楊 超,肖 兵
(中石化中原石油工程有限公司井下特種作業(yè)公司,河南濮陽 457164)
摩阻壓力是油氣井壓裂處理的一項(xiàng)重要參數(shù),很多時候油氣井能否用壓裂作為增產(chǎn)措施,主要取決于壓裂液在管柱中流動時產(chǎn)生的摩阻。隨著世界石油工業(yè)形勢的日趨嚴(yán)峻,各類高壓、超深或致密油氣藏的壓裂改造,及頁巖氣井大規(guī)模壓裂(排量甚至達(dá)到20 m3以上),由于受井口、管柱、施工設(shè)備的耐壓限制[1-2],若不能降低管柱內(nèi)的摩阻損失,就無法達(dá)到壓裂施工的目的。由于壓裂液具有“湍流降阻特征”[3-4],因而能使油氣井的水力壓裂取得極大的成功。因此本文主要研究水基胍膠壓裂液中各種添加劑對其所產(chǎn)生的摩阻影響,從而在施工中盡量降低由此類因素而引起的摩阻,從而達(dá)到壓裂施工的目的。
FPR-170 管道流動儀(見圖1),由美國TN 科技有限責(zé)任公司生產(chǎn),可分析不同流體在不同剪切速率、溫度下的流變性能。其主要原理是測量流體在達(dá)到紊流狀態(tài)(雷諾數(shù)Re>3 000)[5]后,一定剪切速率下,流經(jīng)一定長度和直徑的光滑管路時,均產(chǎn)生一定的壓差,由此可知流體所產(chǎn)生的摩阻[5-7]。
圖1 管道流動儀
羥丙基胍膠(HPG),二級品,相對分子質(zhì)量約2.5×106,北京寶豐春石油技術(shù)有限公司產(chǎn)品;陰離子聚丙烯酰胺(BHP-2),相對分子質(zhì)量800~1 000 萬,室內(nèi)合成產(chǎn)品;KCl,分析純,鄭州市上街試驗(yàn)化工廠;NaOH,分析純,北京化工廠;可降解纖維,長度10 mm,直徑50 μm,濮陽眾孚有限責(zé)任公司。
通過改變稠化劑類型及濃度、KCl、pH、溫度、纖維實(shí)驗(yàn)參數(shù),分析壓裂液在不同剪切速率下所產(chǎn)生的摩擦壓力變化。
聚合物分子降阻機(jī)理是減輕和減少液流中的漩渦和渦流,因而能夠抑制紊流,降低摩阻[3]。
溫度15 ℃,用FPR-170 管道流動儀分別對清水及濃度為0.05 %的羥丙基胍膠(HPG)、合成高分子聚合物BHP-2(相對分子質(zhì)量800 萬)進(jìn)行變剪切速率的摩阻測試,結(jié)果(見圖2)。
由圖2 可知,0.05 %HPG 在低剪切速率下所產(chǎn)生的摩阻高于清水產(chǎn)生的摩阻,但在較高剪切速率下又低于清水摩阻的趨勢;0.05 %BHP-2 所產(chǎn)生的摩阻一直低于清水摩阻,而且在較高剪切速率時,摩阻增大幅度減小。因此在壓裂施工過程中高分子聚合物BHP-2在較低的剪切速率下就能顯示出較好的降阻趨勢,而HPG 壓裂液只有在較高排量下才能顯現(xiàn)出降阻趨勢。認(rèn)為應(yīng)該是BHP-2 與HPG 相比具有更高的相對分子質(zhì)量,具有更長的分子鏈結(jié)構(gòu),因此在低剪切速率下即顯示出優(yōu)異的降摩阻效果。
圖2 稠化劑類型對摩阻影響
溫度15 ℃,用FPR-170 管道流動儀分別對不同濃度的HPG 進(jìn)行變剪切速率的摩阻測試,結(jié)果(見圖3),由結(jié)果可知,在低剪切速率時,摩阻隨著HPG 加入濃度的增高而增大,在高剪切速率時,高濃度的HPG所產(chǎn)生的摩阻有低于低濃度HPG 的趨勢,而且高濃度HPG 產(chǎn)生的摩阻增加幅度低于低濃度HPG。稠化劑濃度和摩阻既不是正比關(guān)系也非反比關(guān)系,因此施工設(shè)計(jì)時,在壓裂液性能滿足儲層要求情況下,可根據(jù)井筒結(jié)構(gòu)、排量等參數(shù)對稠化劑濃度進(jìn)行優(yōu)化,以降低摩阻,使有效水功率最大化。
圖3 稠化劑濃度對壓裂液摩阻影響
溫度15 ℃,HPG 濃度0.5 %,加入5 %KCl,進(jìn)行變剪切速率的摩阻測試,結(jié)果(見圖4),由結(jié)果可知,由于KCl 的加入,低剪切速率下比0.5 %HPG 所產(chǎn)生的摩阻要大,而且隨著剪切速率的增加所產(chǎn)生的摩阻也有降低趨勢。分析原因應(yīng)該是無機(jī)鹽的加入使空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)增強(qiáng),n 值相應(yīng)減??;K 值增大,使液相粘度增加。因此對于加重液體應(yīng)考慮鹽的加入對摩阻變化影響,低剪切速率時,非加重液體摩阻較低;高剪切速率時,加重液體有低于非加重液趨勢[1]。
圖4 KCl 對壓裂液摩阻影響
以0.5 %濃度HPG 為例,改變實(shí)驗(yàn)溫度,觀察溫度對壓裂液摩阻影響,結(jié)果(見圖5),由結(jié)果可知,隨著溫度的升高,體系摩阻有所降低。分析原因應(yīng)該是溫度升高使體系粘度降低所致。
溫度15 ℃,HPG 濃度0.5 %,用NaOH 調(diào)節(jié)體系pH,觀察pH 對壓裂液摩阻影響,結(jié)果(見圖6),由結(jié)果可知,隨著pH 增大,體系摩阻有降低趨勢,并且pH越大,摩阻降低幅度也越大。分析原因應(yīng)該是pH 增加使液體體系n 值降低,因此具有更好的剪切稀釋性。
圖5 溫度對壓裂液摩阻影響
圖6 pH 對壓裂液摩阻影響
溫度15 ℃,HPG 濃度為0.5 %,添加0.015 %濃度的纖維,觀察纖維對壓裂液摩阻影響,結(jié)果(見表1),由結(jié)果可知由于纖維的加入,摩阻有明顯下降。分析原因主要有:(1)纖維加入使體系n 值增大,K 值減小,表觀粘度降低,降低了摩阻[1];(2)抑制了管線內(nèi)形成湍流漩渦(即邊界層效應(yīng)),從而降低了摩阻。
(1)通過改變實(shí)驗(yàn)條件對壓裂液進(jìn)行變切摩阻測試,發(fā)現(xiàn)0.05 %HPG 和BHP-2 相比,大分子量的BHP-2 表現(xiàn)出更低的摩阻趨勢;在低剪切速率時,摩阻隨著HPG 加入濃度的增高而增大,在高剪切速率時,高濃度的HPG 所產(chǎn)生的摩阻又低于低濃度HPG的趨勢;KCl 的加入,低剪切速率下比所產(chǎn)生的摩阻要大,而且隨著剪切速率的增加所產(chǎn)生的摩阻也有降低趨勢;隨著pH 增大,體系摩阻有降低趨勢,并且pH 越大,摩阻降低幅度也越大;隨著溫度的升高,體系摩阻有所降低;纖維的加入,摩阻有明顯下降,因此現(xiàn)場施工時可通過控制此類因素,將壓裂液在管柱中流動時產(chǎn)生的摩阻降至最低,從而有效降低所需水功率,以達(dá)到滿足現(xiàn)場壓裂施工的目的。
(2)由于實(shí)驗(yàn)條件限制,暫時無法模擬交聯(lián)劑及支撐劑添加對體系摩阻的影響,仍需進(jìn)一步改進(jìn)研究。
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