致密油藏体积压裂改造滑溜水压裂液体系的开发及其作用机理研究

摘要

致密油已成为国内外能源结构中的重要角色，而体积压裂是致密油开发的关键技术，其实施比例日益增大。致密储层特征以及体积压裂工艺特点对压裂液体系在低伤害、低摩阻、回收处理及经济成本等方面提出了新的要求，常规压裂液体系已不能满足需求，急需开发相配套的压裂液体系。针对致密油藏储层的开发，压裂方式以低黏携砂，大排量的体积压裂为主，采用“低黏+交联”混合压裂液技术，对压裂液的需求也从常规的交联冻胶向低黏液体和滑溜水压裂液体系进行了转变。本工作旨在开发一种致密油藏体积压裂改造滑溜水压裂液体系并对其应用性能和作用机理进行研究。针对油田现场使用时减阻剂在压裂液中溶解困难的特点，拟通过分子结构设计合成一种速溶高分子减阻剂，并通过对其性能分析以及减阻效果评价，优化和调整分子结构，制备出一种低浓度、低摩阻的滑溜水压裂液体系，为致密油藏体积压裂改造和高效开发提供良好的技术支撑。
　　本研究主要内容包括：⑴结合致密油藏体积压裂改造滑溜水压裂液的要求，通过分子结构设计，以丙烯酰胺（AM）和丙烯酸（AA）为主链单体，甲氧基聚乙二醇丙烯酸酯（MPEG-丙烯酸酯）为柔性单体、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸（AMPS）为耐盐单体和长链烷基丙烯酰胺（R-AM）为疏水单体采用反相乳液聚合方法，合成了一种高分子聚合物减阻剂（DRA-M），讨论了反应条件对减阻剂性能的影响，确定了DRA-M减阻剂的最佳合成方案，并对产品进行了中试实验。采用衰减全反射傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）和核磁共振波谱（NMR）对产品的结构进行了表征，采用X射线衍射仪（XRD）和热重分析（TGA）考察了DRA-M的结晶度和热稳定性能；同时采用动态激光光散射粒径分析仪（DLS）和透射电子显微镜（TEM）以及多重光散射稳定性分析仪（MLS）对DRA-M乳液的粒径和分布及乳液稳定性进行了测试，采用动态流变仪和减阻剂室内评价装置对DRA-M溶液的相关性能进行了分析。结果表明，ATR-FTIR和NMR证实了各类单体已充分完成了聚合反应；XRD证实分子为非结晶态结构；热重分析表明DRA-M分子具有良好的热稳定性；DLS测试结果表明DRA-M乳液粒径为68.06nm，PDI为0.055，粒径呈现单峰分布，且分布均匀；MLS测试表明 DRA-M乳液具有良好的稳定性。流变性能测试表明，DRA-M分子中存在疏水缔合效应，其临界缔合浓度为0.162％。DRA-M具有明显的黏弹性，且储能模量 G'大于损耗模量 G''，表现出较强的弹性行为。减阻性能测试表明，DRA-M最佳使用浓度为0.07%，减阻率可达62%左右。与羟丙基胍胶和国外同类产品相比，DRA-M表现出较高的减阻性能和耐剪切性能。⑵根据表面活性剂间的协同作用原理，以甜菜碱为主剂，脂肪醇聚氧乙烯醚为增效剂，烷基磺酸钠为稳定剂，复配出一种具有超低界面张力的表面活性剂体系 M-6。对 M-6进行了界面张力测试，结果表明，M-6在0.1%~0.4%使用浓度范围内，界面张力均达到10-4mN/m；在10000mg/L~100000mg/L矿化水中M-6也表现出超低的界面张力，界面张力可达10-4mN/m，并且M-6在老化30天后，界面张力依然可达10-4mN/m。通过引入非离子氟碳表面活性剂FC97，得到一种具有较低表面张力和超低界面张力的助排剂M-6F，当FC97加入量为1%时，表面张力为24.11mN/m。采用减阻剂室内评价装置测试了M-6F对DRA-M的减阻率的影响，结果表明M-6F对DRA-M减阻性能影响不明显。同时研究了以DRA-M为减阻剂、M-6F为助排剂、KCl为粘土稳定剂形成的DRA-M滑溜水压裂液体系的配伍性，得出配伍性良好的DRA-M滑溜水压裂液体系配方为：0.07%DRA-M+0.3%M-6F+1%KCl。⑶对所配制的 DRA-M滑溜水压裂液体系进行了一系列应用性能测试评价。采用动态流变仪测试了DRA-M滑溜水压裂液耐剪切性能和耐温性能，结果表明，DRA-M滑溜水压裂液体系在25℃，剪切速率170s-1的条件下，剪切1800s，表观黏度保留率为89.0%。当温度从25℃升高到80℃，溶液的表观黏度下降，最后趋于平缓。采用减阻剂室内评价装置，测试了DRA-M滑溜水压裂液体系的减阻性能，结果表明DRA-M滑溜水压裂液体系减阻率最高可达61.9%，并且可以适应不同类型的水质。DRA-M在放置5天时间后，减阻率从61%降到55%，表现出较好的稳定性。采用K100全自动表界面张力对DRA-M滑溜水破胶液的表面张力和界面张力，同时采用TEM观察了 DRA-M滑溜水破胶液的微观粒子形态，采用 DLS测定了DRA-M滑溜水破胶液的粒径。表界面张力测试结果表明，DRA-M滑溜水破胶液具有较低的表界面张力，表面张力最低为24.05mN/m，界面张力为0.21mN/m。TEM测试结果表明，DRA-M滑溜水破胶液中残留低聚物和固体不溶物颗粒之间独立性强，并未形成残渣；DLS测试结果表明，破胶液粒径较小约为15nm。同时测定了DRA-M滑溜水破胶液对原油的乳化性能，结果表明，DRA-M滑溜水破胶液对原油没有乳化能力，60℃下静置20min即可实现油水完全分离。采用减阻剂室内评价装置测试了采用不同返排次数的返排液配制的DRA-M滑溜水的减阻性能，结果表明，在一定返排次数以内，可以重复利用返排液配制DRA-M滑溜水。某水平井现场应用结果表明，在3.5m3/min下，DRA-M滑溜水压裂液体系比羟丙基胍胶高42.5%，比国外同类产品高12.5%；某直井现场应用结果表明，DRA-M滑溜水压裂液体系比羟丙基胍胶更适合大排量施工。⑷通过分析流体流动产生摩阻现象的原因以及现场施工作业工况条件，根据减阻剂评价原理，组建了减阻剂室内评价装置。根据非牛顿流体雷诺数计算方法，得出DRA-M滑溜水压裂液在现场施工作业工况条件下的雷诺数大于105，由此可知，在现场施工作业工况条件下DRA-M滑溜水流体处于湍流状态，与羟丙基胍胶相比，根据Moody图，DRA-M滑溜水压裂液体系具有较低的摩阻。并从分子结构上对DRA-M滑溜水压裂液体系和羟丙基胍胶的减阻作用机理进行了分析。羟丙基胍胶侧基基团较多，属于网状结构分子，分子的柔顺性较差，在水中分子链不易舒展。而含有短侧基的DRA-M是一种线性的、梳型结构、长链分子，在分子中极易舒展。当流速较大时，DRA-M长链分子可以更好地削弱漩涡的影响，使流体有序地向前流动，从而达到减阻效果。因此，在现场压裂施工过程中，DRA-M具有明显的减阻效果，可以满足现场大排量的施工要求。

目录

1 前言

1.1 致密油藏的主要特征

1.2 体积压裂改造技术

1.3 体积压裂改造滑溜水压裂液

1.4 滑溜水压裂液用减阻剂研究现状

1.5 减阻剂的性能评价手段研究

1.6 高分子聚合物减阻机理与影响因素分析

1.7 高分子聚合物减阻剂分子设计思路

1.8 关键问题分析及技术思路

1.9 本文研究内容及技术路线

2 减阻剂室内评价方法

2.1 引言

2.2 减阻剂室内评价原理

2.3减阻剂室内评价装置

2.4 减阻剂室内评价装置工作特性

2.5 本章小结

3 压裂液流体流态判别方法

3.1 引言

3.2 幂律流体流态判别模型

3.3 羟丙基胍胶滑溜水流体性能分析

3.4 羟丙基胍胶滑溜水流态分析

3.5 本章小结

4 高分子减阻剂（DRA-M）的研发

4.1 引言

4.2 实验部分

4.3 结构表征与性能测试

4.4 结果与讨论

4.5 本章小结

5 致密油藏体积压裂改造配套助剂的研究

5.1 引言

5.2 实验部分

5.3 超低界面张力表面活性剂

5.4 助排剂

5.5 粘土稳定剂

5.6 配伍性

5.7 本章小结

6 DRA-M滑溜水压裂液体系应用性能评价

6.1 引言

6.2 实验部分

6.3 DRA-M滑溜水压裂液体系性能测试

6.4 结果与讨论

6.5 DRA-M滑溜水压裂液体系的应用

6.6 本章小结

7 DRA-M滑溜水压裂液体系作用机理分析与研究

7.1 引言

7.2 DRA-M滑溜水压裂液体系流体性能分析

7.3 DRA-M滑溜水压裂液流态性能分析

7.4 DRA-M滑溜水压裂液与羟丙基胍胶滑溜水压裂液摩阻分析

7.5 DRA-M与羟丙基胍胶减阻作用机理分析

7.6 本章小结

8 结论

8.1 主要结论

8.2 创新点

8.3 进一步的工作

致谢

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文目录

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