滑溜水壓裂液降阻劑的研制與應用

劉洪濤，解勇珍，許連潔，魏媛茜，王樹森，肖誠誠

（中國石化河南油田分公司石油工程技術研究院，河南鄭州 450018）

近年來，隨著非常規油氣資源勘探開發范圍不斷擴大，適用于開采特低孔、特低滲非常規儲層的滑溜水大型壓裂技術得到了廣泛應用，因而對降阻劑的應用與需求也越來越多。但目前性能良好的國產降阻劑仍處于試驗階段，大多數主要依靠國外進口，成本較高。

本文根據高分子聚合物降阻機理，優選評價出降阻劑主要活性組分UJ，采用正交實驗配比方法，研制了一種可用于壓裂液中的水溶性降阻劑。通過紅外光譜對降阻劑進行了一系列性能表征，并通過管路摩阻測試系統對其降阻效果進行了評價，從而形成降阻劑和滑溜水配方，并在現場得到有效應用。

1 高聚物降阻機理分析

在牛頓流體中溶入少量長鏈高分子添加劑，可以大幅度降低流體在湍流區的運動阻力，減緩湍流的發生。聚合物添加劑降阻是通過從液體內側邊界創造條件，以實現降阻。Baron等采用有限可伸長的柔性啞鈴狀模型對有聚合物添加劑的邊界層進行了直接數值模擬計算，結果表明聚合物添加劑能夠影響流向渦的強度，增大低速帶條的間距，從而減小湍流剪切應力實現降阻。Yarin等則歸結于聚合物稀溶液的高黏度阻礙了渦的擴展，減低了湍流觸發頻率，使得流速更加平穩從而導致了減阻。Den Toonder對有聚合物添加劑的湍流管流進行了直接數值模擬以及激光多普勒風速測量法試驗，結果顯示由聚合物擴散引起的各項異性的黏性應力是導致降阻的主要因素。王海林等用基于單參數的橢球珠簧二元模型，分析了減阻流中聚合物分子的動力學行為，結果表明由于聚合物分子的變形效應，其旋轉頻率隨著剪切率增大而減小，從而提高了流體的穩定性，有利于減阻。因此，高聚物降阻劑在壓裂過程中的的降阻機理可以歸結為兩個方面：①有一定黏度的降阻高聚物分子可以在管道流體中伸展，吸收薄層間的能量，干擾薄層間的液體分子從緩沖區進入紊流核心，從而阻止其形成紊流或減弱紊流程度，使之達到降阻的目的［1］；②高聚物在壓裂管柱內壁吸附降低了液體與管壁的摩擦力，達到降低沿程阻力作用。

2 降阻劑的制備

以形成分散均勻、水溶性好的降阻劑溶液為目標，起到預期降阻作用，進行了降阻劑制備方法研究。為增強降阻主劑在水中的溶解性，選取了以油相作為降阻主劑的基礎溶劑。當油基漿料加入水中，由于漿料中顆粒很小，并且被油包裹，顆粒之間不會快速黏結，保證顆粒自身在水中的溶解，因此，大大改善了降阻劑在水中的溶解性能，可節省現場配制時間。同時向油相中加入一定比例分散劑，通過高速攪拌碰撞摩擦，有力促進了主劑在油相中的分散。選取Span80與Tween80兩種非離子表面活性劑作為乳化劑，是基于這兩種表面活性劑是非離子型，易于調整親水親油平衡值，有利于促使親水性高分子主劑與油相之間具有良好相互作用，增強主劑粉體在油相中的潤濕性，保證能形成均勻的降阻劑溶液。

在此基礎上，設計了降阻劑溶液中組分的質量分數范圍，最終按照正交實驗最優配比，將一定HLB值的乳化劑Span80與Tween80加入到油相中慢速攪拌，形成基礎溶液，乳化劑約占油相的5%左右，并加入一定量分散劑，分散劑占油相的2%～5%，進行高速攪拌，通過高速攪拌中碰撞摩擦，促進主劑分散，降低攪拌速度，逐漸加入主劑UJ，主劑約占油相的35%～40%，添加完畢后，快速攪拌直至形成均勻溶液，即得該降阻劑。

3 降阻效果影響因素分析

降阻劑在多相管流中的降阻效果不僅與管徑大小、管壁粗糙度等管路條件密切相關，降阻劑自身的結構、性質是影響降阻效果的最重要因素，此外溫度、礦化度等環境條件也對降阻效果有一定影響，因此，有必要對其進行深入分析。

3.1 分子量對降阻效果的影響

流體脈動的最小單元不是單個分子，而是由許多分子組成的大小不同的“流體微團”。分子量較大的高分子抑制徑向脈動的能力較強，因此，高聚物相對分子質量是影響高聚物降阻效果的重要因素，一般認為，高聚物分子量需達到106～107萬才具有降阻作用［2］，降阻效果會隨著分子量的增加而增加，隨后達到平衡。

在相同條件下，采用管路摩阻測試系統（圖1）分別對不同分子量活性組分UJ在不同流量下的降阻率進行測試，分析分子量對降阻效果影響，從而確定主劑的最佳分子量，實驗結果見表1。

圖1 摩阻測試系統示意圖

結果顯示，每一種分子量的降阻劑的降阻率隨著流量增加呈上升趨勢，表明降阻劑降阻效果在紊流狀態下更明顯。同時分子量對流體流態也會產生很大影響。通過雷諾數計算可發現，相同條件下，分子量高的降阻劑在低流速下可呈現層流或過渡態。綜合溶解性及降阻效果分析，100～200萬分子量UJ降阻效果更好。

表1 不同分子量在不同流量下降阻率測試結果

3.2 聚合物空間構型對降阻效果的影響

高分子聚合物的降阻性能與主鏈結構、側鏈結構有很大關系，主鏈結構、側鏈結構決定著聚合物分子的柔順性，而柔順性影響著聚合物在流動流體中的行為，鏈柔順性越好，降阻性能越好。支鏈形狀會影響分子量的作用，線型的無支鏈的分子，它的分子量越大，降阻效果越好。目前發現有效的高分子降阻劑多是線性或螺旋性結構的柔性分子［3］。

采用60SXR FTIR0型紅外光譜儀對所研制的降阻劑主要活性組分UJ進行結構表征，由圖2可知3416.21 cm－1處的吸收峰為－OH的伸縮振動；2887.5 cm－1處的吸收峰為－CH2－的對稱伸縮振動；1467.34 cm－1和1342.6 cm－1處的吸收峰為－CH2－的彎曲振動；1281.1 cm－1和1100.17 cm－1處的吸收峰為C－O－C的反對稱和對稱伸縮振動。經紅外譜圖分析，UJ分子鏈是線性規整型螺旋結構，沒有側鏈，因此，其表現出良好的降阻性能。

圖2 UJ紅外光譜圖

3.3 溫度對降阻效果的影響

通常來講，高聚物隨著溫度變化會存在一定程度上降解現象，因此，結合地層條件考察降阻劑不同溫度下的降阻效果十分必要。在20～95℃溫度范圍內，對UJ降阻劑進行了降阻性能測試（圖3），發現其降阻率均可保持在60%左右，表現出良好的耐溫性。

3.4 礦化度對降阻效果的影響

圖3 溫度對降阻效果影響

高聚物的耐鹽性也是考察高聚物性能的重要指標，一些高聚物在地層礦化度條件下，存在黏度降低的現象，特別是Ca2＋、Mg2＋等離子的影響，可導致聚合物的沉淀，影響溶解及性能。在3000～12000 mg／L礦化度內，對UJ降阻劑降阻性能測試（圖4），發現其降阻率均可保持在60%左右，表現出有良好的耐鹽性。

圖4 礦化度對降阻效果影響

4 滑溜水壓裂液體系配方及性能評價

殺菌劑、助排劑、黏土穩定劑等是滑溜水壓裂液除降阻劑以外的重要添加劑。通過綜合評價滑溜水體系降阻性能、防膨性能、表面活性和巖心傷害性能等，最終研制出了滑溜水壓裂液體系配方。

4.1 降阻性能評價

采用管路摩阻測試系統，測試了不同流量下清水及滑溜水壓裂液體系通過管路時的壓降，計算出不同流量下滑溜水壓裂液的降阻率（表2）。從中可知，滑溜水壓裂液體系在多組不同流量條件下，降阻率均可達到60%以上，且在室內條件下，隨著流速的遞增，降阻率呈上升趨勢。

4.2 防膨性能評價

針對非常規油氣儲層物性條件較差的情況，為使儲層得到最大程度上的保護，需在滑溜水壓裂液中加入黏土穩定劑，防止黏土礦物膨脹、脫落、運移，堵塞孔道。采用高溫高壓頁巖膨脹儀對不同黏土穩定劑進行防膨效果評價，以優化滑溜水體系防膨性能。實驗結果見表3，從中可看出，黏土穩定劑ACL具有較好的應用性能。

表2 不同流量下降阻率測試結果

表3 不同防膨劑防膨率實驗結果 %

4.3 表面活性評價

為了減少壓裂液在地層的停留時間，防止壓裂液在地層中滯留產生儲層傷害，需降低壓裂液的表面張力，促進返排，因此，在滑溜水壓裂液中優化添加助排劑。在室內采用自動界面張力儀對常規表面活性劑進行了對比實驗，實驗結果見表4，從中可看出，DL－8助排劑具有較好的表面活性。

表4 不同表面活性劑表面張力測試

4.4 巖心傷害性能評價

基質的滲透率傷害將會影響壓裂施工效果，為考察滑溜水壓裂液配方對巖心基質傷害，選擇人造巖心對優化的滑溜水壓裂液配方進行傷害評價。實驗結果如表5所示。

經過添加劑優選及滑溜水體系性能評價，形成的滑溜水壓裂液體系配方為：（0.05%～0.1%）GCY－1＋（0.5%～1%）黏土穩定劑＋0.2%助排劑＋0.1%殺菌劑。該配方的防膨率為97.2%，降阻率為50%～63%，表面張力為22.3 mN／m，巖心傷害率為15.5%。

表5 巖心傷害評價實驗結果

5 現場應用

目前滑溜水壓裂液現場應用4井次，降阻劑現場溶解速度快，形成的滑溜水壓裂液體系均勻，現場降阻率可達60%以上。

TX3井壓裂施工中采用φ89 mm油管注入，油管下入深度為550 m。該井前半程采用滑溜水壓裂，而后進行活性水壓裂。壓裂管柱中未下入封隔器，從油壓及套壓數據變化即可分析摩阻情況。滑溜水施工階段油壓平均17 MPa，套壓9 MPa，摩阻為8 MPa，活性水施工階段油壓平均32 MPa，套壓10 MPa，摩阻為22 MPa，因而可得降阻率為63.6%，降阻效果良好。

6 結論與認識

（1）以高聚物降阻機理及影響因素分析為基礎，優選出降阻劑主要活性組分UJ，采用正交實驗設計方法，研制出性能優越、成本較低的降阻劑配方，并形成工業產品。

（2）通過對滑溜水壓裂液降阻性、表面活性、防膨性和巖心傷害性等綜合性能進行評價，研制了滑溜水壓裂液配方體系。

（3）應用滑溜水壓裂液體系現場實施4井次，降阻率達到63.6%。

（4）研究開發的滑溜水壓裂液體系技術經濟性強，可以滿足非常規致密氣層壓裂措施需要。

［1］李文端.高分子添加劑對原油的降阻效應及機理［J］.油田化學，1984，1（1）：66－69.

［2］張華平.減阻劑的研究現狀及應用［J］.化學工業與工程技術 ，2011，32（5）：78－81.

［3］何鐘怡.聚合物溶液的兩種層流狀態及降阻機理［J］.力學進展 ，1992，（3）：97－101.