新型聚合物壓裂液管內(nèi)攜砂性能研究

呂其超，李兆敏，李賓飛，李松巖，張丁涌

（1.中國石油大學(xué)，山東 青島 266580；2.中石化勝利油田有限公司，山東 東營257068）

引 言

中國低滲透、超低滲透油氣田的探明儲(chǔ)量逐年增大，該類油氣田大多需要經(jīng)過壓裂才能得到工業(yè)產(chǎn)能[1-3]，壓裂液性能的優(yōu)劣是影響壓裂施工和增產(chǎn)效果的一個(gè)重要因素，而壓裂液的攜砂能力是保證支撐劑安全有效運(yùn)送及對(duì)裂縫高效填充的基礎(chǔ)[4-6]。現(xiàn)場(chǎng)施工過程中常因泵速、砂比等參數(shù)控制不當(dāng)，導(dǎo)致支撐劑的管內(nèi)沉積，增加壓裂液流動(dòng)摩阻甚至發(fā)生管內(nèi)砂堵事故，影響壓裂施工的安全及效果[7-8]。目前常用的靜態(tài)懸砂性測(cè)試手段無法直觀模擬該類狀況下的壓裂液攜砂[9-13]。筆者采用大型壓裂液管流測(cè)試裝置對(duì)新型聚合物壓裂液的管內(nèi)攜砂能力進(jìn)行了研究，分析了高溫剪切后交聯(lián)壓裂液的管內(nèi)攜砂流動(dòng)現(xiàn)象，主要包括：水平管內(nèi)支撐劑沉降和懸浮現(xiàn)象以及豎直管內(nèi)支撐劑的沉積及底部砂堵現(xiàn)象，在此基礎(chǔ)上，對(duì)比分析了新型聚合物壓裂液與常規(guī)胍膠壓裂液的攜砂能力，以期為壓裂工藝的改進(jìn)提供理論支撐。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

主要實(shí)驗(yàn)材料：LP-3A聚合物(東營市現(xiàn)河工貿(mào)有限責(zé)任公司)，LP-3B聚合物交聯(lián)劑（東營市現(xiàn)河工貿(mào)有限責(zé)任公司)，羥丙基胍膠（東營市信德化工有限責(zé)任公司），HTC-160胍膠交聯(lián)劑（東營市信德化工有限責(zé)任公司），KCl（國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司），陶粒支撐劑（粒徑范圍為0.4～0.8mm、東營市現(xiàn)河工貿(mào)有限責(zé)任公司）。新型聚合物壓裂液的主體配方為 0.5%LP-3A+0.5%LP-3B+2%KCl，交聯(lián)胍膠壓裂液的主體配方為 0.5%羥丙基胍膠+0.5%HTC-160+2%KCl（所述比例均為質(zhì)量比）。

主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備：大型壓裂液管流測(cè)試裝置、AntonPaar MCR302旋轉(zhuǎn)流變儀、DJ1C攪拌器、TC-202水浴鍋、METTLER TOLEDO電子天平。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 壓裂液基本特性測(cè)試

流變性：采用AntonPaar MCR302旋轉(zhuǎn)流變儀測(cè)試壓裂液在剪切速率為170s-1下的表觀黏度，采用震蕩時(shí)間掃描測(cè)量壓裂液彈性模量和黏性模量，測(cè)試溫度為30～90℃；攜砂性：采用陶粒支撐劑與壓裂液攪拌混合，配置成砂比為15%的攜砂壓裂液，在透明恒溫水浴中觀察支撐劑的沉降，測(cè)試溫度為90℃。

1.2.2 管內(nèi)攜砂性實(shí)驗(yàn)

圖1 大型壓裂液管流測(cè)試裝置

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)見圖1。壓裂液基液及低砂比攜砂液可在儲(chǔ)罐內(nèi)配置完成，儲(chǔ)罐內(nèi)的加熱器可對(duì)壓裂液進(jìn)行加熱，攪拌機(jī)可對(duì)壓裂液進(jìn)行攪拌剪切。壓裂液由螺桿泵泵出，然后與經(jīng)螺旋輸送機(jī)輸出的支撐劑顆?；旌吓渲贸蓴y砂液，支撐劑的輸出速度可由變頻器控制。攜砂液測(cè)試段分為水平管測(cè)試段和直管測(cè)試段，均可實(shí)現(xiàn)壓差的監(jiān)控及流動(dòng)狀態(tài)的可視化，其中水平測(cè)試段具有3種不同內(nèi)徑的管路，管徑分別為1.5、2.0、2.5cm，豎直管管徑為2.0cm。

水平管攜砂測(cè)試：水平管測(cè)試使用的攜砂液在儲(chǔ)液罐內(nèi)直接混合形成，攜砂液以一定初始泵速分別泵入3種管徑的水平管，初始泵速應(yīng)保證支撐劑處于全懸浮狀態(tài)，隨后逐漸降低泵速，待支撐劑沉降后再逐漸升高泵速，測(cè)試過程中監(jiān)測(cè)攜砂液流動(dòng)狀態(tài)的變化，采集壓差及流量的變化數(shù)據(jù)。

垂直管攜砂測(cè)試：采用儲(chǔ)液罐混合配置低砂比攜砂液，加砂罐輔助加砂形成高砂比攜砂液，攜砂液以固定流速泵入豎直管，控制加砂罐的加砂速度，使攜砂液的砂比以 5%的梯度增加，監(jiān)測(cè)攜砂液的流態(tài)及壓差變化，當(dāng)壓差突然升高時(shí)，停止測(cè)試。

壓裂液在2種類型管道中測(cè)試前，均在儲(chǔ)罐內(nèi)加熱至90℃并通過攪拌機(jī)高速剪切5min，目的是模擬地層溫度升高及管內(nèi)剪切對(duì)壓裂液性能的影響，以便研究攜砂液在加熱及剪切變稀后的攜砂能力。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 新型壓裂液基本性能

圖2 壓裂液流變曲線

新型聚合物壓裂液的稠化劑LP-3A是一種由丙烯酰胺（PM）、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙基磺酸鈉（AMPS）、疏水單體合成的三元共聚物，相對(duì)分子質(zhì)量為200×104～300×104，LP-3B是一種針對(duì)該型稠化劑的有機(jī)鋯復(fù)合交聯(lián)劑。新型聚合物壓裂液體系具有耐溫性強(qiáng)、摩阻低、攜砂性強(qiáng)等特點(diǎn)。

圖2為壓裂液流變曲線。由圖2可知，聚合物和胍膠均具有良好的耐溫性，其在溫度為90℃、剪切速率170s-1下表觀黏度均高于 150mPa·s。聚合物的表觀黏度雖略低于胍膠，但其彈性模量高于胍膠，同時(shí)聚合物彈性模量遠(yuǎn)高于黏性模量，在黏彈模量中占主導(dǎo)地位。流體的懸砂能力不僅受黏度影響，更與流體的彈性相關(guān)。將不同壓裂液在90℃水浴下恒溫1h后對(duì)其懸砂能力進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明聚合物壓裂液的懸砂性明顯高于胍膠壓裂液的懸砂性。聚合物壓裂液的這一流變特性使其具有強(qiáng)懸砂能力，且相對(duì)常規(guī)胍膠壓裂液具有較低的摩阻。

2.2 壓裂液水平管攜砂

圖3 水平管中聚合物攜砂液流動(dòng)曲線及流動(dòng)狀態(tài)（砂比30%，管徑2.5cm）

聚合物攜砂液在水平管內(nèi)的壓力梯度及流速隨時(shí)間變化曲線見圖3。聚合物攜砂液初始階段流速較高，流動(dòng)狀態(tài)以A點(diǎn)為代表，此時(shí)支撐劑處于全懸浮運(yùn)移狀態(tài)；隨著流速的下降，壓力梯度也隨之下降，直到流速到達(dá)B點(diǎn)，即臨界沉降流速VD=0.23m/s時(shí)，支撐劑開始沉降到底部，但支撐劑沉降層仍在流動(dòng)；當(dāng)流速低于VD之后，管內(nèi)切面的支撐劑濃度差加大。該階段流動(dòng)狀態(tài)如C點(diǎn)，支撐劑沉降層加厚且流動(dòng)緩慢甚至呈現(xiàn)靜置狀態(tài)。支撐劑的沉降引起過流面積的縮小，導(dǎo)致更高的壓力梯度產(chǎn)生；隨著流速的再次升高，支撐劑被重新攜起，這使過流面積逐漸恢復(fù)，壓力梯度降低，當(dāng)流速到達(dá)D點(diǎn)即臨界懸浮點(diǎn)，支撐劑在水平管內(nèi)再次全懸浮運(yùn)移。

進(jìn)一步研究管徑對(duì)聚合物壓裂液水平管內(nèi)攜砂的影響，同時(shí)加入常規(guī)胍膠壓裂液的對(duì)比實(shí)驗(yàn)。圖4為2種壓裂液的支撐劑臨界沉降及懸浮速度與管徑的關(guān)系圖。其中砂比為30%的聚合物攜砂液在不同內(nèi)徑的水平管中臨界沉降速度低于胍膠攜砂液，同時(shí)聚合物壓裂液使支撐劑再懸浮的臨界懸浮速度也低于胍膠，聚合物表現(xiàn)出良好的攜砂能力。由圖4可知，管徑對(duì)交聯(lián)壓裂液中支撐劑臨界沉降及懸浮速度有較強(qiáng)的影響，2種壓裂液的臨界沉降及懸浮速度均隨管徑的增大而升高。在相同的管截面平均流速下，管徑越大，液體對(duì)管底的剪切速率越小，剪切力越小，支撐劑更易在管底沉積。當(dāng)管徑為1.5～2.5cm時(shí)，對(duì)臨界流速及管徑進(jìn)行線性擬合，可以看到聚合物攜砂液的臨界沉降及懸浮速度隨管徑的增幅小于胍膠，這說明隨管徑增大對(duì)聚合物壓裂液攜砂能力的降低幅度相對(duì)較小。

圖4 支撐劑臨界沉降及懸浮速度與管徑關(guān)系圖（砂比30%）

圖5 支撐劑臨界沉降及懸浮速度與砂比關(guān)系圖（管徑2.5cm）

研究管徑對(duì)聚合物及胍膠的攜砂性能影響(砂比為10%～60%),圖5為支撐劑臨界沉降及懸浮速度與砂比關(guān)系圖。由圖5可知，2種壓裂液在低砂比階段（砂比為10%～30%）的臨界沉降速度基本保持不變，但到高砂比階段（砂比為30%～60%），臨界沉降速度隨砂比的增大顯著增大。這是因?yàn)楫?dāng)支撐劑的濃度升高到一定程度后會(huì)出現(xiàn)互相聚集，即“顆粒團(tuán)聚”現(xiàn)象，這會(huì)使支撐劑表現(xiàn)出大顆粒的性質(zhì)，此時(shí)支撐劑的沉降現(xiàn)象加劇。在低砂比階段即使發(fā)生支撐劑顆粒的沉降，支撐劑沉積層也能水平運(yùn)移，在高砂比階段當(dāng)支撐劑顆粒發(fā)生沉降后，支撐劑沉積層底部的水平運(yùn)移速度迅速降低，并出現(xiàn)沉積層靜止現(xiàn)象，此時(shí)壓裂液對(duì)支撐劑沉積層的運(yùn)送效率幾乎為零。圖6中，2種壓裂液的支撐劑臨界懸浮速度高于臨界沉降速度（砂比為10%～60%），主要是由于支撐劑沉積后，顆粒之間的相互作用增強(qiáng)，需要更強(qiáng)的水平作用力帶動(dòng)其運(yùn)移，因此臨界懸浮速度相對(duì)較高。砂比為 10%～60%時(shí)，聚合物支撐劑臨界沉降速度及懸浮速度均低于常規(guī)胍膠壓裂液，表現(xiàn)出優(yōu)良的攜砂能力。

2.3 壓裂液直管攜砂

不同于水平管內(nèi)的壓裂液攜砂，在垂直管及小角度斜直管的過流斷面上，支撐劑沒有明顯的濃度梯度，但隨著砂比的增高，支撐劑在壓裂液中分布密集并出現(xiàn)“顆粒團(tuán)聚”效應(yīng)，支撐劑顆粒群的沉降速度加快，尤其是高砂比時(shí)，強(qiáng)烈的“顆粒團(tuán)聚”效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致直管的底部發(fā)生支撐劑的動(dòng)態(tài)堆積，進(jìn)而影響管路流動(dòng)。圖6為高砂比下聚合物攜砂液在直管底部內(nèi)的支撐劑沉降規(guī)律。當(dāng)砂比為50%時(shí)，直管底部尚未發(fā)生支撐劑的堆積，壓裂液可以迅速地將支撐劑攜出；當(dāng)砂比升高到60%時(shí)，支撐劑沉降加快，如圖7中紅圈內(nèi)出現(xiàn)了支撐劑的沉積層，但仍以一定速度運(yùn)移；當(dāng)砂比為80%時(shí)，支撐劑的沉積層增厚，直管底部出現(xiàn)了明顯的分層流動(dòng)，如圖7中紅圈內(nèi)黃線以上攜砂液迅速運(yùn)移，黃線以下支撐劑層運(yùn)移非常緩慢甚至有停止趨勢(shì)；當(dāng)砂比達(dá)到90%時(shí)，直管底部發(fā)生了管內(nèi)砂堵現(xiàn)象，引起泵壓的迅速增大。

圖6 聚合物攜砂液在直管底部支撐劑沉降規(guī)律（初始平均流速0.5m/s）

進(jìn)一步研究砂比影響下直管內(nèi)攜砂液平均壓力梯度的變化，隨著砂比的增高，聚合物及胍膠攜砂液的平均壓力梯度逐漸增大，當(dāng)砂比上升到足以使直管底部出現(xiàn)砂堵現(xiàn)象時(shí)，攜砂液平均壓力梯度會(huì)突然上升。在相同流速下，聚合物攜砂液發(fā)生砂堵時(shí)砂比高于胍膠攜砂液。同時(shí)對(duì)比2種攜砂液在直管內(nèi)的平均壓力梯度值，聚合物攜砂液在不同砂比下壓力梯度均低于胍膠，表現(xiàn)出低摩阻特性。新型聚合物的這種攜砂優(yōu)勢(shì)有助于提高壓裂液攜砂效能并降低壓力損失，這對(duì)于高砂比施工是十分必要的。

3 結(jié) 論

（1）新型聚合物壓裂液具有良好的耐溫性，流體彈性模量在黏彈模量中占主導(dǎo)地位，且高于相同溫度條件下交聯(lián)胍膠的彈性模量，該流變特性使聚合物靜態(tài)懸砂能力強(qiáng)于胍膠壓裂液。

（2）在水平管中，聚合物攜砂液的臨界沉降及臨界懸浮速度隨管徑的增大而升高；砂比升高過程中，攜砂液的臨界沉降及懸浮速度在低砂比階段變化不大，在高砂比階段顯著升高。聚合物攜砂液的2種臨界流速均低于胍膠攜砂液，表現(xiàn)出良好的攜砂能力。

（3）在直管中，隨著砂比的增大，聚合物攜砂液的壓力梯度逐漸升高且支撐劑在管底的沉積現(xiàn)象加劇，當(dāng)砂比超過一定濃度后直管底部發(fā)生砂堵，聚合物攜砂液發(fā)生管內(nèi)砂堵時(shí)的砂比高于胍膠攜砂液。

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