國(guó)內(nèi)外滑溜水減阻劑研究進(jìn)展

蔣其輝楊向同于筱溪?jiǎng)⒔ㄈ?雷

(1.中國(guó)石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院有限公司井下作業(yè)研究所,北京 102206;2.中國(guó)石油大學(xué)(華東),化學(xué)工程學(xué)院,山東 青島 266580)

隨著油氣資源的不斷開(kāi)發(fā),目標(biāo)儲(chǔ)層逐漸由常規(guī)向非常規(guī)轉(zhuǎn)變,開(kāi)發(fā)難度日益增大[1-3],需要進(jìn)行儲(chǔ)層改造才能達(dá)到理想的油氣產(chǎn)量[4]?；锼畨毫鸭夹g(shù)是目前低滲透油氣、致密砂巖油氣和頁(yè)巖氣等資源最主要的壓裂技術(shù)之一。由于滑溜水壓裂液體系整體黏度較低,為了提高支撐劑的攜帶能力,現(xiàn)場(chǎng)操作時(shí)需要提高液體的注入速度[5],導(dǎo)致管道內(nèi)摩擦阻力的增加。作為滑溜水壓裂體系的核心,減阻劑對(duì)壓裂液性能起著決定性作用,也是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)[6]。本論文對(duì)國(guó)內(nèi)外常用的傳統(tǒng)與新型滑溜水減阻劑的研究現(xiàn)狀與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況進(jìn)行了綜述,分析了影響減阻效果的主要因素,對(duì)壓裂液減阻劑的研究與應(yīng)用前景進(jìn)行了展望,為原油的開(kāi)采提供可行性的幫助。

1 滑溜水壓裂液

滑溜水壓裂液是對(duì)頁(yè)巖油氣儲(chǔ)層進(jìn)行水力壓裂的一種常用壓裂液體系,該體系的主要組分為水,因此又常被稱為減阻水壓裂液或清水壓裂液?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)滑溜水壓裂液需要大排量注入,會(huì)產(chǎn)生較高的流動(dòng)阻力,為此需要加入減阻劑,降低滑溜水的摩阻,提高泵注排量;同時(shí)彌補(bǔ)水黏度低、攜砂能力差等諸多問(wèn)題[7]。20世紀(jì)50年代,滑溜水首次被應(yīng)用于油氣藏壓裂中,但是隨后被交聯(lián)聚合物凝膠壓裂液取代。隨著非常規(guī)油氣藏的不斷開(kāi)采,滑溜水壓裂體系重新回歸人們的視野并取得長(zhǎng)足發(fā)展。Mitchell 能源公司在1997年將減阻劑用于Barnett 頁(yè)巖氣的壓裂并取得了一定減阻效果;此后,聚丙烯酰胺類減阻劑得到迅速推廣,是現(xiàn)階段研究與應(yīng)用的首選減阻體系。隨著油氣資源深度開(kāi)發(fā),為滿足非常規(guī)油氣田的開(kāi)采要求,新型減阻劑被相繼研發(fā)出來(lái),成為高溫高鹽油藏開(kāi)采的潛在手段。

2 國(guó)內(nèi)外減阻劑的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀

滑溜水壓裂液體系的核心是減阻劑,是決定壓裂液的性能,制約儲(chǔ)層開(kāi)采效果的關(guān)鍵[8]。伴隨滑溜水壓裂液的成功應(yīng)用,國(guó)內(nèi)外對(duì)減阻劑的研究報(bào)道與日俱增。減阻劑根據(jù)其分子結(jié)構(gòu)和來(lái)源可以分成以下幾種。

2.1 天然生物基多糖減阻劑

天然生物基多糖來(lái)源廣泛,可自然降解,對(duì)地層傷害小,是早期常用的生物基多糖減阻劑。

2.1.1 胍膠及其衍生物減阻劑

胍膠的相對(duì)分子質(zhì)量約為(20～30)×104,是一種半乳甘露聚糖。低濃度的胍膠是最早使用的滑溜水減阻劑,成本較低[9]。高濃度的胍膠會(huì)發(fā)生交聯(lián),形成的凍膠可用于攜砂,可作為稠化劑增黏使用。

Singh 等[10]研究交聯(lián)劑對(duì)胍膠減阻性能的影響。通過(guò)添加微量硼,胍膠的水力半徑和減阻性能所有提高,耐剪切性能不受影響。Deshmukh 等[11]制備了聚丙烯酰胺接枝的胍膠減阻劑,研究了其在減阻、耐剪切和生物降解等方面的性能。結(jié)果表明,聚丙烯酰胺支鏈的長(zhǎng)度與數(shù)量可以影響胍膠的減阻性能,接枝后胍膠的耐剪切性與生物降解性得到提升。Sharma 等[12]制備了胍膠與助排劑、破乳劑以及黏土穩(wěn)定劑的復(fù)配體系。室內(nèi)實(shí)驗(yàn)采用返排水配制,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1% 時(shí)的減阻率達(dá)到64.2%;在壓裂施工現(xiàn)場(chǎng)將管道下入井深3 470 m處,減阻率可達(dá)63.7%,現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用良好。

2.1.2 黃原膠及其衍生物減阻劑

黃原膠是另一類生物基多糖減阻劑。黃原膠的相對(duì)分子質(zhì)量為2×106～5×107,其分子結(jié)構(gòu)特殊,可廣泛應(yīng)用于減阻劑等領(lǐng)域。此外,黃原膠在水中可形成穩(wěn)定的剛性棒狀雙螺旋結(jié)構(gòu),常作為一種高效增稠劑使用。

Wyatt 等[13]探討了加入方式對(duì)黃原膠的減阻性能的影響。研究結(jié)果表明,質(zhì)量濃度相同時(shí),在線加入黃原膠母液配制成的溶液減阻率比預(yù)先配制溶液的性能提高2 倍多。明華等[14]采用海水(礦化度28 074 mg·L-1)配制了改性黃原膠壓裂液,經(jīng)測(cè)試該壓裂液摩阻低、穩(wěn)定性好、攜砂能力強(qiáng)且安全環(huán)保,能在較寬溫度范圍(60～130 ℃)下應(yīng)用,滿足致密儲(chǔ)層的壓裂要求。

然而,大多數(shù)生物基多糖減阻劑的減阻性能欠佳,且含有較多不溶性物質(zhì),對(duì)低滲透或孔隙率低的儲(chǔ)層傷害較大。現(xiàn)階段常將胍膠和黃原膠作為稠化劑應(yīng)用,以提高基液黏度,增強(qiáng)攜砂能力,或者應(yīng)用于三次采油工程中,增大波及系數(shù),提高采收率。

2.2 聚丙烯酰胺減阻劑

聚丙烯酰胺是一種由丙烯酰胺和其它單體共聚得到的合成聚合物,包括陽(yáng)離子、陰離子、非離子和兩性離子聚丙烯酰胺等[15]。聚丙烯酰胺是一種長(zhǎng)鏈大分子,能以任意比例溶于水中,具有良好的熱穩(wěn)定性和減阻性能。聚丙烯酰胺的主鏈中有大量酰胺基團(tuán),活性高,性能可控,常以固體粉劑和液體乳劑狀態(tài)應(yīng)用,是目前頁(yè)巖氣滑溜水壓裂作業(yè)中使用最廣泛的水溶性減阻劑[16]。

2.2.1 固體粉劑聚丙烯酰胺減阻劑

粉末狀聚丙烯酰胺是一類常用減阻劑,工藝成熟,便于運(yùn)輸和儲(chǔ)存,減阻率高[17]。

由Services[18]研發(fā)的粉劑陰離子減阻劑ThinfracTMD 減阻性能優(yōu)越,可用于北美大部分地區(qū)的油氣田。Schlum berger[19]研制的粉劑減阻劑能在較寬溫度(7～175 ℃)和較高礦化度250 g·L-1的條件下可以保持減阻率70%以上。我國(guó)科研人員制備了一種粉劑減阻劑[20],能快速溶解且黏度較高,與胍膠類體系相比減阻率高出10%。中國(guó)石油集團(tuán)西南油氣田公司天然氣研究院成功研發(fā)出一種連續(xù)混配的陰離子聚丙烯酰胺類減阻劑,可應(yīng)用于較高硬度(3 g·L-1)與礦化度(100 g·L-1)條件,減阻率為73%[21]。

然而,大多數(shù)粉劑減阻劑溶解速率較慢,且易產(chǎn)生魚(yú)眼狀結(jié)構(gòu)傷害儲(chǔ)層,影響現(xiàn)場(chǎng)操作。

2.2.2 液體乳劑聚丙烯酰胺減阻劑

乳液狀的聚丙烯酰胺減阻劑為微米級(jí)大小,能快速分散。液體乳劑聚丙烯酰胺減阻劑主要包括2種類型。

2.2.2.1 W/O 反相聚合物減阻劑

W/O 型反相聚合物減阻劑的內(nèi)相為水溶性聚合物,相對(duì)分子質(zhì)量較大,外相為石油烷烴聚合物,稀釋后可以快速發(fā)揮作用[22]。

在國(guó)外油氣田開(kāi)發(fā)應(yīng)用中,Kemira[23]研制了KemFlow 系列反相聚合物減阻劑,添加硅聚醚構(gòu)成反相乳液。該體系陰離子主劑具有較強(qiáng)彈性,攜砂量大;陽(yáng)離子減阻劑主劑選用丙烯酰基氧基乙基三甲基氯化銨(DMAEA),可與黏土穩(wěn)定劑配合,在含有超高2 價(jià)金屬離子的水溶液中依然可以穩(wěn)定減阻。Innospec[24]研制的HirateTM MAXX 1250 型減阻劑,主劑為陰離子聚丙烯酰胺,少量添加即可快速增黏,性能優(yōu)異。Halliburton[25]制備了一種PERMVISTMVFR-10 減阻劑,黏度大,易破膠返排,在高礦化度(300 g·L-1)的水溶液中可保持60%以上的減阻率。

國(guó)內(nèi)研究領(lǐng)域中,蘭昌文等[26]利用半連續(xù)反相微乳液聚合法制備了一種新型減阻劑CW-1。室內(nèi)實(shí)驗(yàn)表明,在1.2 m3·h-1排量下減阻率可達(dá)到70%以上。盧擁軍等[27]將開(kāi)發(fā)了一種FA30 速溶乳液減阻劑,應(yīng)用于西南地區(qū)某頁(yè)巖氣井,在16 m3·min-1排量下可實(shí)現(xiàn)81%減阻率。長(zhǎng)慶油田采用了劉通義[28]研發(fā)的新型減阻劑將減阻率提高到78%。馬國(guó)艷等[29]以長(zhǎng)鏈?zhǔn)杷畣误w為原料,制備反相乳液減阻劑產(chǎn)品WDRA-M,大幅提高了降阻劑的抗剪切性能,將其應(yīng)用于某水平井大型壓裂作業(yè),減阻率比胍膠高出42.5%,與國(guó)外產(chǎn)品相比,更適合國(guó)內(nèi)大排量壓裂作業(yè)。由中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院研制的新型減阻劑在四川宜賓和涪陵等地區(qū)施工后,減阻率超過(guò)75%[30]。另一種性能優(yōu)異改性聚丙烯酰胺減阻劑EM30,由范華波等[31]研發(fā),其相對(duì)分子質(zhì)量為200 萬(wàn),具有良好的耐高溫、耐鹽和耐剪切性能。目前EM30 滑溜水壓裂液作為鄂爾多斯盆地儲(chǔ)層改造主體壓裂液,可回收返排液超過(guò)85%,成本節(jié)約5 億元。

W/O 型反相聚丙烯酰胺乳液原料來(lái)源廣泛,合成方法簡(jiǎn)單,具有良好的溶解和增稠能力,在國(guó)內(nèi)外現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用取得了較好的作用效果。但W/O 型反相聚丙烯酰胺乳液也存在一定不足,包括:制備過(guò)程需要消耗大量的表面活性劑;聚合物需要從油相轉(zhuǎn)入水相后才能發(fā)揮作用;乳液中大量的油相會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染等,因此,更為環(huán)保的W/W 分散聚合物減阻劑越來(lái)越受到重視[32]。

2.2.2.2 W/W 分散聚合物減阻劑

W/W 分散聚合物減阻劑的制備主要采用水分散聚合法。將含有單體的水溶液與高濃度電解質(zhì)混合,反應(yīng)后加入引發(fā)劑得到聚合物,在水中形成穩(wěn)定均勻的W/W 溶液,粒徑通常在10 μm 左右。W/W 型聚合物減阻劑不含表面活性劑和有機(jī)溶劑,溶解快、成本低、環(huán)境污染小[33],聚合過(guò)程簡(jiǎn)單,安全性高。BJ Services[34]公司研發(fā)的W/W 分散乳液型高效減阻劑系列產(chǎn)品,包括ThinfracMP、ThinfracTM HV、ThinfracTM PLUS 和ThinfracTM PW 等,不需要加入植物膠增加攜砂比,具有水化速度高、支撐劑運(yùn)輸力強(qiáng)、對(duì)地層傷害小等特點(diǎn),用于北美頁(yè)巖油壓裂作業(yè)可提高生產(chǎn)率 70%,降低成本30%。

國(guó)內(nèi)研究人員采用雙水相分散聚合方法制備了一種新型減阻劑,室內(nèi)實(shí)驗(yàn)在30 L·min-1排量下,減阻率可達(dá)67%。張峰三[35]通過(guò)分子設(shè)計(jì)合成雙水相疏水締合型聚丙烯酞胺OWPAM,對(duì)延長(zhǎng)油田志丹區(qū)域的4 口致密油井進(jìn)行實(shí)驗(yàn),減阻率均大于65%。郭粉娟等[36]采用抗鹽單體丙烯酸二甲基氨基乙酯氯甲烷鹽(DAC)為主劑聚合得到W/W 乳液減阻劑FR-4,分散時(shí)間短(5 s 內(nèi)),70 ℃下的減阻率為71.4%;采用礦化度為57 249 mg·L-1的現(xiàn)場(chǎng)返排水配制時(shí)減阻率可達(dá)71.9%,在頁(yè)巖氣井J29-2HF 進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)施工,注入后施工壓力迅速降低了2～6 MPa,減阻性能優(yōu)異。2011年,中國(guó)石化北京化工研究院開(kāi)發(fā)出一種高效減阻劑,黏度低,溶解時(shí)間短,能夠滿足壓裂施工在線配液的要求?，F(xiàn)場(chǎng)壓裂施工結(jié)果表明,該減阻劑減阻性能優(yōu)異,減阻率為60%,與國(guó)外同類產(chǎn)品相媲美,成本大幅降低[37]。孟強(qiáng)等[5]采用反相乳液聚合法合成了一種新型高效減阻劑HDR-C,具有良好的減阻效果、耐剪切性能和黏彈性能,在四川盆地某頁(yè)巖區(qū)塊M-1 井壓裂施工過(guò)程中成功進(jìn)行了應(yīng)用,在維持排量基本不變的情況下,按比例加入HDR-C 后,施工壓力迅速降低,與清水相比摩阻降低67.5%。

聚丙烯酰胺滑溜水減阻劑的減阻性能極大地依賴于其大分子鏈。在高溫、高鹽與高剪切的油藏環(huán)境下,聚丙烯酰胺分子的酰胺鍵易斷裂成小分子,導(dǎo)致其黏度大幅下降而影響甚至失去減阻效果。隨著油氣資源不斷開(kāi)采,特殊油藏已成為油氣開(kāi)發(fā)的主戰(zhàn)場(chǎng),傳統(tǒng)聚丙烯酰胺減阻劑越來(lái)越難滿足現(xiàn)階段的開(kāi)采要求。為彌補(bǔ)上述缺陷,新型減阻劑體系被相繼研發(fā)出來(lái)。其中,納米復(fù)合減阻劑是最具發(fā)展前景的一種。

2.3 新型納米復(fù)合減阻劑

近年來(lái),納米材料發(fā)展迅速。隨著納米材料在鉆井液、完井液等領(lǐng)域相繼應(yīng)用并取得了增產(chǎn)增效后[38],納米材料的應(yīng)用也拓展至滑溜水壓裂液體系。將納米材料引入傳統(tǒng)高分子聚合物構(gòu)建復(fù)合高分子材料,利用其交聯(lián)結(jié)構(gòu),形成耐溫耐鹽和流變性能優(yōu)異的滑溜水壓裂液體系,作為一類新型減阻劑體系備受關(guān)注。

2.3.1 納米復(fù)合減阻劑的研究進(jìn)展

近年來(lái),國(guó)際國(guó)內(nèi)關(guān)于納米減阻劑的研究與專利逐漸增多。曹智等[39]將SiO2納米顆粒加入乳狀液中,可以降低油田含水率,體系黏度隨地層水礦化度增加而逐漸增加,耐性耐鹽性能增強(qiáng),室內(nèi)實(shí)驗(yàn)表明經(jīng)納米材料處理后,壓裂液水相滲透率有大幅提高。

高瑞民等[40]將SiO2進(jìn)行超疏水改性,利用表面活性劑分散后,制備出新型超疏水壓裂液減阻劑,通過(guò)巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)得到納米SiO2的最適宜加入量,得到1.39 的巖心滲透率,表明該體系可用于中滲油藏開(kāi)采。

研究發(fā)現(xiàn),將 CTAB 表面活性劑與無(wú)機(jī)鹽NaNO3進(jìn)行復(fù)配,加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01%的SiO2納米顆粒[41]后,體系的耐剪切性和壓裂性能明顯提升,且提升效率隨納米顆粒濃度的增加而增加。黏彈性測(cè)試結(jié)果表明當(dāng)溫度達(dá)到70 ℃后,體系黏度可達(dá)300 mPa·s,壓裂性能遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)壓裂液體系[41]。

余維初等[42]制備了一種納米材料清潔滑溜水壓裂液體系,該體系易溶于水,對(duì)儲(chǔ)層傷害低,對(duì)水質(zhì)要求低,耐高溫、耐高礦化度,室內(nèi)實(shí)驗(yàn)表明其減阻率可達(dá)75%。

納米復(fù)合減阻劑的減阻效率高,可能是由于納米材料復(fù)合減阻劑會(huì)在巖石壁面形成氣-固復(fù)合疏水表面,從而降低水流與氣-固復(fù)合疏水表面的引力,使壁面與流體間的流動(dòng)阻力減小,起到減阻作用[43]。常用的納米材料可以分為無(wú)機(jī)材料和有機(jī)材料2 類。納米SiO2是最常用的一類無(wú)機(jī)納米材料,減阻性能已被多個(gè)研究所證實(shí)。其他親水納米顆粒TiO2、ZnO 或MgO 單獨(dú)或配合使用時(shí),同樣具有很好的減阻效果[44,45]。有機(jī)類納米材料主要包括聚合物納米微球、納米乳液等[46,47],此類材料的減阻性能與無(wú)機(jī)納米材料復(fù)合減阻劑相當(dāng);同時(shí),有機(jī)納米材料中所含的聚合物大分子使其具有很好的注入性能和攜沙性能。因此,有機(jī)納米材料減阻劑的研發(fā)越來(lái)越受到重視。納米復(fù)合高效水力壓裂用減阻劑,穩(wěn)定性好,具有較好的耐溫抗鹽抗污染性能,對(duì)地層傷害小,且制備成本低。利用納米材料的特殊性能,可以改善傳統(tǒng)聚合物減阻劑性能上的欠缺,具有很好的應(yīng)用前景和可行性。

2.3.2 納米復(fù)合減阻劑的制備與分類

按照制備方法,納米復(fù)合減阻劑通?？梢苑殖? 種。

2.3.2.1 填充型聚合物納米復(fù)合減阻劑

此類減阻劑的制備首先要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)所需性能選擇合適的納米材料單體,然后將其均勻分布于聚合物基體中得到。由于納米材料單體與聚合物的復(fù)配困難,在制備過(guò)程中通常需要對(duì)聚合物和納米單體進(jìn)行修飾,才能得到目標(biāo)產(chǎn)品[48]。

2.3.2.2 層狀硅酸鹽型納米復(fù)合減阻劑

將有機(jī)或無(wú)機(jī)插層劑處理后的粘土與聚合物作用可以得到層狀硅酸鹽型納米復(fù)合減阻劑。實(shí)驗(yàn)表明,復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度與抗剪切能力等性能顯著增強(qiáng),是開(kāi)發(fā)高性能納米復(fù)合減阻劑的新途徑[49]。

2.3.2.3 有機(jī)/無(wú)機(jī)雜化納米復(fù)合減阻劑

通過(guò)化學(xué)反應(yīng)將無(wú)機(jī)納米材料與有機(jī)聚合物相接可以制備得到有機(jī)/無(wú)機(jī)雜化納米復(fù)合減阻劑,利用兩者協(xié)同作用強(qiáng)化減阻性能。

2.3.3 納米復(fù)合減阻劑存在的問(wèn)題與發(fā)展前景

盡管納米材料復(fù)合減阻劑的報(bào)道增多,室內(nèi)評(píng)價(jià)也取得了很好的減阻效果,但從現(xiàn)有油田現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)來(lái)看,尚無(wú)納米材料復(fù)合減阻劑在油田大規(guī)模成功應(yīng)用的案例[38]。主要原因可能包括:1)納米材料種類多,性質(zhì)差異大,現(xiàn)有研究?jī)H探究了幾種常見(jiàn)納米材料如SiO2和TiO2等的性質(zhì)與應(yīng)用,對(duì)其他納米材料的物理化學(xué)性質(zhì)認(rèn)知匱乏;2)地層環(huán)境復(fù)雜,大多數(shù)納米材料難以適應(yīng)復(fù)雜的地層條件,容易團(tuán)聚,造成施工困難,需要開(kāi)發(fā)性能更優(yōu)異的納米材料體系,以適應(yīng)高溫高鹽油藏的開(kāi)采需要;3)納米材料的成本高,限制了其進(jìn)一步推廣,如何降低納米材料的制備成本也是后續(xù)納米材料復(fù)合減阻劑研發(fā)需要解決的重要問(wèn)題;4)納米材料復(fù)合減阻劑的研究尚處于起步階段,對(duì)其減阻機(jī)理尚未進(jìn)行深入透徹的研究,缺乏對(duì)納米材料在地下運(yùn)移規(guī)律與減阻性能的理論解釋,影響了納米材料復(fù)合減阻劑性能的進(jìn)一步改進(jìn)和提升。

3 減阻劑減阻效果影響因素

在減阻劑的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用過(guò)程中,為保證減阻劑作用能夠最大程度的發(fā)揮,需要明確影響減阻劑效果的主要因素。一般來(lái)說(shuō)減阻劑的受內(nèi)在因素與外在因素共同影響。內(nèi)在因素主要與減阻劑本身的物理化學(xué)性質(zhì)有關(guān),也就是受減阻劑分子結(jié)構(gòu)的影響;外在因素主要受流動(dòng)條件的影響,諸如雷諾數(shù)、管路特性以及濃度、溫度與礦化度等。

3.1 內(nèi)在因素

減阻劑的分子結(jié)構(gòu)是影響減阻性能的重要因素。對(duì)比文獻(xiàn),選擇幾種代表性減阻劑的減阻效果對(duì)比,結(jié)果如表1所示。

表1 常用減阻劑性能比較[50]Table 1 Performance of commonly applied drag reducers[50]

由表1可知,不同分子結(jié)構(gòu)的減阻劑其減阻性能差異很大。具有支鏈結(jié)構(gòu)的減阻劑,如胍膠,溶解性能良好,便于施工,對(duì)地層傷害小。聚合物A屬于長(zhǎng)鏈結(jié)構(gòu),與帶支鏈結(jié)構(gòu)的胍膠相比,聚合物A的結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定,抗剪切能力更強(qiáng),故減阻效果也更好。此外,分子結(jié)構(gòu)中含有較長(zhǎng)主鏈長(zhǎng)、較少支鏈少的減阻劑,如線型、螺旋型或長(zhǎng)鏈結(jié)構(gòu)(聚合物B 或C 等),其分子鏈柔順性強(qiáng),減阻效果較好,性能穩(wěn)定。當(dāng)分子結(jié)構(gòu)中存在較小或者較短的側(cè)鏈時(shí),會(huì)影響主鏈的伸展,影響減阻性能。

3.2 外在因素

3.2.1 流動(dòng)雷諾數(shù)

對(duì)于特定減阻劑而言,其減阻效果與流動(dòng)雷諾數(shù)有密切的關(guān)系。當(dāng)流動(dòng)雷諾數(shù)超過(guò)某一數(shù)值后,減阻劑開(kāi)始發(fā)揮減阻效果,此時(shí)的雷諾數(shù)稱為起始雷諾數(shù)。超過(guò)起始雷諾數(shù)后,減阻劑的減阻率先隨雷諾數(shù)的增大而增大,達(dá)到最大值后,減阻率又會(huì)隨著雷諾數(shù)的增大而減小。

3.2.2 減阻劑濃度對(duì)減阻率的影響

減阻劑在水中充分溶解、伸展,溶脹的分子包裹了大量的水,展現(xiàn)出一定的流體力學(xué)體積。隨著減阻劑用量增加,體系黏度增加,流體力學(xué)體積增加,彈性底層開(kāi)始慢慢形成,減阻效果開(kāi)始增加;但是當(dāng)減阻劑濃度超過(guò)一定限度后,流體分子相互纏繞,體系表觀黏度快速增加,造成流動(dòng)阻力增大,導(dǎo)致減阻率的增加趨勢(shì)減慢,最終趨于穩(wěn)定。

3.2.3 溫度對(duì)減阻效率的影響

高聚物減阻劑通常有一定的溫度適用范圍,在適用范圍內(nèi),減阻率可以保持穩(wěn)定。隨著溫度增加,聚合物分子熱運(yùn)動(dòng)加劇,高分子鏈相互纏繞,會(huì)影響滑溜水的流變性能,使其減阻率降低。溫度過(guò)高時(shí),聚合物分子鏈容易發(fā)生斷裂,導(dǎo)致表觀黏度下降,減阻率迅速降低。因此,在超過(guò)一定溫度時(shí),減阻劑不能發(fā)揮很好的減阻效果。

3.2.4 剪切速率對(duì)減阻率的影響

在低剪切速率下,聚合物分子可以自由排列在溶液中;剪切速率增加后,在剪切力的作用下,聚合物順向排列,部分空間結(jié)構(gòu)遭到破壞,黏度下降,減阻率提高;剪切速率持續(xù)增大,聚合物分子鏈被剪切降解,表觀黏度開(kāi)始下降,減阻效果開(kāi)始逐漸下降。

3.2.5 礦化度對(duì)減阻率的影響

頁(yè)巖開(kāi)采通常會(huì)使用返排液配制的滑溜水體系,配液水主要包含Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Fe3+、A13+、F-、C1-和等,大多數(shù)金屬離子會(huì)影響高聚物減阻劑的減阻效果。通常來(lái)說(shuō),陽(yáng)離子濃度越高,價(jià)態(tài)越高,影響越大。Fe3+和A13+等離子濃度過(guò)高還會(huì)導(dǎo)致聚合物出現(xiàn)絮凝,影響減阻效果。

4 總結(jié)與展望

綜合室內(nèi)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用數(shù)據(jù),聚丙烯酰胺減阻劑仍是現(xiàn)階段應(yīng)用最廣泛的滑溜水減阻劑,新型納米材料減阻劑盡管性能優(yōu)異,但距離大規(guī)?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用尚需進(jìn)一步研究。隨著油氣資源的不斷開(kāi)發(fā),對(duì)減阻劑提出了新的要求。

1)需要加快新型納米材料減阻劑的進(jìn)一步研究,降低納米材料復(fù)合減阻劑的制備成本,開(kāi)發(fā)新型納米材料滿足高溫高壓非常規(guī)油藏的需要;此外,對(duì)納米材料復(fù)合減阻劑的減阻機(jī)理進(jìn)行深入研究,為優(yōu)化提升納米材料復(fù)合減阻劑的性能提供指導(dǎo)。

2)滑溜水壓裂液體系需要大量的水配制工作液,對(duì)滑溜水壓裂后的返排液回收利用有重要的經(jīng)濟(jì)與環(huán)保意義。如果返排率較低,壓裂液滯流地下與儲(chǔ)層接觸,將會(huì)向儲(chǔ)層濾失,造成儲(chǔ)層污染。因此,高效返排液處理技術(shù)也是今后減阻水壓力液體系研究的重要內(nèi)容。

3)減阻劑的性能與其分子結(jié)構(gòu)有密切的關(guān)系,要重視對(duì)減阻劑主劑分子結(jié)構(gòu)、分子形態(tài)的研究,深入探究影響減阻效果的各種因素,優(yōu)化提升減阻劑的減阻性能。

4)強(qiáng)化室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)評(píng)價(jià)方法,滿足室內(nèi)合成、工業(yè)生產(chǎn)、產(chǎn)品檢驗(yàn)和質(zhì)量控制要求,保障產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定,規(guī)范滑溜水體系現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。