滑溜水壓裂液降阻劑的研制與應(yīng)用

劉洪濤，解勇珍，許連潔，魏媛茜，王樹森，肖誠誠

（中國石化河南油田分公司石油工程技術(shù)研究院，河南鄭州 450018）

近年來，隨著非常規(guī)油氣資源勘探開發(fā)范圍不斷擴(kuò)大，適用于開采特低孔、特低滲非常規(guī)儲層的滑溜水大型壓裂技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用，因而對降阻劑的應(yīng)用與需求也越來越多。但目前性能良好的國產(chǎn)降阻劑仍處于試驗(yàn)階段，大多數(shù)主要依靠國外進(jìn)口，成本較高。

本文根據(jù)高分子聚合物降阻機(jī)理，優(yōu)選評價(jià)出降阻劑主要活性組分UJ，采用正交實(shí)驗(yàn)配比方法，研制了一種可用于壓裂液中的水溶性降阻劑。通過紅外光譜對降阻劑進(jìn)行了一系列性能表征，并通過管路摩阻測試系統(tǒng)對其降阻效果進(jìn)行了評價(jià)，從而形成降阻劑和滑溜水配方，并在現(xiàn)場得到有效應(yīng)用。

1 高聚物降阻機(jī)理分析

在牛頓流體中溶入少量長鏈高分子添加劑，可以大幅度降低流體在湍流區(qū)的運(yùn)動(dòng)阻力，減緩?fù)牧鞯陌l(fā)生。聚合物添加劑降阻是通過從液體內(nèi)側(cè)邊界創(chuàng)造條件，以實(shí)現(xiàn)降阻。Baron等采用有限可伸長的柔性啞鈴狀模型對有聚合物添加劑的邊界層進(jìn)行了直接數(shù)值模擬計(jì)算，結(jié)果表明聚合物添加劑能夠影響流向渦的強(qiáng)度，增大低速帶條的間距，從而減小湍流剪切應(yīng)力實(shí)現(xiàn)降阻。Yarin等則歸結(jié)于聚合物稀溶液的高黏度阻礙了渦的擴(kuò)展，減低了湍流觸發(fā)頻率，使得流速更加平穩(wěn)從而導(dǎo)致了減阻。Den Toonder對有聚合物添加劑的湍流管流進(jìn)行了直接數(shù)值模擬以及激光多普勒風(fēng)速測量法試驗(yàn)，結(jié)果顯示由聚合物擴(kuò)散引起的各項(xiàng)異性的黏性應(yīng)力是導(dǎo)致降阻的主要因素。王海林等用基于單參數(shù)的橢球珠簧二元模型，分析了減阻流中聚合物分子的動(dòng)力學(xué)行為，結(jié)果表明由于聚合物分子的變形效應(yīng)，其旋轉(zhuǎn)頻率隨著剪切率增大而減小，從而提高了流體的穩(wěn)定性，有利于減阻。因此，高聚物降阻劑在壓裂過程中的的降阻機(jī)理可以歸結(jié)為兩個(gè)方面：①有一定黏度的降阻高聚物分子可以在管道流體中伸展，吸收薄層間的能量，干擾薄層間的液體分子從緩沖區(qū)進(jìn)入紊流核心，從而阻止其形成紊流或減弱紊流程度，使之達(dá)到降阻的目的［1］；②高聚物在壓裂管柱內(nèi)壁吸附降低了液體與管壁的摩擦力，達(dá)到降低沿程阻力作用。

2 降阻劑的制備

以形成分散均勻、水溶性好的降阻劑溶液為目標(biāo)，起到預(yù)期降阻作用，進(jìn)行了降阻劑制備方法研究。為增強(qiáng)降阻主劑在水中的溶解性，選取了以油相作為降阻主劑的基礎(chǔ)溶劑。當(dāng)油基漿料加入水中，由于漿料中顆粒很小，并且被油包裹，顆粒之間不會(huì)快速黏結(jié)，保證顆粒自身在水中的溶解，因此，大大改善了降阻劑在水中的溶解性能，可節(jié)省現(xiàn)場配制時(shí)間。同時(shí)向油相中加入一定比例分散劑，通過高速攪拌碰撞摩擦，有力促進(jìn)了主劑在油相中的分散。選取Span80與Tween80兩種非離子表面活性劑作為乳化劑，是基于這兩種表面活性劑是非離子型，易于調(diào)整親水親油平衡值，有利于促使親水性高分子主劑與油相之間具有良好相互作用，增強(qiáng)主劑粉體在油相中的潤濕性，保證能形成均勻的降阻劑溶液。

在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了降阻劑溶液中組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍，最終按照正交實(shí)驗(yàn)最優(yōu)配比，將一定HLB值的乳化劑Span80與Tween80加入到油相中慢速攪拌，形成基礎(chǔ)溶液，乳化劑約占油相的5%左右，并加入一定量分散劑，分散劑占油相的2%～5%，進(jìn)行高速攪拌，通過高速攪拌中碰撞摩擦，促進(jìn)主劑分散，降低攪拌速度，逐漸加入主劑UJ，主劑約占油相的35%～40%，添加完畢后，快速攪拌直至形成均勻溶液，即得該降阻劑。

3 降阻效果影響因素分析

降阻劑在多相管流中的降阻效果不僅與管徑大小、管壁粗糙度等管路條件密切相關(guān)，降阻劑自身的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)是影響降阻效果的最重要因素，此外溫度、礦化度等環(huán)境條件也對降阻效果有一定影響，因此，有必要對其進(jìn)行深入分析。

3.1 分子量對降阻效果的影響

流體脈動(dòng)的最小單元不是單個(gè)分子，而是由許多分子組成的大小不同的“流體微團(tuán)”。分子量較大的高分子抑制徑向脈動(dòng)的能力較強(qiáng)，因此，高聚物相對分子質(zhì)量是影響高聚物降阻效果的重要因素，一般認(rèn)為，高聚物分子量需達(dá)到106～107萬才具有降阻作用［2］，降阻效果會(huì)隨著分子量的增加而增加，隨后達(dá)到平衡。

在相同條件下，采用管路摩阻測試系統(tǒng)（圖1）分別對不同分子量活性組分UJ在不同流量下的降阻率進(jìn)行測試，分析分子量對降阻效果影響，從而確定主劑的最佳分子量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

圖1 摩阻測試系統(tǒng)示意圖

結(jié)果顯示，每一種分子量的降阻劑的降阻率隨著流量增加呈上升趨勢，表明降阻劑降阻效果在紊流狀態(tài)下更明顯。同時(shí)分子量對流體流態(tài)也會(huì)產(chǎn)生很大影響。通過雷諾數(shù)計(jì)算可發(fā)現(xiàn)，相同條件下，分子量高的降阻劑在低流速下可呈現(xiàn)層流或過渡態(tài)。綜合溶解性及降阻效果分析，100～200萬分子量UJ降阻效果更好。

表1 不同分子量在不同流量下降阻率測試結(jié)果

3.2 聚合物空間構(gòu)型對降阻效果的影響

高分子聚合物的降阻性能與主鏈結(jié)構(gòu)、側(cè)鏈結(jié)構(gòu)有很大關(guān)系，主鏈結(jié)構(gòu)、側(cè)鏈結(jié)構(gòu)決定著聚合物分子的柔順性，而柔順性影響著聚合物在流動(dòng)流體中的行為，鏈柔順性越好，降阻性能越好。支鏈形狀會(huì)影響分子量的作用，線型的無支鏈的分子，它的分子量越大，降阻效果越好。目前發(fā)現(xiàn)有效的高分子降阻劑多是線性或螺旋性結(jié)構(gòu)的柔性分子［3］。

采用60SXR FTIR0型紅外光譜儀對所研制的降阻劑主要活性組分UJ進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征，由圖2可知3416.21 cm－1處的吸收峰為－OH的伸縮振動(dòng)；2887.5 cm－1處的吸收峰為－CH2－的對稱伸縮振動(dòng)；1467.34 cm－1和1342.6 cm－1處的吸收峰為－CH2－的彎曲振動(dòng)；1281.1 cm－1和1100.17 cm－1處的吸收峰為C－O－C的反對稱和對稱伸縮振動(dòng)。經(jīng)紅外譜圖分析，UJ分子鏈?zhǔn)蔷€性規(guī)整型螺旋結(jié)構(gòu)，沒有側(cè)鏈，因此，其表現(xiàn)出良好的降阻性能。

圖2 UJ紅外光譜圖

3.3 溫度對降阻效果的影響

通常來講，高聚物隨著溫度變化會(huì)存在一定程度上降解現(xiàn)象，因此，結(jié)合地層條件考察降阻劑不同溫度下的降阻效果十分必要。在20～95℃溫度范圍內(nèi)，對UJ降阻劑進(jìn)行了降阻性能測試（圖3），發(fā)現(xiàn)其降阻率均可保持在60%左右，表現(xiàn)出良好的耐溫性。

3.4 礦化度對降阻效果的影響

圖3 溫度對降阻效果影響

高聚物的耐鹽性也是考察高聚物性能的重要指標(biāo)，一些高聚物在地層礦化度條件下，存在黏度降低的現(xiàn)象，特別是Ca2＋、Mg2＋等離子的影響，可導(dǎo)致聚合物的沉淀，影響溶解及性能。在3000～12000 mg／L礦化度內(nèi)，對UJ降阻劑降阻性能測試（圖4），發(fā)現(xiàn)其降阻率均可保持在60%左右，表現(xiàn)出有良好的耐鹽性。

圖4 礦化度對降阻效果影響

4 滑溜水壓裂液體系配方及性能評價(jià)

殺菌劑、助排劑、黏土穩(wěn)定劑等是滑溜水壓裂液除降阻劑以外的重要添加劑。通過綜合評價(jià)滑溜水體系降阻性能、防膨性能、表面活性和巖心傷害性能等，最終研制出了滑溜水壓裂液體系配方。

4.1 降阻性能評價(jià)

采用管路摩阻測試系統(tǒng)，測試了不同流量下清水及滑溜水壓裂液體系通過管路時(shí)的壓降，計(jì)算出不同流量下滑溜水壓裂液的降阻率（表2）。從中可知，滑溜水壓裂液體系在多組不同流量條件下，降阻率均可達(dá)到60%以上，且在室內(nèi)條件下，隨著流速的遞增，降阻率呈上升趨勢。

4.2 防膨性能評價(jià)

針對非常規(guī)油氣儲層物性條件較差的情況，為使儲層得到最大程度上的保護(hù)，需在滑溜水壓裂液中加入黏土穩(wěn)定劑，防止黏土礦物膨脹、脫落、運(yùn)移，堵塞孔道。采用高溫高壓頁巖膨脹儀對不同黏土穩(wěn)定劑進(jìn)行防膨效果評價(jià)，以優(yōu)化滑溜水體系防膨性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3，從中可看出，黏土穩(wěn)定劑ACL具有較好的應(yīng)用性能。

表2 不同流量下降阻率測試結(jié)果

表3 不同防膨劑防膨率實(shí)驗(yàn)結(jié)果 %

4.3 表面活性評價(jià)

為了減少壓裂液在地層的停留時(shí)間，防止壓裂液在地層中滯留產(chǎn)生儲層傷害，需降低壓裂液的表面張力，促進(jìn)返排，因此，在滑溜水壓裂液中優(yōu)化添加助排劑。在室內(nèi)采用自動(dòng)界面張力儀對常規(guī)表面活性劑進(jìn)行了對比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4，從中可看出，DL－8助排劑具有較好的表面活性。

表4 不同表面活性劑表面張力測試

4.4 巖心傷害性能評價(jià)

基質(zhì)的滲透率傷害將會(huì)影響壓裂施工效果，為考察滑溜水壓裂液配方對巖心基質(zhì)傷害，選擇人造巖心對優(yōu)化的滑溜水壓裂液配方進(jìn)行傷害評價(jià)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

經(jīng)過添加劑優(yōu)選及滑溜水體系性能評價(jià)，形成的滑溜水壓裂液體系配方為：（0.05%～0.1%）GCY－1＋（0.5%～1%）黏土穩(wěn)定劑＋0.2%助排劑＋0.1%殺菌劑。該配方的防膨率為97.2%，降阻率為50%～63%，表面張力為22.3 mN／m，巖心傷害率為15.5%。

表5 巖心傷害評價(jià)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5 現(xiàn)場應(yīng)用

目前滑溜水壓裂液現(xiàn)場應(yīng)用4井次，降阻劑現(xiàn)場溶解速度快，形成的滑溜水壓裂液體系均勻，現(xiàn)場降阻率可達(dá)60%以上。

TX3井壓裂施工中采用φ89 mm油管注入，油管下入深度為550 m。該井前半程采用滑溜水壓裂，而后進(jìn)行活性水壓裂。壓裂管柱中未下入封隔器，從油壓及套壓數(shù)據(jù)變化即可分析摩阻情況?；锼┕るA段油壓平均17 MPa，套壓9 MPa，摩阻為8 MPa，活性水施工階段油壓平均32 MPa，套壓10 MPa，摩阻為22 MPa，因而可得降阻率為63.6%，降阻效果良好。

6 結(jié)論與認(rèn)識

（1）以高聚物降阻機(jī)理及影響因素分析為基礎(chǔ)，優(yōu)選出降阻劑主要活性組分UJ，采用正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，研制出性能優(yōu)越、成本較低的降阻劑配方，并形成工業(yè)產(chǎn)品。

（2）通過對滑溜水壓裂液降阻性、表面活性、防膨性和巖心傷害性等綜合性能進(jìn)行評價(jià)，研制了滑溜水壓裂液配方體系。

（3）應(yīng)用滑溜水壓裂液體系現(xiàn)場實(shí)施4井次，降阻率達(dá)到63.6%。

（4）研究開發(fā)的滑溜水壓裂液體系技術(shù)經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)，可以滿足非常規(guī)致密氣層壓裂措施需要。

［1］李文端.高分子添加劑對原油的降阻效應(yīng)及機(jī)理［J］.油田化學(xué)，1984，1（1）：66－69.

［2］張華平.減阻劑的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用［J］.化學(xué)工業(yè)與工程技術(shù) ，2011，32（5）：78－81.

［3］何鐘怡.聚合物溶液的兩種層流狀態(tài)及降阻機(jī)理［J］.力學(xué)進(jìn)展 ，1992，（3）：97－101.