泡沫壓裂技術(shù)機(jī)理論文

1、泡沫壓裂技術(shù)機(jī)理論文    導(dǎo)讀：本論文是一篇關(guān)于泡沫壓裂技術(shù)機(jī)理的優(yōu)秀論文范文,對(duì)正在寫有關(guān)于泡沫論文的寫作者有一定的參考和指導(dǎo)作用,論文片段：    經(jīng)濟(jì)發(fā)展的原動(dòng)力，是現(xiàn)代文明的物質(zhì)基礎(chǔ)。我國(guó)常規(guī)能源結(jié)構(gòu)基本特點(diǎn)是富煤、貧油、少氣。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，我國(guó)石油消費(fèi)量也在快速增長(zhǎng)。2003年，中國(guó)超過(guò)日本成為世界第二大石油消費(fèi)國(guó)。1993年中國(guó)成為石油凈進(jìn)口國(guó)開始，我國(guó)石油供需缺口逐年加大，現(xiàn)已成為世界第三大石油凈進(jìn)口國(guó)。2008年，中國(guó)原油表觀消費(fèi)量達(dá)到3.72億噸，而原油產(chǎn)量?jī)H有1.88億噸，存在1.8

2、4億噸的供需缺口。與石油的短缺相比，國(guó)內(nèi)天然氣資源在短期內(nèi)可以滿足需求，但長(zhǎng)期仍然需要進(jìn)口。預(yù)計(jì)到2020年全國(guó)天然氣市場(chǎng)        計(jì)算機(jī)圖形分析技術(shù)，研究了不同粘性壓裂液在模擬矩形裂縫內(nèi)流動(dòng)過(guò)程中支撐劑顆粒的沉降軌跡和沉降速度。其實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論分析表明，支撐劑顆粒沉降速度隨壓裂液粘度的增大而減小，而由于冪律流體的剪切稀化效應(yīng)造成壓裂液流動(dòng)過(guò)程中壓裂液粘度和顆粒沉降阻力變小，支撐劑顆粒的沉降速度隨壓裂液水平流速的增大而增大。因此壓裂液在裂縫中的懸砂特性評(píng)估不能簡(jiǎn)單地以顆粒靜態(tài)沉降速度為依據(jù)，還應(yīng)該考慮壓裂液流

3、動(dòng)特性對(duì)支撐劑顆粒實(shí)際沉降速度的影響。楊肖曦等23利用Fluent軟件中分散相模型對(duì)泡沫流體攜砂能力進(jìn)行了數(shù)值模擬，對(duì)泡沫流體對(duì)不同粒徑砂粒的攜帶能力和砂粒停留時(shí)間與管道傾角的變化關(guān)系進(jìn)行了研究，并與相同條件下水的攜砂特性做了比較。研究結(jié)果表明在水平管道內(nèi)，泡沫流體具有良好的攜砂性能，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于水的攜砂能力；而在豎直管道內(nèi)泡沫流體攜砂性能則較差。綜上所述，可以看出目前對(duì)于壓裂液攜砂性能的研究主要還集中在單個(gè)支撐劑顆粒在靜止和運(yùn)動(dòng)流體內(nèi)的沉降規(guī)律，以及垂直管內(nèi)粘性流體對(duì)支撐劑顆粒舉升能力的研究，而對(duì)于支撐劑顆粒群的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)沉降規(guī)律及支撐劑在垂直裂縫內(nèi)的宏觀運(yùn)移和沉降特性的研究還很少。實(shí)際上在壓裂

4、施工設(shè)計(jì)中，支撐劑在裂縫內(nèi)的水平運(yùn)移和沉降特性是為人們所十分關(guān)心的，它直接關(guān)系到填砂裂縫的最終形態(tài)和壓裂作業(yè)的實(shí)施效果，因此，對(duì)其進(jìn)行研究具有一定實(shí)際意義。1.3本文研究?jī)?nèi)容基于上述對(duì)研究問題的應(yīng)用背景分析，本文具體內(nèi)容如下：1） 泡沫壓裂液的構(gòu)成和表面活性劑等添加劑的作用。2） 泡沫壓裂液導(dǎo)讀：本論文是一篇關(guān)于泡沫壓裂技術(shù)機(jī)理的優(yōu)秀論文范文,對(duì)正在寫有關(guān)于泡沫論文的寫作者有一定的參考和指導(dǎo)作用,論文片段：    工程           

5、60;(2-9)將式(2-9)和式(2-8)，對(duì)比式(2-7)，可知對(duì)于冪律流體，有：        (2-10)2） 表觀粘度和有效粘度非牛頓流體的表觀粘度是仿效牛頓內(nèi)摩擦定律對(duì)于牛頓流體粘度的定義而給出的，然而非牛頓流體的粘度在一定溫度和壓力下不是常數(shù)，相關(guān)文獻(xiàn)中對(duì)非牛頓流體的粘度的引用也是符號(hào)和表達(dá)式各異，通常非牛頓流體的粘度主要有表觀粘度和有效粘度兩個(gè)定義式。對(duì)于牛頓流體，其粘度         (2-11)對(duì)于非牛頓流體，因?yàn)?/p>

6、，則兩個(gè)粘度定義如下：表觀粘度：         (2-12)有效粘度：         (2-13)在冪律流體管流流變研究中，通常如果測(cè)出的是切應(yīng)力和剪切速率，則使用表觀粘度；如果測(cè)出的是流量和壓降等管流數(shù)據(jù)，則應(yīng)該使用有效粘度。3） 流態(tài)判別定義廣義雷諾數(shù)         (2-14)對(duì)與牛頓流體，代入式(2-14)，顯然就是牛頓流體雷諾數(shù)表達(dá)式。廣義雷

7、諾數(shù)可以把非牛頓流體的層流計(jì)算和牛頓流體統(tǒng)一起來(lái)，然而卻不能作為冪律流體的流態(tài)判別準(zhǔn)則。牛頓流體以臨界雷諾數(shù)作為流態(tài)判別準(zhǔn)則，一般認(rèn)為當(dāng)時(shí)，流動(dòng)由層流進(jìn)入湍流。對(duì)于冪律流體，定義         (2-15)值稱為穩(wěn)定性參數(shù)，是冪律流體的一個(gè)流態(tài)判別準(zhǔn)則。對(duì)于牛頓流體，臨界雷諾數(shù)，則。研究表明，對(duì)于冪律流體也有。因此，當(dāng)，冪律流體為層流狀態(tài)，當(dāng)，冪律流體開始由層流進(jìn)入湍流。一般來(lái)說(shuō)，由于冪律流體粘度往往比較大，其管流雷諾數(shù)往往較小，因此工程    -流體活化能；-常數(shù)；-真實(shí)

8、氣體常數(shù)。對(duì)于泡沫壓裂液連續(xù)相交聯(lián)羥丙基胍膠溶液來(lái)說(shuō)，從分子運(yùn)動(dòng)觀點(diǎn)來(lái)看，當(dāng)大分子熱運(yùn)動(dòng)隨溫度升高而增加時(shí)，高聚物分子間自由體積也隨之增大，使流動(dòng)阻力減小，粘度降低；另一方面，溫度的上升會(huì)帶來(lái)內(nèi)相氣體分子動(dòng)能的增大，從而增強(qiáng)了氣體在泡沫壓裂液中的擾動(dòng)，降低了相界面的穩(wěn)定性，使泡沫壓裂液粘度增大。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，溫度升高時(shí)，外相液體交聯(lián)羥丙基胍膠溶液帶來(lái)的粘度下降效果要比內(nèi)相氣體增粘效果明顯，因此泡沫壓裂液的有效粘度會(huì)降低。    (a) 壓力1.2MPa    (b) 壓力1.5MPa圖 3-1 管壁切應(yīng)力和溫度、視

9、剪切速率的關(guān)系    (a) 壓力1.2MPa(b) 壓力1.5MPa圖 3-2 有效粘度和溫度、視剪切速率的關(guān)系對(duì)式(3-1)兩邊取對(duì)數(shù)，有         (3-2)流變學(xué)中常以溫度的倒數(shù)為橫坐標(biāo)，有效粘度對(duì)數(shù)為縱坐標(biāo)，繪制曲線來(lái)研究溫度對(duì)流體有效粘度的影響。泡沫壓裂液曲線如圖3-3所示，由式(3-2)可知，曲線的斜率為，不會(huì)隨溫度發(fā)生變化，只有泡沫壓裂液的活化能隨溫度發(fā)生變化。從圖3-3可以看出，隨著溫度降低，溫度倒數(shù)增加，曲線的斜率即泡沫壓裂液活化能可能增大也可能減小

10、。（a）壓力1.2MPa(b) 壓力1.5MPa圖3-3 有效粘度對(duì)數(shù)與溫度倒數(shù)關(guān)系曲線從微觀上來(lái)看，流體活化能既是大分子向空穴躍遷時(shí)克服周圍分子的作用所需要的能量，也是高聚物粘度對(duì)溫度敏感程度的量度，越大，粘度對(duì)溫度的變化越敏感，即流動(dòng)活化能增大，流體的粘度增大，流動(dòng)性變差。反之，流動(dòng)活化能減小，流體的粘度減小，流動(dòng)性變強(qiáng)。溫度升高，一方面可能會(huì)增強(qiáng)分子熱運(yùn)動(dòng)，使泡沫壓裂液活化能增大，另一方面溫度升高可能會(huì)造成連續(xù)相羥丙基胍膠溶液中的高分子氫鍵發(fā)生熱斷裂，從而引起活化能的減小。但不管活化能如何變化，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，活化能的變化對(duì)泡沫壓裂液粘度變化的影響不如溫度升高使泡沫壓裂液有效粘度降低的效果

11、大，即溫度升高，則式(3-1)中項(xiàng)減小，泡沫壓裂液有效粘度降低。2） 壓力對(duì)有效粘度的影響壓力對(duì)泡沫壓裂液有效粘度的影響如圖3-4所示。通常來(lái)說(shuō)，增加對(duì)液體的靜水壓力會(huì)使其粘度增大。由圖3-4中可以看出，在實(shí)驗(yàn)壓力范圍內(nèi)，壓力變化對(duì)有效粘度的影響不太明顯，但總體上泡沫壓裂液有效粘度隨壓力增大而增大，而且壓力對(duì)泡沫壓裂液有效粘度的影響在高溫和高泡沫質(zhì)量條件下比在低溫、低泡沫質(zhì)量時(shí)要明顯。    （a）泡沫質(zhì)量0.7，溫度30    （b）泡沫質(zhì)量0.8，溫度70圖3-4有效粘度和壓力、視剪切速率的關(guān)系Ferry32在

12、他的流動(dòng)模型中提出，隨著壓力的增大，流體的自由體積減小，粘度降低，由此可以預(yù)料，流體的可壓縮性越強(qiáng)壓力變化對(duì)其粘度影響越大，例如水的壓縮性很小，壓力對(duì)其影響基本可以忽略，而油的壓縮性比水大得多，因此需考慮壓力對(duì)其粘度的影響。對(duì)于泡沫壓裂液來(lái)說(shuō)，其連續(xù)相基液可壓縮性不強(qiáng)，壓力變化對(duì)其粘度影響不大，但壓力增大時(shí)，泡沫壓裂液內(nèi)相氣體自由體積會(huì)顯著減小，引起壓裂液有效粘度的增大。顯然泡沫質(zhì)量越高，氣相在泡沫壓裂液中所占份額越大，壓力對(duì)壓裂液有效粘度的影響就越明顯。而溫度升高，內(nèi)相氣體自由膨脹，引起氣泡結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，氣泡間擾動(dòng)增強(qiáng)，泡沫質(zhì)量也相應(yīng)的增大，這時(shí)壓力變化對(duì)有效粘度的影響就更強(qiáng)。3） 剪切速率

13、對(duì)有效粘度的影響圖3-2和圖3-4均是以有效粘度為縱坐標(biāo)，剪切速率為橫坐標(biāo)繪制曲線的，如圖所示，泡沫壓裂液有效粘度隨剪切速率增大而減小，即從冪律模型的角度來(lái)說(shuō)，泡沫壓裂液流動(dòng)指數(shù)，屬于剪切稀化流體。大量實(shí)驗(yàn)研究表明，不管是線型羥丙基胍膠溶液還是交聯(lián)羥丙基胍膠溶液，都表現(xiàn)出強(qiáng)烈的剪切稀化性質(zhì)，從這一點(diǎn)上，可以看出基液對(duì)泡沫壓裂液流變特性的影響。此外，從圖3-2和圖3-4還可以看出，隨剪切速率的增大，曲線的斜率會(huì)有所減小，剪切速率對(duì)有效粘度的影響開始減弱，即剪切速率變化對(duì)有效粘度的影響在低剪切速率區(qū)域比在高剪切速率區(qū)域要大。4） 泡沫質(zhì)量對(duì)有效粘度的影響不同剪切速率下壓裂液有效粘度隨泡沫質(zhì)量變化關(guān)

14、系如圖3-5所示，可以看出，泡沫壓裂液有效粘度隨泡沫質(zhì)量增大而增大，且在左右達(dá)到極大值，若泡沫質(zhì)量繼續(xù)增大，有效粘度隨即急劇下降。    （a）壓力1.2MPa，溫度30（b）壓力1.5MPa，溫度55導(dǎo)讀：本論文是一篇關(guān)于泡沫壓裂技術(shù)機(jī)理的優(yōu)秀論文范文,對(duì)正在寫有關(guān)于泡沫論文的寫作者有一定的參考和指導(dǎo)作用,論文片段：            (3-12)       

15、  (3-13)不同溫度、壓力和泡沫質(zhì)量下的曲線如圖3-7、3-8、3-9所示，由圖3-7、3-8、3-9做出的流變參數(shù)隨溫度、壓力、泡沫質(zhì)量和視剪切速率變化曲線分別如圖3-10、3-11、3-12所示。    圖 3-7 泡沫質(zhì)量0.7，壓力1.2MPa時(shí)不同溫度下曲線圖 3-8 泡沫質(zhì)量0.7，溫度30時(shí)不同壓力下曲線圖 3-9 壓力1.2MPa，溫度30時(shí)不同泡沫質(zhì)量下曲線    （a）流變指數(shù)隨溫度變化曲線    （b）流變系數(shù)隨溫度變化曲線圖 3-10 泡

16、沫質(zhì)量0.7，壓力1.2MPa時(shí)流變參數(shù)隨溫度變化曲線（a）流變指數(shù)隨壓力變化曲線（b）流變系數(shù)隨壓力變化曲線圖 3-11 泡沫質(zhì)量0.7，溫度30時(shí)流變參數(shù)隨壓力變化曲線（a）流變指數(shù)隨泡沫質(zhì)量變化曲線（b）流變系數(shù)隨泡沫質(zhì)量變化曲線圖 3-12 壓力1.2MPa，溫度30時(shí)流變參數(shù)隨泡沫質(zhì)量變化曲線從圖3-10、3-11和圖3-12總的來(lái)看，泡沫壓裂液的流變指數(shù)隨著溫度增大而增大；隨壓力增大變化不明顯，但有減小的趨勢(shì)；隨泡沫質(zhì)量的增大而減小。流變系數(shù)隨溫度和剪切速率的增大而減??；隨壓力增大有略微增大；隨泡沫質(zhì)量的增大而增大。目前還沒有準(zhǔn)確描述泡沫壓裂液流變參數(shù)的通用公式，流變參數(shù)有時(shí)以液相

17、組成、泡沫質(zhì)量和溫度等的函數(shù)來(lái)表達(dá)。對(duì)于剪切稀化流體來(lái)說(shuō)，流變指數(shù)，流變指數(shù)的大小反映了流體偏離牛頓流體程度的強(qiáng)弱，越小，說(shuō)明流體非牛頓性越強(qiáng)，反之越大，說(shuō)明流體越接近牛頓流體。泡沫壓裂液的流變指數(shù)隨溫度的增大而增大，這表明升溫造成的降粘作用，使得泡沫壓裂液的非牛頓性減弱；在實(shí)驗(yàn)壓力范圍內(nèi)，壓力對(duì)流變參數(shù)的影響不明顯，但可以看出流變指數(shù)隨壓力增大而減小，泡沫壓裂液的非牛頓性變強(qiáng)；泡沫質(zhì)量時(shí)，泡沫質(zhì)量越大，流變指數(shù)越小，泡沫壓裂液的非牛頓性越強(qiáng)。綜上所述，可以得出各因素對(duì)泡沫壓裂液流變特性的影響。溫度和剪切速率是通過(guò)影響連續(xù)相交聯(lián)羥丙基胍膠溶液的流變特性來(lái)改變泡沫壓裂液的流變特性的，交聯(lián)羥丙基胍

18、膠溶液屬于剪切稀化流體，因此溫度升高、剪切速率增大會(huì)造成泡沫壓裂液有效粘度的減小和流變指數(shù)的增大，泡沫壓裂液非牛頓性減弱；而壓力和泡沫質(zhì)量的則是通過(guò)對(duì)內(nèi)相氣體的影響來(lái)改變壓裂液的流變特性的，氣相的自由體積對(duì)壓力和泡沫質(zhì)量大小有強(qiáng)烈依賴性，泡沫質(zhì)量時(shí)，泡沫壓裂液有效粘度會(huì)隨壓力和泡沫質(zhì)量的增大而增大，流變指數(shù)則會(huì)減小，壓裂液的非牛頓性增強(qiáng)。第四章 支撐劑的輸運(yùn)機(jī)理及泡沫壓裂液的攜砂特性研究4.1支撐劑的種類和發(fā)展石英砂是最早作為通用壓裂支撐材料的支撐劑，由于其相對(duì)低廉的價(jià)格和較好的導(dǎo)流能力，在如今的一些低應(yīng)力水力壓裂作業(yè)中仍然以其作為支撐劑。但是石英砂作為支撐劑有著一些顯著的缺陷：在高閉合應(yīng)力條

19、件下，石英砂抗負(fù)載能力較差，易發(fā)生脆性破碎從而堵塞裂縫內(nèi)導(dǎo)流通道降低裂縫導(dǎo)流能力；較差的圓度和球度也使得泵送時(shí)對(duì)泵送設(shè)備和射孔孔道等油井設(shè)備造成沖蝕破壞。因此，多年來(lái)研究者們一直致力于尋找性能更為優(yōu)良的支撐劑，鋼珠、鋁珠、壓制玻璃球、燒結(jié)陶粒、胡桃木殼、堇青石、莫來(lái)石、氧化鋯及一些氧化陶瓷等已先后用于支撐劑45。其中只有燒結(jié)陶粒被認(rèn)為可以作為石英砂的良好替代品。燒結(jié)陶粒的主要成分是剛玉（主要化學(xué)成分為Al2O3），剛玉的摩氏硬度為9，是迄今自然界中發(fā)現(xiàn)的硬度僅次于鉆石的第二號(hào)高硬物質(zhì)，作為比較，鉆石摩氏硬度為10，石英為7。因此燒結(jié)陶粒具有高硬度和高強(qiáng)度的特性，在高地層應(yīng)力作用下，即使發(fā)生破碎

20、也僅僅是裂成仍能提供導(dǎo)流能力的幾大塊，而不像石英砂完全破碎，所以能夠更好的保持裂縫導(dǎo)流能力。早期的燒結(jié)陶粒圓度和球度不夠好，表面有一些棱角，對(duì)油井設(shè)備有一定的沖蝕破壞，經(jīng)過(guò)數(shù)十年的改進(jìn)，燒結(jié)陶粒的圓度和球度已經(jīng)明顯優(yōu)于壓裂石英砂，對(duì)油井設(shè)備的沖蝕破壞也大大降低。近年來(lái)，研究者們開發(fā)出了諸如樹脂涂層支撐劑、纖維防砂支撐劑、熱塑膜支撐劑、表面改良支撐劑、可變形支撐劑、超低密度支撐劑等一系列新型支撐劑33，這些新型支撐劑都有各自的優(yōu)點(diǎn)，還有待于進(jìn)一步的現(xiàn)場(chǎng)壓裂施工測(cè)驗(yàn)。4.2支撐劑對(duì)裂縫導(dǎo)流能力的影響水力壓裂的目的在于通過(guò)在儲(chǔ)層中形成具有高導(dǎo)流能力的填砂裂縫，從而盡可能增加地層中油氣藏經(jīng)裂縫流向井筒

21、的線型流動(dòng)，來(lái)達(dá)到增加油氣井產(chǎn)能的目的。為了提高壓裂施工的實(shí)施效果，導(dǎo)流裂縫的導(dǎo)流能力必須遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于地層對(duì)油氣藏的導(dǎo)流能力，這就要求在壓裂施工停泵后，裂縫中壓力下降到地層閉合壓力以下，填充的支撐劑仍能使裂縫保持張開。理想的支撐劑可以提供足夠大的導(dǎo)流能力從而使產(chǎn)液在裂縫中幾乎不產(chǎn)生壓降，然而在實(shí)際壓裂施工中，受限于支撐劑的選擇成本等因素，這一點(diǎn)是達(dá)不到的。1) 支撐劑粒徑支撐劑的粒徑大小對(duì)于填砂裂縫的導(dǎo)流能力有很大影響，一般來(lái)說(shuō)，較大粒徑的支撐劑比較小的支撐劑在低地層應(yīng)力下可以提供更高的導(dǎo)流能力，然而，支撐劑粒徑不是越大越好，支撐劑粒徑的選擇需要考慮以下兩個(gè)因素。首先，需要確定地層的巖石性質(zhì)和應(yīng)力

22、大小。如果地層巖石是脆性斷裂較強(qiáng)的純砂巖層，則形成的裂縫的寬度就相對(duì)較大，能滿足大粒徑支撐劑通過(guò)裂縫斷面；而如果地層巖石泥質(zhì)含量較高，塑性特征比較明顯，則其形成的裂縫寬度有限，這時(shí)更適合用小粒徑的支撐劑。上文提到，低地層應(yīng)力下較大粒徑的支撐劑可以提供更高的導(dǎo)流能力，但是隨著地層應(yīng)力的增大，這種導(dǎo)流能力的差別會(huì)越來(lái)越小，因?yàn)榈貙討?yīng)力下越高，不同粒徑支撐劑的孔隙度和顆粒比表面積就越接近，因此，高地層應(yīng)力下應(yīng)選擇更容易泵送的小粒徑支撐劑。另外，支撐劑粒徑的選擇還應(yīng)該考慮輸運(yùn)問題。相同條件下，支撐劑顆粒粒徑越大沉降速度也越大，所以較小的支撐劑更容易被輸送到裂縫深處。通常要求井底射孔孔眼直徑至少為支撐劑顆粒直徑的6倍，裂縫縫寬至少是支撐劑顆粒直徑的3倍以