壓裂液連續(xù)混配技術(shù)及在“工廠化”壓裂中的應用①

吳文剛　劉友權(quán)　易大森　熊 穎　陳鵬飛　代 運

1.中國石油西南油氣田公司天然氣研究院　2.中國石油天然氣第七建設(shè)公司　3.四川長寧天然氣開發(fā)有限責任公司

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壓裂液連續(xù)混配技術(shù)及在“工廠化”壓裂中的應用①

吳文剛1劉友權(quán)1易大森2熊 穎1陳鵬飛1代 運3

1.中國石油西南油氣田公司天然氣研究院2.中國石油天然氣第七建設(shè)公司3.四川長寧天然氣開發(fā)有限責任公司

摘要隨著國內(nèi)頁巖氣“工廠化”壓裂的大規(guī)模應用，施工用液量大、罐群數(shù)量多、場地占用面積大，傳統(tǒng)的配液方式已不能滿足“工廠化”壓裂的需求。詳細研究了配液用稠化劑溶解特性，指出滑溜水連續(xù)混配關(guān)鍵在于降阻劑的流動性能及溶解性能，粉末瓜爾膠可利用其弱堿性分散、弱酸性溶解的特性，結(jié)合現(xiàn)有國產(chǎn)連續(xù)混配裝置來實現(xiàn)連續(xù)混配。開發(fā)出的大液量、大排量壓裂液連續(xù)混配技術(shù)，在頁巖氣“工廠化”壓裂中得到了推廣應用，縮短了施工作業(yè)周期、降低了現(xiàn)場作業(yè)強度、避免了壓裂液腐爛變質(zhì)，實現(xiàn)了高效、綠色環(huán)保的壓裂施工。

關(guān)鍵詞頁巖氣“工廠化”壓裂滑溜水瓜爾膠連續(xù)混配

根據(jù)頁巖儲層脆、塑性的不同，體積壓裂用液體有滑溜水、線性膠、弱凝膠等多種類型[1]。由于頁巖壓裂用液量大，施工排量高，傳統(tǒng)逐罐配液模式已不能滿足“工廠化”壓裂的需求，連續(xù)混配工藝就是把以前和現(xiàn)在一直沿用的預先配液變成邊配邊施工的連續(xù)式作業(yè)，所有的化學藥劑都在施工過程中逐漸加入。國外壓裂公司在1985年就開發(fā)了壓裂液連續(xù)混配工藝[2](Continuous-mix Process)。目前，國外的BJ、Halliburton、Schlumberger等知名公司均在發(fā)展、實施這一施工技術(shù)。隨著液體、設(shè)備、儀表等技術(shù)的不斷進步，目前已經(jīng)能夠在現(xiàn)場施工條件下實施數(shù)百到萬余立方米的壓裂液、多段式連續(xù)混配施工。

與傳統(tǒng)配液方式相比，連續(xù)混配技術(shù)具有以下幾個顯著優(yōu)點：

(1) 配液準備時間大大縮短、勞動強度低。

(2) 壓裂液性能可根據(jù)施工需求隨時調(diào)整，實現(xiàn)配液與施工實時匹配。

(3) 液體不需要現(xiàn)場存放，可避免壓裂液腐爛變質(zhì)；化學藥劑簡化，如殺菌劑可取消。

(4) 液罐用量極少，或者不需要液罐，減小了井場占用面積。

1壓裂液連續(xù)混配技術(shù)

1.1滑溜水連續(xù)混配技術(shù)

滑溜水是頁巖氣“工廠化”壓裂的主要液體技術(shù)，由降阻劑、助排劑、黏土穩(wěn)定劑、殺菌劑等配制而成，由于所有添加劑均可制成流體狀，因此，連續(xù)混配流程相對簡單。降阻劑是滑溜水連續(xù)混配中最重要的添加劑，為提高滑溜水連續(xù)混配的穩(wěn)定性，要求降阻劑具有良好的流動、分散性能，能迅速在數(shù)秒內(nèi)完全地水化溶解。降阻劑自身黏度過大，流動性差，添加劑泵抽吸困難，且不能實現(xiàn)精確計量；降阻劑溶解時間過長，壓裂作業(yè)中降阻性能差[3]。實踐表明，乳液降阻劑黏度在100～150 mPa·s之間，具有較好的流動性能，降阻劑的溶解時間小于30 s，能夠滿足連續(xù)混配作業(yè)要求。

1.2瓜爾膠壓裂液連續(xù)混配技術(shù)

1.2.1瓜爾膠溶解特性

粉末瓜爾膠的溶解分散性能是線形膠、弱凝膠壓裂液實現(xiàn)連續(xù)混配的關(guān)鍵。影響瓜爾膠溶脹性能的因素較多，瓜爾膠表面改性程度影響其在水中的分散性能；顆粒大小、攪拌速率、溫度、水溶液pH值等影響溶解速度。

(1) 瓜爾膠分散性能。在100 mL自來水中快速加入0.5 g膠粉(5 s內(nèi)加完)，靜置10 s，再用玻璃棒緩慢攪拌，觀察不同膠粉在水中的分散情況(見圖1)。改性速溶瓜爾膠粉表面加入了納米包裹材料，大大改善了膠粉的流動分散性能，延緩了水分子與表面瓜爾膠分子的接觸時間，使得水分子能均勻地進入膠粉顆粒的內(nèi)部，在水中就不會產(chǎn)生膠包粉即“魚眼”現(xiàn)象。

普通瓜爾膠粉表面的瓜爾膠分子與水接觸后，立即水化起黏產(chǎn)生膠質(zhì)層，阻礙水分子進一步滲透進入粉末內(nèi)部。一旦外部被水化形成凝膠層后，就會出現(xiàn)膠包粉現(xiàn)象，限制了瓜爾膠的均勻溶解。瓜爾膠溶解理論表明，其分子鏈上含有大量親水基團——羥丙基，在中性和弱酸性條件下，溶液中的H+與瓜爾膠分子鏈上的OH-發(fā)生水合作用，可加速水化溶脹；而在堿性溶液中 ，OH-可抑制瓜爾膠羥基的水合。依據(jù)此原理，在加入膠粉前，先將配液用水調(diào)節(jié)為弱堿性，觀察普通瓜爾膠粉在堿性水中的分散情況(見圖2)。pH值大于9.0后，普通瓜爾膠粉也不會產(chǎn)生魚眼現(xiàn)象。為實現(xiàn)普通瓜爾膠的連續(xù)混配施工，可預先將配液用水調(diào)節(jié)至弱堿性。

(2) 瓜爾膠溶解性能。瓜爾膠顆粒大小、攪拌速率、溫度、水溶液pH值等均會影響溶解速度。大量研究表明[4]，攪拌速度越快、溫度越高(低于50 ℃范圍內(nèi))、弱酸性-中性(pH值6～7)環(huán)境下，越有利于瓜爾膠溶解起黏。在諸多影響因素中，溶液pH值是現(xiàn)場配液條件下較易人為調(diào)整的。在25 ℃，瓜爾膠加量0.5%(w)，攪拌速度600 r/ min(模擬現(xiàn)場攪拌)下，測定了pH值分別為6和7.5時，普通羥丙基瓜爾膠的溶解起黏情況(見圖3和圖4)。

瓜爾膠溶脹過程中，表觀黏度隨時間變化呈現(xiàn)出一定的動力學關(guān)系，其溶解過程可由式(1)描述。

(1)

式中：ηt為t時刻聚合物溶液黏度， mPa·s；η∞為聚合物溶液最終黏度， mPa·s；t為溶脹時間， min；k為溶脹速率常數(shù)， min-1。

根據(jù)測定的黏度曲線，獲取了溶脹速率常數(shù)(pH值=6時，k=0.753 6；pH值=7.5時，k= 0.251，η∞=60 mPa·s)，即可計算達到任一黏度下所需的溶解時間。黃依理等人的研究結(jié)果表明，基液黏度達到最大黏度的80%，流變性能和充分溶解后基本相當，可滿足壓裂施工作業(yè)要求。pH值分別為6和7.5時，計算得到瓜爾膠溶解達到80%時所需時間分別為2.28 min和6.4 min?？梢姡跛嵝原h(huán)境更有利于瓜爾膠的溶解起黏。

1.2.2連續(xù)混配瓜爾膠的耐溫耐剪切性能

瓜爾膠的溶脹時間對凍膠流變性能具有較大影響。溶解時間短，由于水合程度較低，此時大部分瓜爾膠處于未水合狀態(tài)，溶液中沒有足夠的自由分子鏈提供交聯(lián)配位鍵位，且黏度下降速度較快，此時壓裂液體系黏度較低，耐剪切性能差，攜砂和造縫性能大幅度減弱。

在水溫25 ℃，pH值=6，攪拌轉(zhuǎn)速600 r/min下，根據(jù)瓜爾膠溶解動力學方程計算得出的溶解80%的時間點立即取樣交聯(lián)，和充分溶解的樣品開展耐剪切對比實驗，結(jié)果見圖5。

當溶脹程度為80%時，在80 ℃下耐剪切性能與完全溶脹狀態(tài)下的凍膠黏度相當，說明溶液中瓜爾膠分子鏈上已有足夠的鍵位提供交聯(lián)反應，凍膠己具有較好的抗溫、抗剪切性能。在瓜爾膠溶脹達到一定比例后(80%以上)，再提升瓜爾膠溶脹程度并不能有效增加凍膠最高表觀黏度和抗剪切性能，主要是因為該溶脹程度下，瓜爾膠分子鏈己基本溶脹，此時瓜爾膠已進入后期溶解階段，充分溶脹的瓜爾膠分子鏈更加伸展，瓜爾膠分子鏈在伸展狀態(tài)下交聯(lián)的凍膠比卷曲狀態(tài)下凍膠抗剪切性能略為占優(yōu)。

1.2.3瓜爾膠連續(xù)混配工藝

該項工藝借助于國產(chǎn)連續(xù)混配車實現(xiàn)瓜爾膠壓裂液的連續(xù)混配。該連續(xù)混配車主要由液壓系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、混合系統(tǒng)、攪拌系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、粉料輸送系統(tǒng)、液體添加劑系統(tǒng)等組成[5]。具有計算機自動控制、壓裂液精確配比等功能，能夠?qū)崿F(xiàn)6～8 m3/min、0.6%(w)高濃度瓜爾膠的連續(xù)混配。結(jié)合國產(chǎn)連續(xù)混配車以及普通羥丙基瓜爾膠溶解特性，形成的連續(xù)混配流程如圖6。

該流程具有以下幾個特點：

(1) 電子秤配合螺旋輸送機，實現(xiàn)粉水混配比精確控制。

(2) 高能恒壓混合技術(shù)，實現(xiàn)負壓吸粉，解決“水包粉”難題。

(3 ) 高效水合技術(shù)，實現(xiàn)水合罐中連續(xù)攪拌的同時，保證液體先進先出，出口黏度均勻一致。

(4) 清水進口添加弱堿性pH值調(diào)節(jié)劑，連續(xù)混配車進口添加弱酸性pH值調(diào)節(jié)劑，實現(xiàn)普通瓜爾膠粉連續(xù)混配。

(5) 清水與高濃度瓜爾膠液混合作業(yè)模式，滿足12～16 m3/min大排量施工要求。

2應用實例

形成的滑溜水及瓜爾膠連續(xù)混配工藝在川渝地區(qū)得到了廣泛推廣應用(見表1)。在W204H4平臺，實現(xiàn)了滑溜水、瓜爾膠壓裂液同時連續(xù)混配施工，該平臺累計混配液量達14×104m3，滑溜水11×104m3，瓜爾膠壓裂液3×104m3?，F(xiàn)場配制的壓裂液質(zhì)量高，外觀均勻，各項技術(shù)性能指標均滿足設(shè)計要求。

表1 滑溜水及瓜爾膠壓裂液現(xiàn)場連續(xù)混配應用情況Table1 Fieldapplicationofcontinuousmixingslickwaterandguargumfracturingfluid井號混配工作液類型連續(xù)混配液量/m3混配排量/(m3·min-1)混配出口黏度/(mPa·s)室內(nèi)測定黏度/(mPa·s)CNH3平臺滑溜水5100010～11.91.8～2.12.1WH3-1增黏滑溜水4300011.5～12.56.9～7.87.5～8.4W204H4平臺滑溜水11000011～12.51.8～2.12.1瓜爾膠3000011～12.545～5151～54

3結(jié) 論

(1) 滑溜水連續(xù)混配關(guān)鍵在于降阻劑的流動性能及溶解性能，降阻劑自身黏度控制在100～150 mPa·s之間，溶解時間小于30 s，配備高精度液體添加劑泵，可實現(xiàn)滑溜水連續(xù)穩(wěn)定混配。

(2) 瓜爾膠粉末連續(xù)混配的關(guān)鍵是其分散溶解性能，通過調(diào)節(jié)配液用水pH值(弱堿性瓜爾膠利于分散，弱酸性利于瓜爾膠溶解)，依靠特定的連續(xù)混配裝置，可實現(xiàn)普通瓜爾膠粉連續(xù)混配作業(yè)。

(3) 滑溜水、瓜爾膠粉末連續(xù)混配技術(shù)的實現(xiàn)，簡化了施工程序,現(xiàn)場試驗效果良好，能滿足12～16 m3/min大排量施工要求。

參 考 文 獻

[1] 楊春鵬， 陳惠， 雷亨， 等. 頁巖氣壓裂液及其壓裂技術(shù)的研究進展[J]. 工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新， 2014， 4(1)： 492-497.

[2] 原青民. 新近開發(fā)的壓裂液連續(xù)配注技術(shù)[J]. 石油與天然氣化工， 1995， 24(1)： 18-21.

[3] 劉友權(quán)， 陳鵬飛， 吳文剛， 等. 頁巖氣藏“工廠化”作業(yè)壓裂液技術(shù)研究—以CNH3井組“工廠化”作業(yè)為例[J]. 石油與天然氣化工， 2015， 44(4)： 65-68.

[4] 黃依理， 杜彪， 謝璇， 等. 長慶油氣田連續(xù)混配壓裂液[J]. 油田化學， 2011， 26(4) ， 376-378.

[5] 葉登勝， 王素兵， 蔡遠紅， 等. 連續(xù)混配壓裂液及連續(xù)混配工藝應用實踐[J]. 天然氣工業(yè)， 2013， 33(10)： 47-51.

Application of technology of continuous mixing fracturing fluid on “l(fā)arge-scale” fracturing

Wu Wengang1, Liu Youquan1, Yi Dasen2，Xiong Ying1, Chen Pengfei1, Dai Yun3

(1.ResearchInstituteofNaturalGasTechnology，PetroChinaSouthwestOil&GasfieldCompany，Chengdu610213，China；2.theSeventhConstructionofChinaPetroleumandNaturalGasCompany,Qingdao266300,China; 3.SichuanChangningGasDevelopmentCo.,Ltd.,Chengdu610051,China)

Abstract:The application of domestic shale gas "large-scale" fracturing results in higher fluid consumption，more tank groups and wider occupied area of cluster horizontal wells，the traditional fracturing fluid mix-processing can not meet the demand of large-scale fracturing. Based on the detailed study of the dissolution characteristic of thickening agent，it is pointed out that the key of gliding water continuous mix-processing is the flow and dissolve performance of drag reduction agent, using the characters of guar gum powder scattered in weakly alkaline media and dissolved in weak acid media, and combined with the continuous mixing device, technology of fracturing fluid with large liquid volume and large displacement is developed, and applied in the production of shale gas. The technology shortened the operation cycle, reduced the intensity of field operation, and also avoided the fracturing fluid deterioration. It finally achieves efficient and environmental-friendly fracturing operation.

Key words:shale gas, "large-scale" fracturing, slick water, guar gum, continuous mixing process

作者簡介：吳文剛(1984-)，工程師，碩士。現(xiàn)就職于中國石油西南油氣田公司天然氣研究院，主要從事油氣增產(chǎn)技術(shù)研究。E-mail：wuwg@petrochina.com.cn

中圖分類號：TE37

文獻標志碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1007-3426.2016.03.012

收稿日期：2016-01-22；編輯：馮學軍