文摘

Slick-water可以有效地降低压裂液的流动阻力。许多研究把重点放在了slick-water的减阻性能在井筒和穿孔,但几乎没有裂缝流动减阻特性研究。在本文中,一种新的可视化实验系统用来模拟真实的骨折。产生的断裂表面通过实际三轴水力压裂和复制一个三维打印机使用树脂材料保持其形状特性。在对比实验结果,发现断裂的影响减阻的主要因素是相对分子量和添加浓度。不同的流动法则在管道减阻剂,当浓度大于0.10%,博士负面效应开始出现。分子量的影响与流动阶段;分子量的增加导致的减少影响博士当流量0.24 m / s。然而,流量超过0.5米/秒;拖动还原剂与高分子量展示更好的减阻性能。 The drag reduction mechanism analysis in fractures was obtained from visualization observations, and the flow characteristics of fluid were characterized by using tracking particles. Drag reduction effect occurs mainly on the surface of the fractures in contrast to near the centre of the flow channel. This research can provide a reference for the experimental study on drag reduction in fractures and is of great significance to the optimization and improvement of drag reducing agent.

1。介绍

Slick-water压裂是一个系统性的方法增加生产注入数百万加仑的水形成创建一个裂缝网络(1- - - - - -4]。压裂slick-water注射支撑剂在高泵率保持流动通道。Slick-water常用大型体积压裂的流动阻力低,这是一个优势创造更多的骨折和复杂的裂缝网络的初始产量最大化,持续观察的领域(5- - - - - -7]。准确地评估压裂流阻力对压裂设计至关重要,和减阻性能最重要的技术指标之一slick-water压裂液。

减阻现象也被称为“汤姆斯”现象。只有少量的添加剂可以在湍流产生显著的压降,称为减阻效应(效果)博士8,9]。有三个主要类型的减阻剂(泡沫、聚合物和表面活性剂)经常用于slick-water。聚合物作为最常用的一种slick-water添加剂是一种水基压裂液与长链聚合物混合如聚丙烯酰胺,聚氧化乙烯,瓜尔胶衍生物[10- - - - - -14]。博士的效果被发现以来,许多应用程序也被搬上了舞台。然而,减阻的确切机制还没有达成统一的认识和被广泛接受15- - - - - -17]。以前的减阻机理的研究主要集中在井筒流动阻力。根据以往研究的结果,slick-water的减阻性能依赖于粘性模量和弹性模量之间的平衡,是由减阻剂的微观结构所决定的。作为一个决定性因素在压裂设计中,裂缝流动阻力需要流模式和减阻特性研究[18- - - - - -20.]。虽然对管道流的研究为我们提供了一个基础,骨折的流模式和特征需要进一步深入研究。

相关的储层流体的减阻机理研究没有专注于骨折但专注于巩膜或裂隙的水库。一些研究人员提倡使用微流控芯片模拟裂隙中的减阻流(21- - - - - -23]。在管道流动实验相比,微裂缝内流体的流动是层流下的政权。相同的减阻剂降低注射压力,但增加不超过50% (24]。然后,其他研究人员由Barrat进一步表明,表面活性剂的吸附特性导致减阻效应的主要原因。他们认为表面活性剂吸附在墙上储层巩膜削弱水分子之间的相互作用,因此减少流动阻力(25- - - - - -28]。一般来说,以前的研究在微尺度的减阻机理,和使用了减阻剂的研究主要是表面活性剂。很少有研究调查大规模人工裂缝的流动特性。更重要的是,大多数相关研究不考虑粗糙度和曲折的骨折。代表结果发表的丰电和川口;实验使用PIV方法在执行测试的量化特征二维通道涡结构和湍流事件由透明丙烯酸树脂(29日]。文献分析了湍流结构的变化,而且忽略了真正的断裂参数的影响。所以减阻流在大规模人工骨折通过室内实验模拟并没有得到充分的研究。裂缝流动减阻机制仍然不清楚,不能普遍化与管道流的机制。

在这项研究中,自主研发的室内拖测试周期系统考虑断裂构造了曲折、粗糙度测试两个管道中的流动阻力和骨折。基本实验进行调查的影响因素影响博士在骨折包括浓度、温度、分子量和电特性。管道的实验研究主要是作为参考探讨骨折的减阻特性。作为博士机制还没有扩展到骨折,考虑到实验管道之间的差异和骨折,可视化骨折模型。流体的流动特性的特点是利用粒子跟踪。虽然实验的目的是尽可能完整,仍有一些局限性。测试设备的准确性可以保证和满足减阻率测试。然而,实验条件不足以确认的价值在骨折。因此,进一步讨论之间的关系减阻特性并不是。

2。方法

2.1。研究设备

的减阻性能slick-water可以使用室内可视化分析阻力测试循环系统(30.]。的实验装置图如图1。测试系统由五部分组成:(A)液体供应系统包括三个塑料桶;中间的一个是废水水桶,是最大的,体积70 L。体积的水和溶液桶50 L两侧。输出功率取决于螺杆泵;其最大泵送率是2.5米³/小时。更好地模拟流条件下,水桶都配备了加热解决方案来测试不同的流体温度;(B)三个管道的管道组成的测试系统。管道直径6毫米,8毫米,10毫米;所有的管道都是3米长。两端球阀和压差传感器(0 - 0.5 MPa,±0.02%)的中心,减少额外的剪切效应从角落连接管道,阀门压力设置0.25米从两端测量2.5米压降;(C)可视化骨折与不锈钢框架测试系统(长360毫米,高140毫米)和可调宽度合适的表面和可视化骨折模型;(D)组成的计算机数据采集系统和控制系统来控制设备和收集流量、温度和压力数据;(E)的压力传感系统压差传感器(0 - 100 kPa,±0.001%)之间的压降测试视觉骨折与水龙头设置从两端测量30毫米300毫米压降。该系统旨在同时测量管道和裂缝流动阻力和精确地比较他们的差异在同一个流条件。

2.2。可视化骨折模型

可视化骨折模型显示在图2,模型的主体是ASTM304钢架。真正模拟裂缝表面的树脂材料。有注射接口,一边流出接口在另一边。此外,有注射连接器一边和另一边流出连接器。为了介绍模型在具体生产过程,设备制造过程分为三个部分。曲折和粗糙断裂面创建通过大规模实际三轴水力压裂,如图3,和岩石尺寸是30厘米³。扫描仪用于准确地描述表面的粗糙度和曲折断裂,由三维打印机复制使用树脂保持清晰。复制的表面组装到一个周边和密封的不锈钢框架,框架的大小是长360毫米,140毫米高。这两个表面之间的距离可以调整到裂缝宽度从1到8毫米。如图4骨折,可视化模型与循环测试系统。安装压力传感器(0 - 100 kPa,±0.01%)在每个连接器监控流量压力的变化,和两个压力点设定在300毫米的距离。

2.3。选择减阻剂

聚丙烯酰胺聚合物阻力的方法,通常用于水力压裂和通常可以归类为阳离子,阴离子,或非离子物质,水解后根据他们的电特性。阳离子拖还原剂相对昂贵。非离子拖动还原剂大约需要一个多添加一个数量级大于阳离子和阴离子的方法,同样的减阻效果。因此,阴离子拖还原剂通常用于压裂(31日]。在这项研究中使用的减阻剂是一种乳液和水溶性减阻剂,合成的丙烯酰胺(AM)、丙烯酸(AA)、2-acrylamido-2-methylpropanesulfonic酸(安培)和丙烯酸丁酯(BA)的水溶液聚合过程。它是由胜利化工制造有限公司,商业上称为DR800。它是一种高分子量的阴离子聚丙烯酰胺 和几个长边组。DR800与自来水混合合成slick-water,非常规储层开发常用的压裂液。slick-water粘度之间的关系和减阻剂剂量用乌氏粘度计测定25°C;结果如图所示5。

2.4。数据处理

减阻效率(%)博士是计算 在哪里范宁摩擦系数的水和吗slick-water的范宁摩擦系数相同流量条件下,定义为 在哪里壁剪切应力,溶剂的密度,是平均流速。图6骨折的显示了一个图和管道。

骨折,方程(2)可以推导出 在哪里是两个测压孔的压降,测压孔之间的距离,和分别断裂的高度和宽度。

管道,方程(2)可以推导出 在哪里管道的内径。

我们的实验是最大的聚合物用量0.15 wt. %;的密度0.15 wt。%的解决方案是997.043公斤/米³近水的密度。因此,位移是相同的。对于每一个测试区,方程(1)可以减少 在哪里是水的压降。

雷诺数被定义为 在哪里流体粘度和吗水力半径。

骨折, ; 可以推导出

管道, ; 可以推导出

在管道流动中,雷诺数是一个重要的参数来区分层流和紊流流动但不适合骨折。之间的一个显式的临界雷诺数层流和紊流流动尚未建立真正的复杂裂缝流。

2.5。设备可靠性

前检查设备可靠性实验。考虑到没有成熟的经验公式和判断依据真实复杂骨折流动阻力,重复实验来测试在骨折在相同条件下水流阻力。图7展示了完美的可重复性,表明实验设备精度高,提供强有力的证据减阻实验的可靠性。

3所示。结果与讨论

3.1。博士的性能

一般来说,博士的浓度大约是0.05 wt。0.15 wt %。%,考虑性能和经济(32]。在这项研究中,0.05 wt %博士。% DR800解决方案相同的位移在骨折和管道呈现在图7。如图8,在同一泵位移条件下,管道流的最大减阻率超过70%;裂缝流的最大减阻率不超过7%,超过十倍的差异。因此,在相同的位移,减阻流动特性在管道和骨折是完全不同的。这是由于不同的流道横截面形状和许多其他因素。然而,可以肯定的是,泵位移参数不能作为有效使用变量的综合评价管道减阻和骨折。

为了更好地观察性能博士在骨折,减阻率的变化规律进行了分析与不同的平均流速和雷诺数。实验结果呈现在图9(一个)。0.05 wt。% DR800,减阻率增加而增加的平均流速和雷诺数。在这两种情况下,减阻率的变化规律基本上是相同的。实际流体的雷诺数曲折和粗糙的骨折难以确定。更准确的减阻性能分析骨折平均流速的条件。

相比之下,0.05 wt的减阻性能。% DR800管道流也是考验。测试结果呈现在图9 (b)。在管道流动条件下,平均流量达到最近m / s时,大于10倍的平均流量裂缝流。在管道流动雷诺数的最小平均流量必须大于15000(分层流紊流的临界值是2100)。然而,在裂缝流雷诺数小于2100,即使在最大的平均流量。因此,管道流和裂隙流状态的差异的主要原因是大不同的减阻性能。在不同流动状态,在管道流动减阻效果主要发生在流道中心的动荡更集中;骨折的减阻效应流动主要发生在断裂表面附近。

实验研究了影响因素%博士在骨折。为保证实验结果的准确性,实验至少重复两次,结果取平均值。

3.2。影响因素博士的效果

3.2.1之上。半径标注浓度

八个浓度组DR800测试25°C和不同的流率。图10显示的影响半径标注集中在管道博士的效果。在低流量、添加剂浓度的增加会导致粘度增加,这就增加了相对流阻和减阻。0.01 wt %博士。% DR800减少迅速在6米/秒,表明液体浓度的抗剪强度最大。当流速增加,0.03 wt %博士。% DR800慢慢开始减少在达到峰值,表明其性能达到了博士的极限。随着流量的增加,博士0.05 wt %。% DR800逐渐增加,这表明变形或者失败的分子结构可能发生而实现高效减阻。0.20 wt的博士的性能。% DR800表明高粘度减阻的最大障碍在低流速,这进一步验证了博士在断裂性能。

图11显示的影响半径标注浓度在3毫米骨折博士的效果,这是不同于管道;博士更高的浓度增加的效果。在高浓度时,半径标注不能减少流动阻力,增加了流动阻力与纯净水相比。这种现象被称为博士负面效应。在每个浓度,流量有一个积极的影响效应博士和博士负面效应的抑制效应。当浓度大于0.10%,博士负面效应开始出现。进一步确定临界浓度的变化规律,更好地分析博士的负面效应,额外的高浓度减阻剂进行了性能测试(0.09 wt。0.11 wt % DR800。0.13 wt % DR800。% DR800)。如图120.09 wt。% DR800解决方案仍然降低了流动阻力,但0.11 wt。% DR800解决方案产生负面的减阻效果。这进一步证明了临界浓度为0.1 wt. %。

浓度的影响实验研究的结果表明,减阻剂的最佳浓度相关的减阻流条件下(包括在管道流和裂隙流)。当管道流在低流量、浓度对博士有不利影响的效果。但随着流量的增加,高浓度的拖还原剂开始显示有利于它们的效果。与裂缝流减阻剂浓度的增加导致减阻率降低。原因主要是因为整体流量下的裂缝是低水平;高粘度引起的浓度增加对博士更重要的负面影响效应,导致能耗的增加,最终导致减阻效果降低。

3.2.2。温度

五组为0.05 wt。% DR800测试在不同流速25°C, 35°C, 45°C, 55°C,并在一个圆形管道65°C。在45°C,温度有一个积极的对减阻性能的影响,如图13,表明粘度下降伴随温度升高促进减阻。博士的性能在55°C开始下降12米/秒和迅速拒绝在65°C,表明抗剪切能力明显削弱了高流量和高温度的联合行动。

五组为0.05 wt。% DR800在裂缝流在不同的流率进行了测试25°C, 35°C, 45°C, 55°C, 65°C。在45°C,温度对减阻性能有积极影响,如图14,因为粘度随着温度下降,有利于博士的效果。温度升高时,博士效果增加在低速度和减少在高速度,因为过度的分子热运动阻碍博士的形式结构;一个小剪切力可以影响%博士。

3.2.3。聚合物分子量

半径标注的类型是基于先前的实验改变了。在这项研究中,研究了聚合物分子量和聚合物分子结构的影响在博士效应相关的聚合物减阻剂。一些具有不同分子量的阴离子聚合物半径标注在给定的浓度为比较和选择是根据其分子量。DR800被用作参考。DR2000和DR6000聚合物与几个长边组,虽然DR1200是高分子与许多短边组,如图15。从之前的研究中,人们普遍承认,分子量的提高而增加博士在低流速条件下;短边组织不利于减阻的性能,和长边组增加减阻率。

图16展示了0.05 wt %博士比较。%在管道半径标注。分子量的影响%博士在低流量区更明显。在低流速(1.8米/秒),博士的效果与分子量的增加正在上升。但是,当流量超过8.0 m / s,博士的效果往往是相同的值。相比之下,DR1200博士表现出更好的效果比其他的高速度,表明高流量可以减轻短边组织的不利影响。

图17显示0.05 wt。% 3毫米断裂半径标注是不同的管道。长边组织可能没有足够的空间扩张;博士分子量的增加会导致减少的效果。随着流量的增加,分子量的积极影响变得明显。居心叵测地的影响,断裂表面的粗糙度,聚合物分子量影响减阻性能的规则已经改变了。流量是0.24 m / s时,分子量的增加不利于骨折流减阻性能。然而,当流量超过0.5米/秒,拖动还原剂与高分子量展示更好的减阻性能。如上所述,分子量对减阻性能有着显著差异的影响在管道和骨折。DR1200博士表现出负面的效应,这表明博士短边组降低效应,特别是在裂缝流。

3.2.4。聚合物电特性

常用的数据恢复代理通常在slick-water压裂可以归类为阳离子,阴离子、非离子水解后根据他们的电特性。阳离子、阴离子和非离子半径标注相同的分子量和分子结构选择博士研究电特性的影响效果。图18博士展示了三种半径标注为0.05 wt %结果。% 8毫米的管道。三种类型的博士效应可以排名如下:阳离子型<阴离子型<非离子类型。图19显示了三种半径标注博士%结果在3毫米骨折的0.05%。博士在骨折,效果可以排名如下:阴离子类型<非离子类型<阳离子类型。通过比较电特性的结果,阳离子聚合物显示了在管道流动减阻性能最差,相比之下显示骨折流最好的效果。它表明,曲折的流动特性和粗糙的骨折有阳离子聚合物的减阻效果增强。结果可能属性阳离子聚合物,更加积极的团体,哪个更有利于减阻效应在低流量。

3.3。博士的机制

不同于流动阻力的计算标准圆截面管道,很难准确计算骨折的内部流动阻力与真正的弯曲度和粗糙度。因此,可视化骨折模型用于观察流动减阻特性研究中。此外,红色的液体示踪粒子添加,为了得到一个更精确地描述流的特点和分析减阻机理。骨折的整个流动过程可以分为四个阶段,如图20.。(1)迂回的表面可以帮助流产生局部漩涡流开始。每个课间都有scale-matched限制高空运动湍流漩涡的漩涡,避免更多的微扰表面不正常,这就增加了%博士。在低流速,凸区域可以诱发内部流动和促进博士结构的形成,从而增加了%博士(2)scale-matched漩涡平衡被打破随着速度的增加;许多漩涡凹区域削弱scale-matched漩涡的积极影响。然而,%博士凸区域是有益的(3)速度达到一个临界值时,凸区域往往会增加博士的剪切力和促进形成结构,这有助于增加湍流和减少%。随着流量的增加,负面影响逐渐变得明显(4)随着流量的增加,许多小的顶点结果凸区域,造成的剪切力和更大的漩涡消失。许多较小的或更大的负面影响凹地区的漩涡开始减少,与同行达成一种平衡

流阶段显示更清晰的划分机制减阻性能的变化规律。在低流速,动荡主要集中在裂缝表面,尤其是在凹陷的地区。此时,博士减阻剂的效果不明显;随着流量的增加,气流增加,聚合物开始扮演一个角色在嵌入和提高地区,生产博士率的增加。随着流量进一步增加,湍流流动通道的中心附近集中。博士在这一阶段,影响主要发生在断裂的流动通道,类似于管道流动,逐步达到最大的效果。流阶段特征进一步揭示博士的规则性能在裂缝流流速的变化。

4所示。结论

在这项研究中,自主研发的室内可视化拖测试周期系统构造了考虑裂隙粗糙度、曲折同时测试管道流动阻力和裂缝流阻力。多个实验来确定影响因素效应博士在骨折包括浓度、温度、分子量和电特性。管道流测试作为参考来探索裂缝流动减阻特性。基于实验管道和骨折之间的差异,主要结论如下:(1)管道流动,随着流量的增加,减阻效果会更好,最终达到最优的减阻率。然后,如果流量进一步增加时,减阻率将减少(最高的管道流量实验是16米/秒)。骨折时流,流量也有类似的对减阻率的影响。然而,受到实验条件的限制,最高的流量骨折只有1.2 m / s。对管道流和裂隙流,他们都有一个最佳的减阻率。在达到这个速度,流量与博士正相关效应(2)浓度影响的实验结果表明,在管道流量、浓度对减阻性能有不利影响在低流速条件下因为高粘度对博士更重要的负面影响效应,导致能耗的增加。然而,随着流量进一步增加时,聚合物有足够的空间扩张,充分伸展链结构更有利于减阻性能。至于裂缝流,有一个关键的减阻的浓度。当浓度大于0.10 wt。%,博士负面效果开始出现。骨折的流动阻力增加减阻剂的浓度的增长(3)温度的增加导致减阻剂溶液的粘度的降低,这有利于减阻效应在低流速条件下。然而,高温(大于55°C)的半径标注更容易受到墙剪切影响,最后导致减少在高流速条件下减阻效果(4)在管道流和裂隙流减阻性能的常规分子量的影响是相反的。在低流速条件下,在一定范围的分子量增加,减阻效果是提高管道流量但在骨折减少流量。至于分子结构,长边与团体的形式可以提高结构储备更多的能量消散在中央管道流的。然而,在裂缝流,过度短侧基不利于断裂面附近的博士的效果

数据可用性

实验数据用于支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者声明没有利益上的冲突有关的出版。

作者的贡献

福建周教授,这篇论文的通讯作者,提供研究思路和资金。Hongkui通用电气为实验研究提供了指导教授在实验中遇到的问题和解决方法。致宇刘是第一作者,负责实验设计和数据分析。风扇扇co-first作者改进了实验和添加测试数据。张Donghang主要实验操作员完成测试流程。杨李提供测试材料和负责收集和测试参数。杨元李和凯建造和改进实验设备和负责实验设备的流程图。风扇扇了同样工作和co-first作者。

确认

支持本研究胜利油田鲁明有限公司,有限公司,“暂堵技术的研究和应用在水断裂位移的海滩酒吧砂水库水断裂位移”(LMKJ2021-05)和石油的新疆熟食店工程有限公司有限公司,“新型减阻材料研究适合不同流体条件”(佐- 20201209)。作者要感谢中国国家自然科学基金会的资金支持(排名52174045)。