石油与天然气化工  2014, Vol. 43 Issue (4): 405-408
页岩气藏滑溜水压裂用降阻剂性能影响因素研究
陈鹏飞 , 唐永帆 , 刘友权 , 吴文刚 , 孙川 , 张亚东 , 龙顺敏     
中国石油西南油气田公司天然气研究院
收稿日期：2014-01-10
基金项目：国家重点基础研究发展计划（973计划）“南方海相典型区块页岩气开发理论与技术”（2013CB228006）
作者简介：陈鹏飞(1980-), 男, 2008年毕业于西南石油大学, 硕士研究生, 工程师。现在中国石油西南油气田公司天然气研究院从事压裂酸化技术研究工作。地址:(610213)四川省成都市华阳天研路218号天然气研究院油气田开发化学研究所。电话:028-85604526.
摘要：“大排量、大液量”体积压裂日益成为页岩气藏开发的有效方式，降阻性能是体积压裂液体关键性能，直接决定了体积压裂的成败。研究了剪切速率、线速度、雷诺数、降阻剂相对分子质量、降阻剂质量分数与降阻性能的关系，水质对降阻性能的影响。结果表明，模拟现场降阻性能时，采用剪切速率相似原则并不能完全有效地评价滑溜水降阻性能，建议依据线速度、雷诺数相似模拟；降阻剂结构相似，有效浓度一致时，相对分子质量越大降阻性能越好，但高相对分子质量降阻剂耐剪切、溶解等性能差；降阻剂质量分数提高，降阻性能提高，但质量分数增加到一定值时，降阻性能提高较小，降阻剂质量分数低于一定值时耐剪切性能差；水质对降阻剂性能有影响，矿化度高时，阳离子降阻剂降阻性能较好。
关键词：体积压裂    降阻剂    降阻性能    相对分子质量    线速度    
Influencing factors of friction reducer in shale slickwater fracturing
Chen Pengfei , Tang Yongfan , Liu Youquan , Wu Wengang , Sun Chuan , Zhang Yadong , Long Shunmin     
Research Institute of Natural Gas Technology, PetroChina Southwest Oil and Gasfield Company, Chengdu 610213, Sichuan, China
Abstract: Large displacement and large amount of fluid volume fracturing is increasingly becoming an effective way of shale gas reservoir development. The friction reducer performance is the critical performance of volume fracturing which directly determines the success or failure of the volume fracturing. This paper studied the relationship among "shear velocity, linear velocity, the Reynolds number, relative molecular mass, concentration and water quality"with the friction reducer performance. The results showed that using shear rate similar principle could not effectively evaluate friction reducer performance of slickwater. The performance of friction reducing was recommended to be evaluated by the linear velocity and Reynolds similar principle. When the friction reducers had similar structure and consistent effective concentration, the bigger relative molecular mass, the friction reducing performance was better. But high relative molecular mass would cause the cut-resistant and dissolving performance poorly. The concentration of friction reducer increased, the friction reducing performance improved, but when the concentration increased to a certain value, the friction reducing performance increased smaller; when friction reducer concentration was lower than a certain value, the cut-resistant performance was poor. Water quality had an impact on friction reducer performance, namely higher the salinity, better the cationic friction reducer performance.
Key Words: volume fracturing    friction reducer    friction reducing performance    relative molecular mass    linear velocity    

随着非常规油气的勘探，尤其是页岩气的勘探开发，大排量、大液量体积压裂模式日益受到重视；而压裂用滑溜水降阻性能好坏直接决定了体积压裂施工的成败。目前研究较多的是聚异丁烯、苯乙烯共聚物、聚乙烯-丙烯共聚物等烯烃类油溶性降阻剂[1-2]，对体积压裂中采用的水溶性乳液类聚丙酰胺及其衍生物降阻剂研究则较少，因此，对体积压裂水溶性降阻剂性能的影响因素进行了研究。

1 实验装置及实验方法

实验均在室温下进行，装置流程示意见图 1。回路包括一个30 L的储液罐，在泵的作用下可以以不同流量进行循环，最大流量达35 L/min。液体从储液罐经过流量计测得流量、密度、温度，压力传感器测量不同的压力。实验方法如下：

图 1     降阻性能评价装置 Figure 1     Evaluation device of friction reducing performance

(1) 在储液罐中装入清水，循环1 min，使管路装满清水，检查流量计、压力传感器，确保量程合适和稳定性。

(2) 循环清水5 min，记录不同流量下的不同压差Δp0、剪切应力、线速度和流量。

(3) 重复步骤(1)。

(4) 加入降阻剂，循环5 min，记录不同流量下的不同压差Δp1、剪切应力、线速度和流量。

(5) 用清水清洗系统。

降阻率计算公式：

(1)
2 结果与讨论
2.1 剪切速率、线速度、雷诺数与降阻性能关系

实验过程中记录了压力、流速、液体密度和液体温度，根据数据可以计算得到雷诺数、剪切速率和线速度。雷诺数的计算公式是：

(2)

式中，ρ为流体密度, kg/m3; v为线速度：m/s; Q为流体流量, m3/s; d为管径，m；μ为流体黏度Pa·s; A为过流断面, m2。

牛顿流体管流时剪切速率与线速度的关系为：

(3)

式中，n为流变行为指数。均按n=1估算：

(4)

式中，Q为流体流量, m3/s; D为剪切速率, s-1; d为管路内径，m。

通常，实验室模拟评价现场降阻性能时是根据相似定律进行的，因此实验室可以依据现场施工的剪切速率、线速度及雷诺数模拟评价现场降阻性能。页岩气体积压裂时一般采用114.3~139.7 mm套管，施工排量8~15 m3/min时，剪切速率700~2 500 s-1，雷诺数1 000 000~3 200 000，线速度11~31.4 m/s。

图 2和图 3分别是12.7 mm、6.35 mm管径降阻性能评价装置评价得到的剪切速率与降阻性能的关系。从图 2可知，当剪切速率小于450 s-1时，水的摩阻小于滑溜水1的摩阻；剪切速率大于450 s-1时，水的摩阻大于滑溜水1的摩阻。而滑溜水2的摩阻一直小于水的摩阻，此时按照剪切速率相似评价滑溜水1、滑溜水2的降阻性能是有效的。但采用其他管径来评价滑溜水1时则出现了差异。由图 3可知，只有当剪切速率大于1 500 s-1，滑溜水1才具有降阻性能。如果此时再按照剪切速率(700~1 200 s-1)相似原则评价滑溜水1的降阻性能，结论是滑溜水1不具有降阻性能。由此可见，按照剪切速率相似评价滑溜水降阻性能会出现误差。

图 2     剪切速率与摩阻的关系(12.7mm管径) Figure 2     Relation between shear velocity and friction

图 3     剪切速率与摩阻的关系(6.35mm管径) Figure 3     Relation between shear velocity and friction

从图 4~图 7可知，随着雷诺数、线速度的增加，降阻性能提高。如按照线速度、雷诺数相似原则，则可以有效评价滑溜水的降阻性能。

图 4     雷诺数与摩阻的关系 Figure 4     Relation between the Reynolds number and friction

图 5     雷诺数与摩阻的关系 Figure 5     Relation between the Reynolds number and friction

图 6     线速率与摩阻的关系 Figure 6     Relation between linear velocity and friction

图 7     线速率与摩阻的关系 Figure 7     Relation between linear velocity and friction

2.2 相对分子质量与降阻性能关系

线型高分子链伸展时的长度与其相对分子质量大小成正比，即相对分子质量值大者其分子链伸展时的长度也大，它的均方根末端距值也大，在诸多因素中，相对分子质量对降阻效果影响极为明显[3]。

从图 8可知，降阻剂的降阻性能与相对分子质量有直接的关系。当降阻剂的有效浓度一致时，相对分子质量越大，降阻剂的降阻性能越好。相对分子质量为160×104时，降阻性能最差；相对分子质量为1 250×104时，降阻性能最好。

图 8     降阻剂相对分子质量与摩阻的关系 Figure 8     Relation between relative molecular mass and friction

2.3 降阻剂浓度与降阻性能关系

从图 9可知，降阻剂CT1-20B的质量分数由0.03%提高到0.10%时，降阻剂的降阻性能也相应提高，但质量分数为0.12%摩阻曲线与质量分数为0.1%的摩阻曲线重合，降阻性能一致。这说明随着降阻剂浓度的增加，降阻性能会提高；但浓度增加到一定程度后降阻性能不再有明显变化。从降阻剂质量分数为0.03%的实验结果可知，随着时间延长，摩阻增大，降阻剂浓度太低，滑溜水耐剪切性能差[9]。

图 9     降阻剂浓度与摩阻的关系 Figure 9     Relation between friction reducer concentration mass and friction

2.4 水质对降阻性能的影响

从图 10可知，当采用自来水配制滑溜水时，阳离子和阴离子降阻剂配制的滑溜水降阻性能相当；但采用地层水配制滑溜水后出现了差异[10]，阳离子降阻剂配制的滑溜水与自来水配制的滑溜水降阻性能相当，而阴离子降阻剂配制的滑溜水摩阻迅速增大，在线速度10 m/s时与清水的摩阻接近。可见水质对降阻性能影响较大，当矿化度高时，阳离子降阻剂降阻性能较好。

图 10     水质对摩阻的影响 Figure 10     Effect of water quality on friction

3 结论

(1) 小管径模拟现场降阻性能时，剪切速率相同不能有效评价降阻剂的降阻性能，建议采用线速度、雷诺数相同进行模拟。

(2) 降阻剂结构相似，有效浓度一致时，相对分子质量越大，降阻性能越好，但高相对分子质量的降阻剂耐剪切、溶解等性能差，建议选择适宜的相对分子质量。

(3) 降阻剂质量分数增大，降阻性能提高，但质量分数增加到一定值时，降阻性能提高较小，降阻剂质量分数低于一定值时耐剪切性能差。

(4) 水质对降阻剂性能有影响，矿化度高时，阳离子降阻剂降阻性能较好。

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