页岩气藏滑溜水压裂用降阻剂性能影响因素研究①

陈鹏飞 唐永帆 刘友权 吴文刚 孙 川 张亚东 龙顺敏

(中国石油西南油气田公司天然气研究院)

随着非常规油气的勘探，尤其是页岩气的勘探开发，大排量、大液量体积压裂模式日益受到重视；而压裂用滑溜水降阻性能好坏直接决定了体积压裂施工的成败。目前研究较多的是聚异丁烯、苯乙烯共聚物、聚乙烯-丙烯共聚物等烯烃类油溶性降阻剂[1-2]，对体积压裂中采用的水溶性乳液类聚丙酰胺及其衍生物降阻剂研究则较少，因此，对体积压裂水溶性降阻剂性能的影响因素进行了研究。

1 实验装置及实验方法

实验均在室温下进行，装置流程示意见图1。回路包括一个30 L的储液罐，在泵的作用下可以以不同流量进行循环，最大流量达35 L/min。液体从储液罐经过流量计测得流量、密度、温度，压力传感器测量不同的压力。实验方法如下：

(1) 在储液罐中装入清水，循环1 min，使管路装满清水，检查流量计、压力传感器，确保量程合适和稳定性。

(2) 循环清水5 min，记录不同流量下的不同压差Δp0、剪切应力、线速度和流量。

(3) 重复步骤(1)。

(4) 加入降阻剂，循环5 min，记录不同流量下的不同压差Δp1、剪切应力、线速度和流量。

(5) 用清水清洗系统。

降阻率计算公式：

FR%=(Δp0-Δp1)/Δp0×100%

(1)

2 结果与讨论

2.1 剪切速率、线速度、雷诺数与降阻性能关系

实验过程中记录了压力、流速、液体密度和液体温度，根据数据可以计算得到雷诺数、剪切速率和线速度。雷诺数的计算公式是：

(2)

式中，ρ为流体密度,kg/m3;v为线速度：m/s;Q为流体流量,m3/s;d为管径，m；μ为流体黏度Pa·s;A为过流断面,m2。

牛顿流体管流时剪切速率与线速度的关系为：

(3)

式中，n为流变行为指数。均按n=1估算：

(4)

式中，Q为流体流量,m3/s;D为剪切速率,s-1;d为管路内径，m。

通常，实验室模拟评价现场降阻性能时是根据相似定律进行的，因此实验室可以依据现场施工的剪切速率、线速度及雷诺数模拟评价现场降阻性能。页岩气体积压裂时一般采用114.3～139.7 mm套管，施工排量8～15 m3/min时，剪切速率700～2 500 s-1，雷诺数1 000 000～3 200 000，线速度11～31.4 m/s。

图2和图3分别是12.7 mm、6.35 mm管径降阻性能评价装置评价得到的剪切速率与降阻性能的关系。从图2可知，当剪切速率小于450 s-1时，水的摩阻小于滑溜水1的摩阻；剪切速率大于450 s-1时，水的摩阻大于滑溜水1的摩阻。而滑溜水2的摩阻一直小于水的摩阻，此时按照剪切速率相似评价滑溜水1、滑溜水2的降阻性能是有效的。但采用其他管径来评价滑溜水1时则出现了差异。由图3可知，只有当剪切速率大于1 500 s-1，滑溜水1才具有降阻性能。如果此时再按照剪切速率(700～1 200 s-1)相似原则评价滑溜水1的降阻性能，结论是滑溜水1不具有降阻性能。由此可见，按照剪切速率相似评价滑溜水降阻性能会出现误差。

从图4～图7可知，随着雷诺数、线速度的增加，降阻性能提高。如按照线速度、雷诺数相似原则，则可以有效评价滑溜水的降阻性能。

2.2 相对分子质量与降阻性能关系

线型高分子链伸展时的长度与其相对分子质量大小成正比，即相对分子质量值大者其分子链伸展时的长度也大，它的均方根末端距值也大，在诸多因素中，相对分子质量对降阻效果影响极为明显[3]。

从图8可知，降阻剂的降阻性能与相对分子质量有直接的关系。当降阻剂的有效浓度一致时，相对分子质量越大，降阻剂的降阻性能越好。相对分子质量为160×104时，降阻性能最差；相对分子质量为1 250×104时，降阻性能最好。

2.3 降阻剂浓度与降阻性能关系

从图9可知，降阻剂CT1-20B的质量分数由0.03%提高到0.10%时，降阻剂的降阻性能也相应提高，但质量分数为0.12%摩阻曲线与质量分数为0.1%的摩阻曲线重合，降阻性能一致。这说明随着降阻剂浓度的增加，降阻性能会提高；但浓度增加到一定程度后降阻性能不再有明显变化。从降阻剂质量分数为0.03%的实验结果可知，随着时间延长，摩阻增大，降阻剂浓度太低，滑溜水耐剪切性能差[9]。

2.4 水质对降阻性能的影响

从图10可知，当采用自来水配制滑溜水时，阳离子和阴离子降阻剂配制的滑溜水降阻性能相当；但采用地层水配制滑溜水后出现了差异[10]，阳离子降阻剂配制的滑溜水与自来水配制的滑溜水降阻性能相当，而阴离子降阻剂配制的滑溜水摩阻迅速增大，在线速度10 m/s时与清水的摩阻接近。可见水质对降阻性能影响较大，当矿化度高时，阳离子降阻剂降阻性能较好。

3 结 论

(1) 小管径模拟现场降阻性能时，剪切速率相同不能有效评价降阻剂的降阻性能，建议采用线速度、雷诺数相同进行模拟。

(2) 降阻剂结构相似，有效浓度一致时，相对分子质量越大，降阻性能越好，但高相对分子质量的降阻剂耐剪切、溶解等性能差，建议选择适宜的相对分子质量。

(3) 降阻剂质量分数增大，降阻性能提高，但质量分数增加到一定值时，降阻性能提高较小，降阻剂质量分数低于一定值时耐剪切性能差。

(4) 水质对降阻剂性能有影响，矿化度高时，阳离子降阻剂降阻性能较好。

参考文献

[1] 富雯婷,管民,李惠萍,等.高聚物型减阻剂减阻性能的研究[J].石油炼制与化工,2009,40(5):66-68.

[2] 罗旗荣,张帆,肖博元,等.减阻剂减阻效果的评价与分析[J].天然气与石油,2010,28(2):8-11.

[3] 沃良华,廖其奠.添加剂分子结构对减阻性能的影响及减阻效果的试验结果[J].上海机械学院学报,1991,13(1):9-12.

[4] Nathan Houston, Matt Blauch, and Dalton Weaver. Fracture-stimulation in the marcellus shale-lessons learned in fluid selection and execution [C]//SPE Eastern Regional Meeting, Charleston, West Virginia, USA: SPE , 2009.

[5] karen bybee.critical evaluation of additives used in shale slickwater fracs[C]//SPE Shale Gas Production Conference, Fort Worth,Texas, USA: SPE , 2008.

[6] Palisch T T , Vincent M C, Handren P J. Slickwater fracturing-food for thought[C]//SPE Annual Technical Conference and Exhibition ,Denver,Colorado,USA: SPE ,2008.

[7] Reynolds M M.Development update for an emerging shale gas giant field-horn river basin, british columbia, Canada[C]//SPE Unconventional Gas Conference, Pittsburgh, Pennsylvania, USA: SPE , 2010.

[8] Mark parker,bily slabaugh.Cas study:optimizing hydraulic fracturing performance in northeastern united states fractured shale formations[C]//SPE Production and Operations Symposiium, Oklahoma City, Oklahoma, USA: SPE , 2003.

[9] 陈鹏飞,刘友权,邓素芬,等.页岩气体积压裂滑溜水的研究及应用[J].石油与天然气化工,2013,42(3):270-274.

[10] 刘友权,陈鹏飞,吴文刚,等.加砂压裂用滑溜水返排液重复利用技术[J].石油与天然气化工,2013,42(5):493-497.