的層仍具有良好的滲透率，對含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)0．03%的J60滑溜水進(jìn)行巖心傷害性能評價，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示?？梢钥闯?，該滑溜水對巖心滲透率傷害率較低，3次平行試驗(yàn)結(jié)果均小于10%，使用該滑溜水進(jìn)行施工，地層滲透率保持率可達(dá)90%以上，說明該滑溜水體系對地層低傷害很小。

圖2 溶解不同時間J60的減阻率

2.6 現(xiàn)場應(yīng)用效果分析

自2013年1月開始，J60減阻劑在蘇里格地區(qū)已現(xiàn)場應(yīng)用3井次。圖4為蘇20-9-22井的施工曲線圖，該井于2013年5月14日采用滑溜水和膠凝酸體系進(jìn)行酸壓施工。

圖4中標(biāo)出了滑溜水施工段，依據(jù)使用油管尺寸、長度及清水摩阻因數(shù)等計算清水摩阻，與實(shí)際測試摩阻比較，依據(jù)式 （7）計算減阻率。經(jīng)計算，施工排量為3．2、3．5、3．8m3／min時減阻率分別為 50．0%、73．5%、76．8%。

圖3 減阻劑的配伍性照片

表1 減阻劑巖心傷害評價

圖4 蘇20-9-22井施工曲線

3 結(jié)論

1）研究以減阻理論為基礎(chǔ)，通過試驗(yàn)研究出一種可應(yīng)用于滑溜水體系的減阻劑J60，其最佳使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0．03%，應(yīng)用該減阻劑的滑溜水減阻能力可達(dá)65%以上。

2）J60減阻劑溶解速度快，溶解2min即可表現(xiàn)出良好的減阻能力，該減阻劑不僅可應(yīng)用于傳統(tǒng)配液壓裂的方式，還可以應(yīng)用于連續(xù)混配壓裂技術(shù)中。減阻劑J60已施工應(yīng)用3井次，均表現(xiàn)出良好的減阻性能。

本文屬中石油渤海鉆探工程有限公司重大科研項目 （2013ZD05K）產(chǎn)出論文。

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