延長陸相頁巖氣滑溜水壓裂用固體減阻劑應(yīng)用分析

何靜，李天太

延長陸相頁巖氣滑溜水壓裂用固體減阻劑應(yīng)用分析

何靜1，李天太2

1.陜西延長石油（集團(tuán)）有限責(zé)任公司研究院（陜西西安710075）
2.西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院（陜西西安710065）

滑溜水壓裂液已經(jīng)成為目前非常規(guī)油氣壓裂液研究的熱點(diǎn)。在調(diào)研延長油田滑溜水壓裂技術(shù)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)對滑溜水壓裂用固體減阻劑進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析，并在物理特性及支撐劑導(dǎo)流能力等方面做了相關(guān)實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明：當(dāng)前10種固體減阻劑均以聚丙烯酰胺為主，70%的樣品在30 min之內(nèi)可以充分溶解，避免了因溶解時(shí)間長而影響壓裂施工；樣品減阻率大于70%的合格率僅為40%。指出，應(yīng)盡快統(tǒng)一產(chǎn)品檢測標(biāo)準(zhǔn)，確保現(xiàn)場壓裂成功。

頁巖氣藏；滑溜水壓裂；減阻劑；導(dǎo)流能力；現(xiàn)場應(yīng)用

頁巖氣是一種優(yōu)質(zhì)、高效、清潔的低碳能源，近年來頁巖氣資源已經(jīng)引起世界各國油氣界密切的關(guān)注[1-2]，同時(shí)也是我國“十三五”關(guān)注的重點(diǎn)。大力推進(jìn)頁巖氣資源戰(zhàn)略調(diào)查和勘探開發(fā)，已成為我國油氣資源領(lǐng)域重要而且迫切的戰(zhàn)略任務(wù)。頁巖儲(chǔ)層具有低孔、低滲的特點(diǎn)，勘探開發(fā)難度大，需要經(jīng)過采用以減阻劑[3]為主的滑溜水體系進(jìn)行大規(guī)模體積壓裂[4]才能獲得比較理想的產(chǎn)量。

目前，滑溜水壓裂液和水平井技術(shù)是美國頁巖氣開采主要采取的核心技術(shù)，其中滑溜水壓裂的關(guān)鍵在于滑溜水減阻劑的質(zhì)量。結(jié)合國內(nèi)外對頁巖氣滑溜水壓裂體系的研究現(xiàn)狀[5]，重點(diǎn)對延長陸相頁巖氣滑溜水壓裂用固體減阻劑的現(xiàn)場應(yīng)用情況進(jìn)行評(píng)價(jià)試驗(yàn)。2011年4月至今，延長油田先后在鄂爾多斯盆地陸相頁巖氣藏進(jìn)行了多口直井的勘探和壓裂施工，隨后對10種滑溜水壓裂用固體減阻劑進(jìn)行黏度、減阻率、溶解性等相關(guān)實(shí)驗(yàn)。通過實(shí)驗(yàn)得知，滑溜水減阻劑多屬于聚丙烯酰胺改性物質(zhì)，但溶解時(shí)間和減阻率參差不齊，下一步應(yīng)該制定企業(yè)用滑溜水減阻劑相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，旨在提高滑溜水壓裂用固體減阻劑整體認(rèn)識(shí)，確保延長頁巖氣壓裂工藝技術(shù)不斷得到優(yōu)化[6]。

1 延長陸相頁巖氣特點(diǎn)

鄂爾多斯盆地延長組陸相頁巖儲(chǔ)層礦物組成以石英、斜長石、黏土礦物為主,石英含量在16%～44%,斜長石含量為12%～32%，黏土礦物含量在23%～64%；黏土礦物以伊蒙混層為主，平均含量在70%以上，綠泥石次之，伊利石與高嶺石含量較少；排驅(qū)壓力大于8.5 MPa，喉道細(xì)小，以小于0.1μm為主；孔隙度在0.5%～3.5%之間，滲透率在0.003 4～0.02× 10-3μm2之間。

2 減阻劑起源

1948年Toms在第一屆國際流變學(xué)會(huì)議上發(fā)表了第一篇有關(guān)減阻的論文，文章指出，以少量的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）溶于氯苯中，摩阻可降低約50%，因此，高聚物減阻又稱Toms效應(yīng)[7-8]。1979年7月7日，美國CONOCO公司生產(chǎn)的減阻劑首次應(yīng)用于橫貫阿拉斯加的原油管道，并取得巨大成功，隨后減阻劑被廣泛應(yīng)用于海上和陸上的數(shù)百條輸油管道[9]。

20世紀(jì)80年代中期中國石油天然氣管道局在鐵嶺至大連、東營至黃島兩條油管道上進(jìn)行CDR減阻的試驗(yàn)。CDR減阻劑是一種由6～20碳原子的烯烴單體聚合而成的高分子聚合物，相對分子質(zhì)量可達(dá)100×104～4 000×104以上。相對分子質(zhì)量越大，主鏈越長，減阻效果越好。近年來，用于開采低滲、低孔非常規(guī)儲(chǔ)層的滑溜水壓裂技術(shù)日益得到了推廣，減阻劑在壓裂液領(lǐng)域的應(yīng)用研究也掀起了一陣熱潮[10]。

3 減阻劑降阻機(jī)理

當(dāng)前國際上主流研究認(rèn)為減阻劑降阻機(jī)理主要有兩方面[11]：①減阻劑分子依靠自身黏彈性，使分子長鏈順著液體流動(dòng)方向延伸，利用分子間引力抵抗流體微元的擾動(dòng)影響，改變流體微元作用力的大小和方向，使一部分徑向力轉(zhuǎn)化為軸向推動(dòng)力，抑制漩渦的產(chǎn)生及大漩渦向小漩渦的轉(zhuǎn)化，從而降低能量損失；②湍流漩渦的一部分動(dòng)能被聚合物分子吸收，以彈性能的形式儲(chǔ)存起來，使漩渦消耗的能量減少，從而達(dá)到降低摩阻損失的目的。

4 減阻劑優(yōu)選與性能評(píng)價(jià)

4.1實(shí)驗(yàn)儀器和材料

實(shí)驗(yàn)儀器包括：Nicolet IS50傅立葉變換紅外光譜儀（美國熱電）；Haake RS6000旋轉(zhuǎn)流變儀（美國熱電）；FRF-1壓裂液流變、摩阻性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)系統(tǒng)（自制）；水浴鍋，pHS-3C酸度計(jì)（上海精科）。

實(shí)驗(yàn)材料主要包括：771、772、860G（古田化工）；FS300（希濤）；XS-1（鑫圣）；7220、7205（森瑞）；RQHG-1（任丘化工）；G1800（新鄉(xiāng)化工）；BGHG-1（倍更）。

4.2實(shí)驗(yàn)方法

4.2.1 溶液的制備

稱取質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%，0.1%和0.15%減阻劑置于一定量的水中，在高速攪拌機(jī)中攪拌5～10 min后，靜置溶解，備用。

4.2.2 紅外譜圖分析

紅外分子光譜法高速度、高靈敏度、高精度，能保持原有物質(zhì)結(jié)構(gòu)不被破壞，最大限度提供物質(zhì)結(jié)構(gòu)成份信息，是分析中最常用的物質(zhì)結(jié)構(gòu)的鑒別方法之一。實(shí)驗(yàn)利用Nicolet IS50傅立葉變換紅外光譜儀快速準(zhǔn)確對減阻劑分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

4.2.3 黏度測定

利用Haake RS6000旋轉(zhuǎn)流變儀測定不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)下減阻劑的黏度。觀察減阻劑分子在不同濃度和剪切速率下減阻劑黏度的變化[12]。

4.2.4 降阻率評(píng)價(jià)方法

利用FRF-1摩阻測定儀,在管徑為6 mm、9 mm,測定不同質(zhì)量流量下減阻劑的管柱摩阻（圖1）。

圖1 摩阻試驗(yàn)測定裝置示意圖

4.3結(jié)果與分析

4.3.1 現(xiàn)場使用固體減阻劑定性分析

減阻劑是制備滑溜水壓裂液的關(guān)鍵組分，其質(zhì)量影響壓裂液性能。實(shí)驗(yàn)采用壓片法對減阻劑在波數(shù)4 000～400 cm-1之間進(jìn)行紅外光掃描分析，將其在各個(gè)特征吸收峰進(jìn)行了對比分析，見圖2～圖5和表1所示。

圖2 簡易洗井裝置圖

圖3 771和772紅外譜圖分析

圖4 7250和7220紅外譜圖

圖5 不同減阻劑紅外譜圖對比

表1 固體減阻劑的紅外光譜特征吸收峰

從紅外特征吸收峰看：10種產(chǎn)品物質(zhì)的紅外譜圖一致。都在波數(shù)為3 341 cm-1、3 185 cm-1、2 931 cm-1、1 640 cm-1、1 600 cm-1、1 498 cm-1、1 442 cm-1、1 310 cm-1、1 174 cm-1、1 123 cm-1、951 cm-1有吸收，并且吸收峰的強(qiáng)度和形狀一致。利用Nicolet IS50傅立葉變換紅外光譜儀專用譜圖解釋軟件對上述10種物質(zhì)的紅外譜圖進(jìn)行譜解析，且與聚丙烯酰胺的標(biāo)準(zhǔn)譜圖一致。由此推斷10種物質(zhì)屬于同一類。

4.3.2 現(xiàn)場使用固體減阻劑的物性分析

目前滑溜水壓裂用固體減阻劑評(píng)價(jià)還沒有統(tǒng)一行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。依據(jù)NB/T 14003.1—2015《頁巖氣儲(chǔ)層改造第2部分：滑溜水性能指標(biāo)及評(píng)價(jià)方法》、DB61/T 575—2013《壓裂用滑溜水體系》對延長油田現(xiàn)場所用固體減阻劑的外觀、溶解時(shí)間、pH值、減阻率和黏度進(jìn)行分析、實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見表2。

由表2可知，溶解時(shí)間小于30 min的樣品合格率為70%；以0.1%加量，黏度小于5 mPa·s的樣品合格率為70%；減阻率大于70%時(shí)樣品合格率僅為40%。因此，在進(jìn)行減阻劑評(píng)價(jià)時(shí)我們應(yīng)該綜合考慮其物理性質(zhì)，嚴(yán)把質(zhì)量關(guān)。

4.3.3 不同減阻劑加量對黏度影響

加量是影響滑溜水壓裂體系的重要影響因素之一。由表3可以看出，隨著加量的不斷增大，溶液表觀黏度上升。這是因?yàn)楦邼舛葧r(shí)，分子間的間距越小，鏈間或鏈內(nèi)相互無序纏繞以及鏈之間的相互作用加強(qiáng)，表現(xiàn)為體系的黏度增加即假塑性增強(qiáng)。在現(xiàn)場施工過程中通過調(diào)整減阻劑加量來滿足壓裂對黏度的要求。

4.3.4 稠度系數(shù)對比（0.1%）

因此由冪率模型和Cross經(jīng)驗(yàn)方程進(jìn)行擬合，其流變性符合Herschel-Buckley模型公式T=Ty+（Kr）n。式中T為剪切應(yīng)力；Ty為屈服應(yīng)力；r為剪切速率；K為表觀黏度或稠度系數(shù)；n為流動(dòng)指數(shù)與流體性質(zhì)有關(guān)。稠度系數(shù)k增大，流動(dòng)指數(shù)n逐漸減小，越來越偏離1，說明非牛頓流體特性越來越強(qiáng)。低剪切速率下黏度較高，對支撐劑懸浮有利；高剪切速率下黏度低，穩(wěn)定性好，對降低流動(dòng)阻力有利；黏彈性恢復(fù)能力強(qiáng)，攜砂能力好。對于假塑性流體，n值取值范圍在0～1.0之間，n值越小意味著假塑性程度越大（表4）。

表2 10種固體減阻劑指標(biāo)（0.1%加量）

表3 減阻劑加量對其黏度影響

表4 不同減阻劑稠度系數(shù)對比

4.3.5 滑溜水壓裂用固體減阻劑對支撐劑導(dǎo)流能力的影響

由圖6、圖7可知，不同粒徑支撐劑在高閉合壓力下導(dǎo)流能力保持率逐漸趨于一致，212～380μm（40～70目）支撐劑破碎率小，可以獲得75%～85%的理想導(dǎo)流能力。在閉合壓力30 MPa的條件下，212～380μm（40～70目）的支撐劑導(dǎo)流能力大約是380～830μm（20～40目）支撐劑的1/5，但攜砂液卻可以多攜帶3～4倍體積的212～380μm（40～70目）支撐劑進(jìn)入地層。

圖6 不同粒徑滲透率變化曲線

圖7 不同粒徑導(dǎo)流能力變化曲線

對頁巖儲(chǔ)層來說，產(chǎn)生更長更多的裂縫，相對來說支撐層的導(dǎo)流能力是次要的，因此，頁巖氣壓裂支撐劑的粒徑可以小一些。

5 減阻機(jī)理探索

結(jié)合延長陸相頁巖氣10種減阻劑類型、相對分子質(zhì)量、分子結(jié)構(gòu)等特征，對其固體減阻劑性能進(jìn)行歸納。減阻劑的降阻效果取決于溶液中減阻劑分子的旋轉(zhuǎn)半徑和主鏈結(jié)構(gòu)的彈性。旋轉(zhuǎn)半徑越大，主鏈彈性越強(qiáng)，則減阻劑分子鏈在溶液中運(yùn)動(dòng)變形能力越強(qiáng)，降阻效果越好。分子直鏈長短也會(huì)對降阻效果產(chǎn)生影響。分子直鏈太短，無法實(shí)現(xiàn)有效降阻；若聚合物分子直鏈太長，在高剪切速率環(huán)境易發(fā)生斷裂，也會(huì)影響降阻效果。

6 結(jié)論

通過對延長陸相頁巖氣滑溜水壓裂用10種固體減阻劑現(xiàn)場取樣實(shí)驗(yàn)分析表明：當(dāng)前固體減阻劑都是以聚丙烯酰胺改性為主。溶解時(shí)間小于30 min的合格率僅為70%；減阻率大于70%的合格率僅為40%。這兩項(xiàng)指標(biāo)對滑溜水壓裂液配制起著決定性作用，因?yàn)槿芙鈺r(shí)間長增加了配液時(shí)間和成本，減阻率低導(dǎo)致摩阻高。因此，為了確?；锼畨毫岩菏┕こ晒?，應(yīng)盡快建立滑溜水壓裂用固體減阻劑企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

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Slickwater fracturing fluid has become the hot research of the fracturing fluid for unconventional oil and gas reservoir. Based on the investigation and research on the slickwater fracturing technology in Yanchang Oilfield,the structure of solid drag reducing agents for slippery water fracturing was analyzed,and the experiments related to the physical property of the solid drag reducing agents and the seepage capacity of proppant were carried out.The results show that,the main component of 10 kinds of solid drag reducing agents used at present is polyacrylamide,and 70%of the samples can be dissolved within 30 min,which avoids the influence of long dissolution time on fracturing construction;only 40%of the samples have the drag reduction ratio of more than 70%.It is pointed out that,a unified product testing standard for the solid drag reducers should be formulated as soon as possible to ensure the success of fracturing.

shale gas reservoir;slickwater fracturing;drag reducer;seepage capacity;field application

賈強(qiáng)

2016-12-27

陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程項(xiàng)目“陸相頁巖氣儲(chǔ)層壓裂改造工藝技術(shù)攻關(guān)”（編號(hào)：2012KTZB03-03-03-01）。

何靜（1988-），女，助理工程師，現(xiàn)在主要從事油田壓裂工作液的優(yōu)化與研究工作。