何静，李天太

延长陆相页岩气滑溜水压裂用固体减阻剂应用分析

何静1，李天太2

1.陕西延长石油（集团）有限责任公司研究院（陕西西安710075）
2.西安石油大学石油工程学院（陕西西安710065）

滑溜水压裂液已经成为目前非常规油气压裂液研究的热点。在调研延长油田滑溜水压裂技术的基础上，重点对滑溜水压裂用固体减阻剂进行了结构分析，并在物理特性及支撑剂导流能力等方面做了相关实验。结果表明：当前10种固体减阻剂均以聚丙烯酰胺为主，70%的样品在30 min之内可以充分溶解，避免了因溶解时间长而影响压裂施工；样品减阻率大于70%的合格率仅为40%。指出，应尽快统一产品检测标准，确保现场压裂成功。

页岩气藏；滑溜水压裂；减阻剂；导流能力；现场应用

页岩气是一种优质、高效、清洁的低碳能源，近年来页岩气资源已经引起世界各国油气界密切的关注[1-2]，同时也是我国“十三五”关注的重点。大力推进页岩气资源战略调查和勘探开发，已成为我国油气资源领域重要而且迫切的战略任务。页岩储层具有低孔、低渗的特点，勘探开发难度大，需要经过采用以减阻剂[3]为主的滑溜水体系进行大规模体积压裂[4]才能获得比较理想的产量。

目前，滑溜水压裂液和水平井技术是美国页岩气开采主要采取的核心技术，其中滑溜水压裂的关键在于滑溜水减阻剂的质量。结合国内外对页岩气滑溜水压裂体系的研究现状[5]，重点对延长陆相页岩气滑溜水压裂用固体减阻剂的现场应用情况进行评价试验。2011年4月至今，延长油田先后在鄂尔多斯盆地陆相页岩气藏进行了多口直井的勘探和压裂施工，随后对10种滑溜水压裂用固体减阻剂进行黏度、减阻率、溶解性等相关实验。通过实验得知，滑溜水减阻剂多属于聚丙烯酰胺改性物质，但溶解时间和减阻率参差不齐，下一步应该制定企业用滑溜水减阻剂相关标准，旨在提高滑溜水压裂用固体减阻剂整体认识，确保延长页岩气压裂工艺技术不断得到优化[6]。

1 延长陆相页岩气特点

鄂尔多斯盆地延长组陆相页岩储层矿物组成以石英、斜长石、黏土矿物为主,石英含量在16%～44%,斜长石含量为12%～32%，黏土矿物含量在23%～64%；黏土矿物以伊蒙混层为主，平均含量在70%以上，绿泥石次之，伊利石与高岭石含量较少；排驱压力大于8.5 MPa，喉道细小，以小于0.1μm为主；孔隙度在0.5%～3.5%之间，渗透率在0.003 4～0.02× 10-3μm2之间。

2 减阻剂起源

1948年Toms在第一届国际流变学会议上发表了第一篇有关减阻的论文，文章指出，以少量的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）溶于氯苯中，摩阻可降低约50%，因此，高聚物减阻又称Toms效应[7-8]。1979年7月7日，美国CONOCO公司生产的减阻剂首次应用于横贯阿拉斯加的原油管道，并取得巨大成功，随后减阻剂被广泛应用于海上和陆上的数百条输油管道[9]。

20世纪80年代中期中国石油天然气管道局在铁岭至大连、东营至黄岛两条油管道上进行CDR减阻的试验。CDR减阻剂是一种由6～20碳原子的烯烃单体聚合而成的高分子聚合物，相对分子质量可达100×104～4 000×104以上。相对分子质量越大，主链越长，减阻效果越好。近年来，用于开采低渗、低孔非常规储层的滑溜水压裂技术日益得到了推广，减阻剂在压裂液领域的应用研究也掀起了一阵热潮[10]。

3 减阻剂降阻机理

当前国际上主流研究认为减阻剂降阻机理主要有两方面[11]：①减阻剂分子依靠自身黏弹性，使分子长链顺着液体流动方向延伸，利用分子间引力抵抗流体微元的扰动影响，改变流体微元作用力的大小和方向，使一部分径向力转化为轴向推动力，抑制漩涡的产生及大漩涡向小漩涡的转化，从而降低能量损失；②湍流漩涡的一部分动能被聚合物分子吸收，以弹性能的形式储存起来，使漩涡消耗的能量减少，从而达到降低摩阻损失的目的。

4 减阻剂优选与性能评价

4.1实验仪器和材料

实验仪器包括：Nicolet IS50傅立叶变换红外光谱仪（美国热电）；Haake RS6000旋转流变仪（美国热电）；FRF-1压裂液流变、摩阻性能评价试验系统（自制）；水浴锅，pHS-3C酸度计（上海精科）。

实验材料主要包括：771、772、860G（古田化工）；FS300（希涛）；XS-1（鑫圣）；7220、7205（森瑞）；RQHG-1（任丘化工）；G1800（新乡化工）；BGHG-1（倍更）。

4.2实验方法

4.2.1 溶液的制备

称取质量分数为0.05%，0.1%和0.15%减阻剂置于一定量的水中，在高速搅拌机中搅拌5～10 min后，静置溶解，备用。

4.2.2 红外谱图分析

红外分子光谱法高速度、高灵敏度、高精度，能保持原有物质结构不被破坏，最大限度提供物质结构成份信息，是分析中最常用的物质结构的鉴别方法之一。实验利用Nicolet IS50傅立叶变换红外光谱仪快速准确对减阻剂分子结构进行分析。

4.2.3 黏度测定

利用Haake RS6000旋转流变仪测定不同质量分数下减阻剂的黏度。观察减阻剂分子在不同浓度和剪切速率下减阻剂黏度的变化[12]。

4.2.4 降阻率评价方法

利用FRF-1摩阻测定仪,在管径为6 mm、9 mm,测定不同质量流量下减阻剂的管柱摩阻（图1）。

图1 摩阻试验测定装置示意图

4.3结果与分析

4.3.1 现场使用固体减阻剂定性分析

减阻剂是制备滑溜水压裂液的关键组分，其质量影响压裂液性能。实验采用压片法对减阻剂在波数4 000～400 cm-1之间进行红外光扫描分析，将其在各个特征吸收峰进行了对比分析，见图2～图5和表1所示。

图2 简易洗井装置图

图3 771和772红外谱图分析

图4 7250和7220红外谱图

图5 不同减阻剂红外谱图对比

表1 固体减阻剂的红外光谱特征吸收峰

从红外特征吸收峰看：10种产品物质的红外谱图一致。都在波数为3 341 cm-1、3 185 cm-1、2 931 cm-1、1 640 cm-1、1 600 cm-1、1 498 cm-1、1 442 cm-1、1 310 cm-1、1 174 cm-1、1 123 cm-1、951 cm-1有吸收，并且吸收峰的强度和形状一致。利用Nicolet IS50傅立叶变换红外光谱仪专用谱图解释软件对上述10种物质的红外谱图进行谱解析，且与聚丙烯酰胺的标准谱图一致。由此推断10种物质属于同一类。

4.3.2 现场使用固体减阻剂的物性分析

目前滑溜水压裂用固体减阻剂评价还没有统一行业标准。依据NB/T 14003.1—2015《页岩气储层改造第2部分：滑溜水性能指标及评价方法》、DB61/T 575—2013《压裂用滑溜水体系》对延长油田现场所用固体减阻剂的外观、溶解时间、pH值、减阻率和黏度进行分析、实验，结果见表2。

由表2可知，溶解时间小于30 min的样品合格率为70%；以0.1%加量，黏度小于5 mPa·s的样品合格率为70%；减阻率大于70%时样品合格率仅为40%。因此，在进行减阻剂评价时我们应该综合考虑其物理性质，严把质量关。

4.3.3 不同减阻剂加量对黏度影响

加量是影响滑溜水压裂体系的重要影响因素之一。由表3可以看出，随着加量的不断增大，溶液表观黏度上升。这是因为高浓度时，分子间的间距越小，链间或链内相互无序缠绕以及链之间的相互作用加强，表现为体系的黏度增加即假塑性增强。在现场施工过程中通过调整减阻剂加量来满足压裂对黏度的要求。

4.3.4 稠度系数对比（0.1%）

因此由幂率模型和Cross经验方程进行拟合，其流变性符合Herschel-Buckley模型公式T=Ty+（Kr）n。式中T为剪切应力；Ty为屈服应力；r为剪切速率；K为表观黏度或稠度系数；n为流动指数与流体性质有关。稠度系数k增大，流动指数n逐渐减小，越来越偏离1，说明非牛顿流体特性越来越强。低剪切速率下黏度较高，对支撑剂悬浮有利；高剪切速率下黏度低，稳定性好，对降低流动阻力有利；黏弹性恢复能力强，携砂能力好。对于假塑性流体，n值取值范围在0～1.0之间，n值越小意味着假塑性程度越大（表4）。

表2 10种固体减阻剂指标（0.1%加量）

表3 减阻剂加量对其黏度影响

表4 不同减阻剂稠度系数对比

4.3.5 滑溜水压裂用固体减阻剂对支撑剂导流能力的影响

由图6、图7可知，不同粒径支撑剂在高闭合压力下导流能力保持率逐渐趋于一致，212～380μm（40～70目）支撑剂破碎率小，可以获得75%～85%的理想导流能力。在闭合压力30 MPa的条件下，212～380μm（40～70目）的支撑剂导流能力大约是380～830μm（20～40目）支撑剂的1/5，但携砂液却可以多携带3～4倍体积的212～380μm（40～70目）支撑剂进入地层。

图6 不同粒径渗透率变化曲线

图7 不同粒径导流能力变化曲线

对页岩储层来说，产生更长更多的裂缝，相对来说支撑层的导流能力是次要的，因此，页岩气压裂支撑剂的粒径可以小一些。

5 减阻机理探索

结合延长陆相页岩气10种减阻剂类型、相对分子质量、分子结构等特征，对其固体减阻剂性能进行归纳。减阻剂的降阻效果取决于溶液中减阻剂分子的旋转半径和主链结构的弹性。旋转半径越大，主链弹性越强，则减阻剂分子链在溶液中运动变形能力越强，降阻效果越好。分子直链长短也会对降阻效果产生影响。分子直链太短，无法实现有效降阻；若聚合物分子直链太长，在高剪切速率环境易发生断裂，也会影响降阻效果。

6 结论

通过对延长陆相页岩气滑溜水压裂用10种固体减阻剂现场取样实验分析表明：当前固体减阻剂都是以聚丙烯酰胺改性为主。溶解时间小于30 min的合格率仅为70%；减阻率大于70%的合格率仅为40%。这两项指标对滑溜水压裂液配制起着决定性作用，因为溶解时间长增加了配液时间和成本，减阻率低导致摩阻高。因此，为了确保滑溜水压裂液施工成功，应尽快建立滑溜水压裂用固体减阻剂企业标准。

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Slickwater fracturing fluid has become the hot research of the fracturing fluid for unconventional oil and gas reservoir. Based on the investigation and research on the slickwater fracturing technology in Yanchang Oilfield,the structure of solid drag reducing agents for slippery water fracturing was analyzed,and the experiments related to the physical property of the solid drag reducing agents and the seepage capacity of proppant were carried out.The results show that,the main component of 10 kinds of solid drag reducing agents used at present is polyacrylamide,and 70%of the samples can be dissolved within 30 min,which avoids the influence of long dissolution time on fracturing construction;only 40%of the samples have the drag reduction ratio of more than 70%.It is pointed out that,a unified product testing standard for the solid drag reducers should be formulated as soon as possible to ensure the success of fracturing.

shale gas reservoir;slickwater fracturing;drag reducer;seepage capacity;field application

贾强

2016-12-27

陕西省科技统筹创新工程项目“陆相页岩气储层压裂改造工艺技术攻关”（编号：2012KTZB03-03-03-01）。

何静（1988-），女，助理工程师，现在主要从事油田压裂工作液的优化与研究工作。