油氣田開發(fā)中湍流減阻劑及其應用研究進展

司曉冬，羅明良，李明忠，賈曉涵，楊玉玲，戰(zhàn)永平

(中國石油大學(華東) 石油工程學院，山東 青島 266580)

隨著我國石油與天然氣消費量日益增長，持續(xù)高效開發(fā)油氣資源和節(jié)約能源相結(jié)合是應對能源不足的重要途徑。在油氣田開發(fā)過程中，如油氣集輸、壓裂液高速泵注、連續(xù)油管注液等過程會產(chǎn)生嚴重的湍流現(xiàn)象，流動阻力增加，導致大量的湍流能耗[1]。1948年Toms無意中發(fā)現(xiàn)聚合物能有效減小流動摩擦阻力[2]。從此，聚合物湍流減阻受到了廣泛的關注和研究，到20世紀80年代，聚合物減阻劑已在石油管道輸送、頁巖儲層壓裂等領域發(fā)揮了重要作用[3-4]。但聚合物在高溫、強機械剪切等條件下會被降解，其湍流減阻能力明顯下降，甚至永久性喪失。后來，不少研究指出表面活性劑也能有效降低流動摩阻，減阻率能高達90%，并具有高溫、剪切恢復特性，在很多湍流場合應用潛力很大[5]。近年來，納米材料與技術發(fā)展迅速，納米材料在減阻方面表現(xiàn)出良好應用前景[6]。因此，本文歸納總結(jié)了減阻劑的類型、湍流特性、湍流減阻機理，重點綜述了減阻劑在油氣田開發(fā)領域的應用研究進展，并展望了納米材料在湍流減阻中的應用前景，以期為我國油氣田開發(fā)減阻劑的研發(fā)與應用提供借鑒。

1 湍流減阻劑研究進展

1.1 減阻劑類型

目前，油氣田開發(fā)中用的湍流減阻劑主要包括聚合物和表面活性劑兩大類。

聚合物類減阻劑主要有人工合成聚合物：聚氧化乙烯(PEO)、聚乙丁烯(PIB)、聚丙烯酰胺(PAM)、聚丙烯酸酯、乙丙共聚物(EP)、聚α-烯烴等[7-9]。天然聚合物減阻劑主要有瓜膠(GG)、黃原膠(XG)、阿拉伯樹膠(GA)、羧甲基纖維素(CMC)等[10-12]。

減阻用表面活性劑主要有陽離子表面活性劑：十六烷基三甲基氯化銨、烯醇基季銨鹽、Gemini季銨鹽等季銨鹽類；陰離子表面活性劑如4-苯乙烯磺酸鈉；兩性表面活性劑如十二烷基二甲基氧化氨等[13-15]。

經(jīng)過研究人員不懈的努力，聚合物減阻劑的耐溫、耐鹽、耐剪切等性能得到了較大提高，但研發(fā)高效減阻、經(jīng)濟環(huán)保、響應外界刺激的減阻劑仍然是業(yè)界的難點和熱點之一。相較于聚合物減阻劑，表面活性劑體系具有剪切恢復等優(yōu)點，但在油氣田開發(fā)作業(yè)復雜環(huán)境中，仍存在強剪切失效、與其它添加劑(如壓裂液助劑)配伍性差等不足之處，因此無論是材料的選擇與研發(fā)，還是減阻影響因素以及減阻機理的探索等方面仍需要進一步攻關與探索。

1.2 湍流減阻特性

湍流流動極不規(guī)則，加劇了能量耗散，會增加流動阻力，導致能源浪費、管道等設備使用壽命減少等。只有在湍流流動下添加劑減阻現(xiàn)象才比較明顯，但并非流動雷諾數(shù)越大越好，存在一個臨界雷諾數(shù)使得減阻劑的湍流減阻效率最高，超過臨界雷諾數(shù)，減阻效果反而會下降。目前，減阻劑流動摩阻系數(shù)都遵循一定的極限公式，表面活性劑溶液、聚合物溶液、牛頓流體分別遵循極限公式(1)、(2)、(3)[16]。

fs=0.315Re-0.55

(1)

fp=0.58Re-0.58

(2)

fw=0.073Re-0.25

(3)

其中，f是指范寧摩擦系數(shù)，描述流動阻力大小的物理量，見公式(4)[17]；Re是指流動雷諾數(shù)，見公式(5)。

(4)

(5)

其中，ΔP是測試段壓降，Pa；H,W,L分別指測試管線的寬、高和長，m；ρ指測試流體密度，kg/m3；ν指測試流體的運動粘度，m2/s；U指測試流體的平均速率，m/s；D指測試儀器管線直徑，m。用摩擦阻力系數(shù)來定義減阻率，當測試儀器(見圖2)固定時，可用壓降來計算減阻率，見公式(6)[18]。

(6)

其中，fw為清水的摩擦阻力系數(shù)；f為測試流體的摩擦阻力系數(shù)；ΔPw為清水的壓降，Pa；ΔP是測試流體的壓降，Pa。

圖1 一種室內(nèi)常用的管線湍流摩阻測試系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of a typical pipeline turbulent friction test system

1.3 減阻機理

從20世紀50年代開始，聚合物減阻劑獲得了廣泛的關注和研究，隨著研究的深入，人們提出了很多假說來解釋減阻機理，比較有代表性的理論包括偽塑說、有效滑移說、湍流脈動抑制說、粘彈說等，其中被廣泛接受的主要有湍流脈動抑制說和粘彈說兩種[19]。

(1)湍流脈動抑制說。由于聚合物和表面活性劑主要針對湍流才有減阻現(xiàn)象，對于層流幾乎起不到減阻效果，因此有學者提出減阻劑能抑制湍流旋渦的產(chǎn)生，改變湍流旋渦結(jié)構，減弱湍流脈動強度，從而減少能量耗散，起到減阻效果。見圖2(a)，管道湍流一般分為3種流態(tài)：粘性底層、緩沖層、湍流層。無減阻劑時，管壁附近存在一個較窄的粘性底層，流動規(guī)則，對流與能量耗散小，摩擦阻力?。还艿乐行母浇幱谕牧鳡顟B(tài)，流動不規(guī)則，湍流旋渦大，質(zhì)量和能量的平均擴散遠大于層流狀態(tài)；緩沖層流動介于層流和湍流之間，對流和能量擴散相對緩和。而減阻劑的加入能抑制湍流脈動，減少能量耗散，增加粘性底層和緩沖層的區(qū)間，見圖2(b)。從定性分析角度，該假說能很好地解釋聚合物湍流減阻現(xiàn)象。

圖2 減阻劑抑制湍流脈動示意圖Fig.2 Schematic diagram of drag reducer for suppressing turbulence pulsation

(2)粘彈說。目前，湍流減阻用聚合物和表面活性劑一般都有一定的粘彈性，聚合物通過自身分子鏈(表面活性劑通過蠕蟲狀膠束網(wǎng)狀結(jié)構)與湍流旋渦相互作用，通過彈性微觀結(jié)構吸收部分湍流渦流能量，當對流到低應力區(qū)(如管壁層流區(qū))時，再將儲存的能量以彈性波釋放出來，顯著減小湍流能量耗散，達到減阻效果。見圖3(a)，溶液pH值、溫度等條件合適時，表面活性劑會形成復雜的有序膠團結(jié)構，隨著濃度的增加依次經(jīng)歷球狀、棒狀，最終形成可達幾百納米的蠕蟲狀膠束網(wǎng)狀結(jié)構[20-22]。見圖3(b)，溶液中聚合物分子鏈會相互纏繞形成具有粘彈性的分子鏈網(wǎng)狀結(jié)構，能吸收渦流能量降低湍流阻力，當流動剪切足夠大時，網(wǎng)狀結(jié)構被破壞，分子鏈發(fā)生斷裂，會弱化減阻效果甚至完全喪失減阻能力。

圖3 減阻體系微觀結(jié)構示意圖Fig.3 Microstructure of drag reduction systems(a)表面活性劑膠束[21]；(b)聚合物分子鏈網(wǎng)狀結(jié)構[22]

2 減阻劑在油氣田開發(fā)領域的應用研究進展

2.1 減阻劑在非常規(guī)儲層壓裂中的應用

目前，非常規(guī)油氣開采核心技術主要是滑溜水(減阻水)體積(縫網(wǎng))壓裂技術和水平井技術，其中滑溜水壓裂液中核心組分減阻劑是實現(xiàn)體積壓裂改造的重要物質(zhì)基礎之一。壓裂液在高速泵注下，管內(nèi)會出現(xiàn)嚴重的湍流摩阻增加現(xiàn)象，減阻劑加入不僅降低施工摩阻，改善裂縫復雜度，而且減少設備對水馬力的要求，減少設備受損[23]。我國非常規(guī)油氣開發(fā)早期，國外公司對減阻劑的技術封鎖導致滑溜水壓裂液價格高昂，大大提高了非常規(guī)油氣壓裂成本，嚴重影響低油價時代我國非常規(guī)油氣的開發(fā)進程。由于傳統(tǒng)壓裂用表面活性劑/聚合物減阻劑存在易被剪切降解、耐溫耐鹽性能差等缺點，隨著國內(nèi)研究人員持續(xù)攻關，已在壓裂減阻劑制備及應用方面取得了很大進展。劉通義等[24]制備了一種水溶性減阻劑，當其濃度為0.05%時，減阻率為55%，同時能適當提高砂比。孟磊[25]研發(fā)了一種疏水性締合聚合物，其減阻率高達75.5%，攜砂能力也比常規(guī)滑溜水壓裂液更好。范宇恒[26]研究了一種新型水基乳液減阻劑JHFR-2A，并在四川省興文縣一口井深為4 740 m的壓裂井進行了現(xiàn)場實驗，減阻率高達79%，施工壓力明顯降低。高清春等[27]針對西部油田致密碳酸鹽巖儲層高溫、高礦化度特點，合成一種聚合物P(AM-AMPS)，并成功應用于庫車縣境內(nèi)TH121137井的壓裂施工中，在現(xiàn)場溫度為140 ℃、 礦化度為1×105mg/L時，減阻率達到70%以上，施工壓力降低約10%，具有優(yōu)良的耐溫、耐鹽和減阻性能。

由于常規(guī)高分子聚合物/表面活性劑減阻劑在高剪切、高礦化度以及環(huán)境雜質(zhì)等影響下減阻穩(wěn)定性及儲層傷害性等方面依然存在很多不足，還不能完全滿足非常規(guī)油氣儲層特別是高溫深部致密儲層壓裂改造要求。因此，研發(fā)新的減阻型壓裂液體系可以從以下幾個方面考慮：(1)研發(fā)低聚物或表面活性劑類小分子減阻體系，降低對地層的傷害；(2)開發(fā)可調(diào)控粘度的減阻水體系，改善攜砂能力；(3)引入能響應外界刺激的材料如納米顆粒、表面活性劑，提高減阻劑在復雜惡劣環(huán)境中的適應能力；(4)將壓裂減阻與滲吸驅(qū)油相結(jié)合，改善滯留地層中壓裂液的滲吸驅(qū)油能力，提高壓裂液利用率。

2.2 減阻劑在生產(chǎn)原油外輸上的應用

隨著石油工業(yè)的快速發(fā)展，油田生產(chǎn)的大量原油需要外輸，而長距離管道輸送已成為運移原油的一個重要途徑，由于季節(jié)更替、輸量變化、油品性質(zhì)不同、管道腐蝕結(jié)垢等原因，導致輸油量減少及輸油摩阻增加，造成大量不必要的能耗和經(jīng)濟損失。針對該問題，增加泵功或泵的數(shù)量、增建泵站、新建輸油復線、增加熱爐升溫降粘等解決方法已用于實際生產(chǎn)中，但這些方法成本高、工期長、很難維持輸油系統(tǒng)的高效運行[28]。添加劑減阻技術為輸油系統(tǒng)降阻增輸、節(jié)本增效提供了新機遇。近年來，輸油減阻劑的研發(fā)也有較大飛躍。卞海斌等[29]采用二次聚合法制備減阻劑時發(fā)現(xiàn)，MgCl2能調(diào)節(jié)α-烯烴聚合催化劑的活性，改善聚α-烯烴的減阻效果。邢文國等[30]以1-癸烯為聚合單體，以TiCl3/AlR2Cl為催化劑，合成了聚α-烯烴，發(fā)現(xiàn)相對分子質(zhì)量高的聚α-烯烴減阻率較高。李東城等[31]以己烯、辛烯、癸烯和十二烯4種烯烴為聚合單體，以TiCl4/Al(i-Bu)3為催化劑，合成了聚α-烯烴，并采用旋轉(zhuǎn)圓盤測試手段研究了聚α-烯烴的減阻效果，在相對分子質(zhì)量一定時，增加聚α-烯烴的側(cè)鏈長度，可顯著改善聚合物的減阻效果。

原油管道添加劑減阻技術是一種短期措施，能有效減少新建管線和泵站規(guī)模，達到節(jié)本增效的目的。但添加劑減阻技術也不能盲目應用，還需要考慮減阻劑的降解與成本、注入裝置帶來的操作和故障風險以及減阻劑的后續(xù)處理等問題。因此，我國仍需加大對減阻劑的研制與應用規(guī)模，提高減阻劑的利用效率。

2.3 減阻劑在天然氣管道外輸上的應用

隨著我國對天然氣的大力推廣，天然氣消費量日益增加，氣田進一步擴大生產(chǎn)，而氣田集輸管道外輸天然氣時，管壁粗糙會造成氣體渦流摩阻增加，導致輸量減小、能耗變大。目前主要通過涂層減阻技術或增加壓縮機站來解決該問題，但涂層受損后不能重復利用，建設壓縮機站成本高，因此國內(nèi)外研究者提出了天然氣減阻劑減阻技術[32]。20世紀80～90年代，國外已經(jīng)將減阻劑在天然氣管道中進行了實驗和初步應用。我國2000年以后開始研究管輸天然氣減阻劑。邢文國等[33]合成了巰基三氮唑(AAMT)，通過電化學分析及掃描電鏡研究，發(fā)現(xiàn)AAMT能在鋼表面成膜顯著降低鋼片的粗糙度，室內(nèi)減阻測試發(fā)現(xiàn)最大減阻率為10.03%。郭海峰等[34]研制了一種同時具有減阻和緩蝕作用的天然氣減阻劑G10，并于2012～2015年在長慶油田8條集輸管線上成功應用，效果顯著，壓力損耗可降低10%～30%、輸量增加5%～15%。天然氣減阻劑主要是通過吸附管道內(nèi)壁面減小氣體的渦流范圍和渦流強度，從而降低天然氣的輸送能耗。雖然，國內(nèi)在天然氣減阻劑研發(fā)方面獲得了一定成果，但由于成本因素及應用技術不成熟等原因，天然氣減阻劑應用還未推廣開來，需要進一步研究更低本持久、環(huán)保高效的減阻劑。

2.4 減阻劑在連續(xù)油管作業(yè)中的應用

連續(xù)油管(Coiled Tubing)注液是一項油氣田作業(yè)中常見的技術，如鉆井、固井、清洗井眼、水力壓裂等作業(yè)中都有所應用。2006年Shah等[35]研究了聚合物減阻劑Nalco ASP-820在水力光滑直管和連續(xù)油管中的減阻效果，研究發(fā)現(xiàn)，當減阻劑濃度為0.07%，直管湍流減阻率為75%，連續(xù)油管湍流減阻率為60%，認為連續(xù)油管中減阻效果低于直管是因為連續(xù)油管內(nèi)壁更粗糙。2011年Shah等[36]研究了連續(xù)油管中溫度和礦化度對聚合物減阻效果的影響，結(jié)果表明，礦化度和溫度造成的聚合物減阻率偏差在10%左右。傅小麗等[37]通過實驗對比了水溶性PEO、PAM、Gemini黏彈性季銨鹽表面活性劑、極壓潤滑劑4種減阻劑在連續(xù)油管中的減阻效果，測試結(jié)果顯示，相同條件下PAM的減阻效果最佳。鄒鵬等[38]以太古油、非離子表面活性劑、乙二醇等材料制備了一種環(huán)保型連續(xù)油管減阻劑，研究表明，該減阻劑具有pH適用范圍寬、減阻性能顯著等優(yōu)點。

2.5 減阻劑在鉆井液中的應用

鉆井液是鉆井的“血液”，在鉆井作業(yè)中起著非常重要的作用，減阻劑能有效改善鉆井液流變性、耐溫性、觸變性等，從而提高鉆井液的現(xiàn)場適用性。Wu等[39]通過數(shù)值模擬與實驗結(jié)合的方法研究發(fā)現(xiàn)，聚合物鉆井液具有優(yōu)良的除碎屑和減阻性能。蔣官澄等[40]以CTAB和NaSal為主要添加劑，制備了表面活性劑類鉆井液，該鉆井液具有流動摩阻低、易破膠、儲層傷害低等優(yōu)點。陶紅勝等[41]開發(fā)了一種具有潤滑減阻作用的納米乳液鉆井液體系，并在延長石油七平1井實驗中獲得了成功。賈麗洲等[42]研究了頂管施工用新型膨潤土與聚合物潤滑減阻漿液的性能，發(fā)現(xiàn)CMC、黃原膠等聚合物能配合膨潤土泥漿可有效降低頂機負荷，提高推進效率。凌勇等[43]以聚乙二醇二丙烯酸酯、甲基丙烯酸等材料為單體合成了一種新型聚羧酸油井水泥減阻劑BH-D301L，研究表明，該減阻劑通過提高鉆井液耐溫性、觸變性等性能，來適應高溫條件下的現(xiàn)場固井要求。

3 納米材料在減阻方面的研究進展

由于小尺寸效應和布朗運動，納米材料加入流體中可形成比較穩(wěn)定的納米流體懸浮液，具有良好的減阻性能，受到了研究者的廣泛關注。Luo等[44]研究了粘彈性表面活性劑壓裂液中加入熱釋電納米顆粒之后的流變特性和微觀結(jié)構，認為納米顆粒表面連接蠕蟲狀膠束，產(chǎn)生一種擬交聯(lián)作用，從而提高壓裂液的流變性和耐溫性。余維初等[45]針對頁巖氣井壓裂研發(fā)了一種JHFR-2納米復合減阻劑，該減阻劑抗溫高達130 ℃，現(xiàn)場施工減阻率達68%。郭旭等[46]探討了在油品聚合物減阻劑中引入納米材料來提高聚合物結(jié)構強度和抗剪切能力的可能性。Yan等[47]對SiO2表面疏水改性，并研究了納米SiO2流體水驅(qū)巖心的流動特性，發(fā)現(xiàn)納米流體在巖石表面形成了超疏水層，既提高了巖心滲透率又通過流體滑移效應產(chǎn)生了減阻效果。龐東山等[48]研究了減阻型納米二氧化硅流體的流變性，發(fā)現(xiàn)流體剪切增稠具有良好的可逆性。Pakzad等[49]用聚二甲基硅氧烷(PDMS)包覆納米SiO2，水潤濕角超過150°形成超疏水表面，減阻率最高達24.6%。國內(nèi)已出現(xiàn)納米材料在實際油田開發(fā)中的應用案例，針對油田注水壓力升高，導致注水泵耗能增加、使用壽命縮短等問題，一種超疏水納米聚硅微粒減阻技術已在江蘇、長慶、新疆油田推廣用，施工成功率90%[50]。

總結(jié)目前納米材料在減阻方面的作用可歸納為兩點：(1)通過自身特性改變固體表面潤濕性，通過超疏水表面起到減阻作用；(2)與表面活性劑膠束或聚合物分子鏈形成雜化網(wǎng)絡結(jié)構，提高減阻體系的結(jié)構強度、耐溫性能和抗剪切能力等。

4 展望

由于實際應用中高溫、低溫、高流速、雜質(zhì)多等惡劣環(huán)境的影響，且考慮材料成本和環(huán)境保護等因素，低成本、適用范圍廣、環(huán)保高效減阻體系將是未來重點研發(fā)的方向。納米材料因其具有獨特的物理化學特性，在湍流減阻、提高傳統(tǒng)減阻劑結(jié)構穩(wěn)定性、改善減阻體系流變性等方面具有很大的應用潛力，但因其價格昂貴、減阻機理復雜、推廣難度大等問題，相關研究仍處于起步階段。因此，有必要進一步研究低本高效環(huán)保的功能型納米復合減阻體系，為油氣田高效開發(fā)提供技術保障。