肖 博，張士誠(chéng)，雷 鑫，周 彤，曾 博，陳來(lái)軍

（1.中國(guó)石油大學(xué)（北京）石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102249；2.中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院廊坊分院，河北廊坊065007；3.西部鉆探國(guó)際鉆井公司，新疆烏魯木齊830000）

頁(yè)巖氣藏清水壓裂減阻劑優(yōu)選與性能評(píng)價(jià)

肖 博1，張士誠(chéng)1，雷 鑫1，周 彤1，曾 博2，陳來(lái)軍3

（1.中國(guó)石油大學(xué)（北京）石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102249；2.中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院廊坊分院，河北廊坊065007；3.西部鉆探國(guó)際鉆井公司，新疆烏魯木齊830000）

針對(duì)頁(yè)巖氣藏清水壓裂時(shí)由于施工排量大，導(dǎo)致液體所受剪切速率較高的現(xiàn)狀，利用大型摩阻測(cè)定儀，對(duì)4種陰離子型減阻劑進(jìn)行室內(nèi)評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，4種減阻劑的降阻效果均隨著剪切速率的增大而趨于變好，其中XT-65B的降阻效果最好。通過(guò)分析剪切速率、剪切時(shí)間和剪切路徑等對(duì)減阻劑降阻效果的影響可知：隨著剪切速率的增加，減阻劑降阻率呈下降趨勢(shì)；在低速剪切（500 s-1）條件下，減阻劑降阻率對(duì)剪切時(shí)間不敏感，而在高速剪切（5 000 s-1）時(shí)，減阻劑降阻率隨剪切時(shí)間的增加而急劇下降；不同剪切路徑對(duì)減阻劑降阻效果影響顯著，較高的剪切速率會(huì)對(duì)減阻劑分子結(jié)構(gòu)造成不可恢復(fù)的傷害。由電子顯微鏡對(duì)XT-65B減阻劑剪切前后的分子結(jié)構(gòu)微觀觀測(cè)結(jié)果可見(jiàn)：當(dāng)剪切速率較低（500 s-1）時(shí)，分子結(jié)構(gòu)被輕微破壞；當(dāng)剪切速率較高（5 000 s-1）時(shí)，分子結(jié)構(gòu)破壞較為嚴(yán)重。

頁(yè)巖氣藏清水壓裂減阻劑性能評(píng)價(jià)降阻率高速剪切

頁(yè)巖氣藏基質(zhì)滲透率極低，一般小于0.000 1× 10-3μm2，通常無(wú)自然產(chǎn)能，須使用清水壓裂液進(jìn)行體積壓裂［1-3］。清水壓裂液由98%～99%的清水和極少量的添加劑混配而成，與常規(guī)凍膠壓裂相比，其產(chǎn)生的裂縫幾何形態(tài)更為復(fù)雜，極易與天然微裂縫溝通，產(chǎn)生復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)，從而實(shí)現(xiàn)較大的壓裂增產(chǎn)改造體積［4-5］。為了克服低粘清水壓裂液攜砂不足的弱點(diǎn)，國(guó)外頁(yè)巖氣藏壓裂改造通常采用高排量施工，排量一般大于16 m3/min，甚至高達(dá)19～24 m3/min［6-8］。在紊流流態(tài)下，管柱的沿程摩阻損失與流速的1.75～2次方成正比［9］，說(shuō)明高速泵注不僅使能量損失較大，且對(duì)地面泵注設(shè)備的要求較高。為此，現(xiàn)場(chǎng)常采用在液體中添加減阻劑的方法來(lái)減小壓裂液在管柱中的摩阻損失，以降低地面施工壓力，從而減小施工規(guī)模［10］。效果較好的減阻劑的降阻率高達(dá)50%～70%。常見(jiàn)減阻劑的成分主要是聚合物和表面活性劑。由于表面活性劑類減阻劑具有加量大和不經(jīng)濟(jì)等原因［11］，施工現(xiàn)場(chǎng)常采用聚合物類減阻劑，用量一般為0.01%～0.1%。根據(jù)聚合物分子水解后所呈現(xiàn)的電性特征，一般分為陽(yáng)離子型、陰離子型和非離子型3種減阻劑。陽(yáng)離子型減阻劑價(jià)格較高；要達(dá)到相同的降阻效果，非離子型減阻劑用量要比陰離子型減阻劑高一個(gè)數(shù)量級(jí)；因此，工業(yè)上通常選用陰離子型減阻劑［12-13］。壓裂施工泵注常規(guī)凍膠壓裂液時(shí)的施工排量較?。?4］，而頁(yè)巖氣藏用清水進(jìn)行壓裂時(shí)，由于施工排量較大，流體在管柱內(nèi)雷諾數(shù)（數(shù)量級(jí)為105～107）和剪切速率（約為500～5 000 s-1）均較大，因此，須在較高剪切速率條件下進(jìn)行降阻效果評(píng)價(jià)。

1 減阻劑降阻機(jī)理

減阻劑的降阻機(jī)理非常復(fù)雜［15-16］，目前尚未完全定論。在紊流流態(tài)下，由于流體流動(dòng)中的徑向擾動(dòng)會(huì)產(chǎn)生漩渦，漩渦與管壁之間的動(dòng)量傳遞及大漩渦向小漩渦的轉(zhuǎn)化均伴隨著能量耗散，宏觀表現(xiàn)為摩阻壓降損失［17］。減阻劑降阻原理的主要觀點(diǎn)有：①抑制紊流。減阻劑分子依靠自身粘彈性，使分子長(zhǎng)鏈順著液體流動(dòng)方向延伸，利用分子間引力抵抗流體微元的擾動(dòng)影響，改變流體微元作用力的大小和方向，使一部分徑向力轉(zhuǎn)化為軸向推動(dòng)力，抑制漩渦的產(chǎn)生及大漩渦向小漩渦的轉(zhuǎn)化，從而降低了能量損失。②粘彈性與漩渦相互作用。湍流漩渦的一部分動(dòng)能被聚合物分子吸收，以彈性能的形式儲(chǔ)存起來(lái)，使漩渦消耗的能量減少，從而達(dá)到降低摩阻損失的目的［18］。

減阻劑的降阻效果取決于溶液中減阻劑分子的旋轉(zhuǎn)半徑和主鏈結(jié)構(gòu)的彈性［19］。旋轉(zhuǎn)半徑越大，主鏈彈性越強(qiáng)，則減阻劑分子鏈在溶液中運(yùn)動(dòng)變形能力越強(qiáng)，降阻效果越好。此外，分子直鏈長(zhǎng)短也會(huì)對(duì)降阻效果產(chǎn)生影響。分子直鏈太短，無(wú)法實(shí)現(xiàn)有效降阻；若聚合物分子直鏈太長(zhǎng)，在高剪切速率環(huán)境中易發(fā)生斷裂，也會(huì)影響降阻效果［15-17］。

2 減阻劑優(yōu)選與性能評(píng)價(jià)

2.1 實(shí)驗(yàn)器材

實(shí)驗(yàn)材料主要包括：XT-65A，XT-65B，F(xiàn)S-300 和RY-300共4種陰離子型聚丙烯酰胺減阻劑，其相對(duì)分子質(zhì)量分別約為700×104，1 000×104，500×104和500×104；實(shí)驗(yàn)時(shí)，4種減阻劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.1%，0.1%，0.02%和0.08%。

實(shí)驗(yàn)儀器主要包括：YMC-1型摩阻測(cè)定儀和S360型電子顯微鏡。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

2.2.1 降阻效果評(píng)價(jià)方法

利用摩阻測(cè)定儀，在管徑為10 mm、剪切速率分別為500，1 000，1 500，2 000，2 500，3 000，3 500，4 000，4 500和5 000 s-1的條件下，測(cè)定4種減阻劑的管柱摩阻。

2.2.2 減阻劑穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法

為了評(píng)價(jià)減阻劑分子在高速剪切后，其結(jié)構(gòu)是否遭到破壞，須進(jìn)行減阻劑穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。在剪切速率遞增與剪切速率遞減2種剪切路徑下，比較每種減阻劑的降阻效果，評(píng)價(jià)其穩(wěn)定性。首先按照剪切速率由500—1 000—1 500—2 000—2 500—3 000—3 500—4 000—4 500—5 000 s-1的遞增方式測(cè)定4種減阻劑的管柱摩阻；再測(cè)定剪切速率由5 000—4 000—3 000—2 000—1 000 s-1的遞減方式測(cè)定4種減阻劑的管柱摩阻，對(duì)比分析各自的穩(wěn)定性。

2.2.3 減阻劑剪切前后分子微觀結(jié)構(gòu)觀察方法

利用電子顯微鏡觀察減阻劑分子在高速剪切（5 000 s-1）、低速剪切（500 s-1）后的分子形態(tài)，并與未經(jīng)剪切時(shí)的分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比，觀察不同剪切速率下減阻劑分子結(jié)構(gòu)的變化。

2.3 結(jié)果與分析

2.3.1 剪切速率對(duì)降阻效果的影響

由4種減阻劑在不同剪切速率下的管柱摩阻（圖1）可以看出：4種減阻劑均有明顯的降阻效果，當(dāng)剪切速率較低時(shí)（500～1 500 s-1），降阻效果相差不大，而在較高剪切速率下（大于2 000 s-1），4種減阻劑的降阻效果開(kāi)始出現(xiàn)分化：XT-65B的降阻效果最好，F(xiàn)S-300和XT-65A次之，RY-300降阻效果最差?？傮w而言，4種減阻劑的降阻效果隨著剪切速率的增大而趨于變好。

圖1 4種減阻劑在不同剪切速率下的管柱摩阻

由圖2可知：當(dāng)剪切速率較小時(shí)（500～1 500 s-1），4種減阻劑的降阻效果均較穩(wěn)定，隨著剪切速率的增加，降阻率均呈緩慢減小的趨勢(shì)；隨著剪切速率的進(jìn)一步增加，尤其是當(dāng)剪切速率超過(guò)4 000 s-1時(shí)，XT-65A，F(xiàn)S-300和RY-300的降阻率呈急劇下降趨勢(shì)，而XT-65B的降阻率變化不大，保持在50%左右，效果較好。這是因?yàn)椋弘S著剪切速率的增加，由于剪切力增大，導(dǎo)致部分減阻劑分子的分子鏈斷裂，使得這部分減阻劑分子分解成為相對(duì)分子質(zhì)量較小的聚合物分子，從而失去降阻的能力；XT-65B的相對(duì)分子質(zhì)量是4種減阻劑中最大的，其長(zhǎng)分子鏈在高速剪切中雖也會(huì)斷裂，但只要分解后的分子鏈仍足夠長(zhǎng)，還可發(fā)揮一定的降阻作用，因此在高剪切作用下，XT-65B表現(xiàn)出相對(duì)穩(wěn)定的降阻能力。

2.3.2 剪切時(shí)間對(duì)降阻效果的影響

由4種減阻劑在不同剪切速率下的降阻率隨剪切時(shí)間的變化（圖3）可知：在低剪切速率下，XT-65B的降阻率基本保持穩(wěn)定，其他3種減阻劑的降阻率隨著剪切時(shí)間的增加均呈緩慢下降趨勢(shì)；而在高剪切速率下，隨著剪切時(shí)間的增加，4種減阻劑的降阻效果均迅速變差。這是因?yàn)椋涸诘图羟兴俾氏?，減阻劑分子所受的剪切力較小，不會(huì)對(duì)降阻效果造成較大影響；而在高剪切速率下，由于減阻劑分子所受剪切力較大，隨著剪切時(shí)間的增加，其分子結(jié)構(gòu)所受破壞愈大，因此降阻效果愈差。

圖3 不同剪切速率下4種減阻劑的降阻率隨剪切時(shí)間的變化

2.3.3 剪切路徑對(duì)降阻效果的影響

通過(guò)對(duì)比4種減阻劑在不同剪切路徑下的降阻效果（圖4）可知：與剪切速率遞增路徑相比，在同一剪切速率下，剪切速率遞減路徑中4種減阻劑的管柱摩阻均有所增加，表明減阻劑的降阻效果均呈一定程度的下降趨勢(shì)；并且剪切速率越高，減阻劑降阻效果下降程度越大；經(jīng)過(guò)高速剪切后，減阻劑XT-65A，F(xiàn)S-300和RY-300的管柱摩阻增幅較大，而XT-65B的管柱摩阻在2種剪切路徑下變化不大。主要原因是：經(jīng)過(guò)高速剪切后，聚合物分子結(jié)構(gòu)會(huì)受到不同程度的剪切破壞，降低了減阻劑分子的旋轉(zhuǎn)半徑和長(zhǎng)度，從而影響其降阻效果；即使當(dāng)剪切速率逐漸減小后，被破壞的分子結(jié)構(gòu)也無(wú)法得到恢復(fù)；XT-65B的分子被破壞程度小于其他3種，故其降阻效果較其他3種減阻劑穩(wěn)定。

圖4 不同剪切路徑下減阻劑降阻效果對(duì)比

2.3.4 剪切前后分子結(jié)構(gòu)的變化

綜合分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，選定XT-65B作為清水壓裂液體系的減阻劑。為了明確剪切作用對(duì)減阻劑分子結(jié)構(gòu)的影響，進(jìn)而對(duì)其降阻機(jī)理進(jìn)行研究，利用電子顯微鏡，觀察被低速（500 s-1）和高速（5 000 s-1）剪切前后XT-65B的分子形態(tài)。結(jié)果（圖5）顯示：減阻劑被低速剪切（500 s-1）后，分子結(jié)構(gòu)遭到輕微破壞，基本未對(duì)其降阻效果造成顯著影響；經(jīng)過(guò)5 000 s-1高速剪切后，分子結(jié)構(gòu)破壞較為嚴(yán)重，嚴(yán)重影響其降阻效果；但是，較長(zhǎng)的分子鏈仍然具有一定的降阻效果。這與圖2的結(jié)果相吻合。

圖5 剪切前后減阻劑XT-65B微觀分子結(jié)構(gòu)變化

3 結(jié)論

XT-65A，XT-65B，F(xiàn)S-300和RY-300共4種減阻劑的降阻率實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，XT-65B的降阻效果最好，且性能比較穩(wěn)定；隨著剪切速率的增加，其降阻率的降幅較小，在5 000 s-1高剪切速率條件下的降阻率仍在50%左右，因此確定XT-65B為清水壓裂液體系的減阻劑。

減阻劑的降阻率隨著剪切速率的增加而下降。在低速剪切（500 s-1）條件下，減阻劑降阻率對(duì)剪切時(shí)間不敏感；而在高速剪切（5 000 s-1）時(shí)，減阻劑降阻率隨剪切時(shí)間增加而急劇下降。不同剪切路徑對(duì)減阻劑降阻效果影響顯著，較高的剪切速率將會(huì)對(duì)減阻劑分子結(jié)構(gòu)造成不可恢復(fù)的傷害。

低速剪切作用對(duì)減阻劑分子結(jié)構(gòu)破壞較小，不會(huì)對(duì)降阻率造成顯著影響，而在高速剪切作用下，減阻劑分子的結(jié)構(gòu)會(huì)被剪切降解，從而影響減阻劑的降阻效果。

［1］ George E K.Thirty years of gas shale fracturing：what have we learned?［C］.SPE 133456，2010.

［2］ 馬寧，侯讀杰，包書(shū)景，等.頁(yè)巖氣資源潛力評(píng)價(jià)方法［J］.油氣地質(zhì)與采收率，2012，19（6）：25-29.

［3］ Brent H，William M C.Barnett shale：a resource play-locally ran?dom and regionally complex［C］.SPE 138987，2010.

［4］ Sutton R P，Cox S A，Barree R D.Shale gas plays：a performance perspective［C］.SPE 138447，2010.

［5］ 孫海，姚軍，孫致學(xué)，等.頁(yè)巖氣數(shù)值模擬技術(shù)進(jìn)展及展望［J］.油氣地質(zhì)與采收率，2012，19（1）：46-49.

［6］ Sondergeld C H，Newsham K E，Comisky J T，et al.Petrophysical considerations in evaluating and producing shale gas resources ［C］.SPE 131768，2010.

［7］ 孫海成，湯達(dá)禎，蔣廷學(xué)，等.頁(yè)巖氣儲(chǔ)層壓裂改造技術(shù)［J］.油氣地質(zhì)與采收率，2011，18（4）：90-93，97.

［8］ Carl A，Javad P.Critical evaluation of biocide-friction reducers in?teractions used in shale flowback slickwater fracs［C］.SPE 141358，2011.

［9］ Fredd C N，McConnell S B，Boney C L，et al.Experimental study of fracture conductivity for water-fracturing and conventional frac?turing applications［C］.SPE 74138-PA，2001.

［10］Javad P，Carl A，Michael H，et al.Critical evaluation of high brine tolerant additives used in shale slickwater fracs［C］.SPE 141356，2011.

［11］田軍，徐錦芬，薛群基，等.粘性減阻技術(shù)及其應(yīng)用［J］.實(shí)驗(yàn)力學(xué)，1997，12（2）：198-203.

［12］何鐘怡.高分子稀溶液減阻機(jī)理的研究進(jìn)展［J］.水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展，1993，8（4）：381-387.

［13］雷雯婷，管民，李惠萍，等.高聚物型減阻劑溶液減阻性能的評(píng)價(jià)［J］.石油煉制與化工，2009，40（5）：66-69.

［14］劉通義，譚坤，陳光杰，等.交聯(lián)壓裂液抗剪切性能評(píng)價(jià)方法探討［C］//李文陽(yáng).2002流變學(xué)進(jìn)展.北京：中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社，2002：409-412.

［15］尹國(guó)棟，關(guān)中原，劉兵，等.聚合物減阻率與相對(duì)分子質(zhì)量關(guān)系的研究［J］.油氣儲(chǔ)運(yùn)，2001，20（10）：36-38.

［16］管民，郭鳳鳳，馬鳳云，等.高分子減阻劑溶液對(duì)非牛頓流體流動(dòng)特性的影響［J］.油氣儲(chǔ)運(yùn)，2006，25（1）：33-36，41.

［17］袁恩熙.工程流體力學(xué)［M］.北京：石油工業(yè)出版社，1986.

［18］馬衛(wèi)榮，譚芳，趙玲莉，等.減阻劑溶液的發(fā)展與應(yīng)用［J］.新疆石油天然氣，2005，12（1）：71-74.

［19］Shawn M R，Paul R H，Michael O A.Are you buying too much firc?tion reducer because of your biocide?［C］.SPE 119569，2009.

編輯常迎梅

TE357.12

A< class="emphasis_bold">文章編號(hào)：1

1009-9603（2014）02-0102-04

2013-12-03。

肖博，男，在讀博士研究生，從事油氣井增產(chǎn)機(jī)理方面的研究。聯(lián)系電話：15210878409，E-mail：victorxiao@163.com。

國(guó)家科技重大專項(xiàng)“3000型成套壓裂裝備應(yīng)用技術(shù)研究及應(yīng)用示范”（2011ZX05048-006-002）。