根据页岩储层脆、塑性的不同, 体积压裂用液体有滑溜水、线性胶、弱凝胶等多种类型[1]。由于页岩压裂用液量大, 施工排量高, 传统逐罐配液模式已不能满足“工厂化”压裂的需求, 连续混配工艺就是把以前和现在一直沿用的预先配液变成边配边施工的连续式作业, 所有的化学药剂都在施工过程中逐渐加入。国外压裂公司在1985年就开发了压裂液连续混配工艺[2](Continuous-mix Process)。目前, 国外的BJ、Halliburton、Schlumberger等知名公司均在发展、实施这一施工技术。随着液体、设备、仪表等技术的不断进步, 目前已经能够在现场施工条件下实施数百到万余立方米的压裂液、多段式连续混配施工。
与传统配液方式相比, 连续混配技术具有以下几个显著优点:
(1) 配液准备时间大大缩短、劳动强度低。
(2) 压裂液性能可根据施工需求随时调整, 实现配液与施工实时匹配。
(3) 液体不需要现场存放, 可避免压裂液腐烂变质; 化学药剂简化, 如杀菌剂可取消。
(4) 液罐用量极少, 或者不需要液罐, 减小了井场占用面积。
滑溜水是页岩气“工厂化”压裂的主要液体技术, 由降阻剂、助排剂、黏土稳定剂、杀菌剂等配制而成, 由于所有添加剂均可制成流体状, 因此, 连续混配流程相对简单。降阻剂是滑溜水连续混配中最重要的添加剂, 为提高滑溜水连续混配的稳定性, 要求降阻剂具有良好的流动、分散性能, 能迅速在数秒内完全地水化溶解。降阻剂自身黏度过大, 流动性差, 添加剂泵抽吸困难, 且不能实现精确计量; 降阻剂溶解时间过长, 压裂作业中降阻性能差[3]。实践表明, 乳液降阻剂黏度在100~150 mPa·s之间, 具有较好的流动性能, 降阻剂的溶解时间小于30 s, 能够满足连续混配作业要求。
粉末瓜尔胶的溶解分散性能是线形胶、弱凝胶压裂液实现连续混配的关键。影响瓜尔胶溶胀性能的因素较多, 瓜尔胶表面改性程度影响其在水中的分散性能; 颗粒大小、搅拌速率、温度、水溶液pH值等影响溶解速度。
(1) 瓜尔胶分散性能。在100 mL自来水中快速加入0.5 g胶粉(5 s内加完), 静置10 s, 再用玻璃棒缓慢搅拌, 观察不同胶粉在水中的分散情况(见图 1)。改性速溶瓜尔胶粉表面加入了纳米包裹材料, 大大改善了胶粉的流动分散性能, 延缓了水分子与表面瓜尔胶分子的接触时间, 使得水分子能均匀地进入胶粉颗粒的内部, 在水中就不会产生胶包粉即“鱼眼”现象。
普通瓜尔胶粉表面的瓜尔胶分子与水接触后, 立即水化起黏产生胶质层, 阻碍水分子进一步渗透进入粉末内部。一旦外部被水化形成凝胶层后, 就会出现胶包粉现象, 限制了瓜尔胶的均匀溶解。瓜尔胶溶解理论表明, 其分子链上含有大量亲水基团—羟丙基, 在中性和弱酸性条件下, 溶液中的H+与瓜尔胶分子链上的OH-发生水合作用, 可加速水化溶胀; 而在碱性溶液中, OH-可抑制瓜尔胶羟基的水合。依据此原理, 在加入胶粉前, 先将配液用水调节为弱碱性, 观察普通瓜尔胶粉在碱性水中的分散情况(见图 2)。pH值大于9.0后, 普通瓜尔胶粉也不会产生鱼眼现象。为实现普通瓜尔胶的连续混配施工, 可预先将配液用水调节至弱碱性。
(2) 瓜尔胶溶解性能。瓜尔胶颗粒大小、搅拌速率、温度、水溶液pH值等均会影响溶解速度。大量研究表明[4], 搅拌速度越快、温度越高(低于50 ℃范围内)、弱酸性-中性(pH值6~7)环境下, 越有利于瓜尔胶溶解起黏。在诸多影响因素中, 溶液pH值是现场配液条件下较易人为调整的。在25 ℃, 瓜尔胶加量0.5%(w), 搅拌速度600 r/min(模拟现场搅拌)下, 测定了pH值分别为6和7.5时, 普通羟丙基瓜尔胶的溶解起黏情况(见图 3和图 4)。
瓜尔胶溶胀过程中, 表观黏度随时间变化呈现出一定的动力学关系, 其溶解过程可由式(1)描述。
式中:ηt为t时刻聚合物溶液黏度, mPa·s; η∞为聚合物溶液最终黏度, mPa·s; t为溶胀时间, min; k为溶胀速率常数, min-1。
根据测定的黏度曲线, 获取了溶胀速率常数(pH值=6时, k=0.753 6;pH值=7.5时, k= 0.251, η∞=60 mPa·s), 即可计算达到任一黏度下所需的溶解时间。黄依理等人的研究结果表明, 基液黏度达到最大黏度的80%, 流变性能和充分溶解后基本相当, 可满足压裂施工作业要求。pH值分别为6和7.5时, 计算得到瓜尔胶溶解达到80%时所需时间分别为2.28 min和6.4 min。可见, 弱酸性环境更有利于瓜尔胶的溶解起黏。
瓜尔胶的溶胀时间对冻胶流变性能具有较大影响。溶解时间短, 由于水合程度较低, 此时大部分瓜尔胶处于未水合状态, 溶液中没有足够的自由分子链提供交联配位键位, 且黏度下降速度较快, 此时压裂液体系黏度较低, 耐剪切性能差, 携砂和造缝性能大幅度减弱。
在水温25 ℃, pH值=6, 搅拌转速600 r/min下, 根据瓜尔胶溶解动力学方程计算得出的溶解80%的时间点立即取样交联, 和充分溶解的样品开展耐剪切对比实验, 结果见图 5。
当溶胀程度为80%时, 在80 ℃下耐剪切性能与完全溶胀状态下的冻胶黏度相当, 说明溶液中瓜尔胶分子链上已有足够的键位提供交联反应, 冻胶己具有较好的抗温、抗剪切性能。在瓜尔胶溶胀达到一定比例后(80%以上), 再提升瓜尔胶溶胀程度并不能有效增加冻胶最高表观黏度和抗剪切性能, 主要是因为该溶胀程度下, 瓜尔胶分子链己基本溶胀, 此时瓜尔胶已进入后期溶解阶段, 充分溶胀的瓜尔胶分子链更加伸展, 瓜尔胶分子链在伸展状态下交联的冻胶比卷曲状态下冻胶抗剪切性能略为占优。
该项工艺借助于国产连续混配车实现瓜尔胶压裂液的连续混配。该连续混配车主要由液压系统、动力系统、混合系统、搅拌系统、控制系统、粉料输送系统、液体添加剂系统等组成[5]。具有计算机自动控制、压裂液精确配比等功能, 能够实现6~8 m3/min、0.6%(w)高浓度瓜尔胶的连续混配。结合国产连续混配车以及普通羟丙基瓜尔胶溶解特性, 形成的连续混配流程如图 6。
该流程具有以下几个特点:
(1) 电子秤配合螺旋输送机, 实现粉水混配比精确控制。
(2) 高能恒压混合技术, 实现负压吸粉, 解决“水包粉”难题。
(3) 高效水合技术, 实现水合罐中连续搅拌的同时, 保证液体先进先出, 出口黏度均匀一致。
(4) 清水进口添加弱碱性pH值调节剂, 连续混配车进口添加弱酸性pH值调节剂, 实现普通瓜尔胶粉连续混配。
(5) 清水与高浓度瓜尔胶液混合作业模式, 满足12~16 m3/min大排量施工要求。
形成的滑溜水及瓜尔胶连续混配工艺在川渝地区得到了广泛推广应用(见表 1)。在W204H4平台, 实现了滑溜水、瓜尔胶压裂液同时连续混配施工, 该平台累计混配液量达14×104 m3, 滑溜水11×104 m3, 瓜尔胶压裂液3×104 m3。现场配制的压裂液质量高, 外观均匀, 各项技术性能指标均满足设计要求。
(1) 滑溜水连续混配关键在于降阻剂的流动性能及溶解性能, 降阻剂自身黏度控制在100~150 mPa·s之间, 溶解时间小于30 s, 配备高精度液体添加剂泵, 可实现滑溜水连续稳定混配。
(2) 瓜尔胶粉末连续混配的关键是其分散溶解性能, 通过调节配液用水pH值(弱碱性瓜尔胶利于分散, 弱酸性利于瓜尔胶溶解), 依靠特定的连续混配装置, 可实现普通瓜尔胶粉连续混配作业。
(3) 滑溜水、瓜尔胶粉末连续混配技术的实现, 简化了施工程序, 现场试验效果良好, 能满足12~16 m3/min大排量施工要求。
2016, Vol. 45 Issue (3): 57-60
2016, Vol. 45 Issue (3): 57-60