壓裂液摩阻影響因素分析

楊 超，肖 兵

（中石化中原石油工程有限公司井下特種作業公司，河南濮陽 457164）

摩阻壓力是油氣井壓裂處理的一項重要參數，很多時候油氣井能否用壓裂作為增產措施，主要取決于壓裂液在管柱中流動時產生的摩阻。隨著世界石油工業形勢的日趨嚴峻，各類高壓、超深或致密油氣藏的壓裂改造，及頁巖氣井大規模壓裂（排量甚至達到20 m3以上），由于受井口、管柱、施工設備的耐壓限制[1-2]，若不能降低管柱內的摩阻損失，就無法達到壓裂施工的目的。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，從而達到壓裂施工的目的。

1 實驗部分

1.1 實驗設備與原理

FPR-170 管道流動儀（見圖1），由美國TN 科技有限責任公司生產，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到紊流狀態（雷諾數Re＞3 000）[5]后，一定剪切速率下，流經一定長度和直徑的光滑管路時，均產生一定的壓差，由此可知流體所產生的摩阻[5-7]。

圖1 管道流動儀

1.2 實驗藥品

羥丙基胍膠（HPG），二級品，相對分子質量約2.5×106，北京寶豐春石油技術有限公司產品；陰離子聚丙烯酰胺（BHP-2），相對分子質量800～1 000 萬，室內合成產品；KCl，分析純，鄭州市上街試驗化工廠；NaOH，分析純，北京化工廠；可降解纖維，長度10 mm，直徑50 μm，濮陽眾孚有限責任公司。

1.3 實驗方法

通過改變稠化劑類型及濃度、KCl、pH、溫度、纖維實驗參數，分析壓裂液在不同剪切速率下所產生的摩擦壓力變化。

2 實驗結果與分析

2.1 稠化劑類型影響

聚合物分子降阻機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（相對分子質量800 萬）進行變剪切速率的摩阻測試，結果（見圖2）。

由圖2 可知，0.05 %HPG 在低剪切速率下所產生的摩阻高于清水產生的摩阻，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出降阻趨勢。認為應該是BHP-2 與HPG 相比具有更高的相對分子質量，具有更長的分子鏈結構，因此在低剪切速率下即顯示出優異的降摩阻效果。

圖2 稠化劑類型對摩阻影響

2.2 稠化劑濃度影響

溫度15 ℃，用FPR-170 管道流動儀分別對不同濃度的HPG 進行變剪切速率的摩阻測試，結果（見圖3），由結果可知，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所產生的摩阻有低于低濃度HPG 的趨勢，而且高濃度HPG 產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系也非反比關系，因此施工設計時，在壓裂液性能滿足儲層要求情況下，可根據井筒結構、排量等參數對稠化劑濃度進行優化，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

2.3 KCl 對摩阻影響

溫度15 ℃，HPG 濃度0.5 %，加入5 %KCl，進行變剪切速率的摩阻測試，結果（見圖4），由結果可知，由于KCl 的加入，低剪切速率下比0.5 %HPG 所產生的摩阻要大，而且隨著剪切速率的增加所產生的摩阻也有降低趨勢。分析原因應該是無機鹽的加入使空間網架結構增強，n 值相應減小；K 值增大，使液相粘度增加。因此對于加重液體應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

2.4 溫度影響

以0.5 %濃度HPG 為例，改變實驗溫度，觀察溫度對壓裂液摩阻影響，結果（見圖5），由結果可知，隨著溫度的升高，體系摩阻有所降低。分析原因應該是溫度升高使體系粘度降低所致。

2.5 pH 影響

溫度15 ℃，HPG 濃度0.5 %，用NaOH 調節體系pH，觀察pH 對壓裂液摩阻影響，結果（見圖6），由結果可知，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

2.6 纖維影響

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，結果（見表1），由結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）抑制了管線內形成湍流漩渦（即邊界層效應），從而降低了摩阻。

3 結論及建議

（1）通過改變實驗條件對壓裂液進行變切摩阻測試，發現0.05 %HPG 和BHP-2 相比，大分子量的BHP-2 表現出更低的摩阻趨勢；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生的摩阻要大，而且隨著剪切速率的增加所產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生的摩阻降至最低，從而有效降低所需水功率，以達到滿足現場壓裂施工的目的。

（2）由于實驗條件限制，暫時無法模擬交聯劑及支撐劑添加對體系摩阻的影響，仍需進一步改進研究。

［1］ 謝娟，肖兵，曾雨辰，等.抗高溫加重壓裂液的研究與應用［J］.石油化工應用，2011，30（12）：43-46.

［2］ 段志英.高溫深井壓裂液加重技術研究進展［J］.斷塊油氣田，2010，17（4）：500-502.

［3］ 陳大鈞，陳馥，等.油氣田應用化學［M］.北京：石油工業出版社，2006：7.

［4］ 萬仁溥，羅英俊主編.采油技術手冊［M］.北京：石油工業出版社，1998：1.

［5］ 袁恩熙.工程流體力學［M］.北京：石油工業出版社，2000：8.

［6］ K. DeMong，D. Sherman.The Tradeoff Between Surfactant Costs and Water Heating to Enhance Friction Reducer Performance［Z］.SPE 138027，2010.

［7］ Javad Paktinat. Case Studies： Improved Performance of High Brine Friction Reducers in Fracturing Shale Reservoirs［Z］.SPE 148794，2011.

［8］ 劉玉婷，管保山，劉萍，等.纖維對壓裂液攜砂能力的影響［J］.油田化學，2012，29（1）：75-78.