水溶性減阻劑性能研究與現場應用

裴穎杰 馬思卉

摘要：由于滑溜水壓裂液體系成本低，對地層傷害較小，目前在頁巖氣壓裂施工中被廣泛使用。滑溜水壓裂液體系的核心藥劑是減阻劑，其影響著壓裂液體系的性能和效果。本文詳細闡述了減阻劑的減阻機理，并從減阻性能、黏度及溶解性能、減阻劑濃度的優化、相對分子質量等方面對減阻劑性能進行研究分析，現場優選出聚丙烯酰胺作為焦頁196-5HF井的減阻劑且濃度為0.1%，經現場壓裂施工后，減阻效果十分明顯，測試穩定日產氣量49.3萬方/天。

關鍵詞：頁巖氣；滑溜水壓裂；減阻機理

1 引言

滑溜水壓裂液又叫減阻水壓裂液，是指在清水中加入減阻劑、助排劑、黏土穩定劑、表面活性劑等添加劑的一種壓裂液，盡管這些添加劑含量較低，通常總含量在1%以下，但是這些添加劑卻發揮著重要作用[1]。尤其是減阻劑的加入可大大降低壓裂液與管柱間的摩擦阻力，減少能量消耗。

2 減阻機理

2.1黏性機理

Lumley認為聚合物拉伸后黏度會明顯增大。減阻劑溶液在管道中流動時，靠近流體邊界層湍流區的減阻劑分子受到流體的拉伸而黏度增加，較大的拉伸黏度抑制了湍流向邊界層破裂的程度，從而降低湍流耗散，減少摩擦阻力[2]。

2.2彈性機理

De Gennes認為湍流流動時，位于高應變速率區的減阻劑可吸收渦旋區中小尺度渦旋耗散的能量，并貯存在適度伸展的聚合物分子鏈中，湍流旋渦的部分動能被減阻劑分子吸收，漩渦動能減少，旋渦消耗能也隨之減少。當伸展的儲能減阻劑分子擴散到低應變速率區時，減阻劑分子又將儲存的彈性勢能釋放返回流體，高分子與湍流相互作用，儲存并釋放湍流中的渦流由大尺度變成小尺度時消耗的能量，從而抑制湍流的發展，減少流動過程中的摩擦阻力。

3減阻劑性能研究

3.1減阻性能

減阻性能是指當流體處于紊流區后，依靠減阻劑分子間相互引力抵抗流體質點的作用力，改變流體質點的作用方向和大小，使一部分做無用功的徑向力轉化為順流向的軸向力，從而減少無用功的消耗，宏觀上表現出減少流體的摩阻損失。減阻劑的減阻性能，具體表現為減阻劑溶液流速加快和摩阻壓降減少。當壓力一定時，減阻效果表現為流速的增加，當流量一定時，減阻效果表現為摩阻壓降的減少。因此可使用增速率和減阻率這2個指標，而目前國內外常用減阻率這一指標來評價減阻劑的減阻性能。減阻率可通過下列公式計算：式中，DR為減阻率，P為未加減阻劑時流體的摩阻壓降，PDR為加入減阻劑后流體的摩阻壓降。

由于頁巖氣現場壓裂施工排量較大，施工摩阻較高。所以應選擇減阻率較高、減阻性能好的減阻劑，其可以有效降低摩阻，提高壓裂效果。

3.2黏度及溶解性能

頁巖氣壓裂規模一般較大，需要的壓裂液較多，這就要求現場配制壓裂液時要簡潔方便。當減阻劑黏度太高，不但不能滿足滑溜水低黏度要求，而且不利于液體濾失和波及儲層裂縫。當溶解速率過低時，致使減阻劑在水中不能快速分散，會形成魚眼，不能滿足現場大規模快速連續混配需求。因此，現場應選用低粘度、溶解速率快的減阻劑來滿足快速連續混配的需要。

圖1為高分子聚丙烯酰胺減阻劑的速解性能評價，從圖中可以看出，減阻劑在30s內完全溶解，可以滿足頁巖氣連續混配的要求[3]。

3.3濃度的優化

根據減阻劑在不同濃度0.05%、0.1%、0.2%下的剪切摩阻實驗，從圖2可以看出，在較低剪切速率范圍內，減阻率隨濃度的增加而降低。在高剪切速率范圍內，減阻率隨濃度的增加而增大。所以，在不同剪切速率范圍內，減阻劑產品應該有一個最佳濃度值[4]，此時的減阻率最大，減阻效果最好。根據現場壓裂時流體在管柱內的剪切速率為1000-3000s-1，確定最佳濃度值在0.1%左右。

3.5相對分子質量的影響

從圖3中可以看出，不同類型減阻劑中，相對分子質量越高，其施工摩阻越小，減阻性能越好。

4現場應用

綜合上述研究，焦頁196-5HF井決定采用聚丙烯酰胺減阻劑，它是一種線團結構的長鏈大分子，其相對分子質量較大，溶解速率快，溶液分散均勻，具有良好的減阻性能和熱穩定性，目前已成為頁巖氣滑溜水壓裂液體系中的核心藥劑。

該井壓裂施工分為20段，具體滑溜水配方如下：第1段采用0.12%減阻劑+0.2%復合防膨劑+0.1%復合增效劑+0.02%消泡劑；其余段采用0.1%減阻劑+0.2%復合防膨劑+0.1%復合增效劑+0.02%消泡劑。

在配液過程中聚丙烯酰胺減阻劑由于溶解速率非常快，溶液分散均勻，滿足現場壓裂連續混配的需要，施工壓力50.9MPa，停泵壓力33MPa，壓裂后采用12mm油嘴控制放噴，套壓28.5MPa，測試穩定日產氣量49.3萬方/天。

5結論與認識

（1）由于頁巖氣現場壓裂施工排量較大，施工摩阻較高。所以應選擇減阻率較高、減阻性能好的減阻劑可以有效降低摩擦阻力，提高壓裂效果。

（2）減阻劑作為滑溜水壓裂液體系的核心藥劑，直接決定了壓裂液體系的性能和應用，該井優化確定最佳濃度值在0.1%左右。

（3）聚丙烯酰胺減阻劑因具有溶解速率快，溶液分散均勻等特征，能滿足現場連續混配的需要，是目前頁巖氣滑溜水壓裂液中使用最廣泛的水溶性減阻劑。

參考文獻

[1] 蔣官澄，許偉星等.國外減阻水壓裂液技術及其研究進展[J].特種油氣藏，2013，20（1）：1-6.

[2] 張文龍，伊卓等.水溶性減阻劑在頁巖氣滑溜水壓裂中的應用進展[J].石油化工，2015，44（1）：121-126.

（作者單位：中石化華東油氣分公司采油氣工程服務中心）