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;
⑥由于该减阻剂对油田使用的氧化型破胶剂更加敏感，使得其降解更加容易，且在一
般地层温度下比传统减阻剂降解更迅速、更彻底，因而能最大限度地降低地层伤害。

他们通过实验室研究将该减阻剂与致密砂岩和页岩岩心的化学配伍性、减阻性能、破
裂性能及其对地层的伤害与传统减阻剂进行了对比，证实了该减阻剂的优越性。

此外，超
过90d 的现场生产数据证实，利用该新型减阻剂开采气井的产量比利用传统减阻剂的产量有明显提高。

5、抗盐减阻剂的研究
减阻水压裂液对于水的需求量是巨大的，但是在美国，许多州对淡水用于储层压裂是
有限制的。

为了满足对淡水的需要以及节约成本，人们采用各种水处理技术，利用化学及
机械措施将返排水中的固体和杂质去除，以便对其进行重复利用。

然而现有技术却难以将
返排水中的溶解盐及硬度成分去掉。

实际上，通过对现场返排水的研究表明，大部分压裂
措施不仅增加了水中的总体矿化度而且增加了多元离子含量。

1) 盐分对减阻剂效果的影响
作为减阻水压裂液中最主要的添加剂，减阻剂减阻效果的好坏对压裂施工而言至关重要。

Javad Pakti nat 等通过将减阻剂在盐水中的减阻效果与在清水中的减阻效果做比较，评价了含盐量对减阻剂的影响。

他们通过环流试验以及对油管摩阻变化的观察，证明具有
较高盐度和硬度的压裂液将对减阻剂的效果产生伤害。

Javad Paktinat 认为这是由于水
中的离子会跟一些聚合物分子发生反应，并会导致聚合物分子的自身反应，这引起聚合物
分子在静态条件下体积减小从而降低了聚合物分子的增黏能力。

图1 室温下减阻剂溶液的黏度随氯化钙浓度的变化
图1 体现了典型阴离子减阻剂溶液受到氯化钙浓度影响的黏度变化。

当盐水的硬度达到50mg/L 时就会导致减阻剂性能降低，且当硬度超过减阻剂所能承受的范围，可能对聚
合物产生永久性的破坏。

此外，当盐水中含盐成分为1∶1 结构(一价盐) 时，盐分产生的离子强度也会对聚合物的发挥造成不利影响。

一般来说，硬水所含离子(比如钙离子、镁
离子) 会导致聚合物构造的不可逆变化，然而1∶1 结构的一价盐(比如氯化钠、氯化钾) 溶液对减阻剂的影响是可逆的。

因此一价氯化盐所造成的影响不是永久的，即用某种办法
稀释一价氯化盐的盐水，可以使聚合物重新获得它的性能。

这说明聚合物的吸引力不是由
化学键决定的，而是受到聚合物分子与溶液中离子之间的电磁力影响。

2) 抗盐减阻剂的研究
鉴于盐水中离子对减阻剂效果产生的不利影响而市场上现有减阻剂发挥的效果欠佳，
人们便开始关注抗盐减阻剂的研发, 这种类型减阻剂的研究及发展开始于2019 年。

C.W. Aften[18]首先通过实验证明盐分确实给乳液减阻剂的效果造成损害，并提出可以提供一
种抗盐减阻剂，在含盐量较高的返排水中其性能不会受到影响或是受影响很小。

这类减阻剂应该具备以下特点：
①减阻剂乳液在盐溶液中具有很好的分散性，使其内部分子完全释放到外相中;
②聚合物分子在盐溶液中仍保持较好溶解性及柔韧性。

2019 年Javad Paktinat 等通过筛选耐盐的聚合单体类型并优化单体配比，研制出了新型抗盐聚合物减阻剂。

他们选取了其他3 种常规减阻剂与该新型减阻剂作对比，利用摩阻环对减阻剂在不同溶液下的性能进行评价。

结果表明4 种减阻剂在清水中的性能都相似，但在含有单价及多价离子的高浓度盐水中4 种减阻剂的性能就被明显区分开来，该新型减阻剂在盐水中的性能比其他3 种要好很多，具有显著的抗盐性。

此外，他们还在此基础上优选出了配套的表面活性剂、黏土稳定剂等主要添加剂，并建立了一套新型抗盐减阻水压裂液体系。

该体系在加拿大霍恩河盆地以及美国马塞勒斯盆地的页岩气开采中都表现出了更优越的性能，页岩压裂效果得到很大提高。

抗盐减阻剂的出现一方面可以在满足操作需求的条件下减少用量，从而节省压裂成本并且避免了使用大量减阻剂而导致地层损害的风险; 另一方面，抗盐减阻剂使返排水代替清水用作压裂液成为可能，从而保护了匮乏的水资源。

6、支撑剂传输系统的改进
为了改进减阻水压裂液中支撑剂的传输效果，很多人致力于减小支撑剂粒径或密度，根据斯托克斯法则，这将降低支撑剂的沉降速率。

但是，使用小粒径支撑剂或是密度较低的支撑剂会使得裂缝导流性变差。

N.Kostenuk 等在2019 年通过实验测试了一种能够在不减小支撑剂粒径或密度的前提下显著减少支撑剂沉降及在裂缝中堆积的新方法，即
PTM(Proppant Transportation Modifier) 技术，这种独特的技术建立在改变支撑剂表面性质的基础上。

它将支撑剂传输改性剂(PTM)加入到减阻水中，使得支撑剂表面具有亲气性，从而在
支撑剂表面产生微气泡并环绕在支撑剂颗粒周围。

这些微气泡改变了支撑剂颗粒的浮力，因而支撑剂可以在减阻水中传输到更远的地层中去而不受压裂液黏度或流动性的限制(图2) 。

图2 支撑剂传输剖面图
这种方法使得支撑剂能够均匀分布到裂缝中去从而更好地起到支撑裂缝的作用。

N.Kostenuk 等通过实验模拟了现场条件下该技术传送支撑剂的性能，结果表明，由于PTM 的加入，储层产量增加了24%～26%，支撑剂充填层的导流能力及渗透率分别增加了19.3%和18.1%。

三、减阻水压裂液优缺点分析
1、优点
(1)减阻水压裂液体系极大地减少了凝胶对地层及裂缝的伤害。

传统的凝胶压裂液体
系使用较高浓度的凝胶，这些凝胶的残留物以及在压裂过程中产生的滤饼会堵塞地层并降
低裂缝导流能力。

而减阻水压裂液中只含有少量的减阻剂等添加剂，并且易于返排，大大
降低了地层及裂缝伤害，从而有利于提高产量。

(2)成本较低。

减阻水中的化学添加剂及支撑剂的用量较少，可节省施工成本40%～60%。

由于成本的降低，许多原来不具商业开采价值的储层便可以得到开发。

(3)减阻水能够产生复杂度更高体积更大的裂缝网络。

这是由于减阻水具有较低的黏
度以及施工时的泵入速率较高。

裂缝复杂度和体积的提高增加了储层的有效增产体积，使
得产量增加。

(4)由于减阻水中添加剂含量少，较为清洁，因此更易于循环利用。

2、缺点
(1)减阻水最大的缺点是其对支撑剂的输送能力较差。

传统的支撑剂传输系统依靠压
裂液的黏度悬浮并运载支撑剂到储层深处，而减阻水黏度较低，携砂能力较差，主要依靠
紊流、砂坝和(或) 砂床来传送支撑剂。

这将导致支撑剂在地面设备或较长水平侧向井段
的过早沉淀，支撑剂不能得到均匀铺置。

这使得裂缝难以
得到有效支撑，导流能力下降，从而导致过早的作业终止和生产力降低。

此外，大量
支撑剂在靠近井口的裂缝中的堆积还容易造成堵塞，降低储层渗透率。

对于该缺点，建议主要通过如下2条途径来弥补：
①研究制造出性能更高的支撑剂，使其在不降低强度的条件下具有更低的密度，以利
于输送;
②研究新型减阻水压裂液体系，使其在输送支撑剂过程中具有较高黏度，在达到地层
后则自动降黏以制造复杂的裂缝网络。

(2)减阻水压裂施工中所需水量较大。

由于减阻水携砂能力差，为了将大量支撑剂传
输进入地层，不得不在高泵速下将大量支撑剂含量较低的减阻水注入地层。

在美国许多区
域的页岩气开采中，减阻水的单井使用量都达到了几百万加仑。

此外，随着水平井多级压裂及同步压裂技术的发展，减阻水的使用量还在不断增加。

由于减阻水具有极低的造壁能力，随着注入量的增加，更多液体将渗入地层造成地层损害，因而减阻水不适合水敏地层压裂。

而且在淡水缺乏的区域，减阻水压裂液的应用也会受到
一定限制。

为了减少淡水的用量及损失，可向减阻水体系中加入一定量的降滤失剂，以降
低减阻水向地层的滤失。

此外，应研究更高效的返排液处理技术，加大对减阻水压裂液的
回收利用。

结论：
☞经过一二十年的发展，减阻水压裂液已经取代了凝胶压裂液成为国外页岩气开采
的主流压裂液体系。

☞目前减阻水压裂液技术的研究重点主要是支撑剂输送能力的改善、添加剂之间的相互作用、对地层伤害程度的降低以及抗盐减阻剂的研究。

☞在减阻水压裂施工中，要提前测定减阻水的支撑剂传输性能以及各种添加剂之间
的兼容性，并且要考虑到减阻剂带来的潜在地层损害以及盐分对减阻剂性能的影响。

☞减阻水压裂液产生较低的储层及裂缝伤害，成本较低，能够产生复杂度更高体积
更大的裂缝网络，并且易于循环利用。

但减阻水压裂液对支撑剂的输送能力较差并且对水
的需求量极大。