纖維壓裂液配制工藝及設備研究

劉 慶，盧亞平，趙 敏，王小寶，廖波蘭

（北京礦冶研究總院，北京100070）①

目前，我國出現了大量的低滲、特低滲油氣田儲層，絕大部分需要壓裂增產，而壓裂液質量直接影響壓裂效果的好壞［1－2］。隨著壓裂技術的不斷發展，對壓裂液的功能和產量提出了新的要求。

纖維壓裂液是一種新型壓裂液，通過纖維與支撐劑間的相互作用形成空間網狀并提供支撐劑與裂縫之間的粘合力，從而將支撐劑穩定在原始位置，而流體可以自由通過，有利于形成有效的裂縫長度，解決了壓后出砂問題，利于支撐劑的反排，從而達到增產的目的。壓裂過程中全程加入纖維，利用纖維對支撐劑的攜帶、分布和運輸作用，不需要通過增加壓裂液的黏度來提高攜砂能力，降低壓裂液中聚合物的濃度，進而降低壓裂液的傷害；同時可以形成更好的裂縫鋪置剖面，使裂縫高度得到相應的控制，獲得更加有效的裂縫支撐長度［3－6］。

目前，國內外對纖維壓裂技術進行了試驗性應用，均取得了很好的效果，而針對纖維壓裂液配制工藝設備的研究較少。

1 配制工藝

1.1 主要成分特性

纖維壓裂液的主要成分是水、瓜爾膠、纖維以及微量的其他添加劑。根據壓裂工藝要求，纖維壓裂液中主要成分瓜爾膠與水的配比通常在0.3%～0.6%之間，纖維與水的配比通常在0.1%～0.3%之間，配制壓裂液時瓜爾膠、纖維與水的均勻融合是配液工藝的關鍵。

1） 瓜爾膠是壓裂液的主要原料，是一種天然有機聚合物，主要化學成分是半乳甘露聚糖。當瓜爾膠粉與水接觸進行水合時，半乳甘露聚糖分子上豐富的羥基與水分子結合，隨著水分子附著在聚合物鏈上的數目增多，聚合物長鏈逐漸展開，與另一聚合物線團相互作用，表觀特性形成了黏稠溶液，形成穩定的親水性膠體。

從物理特性上看，瓜爾膠粉是超細顆粒，具有團聚特性，黏度高，易溶于水。但其與水接觸時很容易形成水包粉團，即“魚眼”現象：外層膠粉迅速溶于水所形成的隔膜包裹內部的干粉。這種水包粉團一旦產生，則很難再被打開。“魚眼”現象的產生，既影響了膠液黏度的釋放，又浪費了大量的膠粉，同時還會影響壓裂施工的效果。因此，配制壓裂液時防止“魚眼”產生，是一項重要指標。

根據以上的分析和研究，可得出如下初步結論：須研制出一種高效水粉混合裝置，這種裝置在膠粉與水接觸的瞬間能產生巨大的沖擊力，使得膠粉迅速分散到水中，均勻地與水溶合，同時確定纖維的添加順序應在膠粉之后，否則會對膠粉的均勻分散起阻礙作用。

2） 壓裂液中添加纖維材料是一項新技術，主要添加的是化學纖維。纖維的特性是其長徑比較大，當量直徑10～25μm，密度1.36～1.38g／cm3。在與液體混合時纖維極易漂浮在液面上，且有成團、成撮現象，難于與膠液均勻溶合。因此，纖維在添加之前需采用適當的方式將其打散，使纖維以松散狀態向壓裂基液中均勻加入，以減少和消除其團聚的可能性，在添加的過程中通過計量裝置控制纖維的添加比例。為使其與膠液充分溶合，獲得纖維濃度均勻一致的壓裂液，消除纖維表面漂浮及團聚現象，尚需采用機械方式迅速強力攪拌，使纖維均勻分散到壓裂基液中，才能配制出均勻合格的纖維壓裂液。

1.2 工藝流程

在對瓜爾膠及纖維進行水溶機理研究的基礎上，制定了如圖1所示的纖維壓裂液配制工藝流程。

圖1 纖維壓裂液配制工藝流程

纖維壓裂液的配制由電動調節閥、供水泵、流量計、膠粉供給裝置、纖維儲供裝置、水粉混合裝置、液氣分離器、接力泵、纖維混合裝置等完成。

清水通過流量計、調節閥進入配制流程，經供水泵加壓后，進入水粉混合裝置，高速水流產生負壓，吸入膠粉供給裝置提供的膠粉，同時吸入纖維儲供裝置提供的膠粉，形成較為均勻的膠液。水粉混合裝置所形成的溶膠液進入氣液分離裝置，釋放溶液中的氣體。再由接力泵加壓后進入纖維混合裝置。纖維溶膠液在纖維混合裝置中受到擠壓、摩擦、撞擊和傳流等綜合作用后，壓裂液黏度釋放率及膠液中纖維混合均勻度均可達到工藝設計要求，經過輸出泵發放到壓裂液儲液裝置中，完成纖維壓裂液的配制。

纖維壓裂液配制中，流量計對進水量進行監測，通過電動調節閥和膠粉、纖維儲供系統，自動調整水粉混配比和纖維混配比。為確保工作中氣液分離裝置不發生溢流情況，供水泵的流量和揚程均低于后段接力泵的流量和揚程；同時，裝置內安裝有液位計，當其中液位達到警戒位置時，自控系統可通過調控進水電動閥的開度對進水量進行調節，保證不溢流。

2 主要設備

2.1 水粉混合裝置

負壓輸送工藝相對來說較適合于黏性粉狀物料與液體的混合，利用射流產生負壓，直接將粉狀物料帶入，完成粉狀物料在液體中的均勻分散。為了獲得良好的混合效果，還需要控制物料輸送時的濃度以及射流所產生的負壓大小，濃度過大即負壓吸送的氣固兩相流中，固體顆粒的含量超過一定的數值，顆粒之間無法充分分離，也就無法均勻分散于液體中，極易產生“魚眼”現象；而濃度過小，又可能無法滿足粉液配比的要求。因此，需通過精密給料裝置控制給粉濃度。一定的給粉濃度需要與相應大小的負壓相匹配，才能使粉狀物料成為懸浮狀態，負壓過小也無法使粉料均勻分散到流動的液體中。負壓的大小主要取決于高效混合器的結構。

水粉混合裝置由中心吸粉管、注水套管、噴嘴、混合室、擴散室等組成，其結構如圖2所示。

圖2 水粉混合裝置結構

工作時，液體經泵增壓后在噴嘴處形成高速射流，由于流速很高，在噴嘴的出口及中心吸粉管內形成負壓，將粉狀物料吸入混合器，混合室內由于高速水射流形成強烈的渦流，可以形成劇烈的切割和攪拌作用，使粉料顆粒之間相互分離，同時充分潤濕，有效防止了粉料聚結使混合液中形成魚眼和黏團的現象。混合器的特點在于固體粉料與空氣混合后進入水中，粉顆粒分散地與水接觸，不出現水包粉團，且高壓水能攜帶粉料高速流動，與管壁進行沖擊，有利于黏性物料膠液黏度的釋放。

混合裝置關鍵變量因素是噴嘴面積A1與吸粉面積A2的比值R＝A1／A2。要選擇最佳的R值，協調處理負壓與吸粉量的關系，在保證吸粉量的同時加大負壓。為使得R值能夠根據配液流量的不同而進行相應的改變，噴嘴設計為可調節形式，通過調節改變水的流量和壓力，使吸粉負壓達到最佳狀態。

水粉混合裝置中心吸粉管的端部外錐面與注水套管端部的內錐面形成的環狀間隙直接形成為噴嘴，簡化了水粉混合裝置的機構。通過結構設計使此環狀間隙大小可調，根據液體流量的不同，調節環逢間隙大小，可控制水粉混合裝置產生足夠大的負壓，這樣形成的高速水射流具有足夠的能量，其產生的負壓既提供了干粉的輸送動力，又增加了干粉與液體的接觸面積，進而迅速濕潤、溶解。此外，這種中心吸粉的方式較好地避免了粉料粘附在混合室內壁的現象，使配液效果持續穩定，也無需經常停機清理混合器內腔。

2.2 纖維儲供裝置

根據單位時間的纖維添加量，決定纖維儲供裝置應有一定的儲量，能夠在配制過程中輸出定量的纖維，同時能夠將纖維有效打散，呈均勻蓬松狀。因此，纖維儲供裝置具有以下功能：

1） 儲存一定數量的纖維，滿足配制一定數量壓裂液的需求。

2） 具有纖維打散機構。

3） 具有輸送計量裝置。

4） 具有可調給料裝置，按照配制量和配比的要求，調整給料速度，將纖維均勻輸送至混合裝置。

針對纖維物料的特性，采用齒狀螺帶打散機構。纖維儲供裝置中安裝有外部齒狀螺帶和內部齒狀螺帶，外部螺帶將纖維推移至儲供裝置中心位置，內部螺帶將纖維推移至儲供裝置兩端，纖維物料在儲供裝置中沿順時針或逆時針方向旋轉，做輻射狀運動，纖維束在運動中被拉散，達到了纖維物料在儲供裝置中呈均勻蓬松狀態，保證了纖維物料的均勻性。纖維儲供裝置結構如圖3所示。

圖3 纖維儲供裝置機構

儲供裝置下部安裝有變頻電機帶動的精密給料裝置，打散均勻的纖維物料通過精密給料裝置均勻、定量地輸送至混合裝置。纖維儲供裝置中纖維物料的質量及給料速度可以通過安裝在下部的電子秤進行監測與計量，變頻電機根據監測與計量信號，調整電機轉速，達到適合要求的纖維給料速度。

2.3 纖維混合裝置

由于纖維密度小，易漂浮在液面上，使得纖維在壓裂液中分布不均，需要設計一種專用混合裝置，確保纖維在壓裂液中的快速均勻分散與溶合。纖維混合裝置的設計需滿足：

1） 使纖維在壓裂液中快速均勻分散與溶合。

2） 可與壓裂液配制裝置配套使用，滿足連續配制纖維壓裂液的要求。

針對工藝要求，將混合裝置設計成管線式結構，便于和壓裂液配制裝置配套使用，保證了纖維壓裂液配制工作的連續性。

管線式混合裝置工作腔中設計有定子和轉子，轉子高速旋轉時所產生的高切線速度和高頻攪拌效應，使物料在定子與轉子狹小的間隙中受到液力剪切、離心擠壓、液層摩擦、撞擊撕裂和傳流等綜合處理。物料經定、轉子綜合處理后，從徑向噴射出來，使得原本不易相溶的固相和液相充分混合。為保證配液質量，設計采用雙層定轉子結構，增加混合裝置的混合能力：纖維物料經第1組定、轉子綜合處理后，從徑向噴射出來，在轉子離心力的作用下，進入第2組定、轉子工作區，再次經定、轉子處理后，從徑向噴射出來。2組定、轉子依次處理后，使得原本不易相溶的纖維固相在壓裂液相中快速均勻分散并充分混合，得到穩定的高質量纖維壓裂液產品。管線式混合裝置結構如圖4所示。

圖4 管線式混合裝置結構

3 配制試驗

在實驗室進行了纖維壓裂液配制試驗，在溫度為10℃、配液流量為0.35m3／min時，進行了不同的粉水混配比和纖維／液配比試驗，檢查纖維壓裂液的混合情況。

表征一個混合狀態的混合度只能是統計學的數值，采用混合均勻度相對偏差（σ）考核纖維混合裝置混合效果［7］。在纖維溶合裝置出口，在一定時間間隔內，選取m個樣品，按以下公式分別計算標準偏差和纖維平均濃度，從而計算出混合均勻度相對偏差σ。

式中：m為取樣次數；xi為纖維濃度為纖維平均濃度。

試驗數據表明：纖維混合裝置具有良好的混合效果，對于混合長度為6mm的纖維，混合均勻度相對偏差均＜5.5%，取得了很好的混合效果，如表1所示。

表1 纖維壓裂液混合均勻度相對偏差

4 結論

1） 在纖維壓裂液的配制工藝中，瓜爾膠粉采用負壓吸入的方式加入，可保證瓜爾膠粉在水中均勻分散，杜絕水包粉的產生；膠粉和纖維的供給均配有精密給料計量裝置，按要求比例均勻添加；纖維添加前呈均勻打散狀態，然后通過纖維溶合裝置，使纖維與膠液均勻溶合。采用此配制工藝和設備，能夠快速配制出符合壓裂要求的高品質纖維壓裂液。

2） 纖維壓裂液已逐漸形成了新型壓裂液體系，目前已成為國內外壓裂液研究中的一個熱點，具有較廣闊的應用前景。纖維壓裂液配制工藝及設備的研究為纖維網絡加砂壓裂工藝的推廣和應用打下了基礎。

［1］姚展華，張世林，韓祥海，等.水平井壓裂工藝技術現狀及展望［J］.石油礦場機械，2012，41（1）：56－61.

［2］姜民政，曹彥鵬，葉 鵬，等.壓裂液在射孔眼處壓力損失規律研究［J］.石油礦場機械，2011，40（3）：1－4.

［3］張紹彬，譚明文，張朝舉，等.實現快速排液的纖維增強壓裂工藝現場應用研究［J］.天然氣工業，2005，25（11）：53－55.

［4］黃禹忠，任 山，蘭 芳，等.纖維網絡加砂壓裂工藝技術先導性試驗［J］.鉆采工藝，2008，31（1）：77－79.

［5］周福建，熊春明，宗貽平，等.纖維復合無篩管防細粉砂技術在澀北氣田的應用.［J］.石油勘探與開發，2006，33（1）：111－114.

［6］Craig H Bivins，Curtis Boney，Chris Fredd，et al.用于水力壓裂的新型纖維［J］.油田新技術，2005（夏季刊）：34－43.

［7］余國琮.化工機械工程手冊［K］.北京：化學工業出版社出版，2003：26－59.