水溶性减阻剂性能研究与现场应用
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摘要：由于滑溜水压裂液体系成本低，对地层伤害较小，目前在页岩气压裂施工中被广泛使用。滑溜水压裂液体系的核心药剂是减阻剂，其影响着压裂液体系的性能和效果。本文详细阐述了减阻剂的减阻机理，并从减阻性能、黏度及溶解性能、减阻剂浓度的优化、相对分子质量等方面对减阻剂性能进行研究分析，现场优选出聚丙烯酰胺作为焦页196-5HF井的减阻剂且浓度为0.1%，经现场压裂施工后，减阻效果十分明显，测试稳定日产气量49.3万方/天。
关键词：页岩气；滑溜水压裂；减阻机理
1 引言
滑溜水压裂液又叫减阻水压裂液，是指在清水中加入减阻剂、助排剂、黏土稳定剂、表面活性剂等添加剂的一种压裂液，尽管这些添加剂含量较低，通常总含量在1%以下，但是这些添加剂却发挥着重要作用[1]。尤其是减阻剂的加入可大大降低压裂液与管柱间的摩擦阻力，减少能量消耗。
2 减阻机理
2.1黏性机理
Lumley认为聚合物拉伸后黏度会明显增大。减阻剂溶液在管道中流动时，靠近流体边界层湍流区的减阻剂分子受到流体的拉伸而黏度增加，较大的拉伸黏度抑制了湍流向边界层破裂的程度，从而降低湍流耗散，减少摩擦阻力[2]。
2.2弹性机理
De Gennes认为湍流流动时，位于高应变速率区的减阻剂可吸收涡旋区中小尺度涡旋耗散的能量，并贮存在适度伸展的聚合物分子链中，湍流旋涡的部分动能被减阻剂分子吸收，漩涡动能减少，旋涡消耗能也随之减少。当伸展的储能减阻剂分子扩散到低应变速率区时，减阻剂分子又将储存的弹性势能释放返回流体，高分子与湍流相互作用，储存并释放湍流中的涡流由大尺度变成小尺度时消耗的能量，从而抑制湍流的发展，减少流动过程中的摩擦阻力。
3减阻剂性能研究
3.1减阻性能
减阻性能是指当流体处于紊流区后，依靠减阻剂分子间相互引力抵抗流体质点的作用力，改变流体质点的作用方向和大小，使一部分做无用功的径向力转化为顺流向的轴向力，从而减少无用功的消耗，宏观上表现出减少流体的摩阻损失。减阻剂的减阻性能，具体表现为减阻剂溶液流速加快和摩阻压降减少。当压力一定时，减阻效果表现为流速的增加，当流量一定时，减阻效果表现为摩阻压降的减少。因此可使用增速率和减阻率这2个指标，而目前国内外常用减阻率这一指标来评价减阻剂的减阻性能。减阻率可通过下列公式计算：式中，DR为减阻率，P为未加减阻剂时流体的摩阻压降，PDR为加入减阻剂后流体的摩阻压降。
由于页岩气现场压裂施工排量较大，施工摩阻较高。所以应选择减阻率较高、减阻性能好的减阻剂，其可以有效降低摩阻，提高压裂效果。
3.2黏度及溶解性能
页岩气压裂规模一般较大，需要的压裂液较多，这就要求现场配制压裂液时要简洁方便。当减阻剂黏度太高，不但不能满足滑溜水低黏度要求，而且不利于液体滤失和波及储层裂缝。当溶解速率过低时，致使减阻剂在水中不能快速分散，会形成鱼眼，不能满足现场大规模快速连续混配需求。因此，现场应选用低粘度、溶解速率快的减阻剂来满足快速连续混配的需要。
图1为高分子聚丙烯酰胺减阻剂的速解性能评价，从图中可以看出，减阻剂在30s内完全溶解，可以满足页岩气连续混配的要求[3]。
3.3浓度的优化
根据减阻剂在不同浓度0.05%、0.1%、0.2%下的剪切摩阻实验，从图2可以看出，在较低剪切速率范围内，减阻率随浓度的增加而降低。在高剪切速率范围内，减阻率随浓度的增加而增大。所以，在不同剪切速率范围内，减阻剂产品应该有一个最佳浓度值[4]，此时的减阻率最大，减阻效果最好。根据现场压裂时流体在管柱内的剪切速率为1000-3000s-1，确定最佳浓度值在0.1%左右。
3.5相对分子质量的影响
从图3中可以看出，不同类型减阻剂中，相对分子质量越高，其施工摩阻越小，减阻性能越好。
4现场应用
综合上述研究，焦页196-5HF井决定采用聚丙烯酰胺减阻剂，它是一种线团结构的长链大分子，其相对分子质量较大，溶解速率快，溶液分散均匀，具有良好的减阻性能和热稳定性，目前已成为页岩气滑溜水压裂液体系中的核心药剂。
该井压裂施工分为20段，具体滑溜水配方如下：第1段采用0.12%减阻剂+0.2%复合防膨剂+0.1%复合增效剂+0.02%消泡剂；其余段采用0.1%减阻剂+0.2%复合防膨剂+0.1%复合增效剂+0.02%消泡剂。
在配液过程中聚丙烯酰胺减阻剂由于溶解速率非常快，溶液分散均匀，满足现场压裂连续混配的需要，施工压力50.9MPa，停泵压力33MPa，压裂后采用12mm油嘴控制放喷，套压28.5MPa，测试稳定日产气量49.3万方/天。
5结论与认识
（1）由于页岩气现场压裂施工排量较大，施工摩阻较高。所以应选择减阻率较高、减阻性能好的减阻剂可以有效降低摩擦阻力，提高压裂效果。
（2）减阻剂作为滑溜水压裂液体系的核心药剂，直接决定了压裂液体系的性能和应用，该井优化确定最佳浓度值在0.1%左右。
（3）聚丙烯酰胺减阻剂因具有溶解速率快，溶液分散均匀等特征，能滿足现场连续混配的需要，是目前页岩气滑溜水压裂液中使用最广泛的水溶性减阻剂。
参考文献
[1] 蒋官澄，许伟星等.国外减阻水压裂液技术及其研究进展[J].特种油气藏，2013，20（1）：1-6.
[2] 张文龙，伊卓等.水溶性减阻剂在页岩气滑溜水压裂中的应用进展[J].石油化工，2015，44（1）：121-126.
（作者单位：中石化华东油气分公司采油气工程服务中心）
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