新型聚合物壓裂液管內攜砂性能研究

呂其超，李兆敏，李賓飛，李松巖，張丁涌

（1.中國石油大學，山東 青島 266580；2.中石化勝利油田有限公司，山東 東營257068）

引 言

中國低滲透、超低滲透油氣田的探明儲量逐年增大，該類油氣田大多需要經過壓裂才能得到工業產能[1-3]，壓裂液性能的優劣是影響壓裂施工和增產效果的一個重要因素，而壓裂液的攜砂能力是保證支撐劑安全有效運送及對裂縫高效填充的基礎[4-6]。現場施工過程中常因泵速、砂比等參數控制不當，導致支撐劑的管內沉積，增加壓裂液流動摩阻甚至發生管內砂堵事故，影響壓裂施工的安全及效果[7-8]。目前常用的靜態懸砂性測試手段無法直觀模擬該類狀況下的壓裂液攜砂[9-13]。筆者采用大型壓裂液管流測試裝置對新型聚合物壓裂液的管內攜砂能力進行了研究，分析了高溫剪切后交聯壓裂液的管內攜砂流動現象，主要包括：水平管內支撐劑沉降和懸浮現象以及豎直管內支撐劑的沉積及底部砂堵現象，在此基礎上，對比分析了新型聚合物壓裂液與常規胍膠壓裂液的攜砂能力，以期為壓裂工藝的改進提供理論支撐。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

主要實驗材料：LP-3A聚合物(東營市現河工貿有限責任公司)，LP-3B聚合物交聯劑（東營市現河工貿有限責任公司)，羥丙基胍膠（東營市信德化工有限責任公司），HTC-160胍膠交聯劑（東營市信德化工有限責任公司），KCl（國藥集團化學試劑有限公司），陶粒支撐劑（粒徑范圍為0.4～0.8mm、東營市現河工貿有限責任公司）。新型聚合物壓裂液的主體配方為 0.5%LP-3A+0.5%LP-3B+2%KCl，交聯胍膠壓裂液的主體配方為 0.5%羥丙基胍膠+0.5%HTC-160+2%KCl（所述比例均為質量比）。

主要實驗設備：大型壓裂液管流測試裝置、AntonPaar MCR302旋轉流變儀、DJ1C攪拌器、TC-202水浴鍋、METTLER TOLEDO電子天平。

1.2 實驗方法

1.2.1 壓裂液基本特性測試

流變性：采用AntonPaar MCR302旋轉流變儀測試壓裂液在剪切速率為170s-1下的表觀黏度，采用震蕩時間掃描測量壓裂液彈性模量和黏性模量，測試溫度為30～90℃；攜砂性：采用陶粒支撐劑與壓裂液攪拌混合，配置成砂比為15%的攜砂壓裂液，在透明恒溫水浴中觀察支撐劑的沉降，測試溫度為90℃。

1.2.2 管內攜砂性實驗

圖1 大型壓裂液管流測試裝置

實驗系統見圖1。壓裂液基液及低砂比攜砂液可在儲罐內配置完成，儲罐內的加熱器可對壓裂液進行加熱，攪拌機可對壓裂液進行攪拌剪切。壓裂液由螺桿泵泵出，然后與經螺旋輸送機輸出的支撐劑顆粒混合配置成攜砂液，支撐劑的輸出速度可由變頻器控制。攜砂液測試段分為水平管測試段和直管測試段，均可實現壓差的監控及流動狀態的可視化，其中水平測試段具有3種不同內徑的管路，管徑分別為1.5、2.0、2.5cm，豎直管管徑為2.0cm。

水平管攜砂測試：水平管測試使用的攜砂液在儲液罐內直接混合形成，攜砂液以一定初始泵速分別泵入3種管徑的水平管，初始泵速應保證支撐劑處于全懸浮狀態，隨后逐漸降低泵速，待支撐劑沉降后再逐漸升高泵速，測試過程中監測攜砂液流動狀態的變化，采集壓差及流量的變化數據。

垂直管攜砂測試：采用儲液罐混合配置低砂比攜砂液，加砂罐輔助加砂形成高砂比攜砂液，攜砂液以固定流速泵入豎直管，控制加砂罐的加砂速度，使攜砂液的砂比以 5%的梯度增加，監測攜砂液的流態及壓差變化，當壓差突然升高時，停止測試。

壓裂液在2種類型管道中測試前，均在儲罐內加熱至90℃并通過攪拌機高速剪切5min，目的是模擬地層溫度升高及管內剪切對壓裂液性能的影響，以便研究攜砂液在加熱及剪切變稀后的攜砂能力。

2 實驗結果及討論

2.1 新型壓裂液基本性能

圖2 壓裂液流變曲線

新型聚合物壓裂液的稠化劑LP-3A是一種由丙烯酰胺（PM）、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙基磺酸鈉（AMPS）、疏水單體合成的三元共聚物，相對分子質量為200×104～300×104，LP-3B是一種針對該型稠化劑的有機鋯復合交聯劑。新型聚合物壓裂液體系具有耐溫性強、摩阻低、攜砂性強等特點。

圖2為壓裂液流變曲線。由圖2可知，聚合物和胍膠均具有良好的耐溫性，其在溫度為90℃、剪切速率170s-1下表觀黏度均高于 150mPa·s。聚合物的表觀黏度雖略低于胍膠，但其彈性模量高于胍膠，同時聚合物彈性模量遠高于黏性模量，在黏彈模量中占主導地位。流體的懸砂能力不僅受黏度影響，更與流體的彈性相關。將不同壓裂液在90℃水浴下恒溫1h后對其懸砂能力進行對比，結果表明聚合物壓裂液的懸砂性明顯高于胍膠壓裂液的懸砂性。聚合物壓裂液的這一流變特性使其具有強懸砂能力，且相對常規胍膠壓裂液具有較低的摩阻。

2.2 壓裂液水平管攜砂

圖3 水平管中聚合物攜砂液流動曲線及流動狀態（砂比30%，管徑2.5cm）

聚合物攜砂液在水平管內的壓力梯度及流速隨時間變化曲線見圖3。聚合物攜砂液初始階段流速較高，流動狀態以A點為代表，此時支撐劑處于全懸浮運移狀態；隨著流速的下降，壓力梯度也隨之下降，直到流速到達B點，即臨界沉降流速VD=0.23m/s時，支撐劑開始沉降到底部，但支撐劑沉降層仍在流動；當流速低于VD之后，管內切面的支撐劑濃度差加大。該階段流動狀態如C點，支撐劑沉降層加厚且流動緩慢甚至呈現靜置狀態。支撐劑的沉降引起過流面積的縮小，導致更高的壓力梯度產生；隨著流速的再次升高，支撐劑被重新攜起，這使過流面積逐漸恢復，壓力梯度降低，當流速到達D點即臨界懸浮點，支撐劑在水平管內再次全懸浮運移。

進一步研究管徑對聚合物壓裂液水平管內攜砂的影響，同時加入常規胍膠壓裂液的對比實驗。圖4為2種壓裂液的支撐劑臨界沉降及懸浮速度與管徑的關系圖。其中砂比為30%的聚合物攜砂液在不同內徑的水平管中臨界沉降速度低于胍膠攜砂液，同時聚合物壓裂液使支撐劑再懸浮的臨界懸浮速度也低于胍膠，聚合物表現出良好的攜砂能力。由圖4可知，管徑對交聯壓裂液中支撐劑臨界沉降及懸浮速度有較強的影響，2種壓裂液的臨界沉降及懸浮速度均隨管徑的增大而升高。在相同的管截面平均流速下，管徑越大，液體對管底的剪切速率越小，剪切力越小，支撐劑更易在管底沉積。當管徑為1.5～2.5cm時，對臨界流速及管徑進行線性擬合，可以看到聚合物攜砂液的臨界沉降及懸浮速度隨管徑的增幅小于胍膠，這說明隨管徑增大對聚合物壓裂液攜砂能力的降低幅度相對較小。

圖4 支撐劑臨界沉降及懸浮速度與管徑關系圖（砂比30%）

圖5 支撐劑臨界沉降及懸浮速度與砂比關系圖（管徑2.5cm）

研究管徑對聚合物及胍膠的攜砂性能影響(砂比為10%～60%),圖5為支撐劑臨界沉降及懸浮速度與砂比關系圖。由圖5可知，2種壓裂液在低砂比階段（砂比為10%～30%）的臨界沉降速度基本保持不變，但到高砂比階段（砂比為30%～60%），臨界沉降速度隨砂比的增大顯著增大。這是因為當支撐劑的濃度升高到一定程度后會出現互相聚集，即“顆粒團聚”現象，這會使支撐劑表現出大顆粒的性質，此時支撐劑的沉降現象加劇。在低砂比階段即使發生支撐劑顆粒的沉降，支撐劑沉積層也能水平運移，在高砂比階段當支撐劑顆粒發生沉降后，支撐劑沉積層底部的水平運移速度迅速降低，并出現沉積層靜止現象，此時壓裂液對支撐劑沉積層的運送效率幾乎為零。圖6中，2種壓裂液的支撐劑臨界懸浮速度高于臨界沉降速度（砂比為10%～60%），主要是由于支撐劑沉積后，顆粒之間的相互作用增強，需要更強的水平作用力帶動其運移，因此臨界懸浮速度相對較高。砂比為 10%～60%時，聚合物支撐劑臨界沉降速度及懸浮速度均低于常規胍膠壓裂液，表現出優良的攜砂能力。

2.3 壓裂液直管攜砂

不同于水平管內的壓裂液攜砂，在垂直管及小角度斜直管的過流斷面上，支撐劑沒有明顯的濃度梯度，但隨著砂比的增高，支撐劑在壓裂液中分布密集并出現“顆粒團聚”效應，支撐劑顆粒群的沉降速度加快，尤其是高砂比時，強烈的“顆粒團聚”效應會導致直管的底部發生支撐劑的動態堆積，進而影響管路流動。圖6為高砂比下聚合物攜砂液在直管底部內的支撐劑沉降規律。當砂比為50%時，直管底部尚未發生支撐劑的堆積，壓裂液可以迅速地將支撐劑攜出；當砂比升高到60%時，支撐劑沉降加快，如圖7中紅圈內出現了支撐劑的沉積層，但仍以一定速度運移；當砂比為80%時，支撐劑的沉積層增厚，直管底部出現了明顯的分層流動，如圖7中紅圈內黃線以上攜砂液迅速運移，黃線以下支撐劑層運移非常緩慢甚至有停止趨勢；當砂比達到90%時，直管底部發生了管內砂堵現象，引起泵壓的迅速增大。

圖6 聚合物攜砂液在直管底部支撐劑沉降規律（初始平均流速0.5m/s）

進一步研究砂比影響下直管內攜砂液平均壓力梯度的變化，隨著砂比的增高，聚合物及胍膠攜砂液的平均壓力梯度逐漸增大，當砂比上升到足以使直管底部出現砂堵現象時，攜砂液平均壓力梯度會突然上升。在相同流速下，聚合物攜砂液發生砂堵時砂比高于胍膠攜砂液。同時對比2種攜砂液在直管內的平均壓力梯度值，聚合物攜砂液在不同砂比下壓力梯度均低于胍膠，表現出低摩阻特性。新型聚合物的這種攜砂優勢有助于提高壓裂液攜砂效能并降低壓力損失，這對于高砂比施工是十分必要的。

3 結 論

（1）新型聚合物壓裂液具有良好的耐溫性，流體彈性模量在黏彈模量中占主導地位，且高于相同溫度條件下交聯胍膠的彈性模量，該流變特性使聚合物靜態懸砂能力強于胍膠壓裂液。

（2）在水平管中，聚合物攜砂液的臨界沉降及臨界懸浮速度隨管徑的增大而升高；砂比升高過程中，攜砂液的臨界沉降及懸浮速度在低砂比階段變化不大，在高砂比階段顯著升高。聚合物攜砂液的2種臨界流速均低于胍膠攜砂液，表現出良好的攜砂能力。

（3）在直管中，隨著砂比的增大，聚合物攜砂液的壓力梯度逐漸升高且支撐劑在管底的沉積現象加劇，當砂比超過一定濃度后直管底部發生砂堵，聚合物攜砂液發生管內砂堵時的砂比高于胍膠攜砂液。

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