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1、评述石油化工专题页岩气滑溜水压裂用降阻剂研究与应用进展杜凯*,黄凤兴,伊卓,张文龙中国石油化工股份有限公司北京化工研究院,北京100013*通讯作者,E-mail:duk.bjhy@sinopec.com收稿日期:2014-05-27;接受日期:2014-06-24;网络版发表日期:2014-10-22doi:10.1360/N032014-00149摘要滑溜水水力压裂是针对页岩油气储层基于滑溜水压裂液体系发展起来的新型压裂关键词页岩气滑溜水压裂液降阻剂技术,是页岩气开发的关键技术之一.相对于传统的凝胶压裂液体系,滑溜水压裂液体系以其高效、低成
2、本的特点在页岩气开发中广泛应用.降阻剂作为滑溜水压裂液体系的核心助剂,直接决定了滑溜水压裂液体系的性能与应用.本文结合本单位在页岩气滑溜水压裂用降阻剂方面的研究工作,参考国内外相关文献,全面总结了滑溜水压裂用降阻剂的研究进展并探讨了其发展趋势.力压裂的关键在于压裂液的配制,通过压裂可提高1引言我国页岩油气储量丰富,美国能源信息署(EIA)2011年4月发布的数据表明:中国页岩气技术可采资源量达36万亿立方米,超过美国(24万亿立方米),位居世界第一[1].2011年底,国务院正式批准我国第172个独立矿种——页岩气[2],这意味着页岩气的勘查和
3、开发已经上升为我国国家发展战略.国家能源局《页岩气发展规划(2011~2015年)》称[3]:2015年我国页岩气初步实现规模化生产,年产65亿立方米.国家能源局2013年12月5日发布消息称:我国页岩气勘探开发取得重大进展[4].中石化重庆涪陵国家级示范区页岩气井平均单井产量15万立方米/天,累计实现商品气量近7300万立方米.中石油长宁-威远、昭通两个国家级示范区和富顺-永川对外合作区,累计实现商品气量7000万立方米.2014年3月24日中国石化宣布[5]:我国首个大型页岩气田——涪陵页岩气田提前进入商业化开发阶段.目前,滑溜水水力压裂技
4、术和水平井技术是美国页岩气开采主要采取的核心技术[6],其中滑溜水水页岩气层渗透率、增加导流能力、优化生产条件、减少地层伤害、满足经济开发的目的.近年来,滑溜水压裂发展快速,多级水平井分段压裂的段数已多达40段,所需滑溜水压裂液总量高达14×104m3/井次[7].滑溜水压裂液中98.0%~99.5%是混砂水,添加剂一般占滑溜水总体积的0.5%~2.0%,包括降阻剂、表面活[6]性剂、阻垢剂、黏土稳定剂以及杀菌剂等.降阻剂是滑溜水压裂液的核心添加剂,丙烯酰胺类聚合物、聚氧化乙烯(PEO)、胍胶及其衍生物、纤维素衍生物[8]以及黏弹性表面活性剂等
5、均可作为降阻剂使用.滑溜水压裂液体系成为我国页岩气开发亟需突破的关键技术.国内外综述性文献中较多关注整个滑溜水体系,而对于滑溜水体系中核心助剂降阻剂的研发、应用进展报道较少.本文结合本单位在页岩气滑溜水压裂用降阻剂方面的研究工作,参考国内外相关文献,全面总结了滑溜水压裂用降阻剂的研究进展并探讨了其发展趋势.中国科学:化学2014年第44卷第11期一步压缩,使流体内部的湍流阻力下降,抑制或减轻湍流,表现出降阻作用[19].图1(a,c)为牛顿流体(Newtonianfluid)粒子图像测速向量图与瞬时可视化的近壁涡结构,图1(b,d)为聚合物水溶
6、液相对应的向量图、近壁涡结构图.从图1可知,聚合物的加入改变了平均速度剖面,使边界层中的剪切力进行重新分布.上述效应改变了产生漩涡的强度与结构特征,使湍流边界层近壁结构发生明显改善,从而体现出降阻效果.2降阻剂的降阻机理自1948年Toms在第一届国际流变学会议上报道了“Toms效应”[9](即在水中加入少量的聚合物即可大幅降低管道流体流动阻力)至今,人们对于降阻机理的研究已有近70年的历史.围绕聚合物等添加剂的降阻机理,前人曾提出了许多假说和模型,并有大量代表性的综述性文章及专著对降阻机理的认识[10~20]进行了论述.虽然关于此方面的研究时
7、间很长,但在机理认识方面仍不甚明了、存在争议[21].最近,计算机模拟技术与湍流测量技术的进步,大大推动了人们对聚合物降阻机理研究的深度与认识水平.基于FENE-P(finiteelasticnon-linearextensibility-Peterlin)模型数值模拟结果和中、低雷诺数(Re)实验结果,业内普遍认为:聚合物的加入扰乱了管道流体近壁湍流产生、发展、再生的各环节,通过大分子线团拉伸与准轴向漩涡(thequasi-streamwisevortices)发生相互作用,抑制了漩涡的产生、发展与扰动,同时由大分子线团回弹从附近漩涡中吸收能
8、量使漩涡进3降阻剂的研究与应用现状添加降阻剂的水力压裂液体系最早见于20世纪50年代末60年代初[6].随着上世纪末美国页岩油气资源的开发重新受到重视
