壓裂液摩阻影響因素分析

楊 超，肖 兵

（中石化中原石油工程有限公司井下特種作業(yè)公司，河南濮陽 457164）

摩阻壓力是油氣井壓裂處理的一項(xiàng)重要參數(shù)，很多時候油氣井能否用壓裂作為增產(chǎn)措施，主要取決于壓裂液在管柱中流動時產(chǎn)生的摩阻。隨著世界石油工業(yè)形勢的日趨嚴(yán)峻，各類高壓、超深或致密油氣藏的壓裂改造，及頁巖氣井大規(guī)模壓裂（排量甚至達(dá)到20 m3以上），由于受井口、管柱、施工設(shè)備的耐壓限制[1-2]，若不能降低管柱內(nèi)的摩阻損失，就無法達(dá)到壓裂施工的目的。由于壓裂液具有“湍流降阻特征”[3-4]，因而能使油氣井的水力壓裂取得極大的成功。因此本文主要研究水基胍膠壓裂液中各種添加劑對其所產(chǎn)生的摩阻影響，從而在施工中盡量降低由此類因素而引起的摩阻，從而達(dá)到壓裂施工的目的。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與原理

FPR-170 管道流動儀（見圖1），由美國TN 科技有限責(zé)任公司生產(chǎn)，可分析不同流體在不同剪切速率、溫度下的流變性能。其主要原理是測量流體在達(dá)到紊流狀態(tài)（雷諾數(shù)Re＞3 000）[5]后，一定剪切速率下，流經(jīng)一定長度和直徑的光滑管路時，均產(chǎn)生一定的壓差，由此可知流體所產(chǎn)生的摩阻[5-7]。

圖1 管道流動儀

1.2 實(shí)驗(yàn)藥品

羥丙基胍膠（HPG），二級品，相對分子質(zhì)量約2.5×106，北京寶豐春石油技術(shù)有限公司產(chǎn)品；陰離子聚丙烯酰胺（BHP-2），相對分子質(zhì)量800～1 000 萬，室內(nèi)合成產(chǎn)品；KCl，分析純，鄭州市上街試驗(yàn)化工廠；NaOH，分析純，北京化工廠；可降解纖維，長度10 mm，直徑50 μm，濮陽眾孚有限責(zé)任公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

通過改變稠化劑類型及濃度、KCl、pH、溫度、纖維實(shí)驗(yàn)參數(shù)，分析壓裂液在不同剪切速率下所產(chǎn)生的摩擦壓力變化。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 稠化劑類型影響

聚合物分子降阻機(jī)理是減輕和減少液流中的漩渦和渦流，因而能夠抑制紊流，降低摩阻[3]。

溫度15 ℃，用FPR-170 管道流動儀分別對清水及濃度為0.05 %的羥丙基胍膠（HPG）、合成高分子聚合物BHP-2（相對分子質(zhì)量800 萬）進(jìn)行變剪切速率的摩阻測試，結(jié)果（見圖2）。

由圖2 可知，0.05 %HPG 在低剪切速率下所產(chǎn)生的摩阻高于清水產(chǎn)生的摩阻，但在較高剪切速率下又低于清水摩阻的趨勢；0.05 %BHP-2 所產(chǎn)生的摩阻一直低于清水摩阻，而且在較高剪切速率時，摩阻增大幅度減小。因此在壓裂施工過程中高分子聚合物BHP-2在較低的剪切速率下就能顯示出較好的降阻趨勢，而HPG 壓裂液只有在較高排量下才能顯現(xiàn)出降阻趨勢。認(rèn)為應(yīng)該是BHP-2 與HPG 相比具有更高的相對分子質(zhì)量，具有更長的分子鏈結(jié)構(gòu)，因此在低剪切速率下即顯示出優(yōu)異的降摩阻效果。

圖2 稠化劑類型對摩阻影響

2.2 稠化劑濃度影響

溫度15 ℃，用FPR-170 管道流動儀分別對不同濃度的HPG 進(jìn)行變剪切速率的摩阻測試，結(jié)果（見圖3），由結(jié)果可知，在低剪切速率時，摩阻隨著HPG 加入濃度的增高而增大，在高剪切速率時，高濃度的HPG所產(chǎn)生的摩阻有低于低濃度HPG 的趨勢，而且高濃度HPG 產(chǎn)生的摩阻增加幅度低于低濃度HPG。稠化劑濃度和摩阻既不是正比關(guān)系也非反比關(guān)系，因此施工設(shè)計(jì)時，在壓裂液性能滿足儲層要求情況下，可根據(jù)井筒結(jié)構(gòu)、排量等參數(shù)對稠化劑濃度進(jìn)行優(yōu)化，以降低摩阻，使有效水功率最大化。

圖3 稠化劑濃度對壓裂液摩阻影響

2.3 KCl 對摩阻影響

溫度15 ℃，HPG 濃度0.5 %，加入5 %KCl，進(jìn)行變剪切速率的摩阻測試，結(jié)果（見圖4），由結(jié)果可知，由于KCl 的加入，低剪切速率下比0.5 %HPG 所產(chǎn)生的摩阻要大，而且隨著剪切速率的增加所產(chǎn)生的摩阻也有降低趨勢。分析原因應(yīng)該是無機(jī)鹽的加入使空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)增強(qiáng)，n 值相應(yīng)減小；K 值增大，使液相粘度增加。因此對于加重液體應(yīng)考慮鹽的加入對摩阻變化影響，低剪切速率時，非加重液體摩阻較低；高剪切速率時，加重液體有低于非加重液趨勢[1]。

圖4 KCl 對壓裂液摩阻影響

2.4 溫度影響

以0.5 %濃度HPG 為例，改變實(shí)驗(yàn)溫度，觀察溫度對壓裂液摩阻影響，結(jié)果（見圖5），由結(jié)果可知，隨著溫度的升高，體系摩阻有所降低。分析原因應(yīng)該是溫度升高使體系粘度降低所致。

2.5 pH 影響

溫度15 ℃，HPG 濃度0.5 %，用NaOH 調(diào)節(jié)體系pH，觀察pH 對壓裂液摩阻影響，結(jié)果（見圖6），由結(jié)果可知，隨著pH 增大，體系摩阻有降低趨勢，并且pH越大，摩阻降低幅度也越大。分析原因應(yīng)該是pH 增加使液體體系n 值降低，因此具有更好的剪切稀釋性。

圖5 溫度對壓裂液摩阻影響

圖6 pH 對壓裂液摩阻影響

2.6 纖維影響

溫度15 ℃，HPG 濃度為0.5 %，添加0.015 %濃度的纖維，觀察纖維對壓裂液摩阻影響，結(jié)果（見表1），由結(jié)果可知由于纖維的加入，摩阻有明顯下降。分析原因主要有：（1）纖維加入使體系n 值增大，K 值減小，表觀粘度降低，降低了摩阻[1]；（2）抑制了管線內(nèi)形成湍流漩渦（即邊界層效應(yīng)），從而降低了摩阻。

3 結(jié)論及建議

（1）通過改變實(shí)驗(yàn)條件對壓裂液進(jìn)行變切摩阻測試，發(fā)現(xiàn)0.05 %HPG 和BHP-2 相比，大分子量的BHP-2 表現(xiàn)出更低的摩阻趨勢；在低剪切速率時，摩阻隨著HPG 加入濃度的增高而增大，在高剪切速率時，高濃度的HPG 所產(chǎn)生的摩阻又低于低濃度HPG的趨勢；KCl 的加入，低剪切速率下比所產(chǎn)生的摩阻要大，而且隨著剪切速率的增加所產(chǎn)生的摩阻也有降低趨勢；隨著pH 增大，體系摩阻有降低趨勢，并且pH 越大，摩阻降低幅度也越大；隨著溫度的升高，體系摩阻有所降低；纖維的加入，摩阻有明顯下降，因此現(xiàn)場施工時可通過控制此類因素，將壓裂液在管柱中流動時產(chǎn)生的摩阻降至最低，從而有效降低所需水功率，以達(dá)到滿足現(xiàn)場壓裂施工的目的。

（2）由于實(shí)驗(yàn)條件限制，暫時無法模擬交聯(lián)劑及支撐劑添加對體系摩阻的影響，仍需進(jìn)一步改進(jìn)研究。

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