滑溜水用速溶型减阻剂研究与应用

常青，曹骕骕 （中石油渤海钻探工程技术研究院压裂技术中心，天津300280）

刘音 （中石油渤海钻探工程技术研究院油田化学研究所，天津300457）

牛增前 （中石油渤海钻探工程技术研究院储层改造研究所，天津300457）

蔡景超，陈得裕 （中石油渤海钻探工程技术研究院压裂技术中心，天津300280）

随着油气勘探开发的不断深入，致密气、页岩气、煤层气、致密油等非常规油气展示了巨大的潜力。压裂改造是非常规油气资源勘探开发的重要措施之一，但由于非常规油气藏与常规油气藏的储层特征存在巨大差异，因此对压裂液的要求也不相同。近年来，滑溜水压裂已成为国外开采致密气藏的主要增产技术，滑溜水具有低黏度、低成本、对致密气藏低伤害等优点，可以大大减少在裂缝及井筒中的残留凝胶量，降低对地层的伤害并提高产量，还可以节约成本［1］。

早在20世纪60年代，国外就开始研究减阻剂，Virk等［2］通过速度测量对减阻流动进行研究，得到了Virk渐近线。美国ARCO石油公司等相继开发出性能较好的减阻剂，将其应用于原油输送过程中，有效地降低了管内摩阻。例如美国墨西哥海湾一条直径250mm的海底原油管道，加入减阻剂后最大输送量从6000×104m3／d增加到8500×104m3／d，取得了良好的经济效益。近年来，高分子材料作为减阻剂得到了广泛应用，如 Magnafloc 101［3］、Nalco ASP-700［4］和 ASP-820［5］等产品均表现出良好的减阻效率。Hunston等［6］总结出高分子材料减阻理论，得到直链型高分子比支链型高分子减阻能力强，而高分子的分子量足够大时才表现出良好的减阻能力，这也为未来高分子减阻剂的设计和合成奠定了基础。

笔者根据减阻理论，研制出改性高分子材料，得到了溶解速度快、配伍性好且减阻性能优良的高分子速溶减阻剂，将其应用于滑溜水体系中，并研究滑溜水体系的减阻效率和岩心伤害性。

1 试验方法

1.1 试验仪器及药品

1）试验仪器 减阻率测试仪 （中国石油大学 （华东））；LDY-1型岩心流动试验仪器 （山东中石大石仪科技有限公司）。

2）试验药品 改性聚丙烯酰胺J60（相对分子质量400×104）；BH助排剂；BH压裂用防水锁剂；BH压裂用解水锁剂；BH压裂用防膨剂。

1.2 减阻性能评价方法

记录测试过程中管路长度、管路内径、不同排量条件下的压差，分别计算出雷诺数与摩阻因数，将所得每组数值计入雷诺数与摩阻因数的关系，可以表现出减阻剂的减阻性能。雷诺数计算公式：

式中：Re为雷诺数，1；Q 为体积流量，m3／s；d为测试段管内径，m；μ为水的运动黏滞系数，m2／s。

摩阻因数计算公式：

式中：f为摩阻因数，1；l为测试段长度，m；ρ为被测流体密度，kg／m3；Δp为测试段两端压差，Pa。

评价用到2条重要的曲线分别是Prantl-Karman曲线与Virk曲线，Prantl-Karman曲线为清水的摩阻因数与雷诺数的关系曲线；Virk曲线是极限减阻曲线，即测得的曲线与之越接近则减阻性越好。

研究所用Prantl-Karman曲线［7］与 Virk曲线［8］对应的公式分别为：

分别在Prantl-Karman坐标下进行拟合［9］：

1.3 滑溜水减阻率测试方法

研究使用的减阻率测试仪的流量范围是0．1～0．3m3／h，依据管内径、测试段长度计算流体的雷诺数在6000～25000之间，分别记录没有加入减阻材料前的流量、对应压差，以及加入减阻材料后的流量和对应压差，按照以下公式计算减阻率：

式中：η为减阻率，%；Δpw为流动相是清水时两端压差，Pa；Δps为流动相是滑溜水时两端压差，Pa。

1.4 速溶性能评价方法

速溶能力测试是评价减阻剂是否能在短时间内表现出良好的减阻能力，以满足连续混配作业的要求。其方法是测试减阻剂加入水中搅拌2min时的减阻率，与其完全溶解后的测试结果比较，间接测试速溶性能。测试工作直接在仪器的水箱中进行，加入减阻剂后立即开始计时，2min后开启循环泵及系统测试减阻率，随后清洗管路，将减阻剂加入水中后，搅拌20min并静置至充分溶解后测试减阻率。

1.5 岩心伤害性能评价方法

取3块已洗油、洗盐处理的岩心做平行试验，首先用煤油测试每块岩心的原始渗透率，然后使用减阻剂配制的滑溜水对岩心进行污染，再测试污染后的岩心渗透率，通过污染前后渗透率的比值评价其岩心伤害性。

2 结果与讨论

2.1 减阻剂的质量分数对减阻性能的影响

首先测量流体为清水时，不同排量下测试段两端的压差，经过计算得出清水的摩阻因数，清水的摩阻因数基本符合Prantl-Karman曲线，由此证明仪器符合检测要求。然后对含有不同质量分数J60减阻剂的滑溜水体系进行减阻性能测试，计算结果如图1所示，随着J60质量分数的增加，其f-Re曲线不断接近Virk极限减阻曲线，说明减阻能力随减阻剂质量分数的增加而增强。当质量分数达到0．03%后，继续增加J60减阻剂的质量分数，摩阻因数的降低不明显，综上考虑施工成本及对地层的伤害，确定J60的使用质量分数为0．03%。

2.2 减阻剂的速溶性能评价

先将防膨剂、助排剂等助剂加入仪器水箱中，再加入质量分数为0．03%的J60减阻剂。分两组进行测试：①搅拌2min；②搅拌2h。测试结果如图2所示，两种溶液减阻能力几乎一致。因此J60减阻剂的溶解速度完全可以满足连续混配压裂的要求。

2.3 滑溜水的减阻性能评价

由图2可以看出，随着雷诺数的增加，减阻率逐渐增大，该滑溜水体系在雷诺数为15000时，减阻率已达到65%以上，说明其

图1 不同质量分数的J60减阻剂对减阻性能的影响

具有良好的减阻性能。

2.4 减阻剂的配伍性评价

将J60减阻剂与防膨剂、助排剂、防水锁剂等在烧杯中混合均匀，观察其配伍性，结果如图3所示，减阻剂与其他助剂配伍性良好，混合后无沉淀、无分层。

2.5 岩心伤害性能评价

为保证使用J60减阻剂进行压裂等施工后，目的层仍具有良好的渗透率，对含有质量分数0．03%的J60滑溜水进行岩心伤害性能评价，试验结果如表1所示。可以看出，该滑溜水对岩心渗透率伤害率较低，3次平行试验结果均小于10%，使用该滑溜水进行施工，地层渗透率保持率可达90%以上，说明该滑溜水体系对地层低伤害很小。

图2 溶解不同时间J60的减阻率

2.6 现场应用效果分析

自2013年1月开始，J60减阻剂在苏里格地区已现场应用3井次。图4为苏20-9-22井的施工曲线图，该井于2013年5月14日采用滑溜水和胶凝酸体系进行酸压施工。

图4中标出了滑溜水施工段，依据使用油管尺寸、长度及清水摩阻因数等计算清水摩阻，与实际测试摩阻比较，依据式 （7）计算减阻率。经计算，施工排量为3．2、3．5、3．8m3／min时减阻率分别为 50．0%、73．5%、76．8%。

图3 减阻剂的配伍性照片

表1 减阻剂岩心伤害评价

图4 苏20-9-22井施工曲线

3 结论

1）研究以减阻理论为基础，通过试验研究出一种可应用于滑溜水体系的减阻剂J60，其最佳使用质量分数为0．03%，应用该减阻剂的滑溜水减阻能力可达65%以上。

2）J60减阻剂溶解速度快，溶解2min即可表现出良好的减阻能力，该减阻剂不仅可应用于传统配液压裂的方式，还可以应用于连续混配压裂技术中。减阻剂J60已施工应用3井次，均表现出良好的减阻性能。

本文属中石油渤海钻探工程有限公司重大科研项目 （2013ZD05K）产出论文。

［1］Brannon H D．Eliminating slickwater fracturing compromises for improved shale stimulation［J］．SPE147485，2011．

［2］Virk P S．The toms phenomenon：turbulent pipe flow of silute polymer solutions［J］．J Fluid Mech，1967，30 （2）：305～328．

［3］Al-Sarkhi A，Abu-Nada E，Batayneh M．Effect of drag reducing polymer on air-water annular flow in an inclined pipe ［J］．Int J Multiphase Flow，2006，32：926～934．

［4］Mowla D，Naderi A．Experimental study of drag reduction by apolymeric additive in slug two-phase flow of crude oil and air in horizontal pipes［J］．Chem Eng Sci，2006，61 （5）：1549～1554．

［5］Ahmed K．Effects of salinity and temperature on drag reduction characteristics of polymers in straight circular pipes［J］．Journal of Petroleum Science and Engineering，2009，67：23～33．

［6］Hunston D L．Effects of molecular weight distribution in drag reduction and shear degradation［J］．Journal of Polymer Science，1976，14 （3）：713～727．

［7］Dean R B．Reynolds number dependence of skin friction and other bulk flow variables in two-dimensional rectangular duct flow ［J］．J Fluids Eng，1978，100：215～223．

［8］Virk P S．Drag reduction fundamentals［J］．Aiche Journal，1975，21 （4）：625～626．

［9］许鹏，王德忠，扈黎光，等 ．低浓度CTAC减阻流体流动性能试验研究 ［J］．热能动力工程，2002，17（6）：585～588．