新型聚合物压裂液管内携砂性能研究

采用大型压裂液管流测试装置,对新型聚合物压裂液在水平管及竖直管内的携砂性能进行了实验研究,并与常规胍胶压裂液进行了对比分析。 实验结果表明：在水平管中,聚合物携砂液的临界沉降及临界悬浮速度均随管径的增大而升高;砂比升高过程中,临界沉降及悬浮速度在低砂比阶段变化不大,在高砂比阶段显著升高。 在竖直管中,随着砂比的升高,聚合物携砂液的压力梯度逐渐增大且支撑剂在管底的沉积现象加剧,当砂比超过一定浓度后会发生管内砂堵现象。 在 ２ 种类型管道内,新型聚合物压裂液相对于常规胍胶压裂液均表现出良好的携砂性能。     

基于CFD-DEM算法的压裂支撑剂缝内铺砂规律

为优化页岩气支撑剂的输送性能，采用计算流体力学-离散元(CFD-DEM)耦合方法对中等矩形裂缝进行数值模拟，考虑了重力、浮力以及颗粒-颗粒、颗粒-流体、颗粒-壁面之间的相互作用，采用单一因素控制变量法对支撑剂密度、携砂液流速、支撑剂质量分数以及压裂液黏度4个影响因素进行评价。研究结果表明：降低支撑剂与压裂液之间的质量分数差，可以提高86%的输送距离，确保支撑剂运移至裂缝深处；较高的携砂液流速会增大支撑剂的流化度，在距离入口较远处沉降；由于液体对颗粒的曳力作用，一定程度地提高压裂液的黏度会使支撑剂填充层的液体体积分数增加23%;增大支撑剂的砂比可以提前达到支撑剂的“平衡高度”,但在入口处有堆积，容易产生卡泵现象，可以采取变速加砂和梯度混砂的方式提高支撑剂的输送效果。研究结果可为现场压裂作业提供参考。     

含砂压裂液流变规律实验研究

为了达到较理想的压裂效果,现场施工会泵注携带支撑剂的压裂液进入地层,研究含砂压裂液的流变规律可以为压裂液在管道和裂缝中的携砂能力预测提供更加准确的理论依据。将压裂液和支撑剂看作整体进行流变实验,研究混合流体表观黏度随剪切速率变化的规律和机理。含砂压裂液流变实验结果显示,压裂液在加入支撑剂后,在一定剪切条件下黏度低于压裂液本身黏度,另外实验还观察到含砂压裂液表观黏度随剪切强度的变化呈现先降低后升高的“V”形趋势,这是由于固液混合流体的内部结构变化与支撑剂颗粒扰动共同作用的结果。含砂压裂液特有的流变行为同样受到支撑剂浓度、粒径和液体温度等因素的影响。强剪切条件下颗粒碰撞作用明显,含砂压裂液表观黏度随浓度增大而增大,弱剪切条件下,含砂压裂液由于支撑剂造成的附加剪切破坏,表观黏度随浓度增加会先下降后升高。并且含砂压裂液黏度与颗粒粒径以及流体温度呈现反相关关系。      

胍胶压裂液交联剂的研制及静态悬砂性能研究

为改善胍胶压裂液压裂过程的低携砂运移缺陷,以纳米二氧化锆及3,5-二羟基戊酸合成纳米二氧化锆交联剂TCL,评价了交联剂用量、胍胶用量、3,5-二羟基戊酸用量及支撑剂密度对颗粒静态悬浮性能的影响。结果表明,含0.4% TCL交联剂和0.3%胍胶的压裂液在180 ℃和190 s?1条件下剪切80 min可使颗粒沉降量不大于0.3 g,远低于市售ZAB交联压裂液的2.6 g。增大交联剂含量、胍胶用量及交联剂侧链羟基有利于提高压裂液悬浮携砂性,而3,5-二羟基戊酸用量高于38 g时则不会对悬砂性能有较大影响。交联剂TCL含量对支撑剂悬砂能力影响最大,支撑剂沉降量降低了6.6 g,悬砂效果优异。      

含纤维的低摩阻压裂液试验研究

压裂施工时,支撑剂一般靠较高黏度的常规聚合物压裂液运输,管流摩阻高;低浓度降阻剂压裂液管流摩阻低,携砂能力也较低;含有纤维的低浓度降阻剂压裂液能显著提高支撑剂的输送能力,且能降低管流摩阻。在不改变压裂液性能的前提下,通过室内试验,优选出最佳降阻剂浓度下最佳纤维浓度的压裂液,不仅可以降低成本,而且其降阻效果比最佳降阻剂浓度压裂液更好、携砂能力更强。     

高压弯管压裂液两相流模拟及流固耦合分析

弯管作为高压管汇的组成部分,发生冲蚀磨损和变形失效情况比直管更加严重,因此对高压管汇弯管部位压裂液固液两相流动及流固耦合效应进行分析具有重要意义。鉴于此,将弯管作为分析对象,采用RANS方法及标准k-ε湍流模型,得到压裂液在弯管中固液两相流压力、速度及颗粒质量浓度分布情况,并通过双向流固耦合技术分析了支撑剂质量浓度、流速及颗粒粒径等因素对弯管剪应力大小及变形的影响。研究结果表明:在弯头部位存在较大的压力和流速梯度,且支撑剂颗粒主要聚集于弯头外侧,该区域存在较大的剪应力和变形;随着支撑剂质量浓度和流速的增加,流固耦合效果越明显,弯管剪应力和变形程度增加,其中流速能显著影响弯管流固耦合程度;随着支撑剂粒径的增大,弯管的流固耦合程度先增大后减小。研究结果可为现场压裂液的设计提供参考。     

压裂液悬砂及支撑剂沉降机理实验研究

压裂液的携砂性能优劣直接影响着支撑剂在裂缝中的输送铺置效果及压后裂缝的有效导流能力。研制了“XS-I型”压裂液悬砂及支撑剂沉降物理模拟实验装置;开展了3种陶粒支撑剂（70/140目、40/70目、30/50目）在SRFP-1型压裂液中的悬砂特性研究,分析了支撑剂在携砂液中的沉降量、沉降速率以及二者随沉降时间的变化规律,得出影响压裂液悬砂性能的主控因素。实验研究表明,携砂液中支撑剂沉降分为快速沉降、缓慢沉降、稳定平衡3个阶段。压裂液黏度是影响压裂液悬砂性能的最主要因素,其次是支撑剂粒径、携砂液砂比。低黏度压裂液仅对70/140目支撑剂有一定悬浮能力（支撑剂充分沉降时间10～20 min）,对40/70目和30/50目的支撑剂悬浮性能较差（支撑剂充分沉降时间仅为1.0 min～5.5min）,整体悬砂能力较差。中黏度压裂液对70/140目支撑剂悬浮效果好（仅有9.9%～11.1%的支撑剂沉降）,在小于15%砂比下对40/70目及30/50目支撑剂有较好的悬浮能力（支撑剂充分沉降时间80 min～240 min）。中高黏度压裂液中,大粒径（30/50目）支撑剂在高砂比（25%～30%）条件下加入,也仅有12%～13.1%的支撑剂沉降,悬砂性能优,适宜作为主加砂阶段的携砂液。研究结果丰富了压裂液悬砂能力测试方法及支撑剂优选评价手段,为压裂液、压裂施工参数的优化及支撑剂的优选,提供基础数据依据。      

支撑剂在清洁压裂液中的沉降规律

清洁压裂液中支撑剂的运移和铺置对压裂效果有重要影响,目前对这方面基于理论研究和矿场试验的较多,而室内实验研究较少。利用透明平行板裂缝充填模拟装置,对4个影响支撑剂沉降规律的因素进行了研究。结果表明:黏度越大,沉降速度越小;压裂液携砂性能随排量的增加、支撑剂密度的减小呈线性规律增长;砂液比对沉降速度影响较小;其中3个主因素对压裂液携砂能力的影响程度从大到小依次为清洁压裂液黏度、支撑剂密度和砂液比。认清支撑剂沉降规律可进一步提高压裂井施工参数的合理性。     

水力压裂单缝中常用压裂液携砂性能评价

水力压裂是油气藏增产的一项重要技术手段,其目的是在地层内形成一条高导流能力的填砂裂缝,支撑剂在裂缝中沉降所形成的砂堤形态决定着压裂增产效果。针对中国理论研究较多但实验研究缺乏的现状,利用大型可视裂缝模拟装置进行支撑剂沉降模拟实验,通过对比分析砂堤形态以及支撑剂颗粒的沉降速度与水平运移速度,对现场常用的滑溜水、线性胶、纤维和交联4种压裂液进行携砂性能评价。结果表明:滑溜水压裂液形成的砂堤短而高,其携砂性能最差;交联压裂液形成的砂堤长而低,且最平缓,携砂性能最好;线性胶压裂液与纤维压裂液携砂性能介于两者之间;支撑剂颗粒在4种压裂液中的水平运移速度分别占液体流速的78%,85%,91%和95%,沉降速度由高到低分别为滑溜水压裂液、线性胶压裂液、纤维压裂液和交联压裂液。因此现场应根据储层的实际情况以及所需裂缝的类型选择合适的压裂液。     

基于CFD-DEM方法的迂曲裂缝中支撑剂运移关键影响因素分析

裂缝中支撑剂的运移和铺置是维持裂缝开放和增强裂缝导流能力的关键,但支撑剂在迂曲裂缝中的运移机理尚不明确。为此,基于计算流体力学原理,利用离散单元法建立支撑剂在迂曲裂缝中运移的数值模型,研究携砂液注入速度、压裂液砂比、支撑剂粒径等因素对迂曲裂缝中支撑剂运移铺置规律的影响。结果表明：裂缝迂曲度越大、支撑剂铺置距离越短,流速损失越大;在距裂缝入口20 mm处,与迂曲度为1.0的裂缝相比,迂曲度为1.2、1.5、2.0的裂缝中的流速损失率增大2.2、3.7、4.5倍;迂曲裂缝内支撑剂铺置距离随支撑剂注入速度的增大而增大,随压裂液砂比、支撑剂粒径的增大而缩短。该研究可为支撑剂在迂曲裂缝中运移的相关研究提供理论指导。     

脉冲纤维压裂液携砂机理

纤维压裂液携砂性能在很大程度上取决于压裂液流变性和微观结构。为了深入认识纤维压裂液携砂机理,通过室内实验观测纤维的分散性,研究纤维- 瓜胶基液的流变性能,并利用电镜扫描研究了纤维- 瓜胶基液的微观结构。研究结果表明: 纤维在瓜胶基液中能够均匀分散;纤维- 瓜胶基液符合幂律流变模型,纤维能够有效提高瓜胶基液黏度,增大瓜胶基液结构强度及内摩擦力,20 ℃时0.4% 纤维加量可将瓜胶基液黏度由32.496 mPa·s 提高到129.009 mPa·s,并在温度升高的情况下仍具有较高的黏度和结构强度;纤维- 瓜胶基液能够形成一定的网状结构并加强对支撑剂的束缚携带作用。研究结果可为后续理论研究和现场应用提供参考。     

径向井水力压裂摩阻影响因素与计算公式

为研究井眼内径及压裂施工参数对径向井压裂摩阻影响规律和确定井眼内压裂液摩阻大小,使用中国石油大学（华东）研制的压裂液摩阻测试系统（主要由摩阻测试控制中心、压裂液调配釜、可调速螺杆泵、变径管道、高灵敏度压力测量仪、电子流量计组成）,模拟径向井中压裂液的流动状态,并对压裂液摩阻进行准确测量,分析了影响压裂液摩阻的主要因素。实验结果表明,对径向井摩阻影响由大到小的因素依次为:井眼内径、排量、黏度、支撑剂粒径和砂比,且影响规律各有不同。采用降阻比原理,通过对322组实验数据进行回归拟合,建立了考虑井眼内径、排量、压裂液黏度、支撑剂粒径及砂比的径向井瓜胶压裂液摩阻损失计算关系式。利用相关系数检验法计算标准估计误差为0.140,拟合回归方程有效。实验发现,瓜胶压裂液黏度对摩阻有双重影响:一方面会增加流体内部以及流体与管壁间的剪切应力,导致摩阻损失增大;另一方面,随着黏度增加,聚合物溶液产生转捩延迟效应,同时对支撑剂控制能力增强,促使压裂液摩阻损失减小。      

酸性交联压裂液性能对比研究

对比研究了羧甲基胍胶和聚合物类酸性压裂液的性能,主要包括基液黏度、交联性能、携砂性能、破胶性能。研究表明:与聚合物基液相比,相同浓度下羧甲基胍胶基液的表观黏度及零剪切黏度更大;当pH值为5~6时,两者交联效果较佳,羧甲基冻胶黏度更大。采用Ostwald-Dewaele方程描述冻胶黏度与剪切速率的关系,并计算出交联冻胶的稠度系数。研究表明:羧甲基冻胶稠度系数明显大于聚合物稠度系数;在携砂性能方面,聚合物冻胶弹性模量更大,支撑剂沉降速度更小,携砂性能更好;在破胶性能方面,与羧甲基胍胶相比,聚合物冻胶破胶后残渣更低,对储层的伤害更小。     

什邡气田储层改造难点及对策

什邡气田新区气井压裂过程中,前期监测压力波动大,且压后增产效果普遍较差,分析主要原因是多裂缝效应明显,主缝延伸困难,压裂液效率低,有效缝长短。通过优化排量和支撑剂段塞泵入时间,配合纤维携砂工艺、较低浓度瓜胶压裂液和高效返排工艺,后续MP75、SF6等井压裂施工在前置液初期监测压力变得平稳,残液返排快且返排率高,有效提高了压裂液效率,压后效果较工艺改进前有较大幅度的提高,为高效开发该区提供了有效的途径。     

支撑剂在超临界二氧化碳中的跟随性计算

超临界二氧化碳作为一种新型压裂液,是目前国内外的研究热点,但其携砂机理尚不明确,成为制约该项技术的关键问题之一。将跟随性的概念引入压裂液携砂研究,以支撑剂水平速度和压裂液水平流速的比值来表征支撑剂的跟随性或压裂液的携砂性能,并以跟随性为标准,对超临界二氧化碳的水平携砂性能进行了评价。在经典BBO方程的基础上,改进了拖曳力的表达式,联立拖曳力系数辅助方程组,建立了支撑剂在超临界二氧化碳中的跟随性计算模型,为评价和优化超临界二氧化碳输送支撑剂提供了理论依据。采用自主研发的实验设备,通过跟随性实验对该模型进行了检验,并采用模型进行了支撑剂在超临界二氧化碳中跟随性的影响因素分析。研究结果表明,在常用密度范围内,支撑剂密度对跟随性的影响不大,该数值分析结论与以往学者的实验研究结果相一致。此外,对比了砂粒在超临界二氧化碳、滑溜水以及空气中的跟随性,超临界二氧化碳的高密度特性对其携砂性能的影响大于低黏度特性对其携砂性能的影响,两者综合作用导致其携砂性能远高于空气,小于并接近滑溜水的携砂性能,特别是在较高流速下,超临界二氧化碳的水平携砂性能与滑溜水相当。     

改性生物胶压裂液的制备与应用

针对生物胶存在用量高、耐温能力差等问题,通过醚化反应改性得到一种具有分子缔合能力的生物胶FAD-120,形成适合70~130℃致密储层的压裂液体系。研究表明:体系具有速溶、适应高矿化度水、低摩阻、携砂性能强、残渣低、伤害小、安全环保等特点,与瓜胶压裂液相比,具有配方简单、配制方便、水质适应性强、成本低等特点。该体系在长庆油田池228区块现场试验,使用矿化度为3 334 mg/L浅层地下水配液,实现最高砂比为25%,同区块单井加砂量与瓜胶压裂液加砂量相近。生物胶FAD-120压裂液现场应用的成功,对扩大压裂液配液水源、降低压裂液成本以及保障大规模体积改造的顺利实施有重要意义。      

煤层气井用非离子聚丙烯酰胺锆冻胶压裂液优选

活性水、瓜胶压裂液是国内煤层气井压裂最常用的压裂液,但活性水压裂液流变性能差,瓜胶压裂液破胶残渣含量高对煤层的伤害大,限制了这两类压裂液在煤层压裂中的应用。为此,针对煤层温度和渗透率低的特点,在分析影响锆冻胶压裂液性能因素的基础上,优选出了适用于煤层气井压裂的非离子型聚丙烯酰胺锆冻胶压裂液配方(0.400%PAM+0.035%ZrOCl2)。通过室内试验对优选出的非离子型聚丙烯酰胺锆冻胶压裂液的性能进行了评价,结果表明,该压裂液具有耐剪切、滤失量低、易破胶、携砂性能好、无残渣、对煤层伤害低、易返排的特点,适用于低温煤层压裂。      

压裂液返排期间放喷油嘴的磨损规律研究

压裂液返排期间,由于支撑剂的回流返吐导致放喷油嘴磨损严重,不仅增加了更换油嘴的成本,而且影响压裂施工效果。为了延长放喷油嘴的使用寿命,基于光滑粒子流体动力学(SPH)和有限元(FEM)的耦合方法,对压裂液返排期间放喷油嘴的磨损规律进行数值模拟研究。以磨损速率为判断标准,优化设计了放喷油嘴的内流道结构,优选了油嘴材料,探讨了支撑剂质量分数和粒径对油嘴磨损程度的影响。研究结果表明:放喷油嘴收缩段与直线段的过渡段和出口处的磨损最严重,优选油嘴的内流道结构为流线形,收缩段长度为25 mm,整体长度为42 mm,材料为陶瓷;随着支撑剂质量分数和粒径的增加,放喷油嘴的磨损速率均呈现先增大后减小的规律;优化的放喷油嘴耐磨性强,使用寿命长,可保证压裂液返排施工高效进行。研究结果可为高压高含砂条件下的耐磨油嘴设计提供参考。