国外减阻水压裂液技术发展历程及研究进展

国外减阻水压裂液技术发展历程及研究进展国外减阻水压裂液技术发展历程及研究进展

发布时间：2019-07-30 11:11 来源：特种油气藏

摘要：致密页岩气储层具有低孔、低渗的特点，勘探开发难度较大，大多数页岩气井

需要储层改造才能获得比较理想的产量。目前，国外页岩气开发最主要的增产措施是减阻

压裂，即利用减阻...

致密页岩气储层具有低孔、低渗的特点，勘探开发难度较大，大多数页岩气井需要储

层改造才能获得比较理想的产量。目前，国外页岩气开发最主要的增产措施是减阻压裂，

即利用减阻水压裂液进行体积改造。减阻水压裂液体系是针对页岩气储层改造而发展起来

的一种新的压裂液体系。在美国、加拿大等国，减阻水压裂液的使用获得了显著的经济效

益并且已经取代了传统的凝胶压裂液而成为最受欢迎的压裂液。近年来，页岩气能源的

开采在中国受到越来越高的重视。作为页岩气体积改造的关键技术，减阻水压裂液在中国

具有广阔的应用前景。

一、减阻水压裂液发展历程

减阻水压裂液是指在清水中加入一定量支撑剂以及极少量的减阻剂、表面活性剂、黏

土稳定剂等添加剂的一种压裂液，又叫做滑溜水压裂液。减阻水最早在1950 年被引进用

于油气藏压裂中，但随着交联聚合物凝胶压裂液的出现很快淡出了人们的视线。在最近的

一二十年间，由于非常规油气藏的开采得到快速发展，减阻水再次被应用到压裂中并得到

发展。1997 年，Mitchell 能源公司首次将减阻水应用在Barnett 页岩气的压裂作业中并取得了很好的效果，此后，减阻水压裂在美国的压裂增产措施中逐渐得到了广泛应用，到2019 年减阻水压裂液的使用量已占美国压裂液使用总量的30%以上(表1) 。

表1 2019年美国油气田各类压裂液用量所占百分比

早期的减阻水中不含支撑剂，产生的裂缝导流能力较差，后来的现场应用及实验表明，添加了支撑剂的减阻水压裂效果明显好于不加支撑剂时的效果，支撑剂能够让裂缝在压裂

液返排后仍保持开启状态。目前在国外页岩气压裂施工中广泛使用的减阻水的成分以水

和支撑剂为主，总含量可达99%以上，其他添加剂(主要包括减阻剂、表面活性剂、黏土稳定剂、阻垢剂和杀菌剂) 的总含量在1%以下，尽管含量较低，这些添加剂却发挥着重要作用(表2) 。

表2 减阻水压裂液中的主要添加剂

二、减阻水压裂液技术研究进展

1、新型减阻水压裂液体系

减阻水流体本身是一种差的支撑剂载体，需要通过提高其泵入速率来减少支撑剂的沉淀。此外，有人通过在减阻水压裂液中加入少量交联剂和线性凝胶来缓解支撑剂的沉降和

铺置问题，高黏度流体尽管能达到这一目标但会显著降低裂缝的复杂度。

为了弥补减阻水体系上述缺点，Bell 等在2019 年首先提出一种新型的减阻水体系概念，该体系兼具减阻水体系和常规凝胶液体系的优点，可以在凝胶破坏前最大限度地运输

经过地面设备和较长水平侧向井段的支撑剂，以创造一个足够复杂的裂缝网络。2019 年，Brannon 等在Bell 等人的研究基础上研制出了一种新的交联聚合体系，通过在地层中可

控的黏度降解，该液体转变为具有较低黏度的减阻水以提供所需复杂度的裂缝网。即这种

液体可以先产生距井眼一定距离的平面裂缝，然后再自发转变为低黏度液体制造复杂裂缝。因而，该体系兼具减阻水和交联凝胶体系的优点，又克服了两者的缺点。此外，他们还通

过裂缝模型证明了该体系在液体性能及裂缝网络延伸控制方面的实用性。在2019 年上半年，该体系在美国的德州、阿肯色州和路易斯安那州的页岩气开采中得到600 多次应用，与常规减阻水及凝胶液体系相比，该体系获得了更好的生产效果。

2、添加剂之间的相互作用

最近几年人们发现，在减阻水的现场施工中减阻剂的减阻效果往往会由于其他添加剂

的加入而大打折扣，于是减阻剂和其他添加剂之间的相互作用开始受到人们关注。

2019 年，C.W.Aften 等人通过研究发现非离子表面活性剂会缩短聚丙烯酰胺乳液减

阻剂在水中的分散时间，使其在更短时间内完全溶解并达到最大黏度，从而提高了其减阻

效果。

同年，Shawn M.Rimassa 等通过实验证明阳离子杀菌剂将对阴离子聚丙烯酰胺减阻剂

的效果产生不利影响，而非离子杀菌剂却对其效果没有任何影响，因此提出以非离子或阳

离子聚丙烯酰胺以及多糖类聚合物作为减阻剂来取代阴离子聚丙烯酰胺。

2019 年Javad Paktina 提出阳离子黏土稳定剂与阴离子聚合物减阻剂的混合将造成

巨大麻烦，在一定的情况下，它们之间会产生交联反应使减阻剂聚合物分子结构变化产生

沉淀，这不仅降低了减阻剂效果，还会导致对地层的伤害。此外，他还认为一般的阴离子

聚合物减阻剂与阳离子聚合物混合都会产生沉淀，所以在设计压裂液体系前应注意添加剂

的问题。

2019年，Carl Aften 研究了杀菌剂对聚合物减阻剂、除氧剂、阻垢剂及表面活性剂

所带来的影响。实验结果表明，一些杀菌剂比如THPS 和季胺盐类的ADBAC 也会伤害减阻

剂的性能，这类化学添加剂会对聚合物的水化机理产生影响，降低增黏效果并导致减阻剂

乳液分散能力的减弱。此外，添加剂之间的相互影响结果不仅受添加剂类型的影响，还受

减阻水中的含盐量及温度等外界环境的影响。

综上可知，减阻水压裂液中用到的任何化学添加剂之间的兼容性应该提前测定，以保

证化学角度的安全性，使压裂改造更加有效并使潜在的地层损害降到最低。

3、破坏剂的优选

减阻剂常用在减阻水压裂作业中，来减少在较高的泵速下因摩擦管线和水或盐水溶液之间的摩擦而产生的巨大的能量损失。目前几乎所有减阻剂均使用高分子量的聚丙烯酰胺乳液，尽管减阻水中的减阻剂浓度非常低，但由于一般的减阻水压裂所需的减阻水体积较大，就会有大量的聚合物注入到地层，且大多数聚丙烯酰胺聚合物较难降解，因而近年来减阻剂对地层及裂缝造成的潜在损害逐渐受到关注。因此，需要找到一种合适的破坏剂来有效地降低聚丙烯酰胺聚合物分子链的尺寸(或分子质量) ，进而减少裂缝及地层伤害。

2019 年P.S.Carman 等对减阻水压裂中聚丙烯酰胺减阻剂的破坏剂进行成功优选。他们对几种传统的氧化型破坏剂进行了筛选，利用截留分子量(MWCO)过滤技术来测量聚合物分子量的降解程度，从而确定聚合物碎片的比例和大小。此外，他们还通过实验确定在减阻剂中加入破坏剂并没有对聚合物的水化性能及减阻效果产生不利影响。结果表明，传统的氧化型破坏剂在温度为180°F 时对聚丙烯酰胺都有一定程度的降解; 在相同温度下，过硫酸钾氧化剂比有机过氧化物和无机过氧化物具有更好的效果; 此外，随着破坏剂浓度的增加，减阻剂完全降解所需时间缩短了。

4、无害化减阻剂的研究

前面提到，尽管聚合物减阻剂一般是在低浓度下泵入地层，但用量较大，所以这些聚合物也将对地层产生伤害。在一些人对聚丙烯酰胺破坏剂进行优选的同时，另一些人对无害化的减阻剂也开始了研究。现有的减阻剂，包括共聚物在内，均为以C —C 为主链的聚合物，其主链很难被打破因而难以降解。 2019 年，H.Sun 和R.F.Stevens 等认为即便使用氧化型破胶剂，这些聚合物还是会对地层造成一定损害。H.Sun 和Benjamin Wood 等提出有2 种方法可以解决高分子减阻剂造成的地层及裂缝伤害问题。

(1)研发更有效的减阻剂，它应含有更高效的聚合物，或者具有更好的水化分散性以

缩短减阻剂水化前的潜伏期，使得其在泵入过程中较早地发挥作用，因为流体从地面到射孔处大概只需3min 。

(2)研发极易降解的减阻剂，使得其在井底条件下便降解，并留下极少残渣。据此，

H.Sun 等人研发了一种新型的易被降解的减阻剂，其主要特点如下：

①以液态传输，使运输和现场作业更方便;

②水化分散较快，能在泵入过程中更早发挥作用;

③与清水、KCl 溶液、高浓度盐水以及返排水配伍性强并能够在剪切作用下保持稳定;

④泵入过程中与破坏剂以及其他处理剂(阻垢剂、杀菌剂、黏土稳定剂、表面活性剂等) 兼容; ⑤更加高效，大大减少了现场聚合物的用量;