100%液態(tài)CO2增稠壓裂液流變性能

崔偉香，邱曉惠

（中國石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院，河北廊坊065007）

100%液態(tài)CO2增稠壓裂液流變性能

崔偉香，邱曉惠

（中國石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院，河北廊坊065007）

崔偉香等.100%液態(tài)CO2增稠壓裂液流變性能[J].鉆井液與完井液，2016，33（2）：101-105.

針對液態(tài)CO2干法壓裂增稠性能要求，研制了適用于液態(tài)CO2物理化學性能的一種表面活性劑增稠劑。通過高壓管路流變實驗，在線模擬了液態(tài)CO2增稠過程。實驗結果表明，表面活性劑能夠在液態(tài)CO2形成棒狀或蠕蟲狀膠束而增加體系粘度，增黏倍數(shù)在86～218之間，且混合體系呈現(xiàn)出剪切稀釋特性；壓力的增大或者稠化劑體積分數(shù)的增大對液態(tài)CO2增稠壓裂液黏度的影響較小，對流變參數(shù)的影響均較小，而液態(tài)混合體系的有效黏度隨著溫度的升高而減小，呈指數(shù)規(guī)律遞減的趨勢；液態(tài)混合體系的流動指數(shù)隨溫度的升高而增大，稠度系數(shù)隨溫度的升高而減小。

液態(tài)CO2；壓裂液；稠度系數(shù)； 有效黏度；流動指數(shù)

液態(tài)CO2干法壓裂是一種以純液態(tài)CO2作為攜砂液進行壓裂施工的工藝技術，液態(tài)CO2壓裂施工時，CO2保持液態(tài)（或超臨界態(tài)），施工結束后，CO2變成氣態(tài)從儲層快速排出，無殘留并對儲層無傷害，相比常規(guī)壓裂工藝，對水敏性低滲致密砂巖氣藏增產(chǎn)效果十分明顯，受到了極大地關注。但液態(tài)CO2干法壓裂也存在一些問題，CO2黏度低，攜砂能力差、液體容易濾失、泵注壓力高。如果干法壓裂液的黏度能得到有效提高，將大大促進水敏性低滲透油氣藏和低壓油氣藏的有效開采和油氣的增產(chǎn)。因此，如何提高干法壓裂中壓裂液的黏度而又保持干法壓裂的無傷害特性成為干法壓裂技術研究中的重點問題。欲提高干法壓裂中壓裂液的黏度，須對干法壓裂液進行改良，通過開發(fā)一種新的表面活性劑增稠劑提高CO2的黏度，并進行室內管流實驗，研究了高溫高壓下CO2稠化交聯(lián)液混合體系的流變和摩阻特性，對于評價稠化交聯(lián)液的增黏效果具有重要意義。

1　液態(tài)二氧化碳增稠技術原理

CO2的物理性質與有機溶劑類似，CO2稠化交聯(lián)液混合體系中交聯(lián)形成的棒狀或蠕蟲狀膠束的親水基團被水分子吸引，同時親CO2基團受到CO2分子的吸引，導致分子間的相互作用力增加，CO2黏度增加。整個體系的黏度變化主要來源于表面活性劑膠束空間結構的變化及CO2液滴的形變，考慮到液態(tài)CO2流體的性質更近似于牛頓流體性質，即CO2作為混合體系的外相是可以忽略其黏度特性受剪切作用的影響的，所以對于實驗條件下混合體系的剪切稀化特性主要源于剪切作用對表面活性劑膠束空間結構的破壞，使得空間網(wǎng)狀結構逐漸拆散成為單一膠束或增大膠束篩孔體積密度，并且膠束的流向在剪切作用下由之前的空間均向性而逐漸趨于一致，減低流動阻力，流體黏度隨之減小。

2　測試實驗裝置及實驗原理

2.1高壓管路壓裂液實驗系統(tǒng)

實驗系統(tǒng)總圖見圖1。

圖1　高壓管路壓裂液實驗系統(tǒng)圖

進行CO2稠化交聯(lián)液混合體系的流變與摩阻實驗時，系統(tǒng)的主體流程為：液化了的CO2經(jīng)三柱塞泵加壓后與來自加藥泵的2種添加劑進行混合，隨后進入系統(tǒng)回路的電加熱段升溫。壓裂液進入水平的流變特性測試段進行流變特性的測量。特定實驗長度上的摩擦壓降通過EJA差壓變送器進行實時采集，并送入計算機顯示和存儲。實驗測試完成后，壓裂液經(jīng)背壓閥降壓后直接排放到大氣中。系統(tǒng)的壓力由背壓閥控制。

實驗裝置的測量范圍：剪切速率：80～1 700 s-1，溫度：-5～100 ℃，壓力：10～50 MPa。

2.2流變特性實驗原理

目前常用的壓裂液有些表現(xiàn)為牛頓流體，有些則為非牛頓流體。液態(tài)CO2稠化壓裂液體系在實用的剪切速率范圍內，具有充分接近冪律流體的特性[1]，可以用一組n、k值來表征其流變特性。

非牛頓流體流變性能的測量可以采用各種儀器進行，如毛細管式流變儀、旋轉圓筒黏度計、錐板黏度計、控制應力流變儀等。毛細管式流變儀適用于低、高剪切速率區(qū)域，特別適用于高剪切速率范圍，并且能在升壓、升溫時進行測量，因此成為本項目研究實際壓裂條件下CO2稠化交聯(lián)液混合體系流變特性的首選方法（注：在φ78 mm油管中采用2.5 m3/min的泵注流量進行壓裂時，剪切速率約為894 s-1）。

黏性流體圓管層流的基本方程為：

將式（1）變換得

式（2）就是管式流變儀的基本公式。

冪律流體的 本構方程為：

將式（3）代入管式流變儀的基本公式（2）并積分后兩邊取對數(shù)

式中，壁面切應力τw為：

n，k的計算方法見公式（6）和公式（7）。

3　實驗結果及流變學分析

3.1CO2稠化交聯(lián)液混合體系流變特性

考察了溫度、壓力、剪切速率、稠化劑加量這幾個因素對壓裂液流變特性的影響規(guī)律。同時為了表征CO2干法壓裂液的流變特性，采用了不會因壓裂液的制備、熱穩(wěn)定性以及剪切形變等不確定性影響而產(chǎn)生較大誤差的冪律模型[1]。實驗采用8 mm的管徑進行測試，結果見表1。由表1可知，在實驗條件下，液態(tài)CO2增稠壓裂液的有效黏度值在7.654～20.012 mPa·s之間，相比于純液態(tài)CO2黏度增加了86～218倍，說明了研發(fā)的增稠劑表現(xiàn)出了較好的CO2增黏效果。

表1　不同條件下CO2稠化體系混合體系黏度測試值

3.2不同因素對CO2稠化交聯(lián)液混合體系有效黏度的影響

3.2.1剪切速率

在15 ℃、10 MPa條件下液態(tài)CO2稠化壓裂液的有效黏度隨剪切速率的變化規(guī)律見圖2。由圖2可知，液態(tài)CO2稠化壓裂液的有效黏度隨著剪切速率的增大而呈指數(shù)規(guī)律降低，充分說明了液態(tài)CO2稠化壓裂液是一種典型的剪切稀化非牛頓流體，而且在剪切速率低于500 s-1時的變化趨勢要比剪切速率高于500 s-1時的變化趨勢劇烈，在實驗溫度和壓力條件下，液態(tài)CO2稠化壓裂液中的CO2是以液態(tài)存在的。Chen[2]等學者的研究表明，CO2的物性與有機溶劑的性質類似，如圖3所示，CO2稠化交聯(lián)液混合體系中交聯(lián)形成的棒狀或蠕蟲狀膠束的親水基團被水分子吸引，同時親CO2基團受到CO2分子的吸引，導致分子間的相互作用力增加，CO2黏度增加。整個體系的黏度變化主要來源于表面活性劑膠束空間結構的變化及CO2液滴的形變，考慮到液態(tài)的CO2流體的性質更近似于牛頓流體性質，即CO2作為混合體系的外相是可以忽略其黏度特性受剪切作用的影響的，所以對于實驗條件下混合體系的剪切稀化特性主要源于剪切作用對表面活性劑膠束空間結構的破壞，使得空間網(wǎng)狀結構逐漸拆散成為單一膠束或增大膠束篩孔體積密度，并且膠束的流向在剪切作用下由之前的空間均向性而逐漸趨于一致，減低流動阻力，流體黏度隨之減小。

圖2　有效黏度隨剪切速率的變化規(guī)律曲線

圖3　液態(tài)CO2中表面活性劑膠束的結構

3.2.2稠化劑加量

國內外學者研究表明[3-4]，稠化劑的加入比例在一定程度上影響CO2增黏效果。在15 ℃、20 MPa條件下，考察了CO2稠化交聯(lián)液混合體系的有效黏度隨稠化劑加量的變化規(guī)律，結果見圖4。由圖4可以看出，在實驗條件下，CO2稠化交聯(lián)液混合體系的有效黏度隨著稠化劑體積分數(shù)的增大而逐漸增加，但是增加幅度很小，例如，在剪切速率為387 s-1時，混合體系的黏度僅由12.0 mPa·s增加到12.6 mPa·s，增加幅度僅為5%。由于稠化劑濃度的增加，使表面活性劑分子之間形成的網(wǎng)狀結構更加致密，這種網(wǎng)狀結構之間的作用力增強，破壞這種結構所需的外力增加[5]，因此，隨著稠化劑比例的增加，混合體系的有效黏度增加。在實驗條件下，CO2在該混合體系中是以近似于牛頓流體的液態(tài)形式存在，由于液態(tài)CO2體積分數(shù)較大（97.0%～98.5%），此時的流體結構為液態(tài)CO2作為連續(xù)相包裹著表面活性劑，其黏度變化主要是通過影響表面活性劑的流變特性而產(chǎn)生的，而最終混合體系的黏度大小主要受到外相CO2黏度的控制，因而變化幅度不大。

圖4　不同剪切速率下體系有效黏度隨稠化劑加量的變化

3.2.3溫度

在壓力為20 MPa下，考察了稠化劑比例為3%時，混合體系有效黏度隨溫度的變化規(guī)律，結果見圖5。由圖5可知，液態(tài)混合體系的有效黏度隨著溫度的增加而減小，呈指數(shù)規(guī)律遞減。造成這一現(xiàn)象的主要原因是溫度對表面活性劑流變特性的影響，根據(jù)Harris[6]的研究，溫度對表面活性劑的影響完全符合Arrhenius關系式，即溫度和黏度之間滿足關系式μ=Avexp（Ef/RgT），溫度升高，增加了表面活性劑分子的運動活性，隨之加速表面活性劑膠束網(wǎng)狀結構的破壞及膠束的斷裂，使得表面活性劑溶液的活化能減小，綜合表現(xiàn)出混合體系有效黏度的降低，即液態(tài)混合體。由圖5還可以看出，當溫度達到臨界溫度31 ℃后，超臨界條件下混合體系的黏度出現(xiàn)了一定程度的增大，然后，隨著溫度的增加超臨界條件下混合體系的黏度逐漸減小，變化幅度較小，最后趨于穩(wěn)定。造成這一現(xiàn)象的原因是溫度高于臨界溫度后，CO2發(fā)生相變，由液態(tài)轉變?yōu)槌R界狀態(tài)，整個體系的黏度作用機理發(fā)生突變；混合體系的相變區(qū)溫度范圍在30～40 ℃之間，要稍微高于臨界溫度，這主要是因為CO2的相變是個漸進的過程，溫度稍高于臨界溫度后，一方面CO2會因相變而引起膠束結構的變化，使得分子間的相互作用增強對于黏度具有一定的增強，另一方面溫度的升高會降低體系的活化能使得體系的黏度隨溫度的增大而減小。因此綜合2方面的影響表現(xiàn)為在40 ℃之前前者的影響占主導作用，繼續(xù)升高溫度后者的作用就開始占據(jù)了主導作用。

圖5　不同剪切速率下體系有效黏度隨溫度的變化規(guī)律

3.2.4壓力

實驗測試了不同壓力下CO2稠化交聯(lián)液混合體系的黏度隨剪切速率的變化。稠化劑比例為1.5% 、溫度為15 ℃時，不同壓力下的CO2稠化交聯(lián)液混合體系的黏度見圖6。

圖6　不同壓力下有效黏度隨剪切速率變化規(guī)律曲線

由圖6可知，壓力的增大對CO2稠化交聯(lián)液混合體系黏度的影響較小，有效黏度只有較小幅度的增大，尤其當剪切速率小于300 s-1，黏度幾乎沒有發(fā)生變化。壓力升高引起黏度的增加主要有2個方面的原因，一是由于壓力對稠化劑在CO2中溶解性的影響，壓力越高，稠化劑在CO2中的溶解性越強，因此壓力的增加可在一定程度上改善增黏效果，同時，增壓會使整個混合體系的結構變得更加致密，分子間距變小，使黏度出現(xiàn)一定程度的增大；二是壓力對表面活性劑內部膠束空間結構的影響?；谕鮿P[8]等學者的研究表明壓力可以有效地改變表面活性劑分子間的相互作用，使得膠束結構及膠束形態(tài)發(fā)生轉變，可以引起膠束體系的相變，提高膠束結構的穩(wěn)定性[9-10]。表現(xiàn)出壓力的增大對表面活性劑空間網(wǎng)狀結構的加強，減緩了剪切作用對網(wǎng)狀結構的破壞作用，使得混合體系的黏度出現(xiàn)一定程度的增大。

4　結論及認識

1.新型表面活性劑增稠劑能夠使液態(tài)CO2形成稠化交聯(lián)液混合體系，通過表面活性劑在液態(tài)CO2形成的棒狀或蠕蟲狀膠束增加了體系的黏度。

2.與純CO2相比，加入稠化劑后，CO2稠化交聯(lián)液混合體系的增黏倍數(shù)在86～218之間，CO2稠化交聯(lián)液混合體系呈現(xiàn)出剪切稀化的特性。壓力的增大或者稠化劑體積分數(shù)的增大對CO2稠化交聯(lián)液混合體系黏度的影響較小，有效黏度只有較小幅度的增大；液態(tài)混合體系的有效黏度隨著溫度的升高而減小，呈指數(shù)規(guī)律遞減的趨勢，剪切速率和溫度對壓裂液流變特性的影響最大。

3.流動指數(shù)隨溫度的升高而增大，而稠度系數(shù)隨溫度的升高而減小，壓力和稠化劑加量對流變參數(shù)的影響均較小。

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Rheology of Thickened 100% Liquid CO2Fracturing Fluid

CUI Weixiang, QIU Xiaohui
(Langfang Branch of PetroChina Research Institution of Petroleum Exploration and Development, Langfang, Hebei 065007, China)

A surfactant thickening agent suitable for use in dry-fracturing with liquid CO2has been developed. The thickening process of liquid CO2was simulated online through high pressure pipe flow rheological experiments. Results of the experiments have revealed that the surfactant forms rods or wormlike micelle in liquid CO2, thereby increases the viscosity of the liquid CO2by 86 - 218 times of the original viscosity. The liquid CO2treated with the thickening agent has shear-thinning characteristics. Increase in pressure or increase in the volumetric fraction of the thickening agent has smaller effect on the viscosity and rheology of the thickened liquid CO2fracturing fluid， and the effective viscosity of the fracturing fluid decreases exponentially with increase in temperature. The thickened liquid CO2fracturing fluid has flow index that increases with increase in temperature， and consistency factor that decreases with increase in temperature.

Liquid CO2；Fracturing fluid； Consistency factor； Effective viscosity； Flow index

TE357.12

A

1001-5620（2016）02-0101-05

10.3696/j.issn.1001-5620.2016.02.022

國家科技重大專項課題“低滲、特低滲透油氣田經(jīng)濟開發(fā)關鍵技術”（2011ZX05013-003）。

崔偉香，工程師，碩士，1979年生，現(xiàn)在從事壓裂液技術研究工作。電話 （010）69213534；E-mail：cuiwx69@petrochina.com.cn。

（2015-12-11；HGF=1601C3；編輯王超）