魏娟明， 劉建坤， 杜 凱， 眭世元， 賈文峰， 吳峙穎

(1.中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101；2.中國(guó)石化北京化工研究院，北京 100013)

反相乳液型減阻劑及滑溜水體系的研發(fā)與應(yīng)用

魏娟明1， 劉建坤1， 杜 凱2， 眭世元1， 賈文峰1， 吳峙穎1

(1.中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101；2.中國(guó)石化北京化工研究院，北京 100013)

由于常規(guī)壓裂液降阻效果差，對(duì)儲(chǔ)層傷害大，為了大幅度降低施工摩阻，降低施工壓力，改善壓裂改造效果，采用反相乳液聚合法合成了一種用于壓裂的反相乳液型減阻劑，并以其為主劑，與優(yōu)選出的配伍性能好、協(xié)同效應(yīng)好的黏土穩(wěn)定劑、助排劑等復(fù)配形成了一種新型滑溜水體系。室內(nèi)試驗(yàn)表明：0.10%～0.15%反相乳液型減阻劑溶液的減阻率達(dá)到65%以上；新型滑溜水體系的減阻率達(dá)到65%，且具有較高的防膨脹和助排性能，較好的耐溫抗鹽性能。新型滑溜水體系已在青海、江漢、華北等油田薄互致密儲(chǔ)層壓裂和頁(yè)巖油氣井分段壓裂中進(jìn)行了應(yīng)用，表現(xiàn)出了良好的特性，獲得了良好的改造效果。該體系能夠滿足頁(yè)巖油氣儲(chǔ)層及致密儲(chǔ)層壓裂的需要，且能降低大型壓裂的施工成本。

壓裂 滑溜水 減阻劑 壓裂液性能 頁(yè)巖氣

滑溜水體系能大幅度降低壓裂施工的摩阻及施工壓力，降低壓裂施工設(shè)備的負(fù)荷，有效增加施工凈壓力，大幅度改善壓裂改造的效果，目前已成為頁(yè)巖儲(chǔ)層壓裂改造最常用的液體之一[1-8]。目前國(guó)內(nèi)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的滑溜水體系大多是在國(guó)外減阻劑的基礎(chǔ)上進(jìn)行復(fù)配而成的，存在針對(duì)性差、對(duì)儲(chǔ)層傷害大且價(jià)格較高的問(wèn)題[9-10]，不但影響了壓裂效果而且增大了壓裂成本。為此，筆者等人根據(jù)高分子聚合物的減阻機(jī)理，在分子設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，通過(guò)反相乳液聚合法合成了聚丙烯酰胺類乳液型減阻劑，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品中試放大和工業(yè)化生產(chǎn)，并以該減阻劑為主劑研發(fā)了新型滑溜水體系,在多口頁(yè)巖氣井壓裂改造中進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，取得了良好的改造效果。

1 研制思路

減阻劑是滑溜水體系中最主要的添加劑，所以減阻劑的合成是滑溜水體系的關(guān)鍵。對(duì)湍流流體減阻效果好的高分子減阻劑應(yīng)該是溶解性能好、相對(duì)分子質(zhì)量高的線彈性長(zhǎng)鏈大分子聚合物，有彈性、具有螺旋結(jié)構(gòu)的高分子聚合物的減阻效果較直長(zhǎng)鏈的高分子線性聚合物要好。所以，筆者以丙烯酰胺為主體結(jié)構(gòu)單元，添加離子型結(jié)構(gòu)單元和小陽(yáng)離子單體進(jìn)行共聚，通過(guò)反相乳液聚合獲得聚丙烯酰胺類高分子減阻劑。由于聚合時(shí)添加了小陽(yáng)離子單體，所以得到的減阻劑還具有一定的防黏土膨脹性能。

2 減阻劑的合成及性能評(píng)價(jià)

2.1 試劑和儀器

試劑：丙烯酸(AA)、丙烯酰胺(AM)、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)和丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨(DAC)均為工業(yè)品；引發(fā)劑、氫氧化鈉、鹽酸均為分析純；高純氮?dú)?；去離子水。

儀器：高溫高壓反應(yīng)釜，紅外光譜儀，Brookfield DV-III ULTRA型流變儀，酸蝕管路摩阻測(cè)試儀，K100型自動(dòng)界面張力儀，頁(yè)巖膨脹儀，離心機(jī)。

2.2 減阻劑的合成

在高溫高壓反應(yīng)釜中按比例加入乳化劑、環(huán)己烷等，形成均勻的油相介質(zhì)，將按一定質(zhì)量比混合的AA、AM、AMPS和DAC水溶液(用NaOH溶液將其pH值調(diào)至7)慢慢滴加到油相中，攪拌均勻得到穩(wěn)定的反相乳液體系。將加入試劑的高溫高壓反應(yīng)釜放在30 ℃的水浴箱中，通入N2，充分乳化30 min，緩慢滴加適量引發(fā)劑進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)時(shí)間控制在4～5 h。反應(yīng)完成后加入轉(zhuǎn)相劑即得到反相乳液型減阻劑。

2.3 減阻劑性能評(píng)價(jià)

合成的反相乳液型減阻劑是一種乳白色或淡黃色黏稠液體，乳液表觀黏度為400～1 000 mPa·s，其主要性能指標(biāo)見(jiàn)表1。由表1可以看出，該減阻劑溶解速度小于5 min，0.10%～0.15%減阻劑溶液的減阻率可達(dá)65%以上，優(yōu)于國(guó)內(nèi)外同類產(chǎn)品。

3 滑溜水體系配方優(yōu)選

3.1 減阻劑加量?jī)?yōu)化

將不同加量的反相乳液型減阻劑溶于水分別配制成0.15%、0.10%、0.07%和0.05%的溶液，在室溫下分別測(cè)試其在不同剪切速率下的壓降，與同剪切速率下清水壓降進(jìn)行對(duì)比，求得不同剪切速率下的壓降差，從而計(jì)算出減阻率，結(jié)果如圖1所示。

從圖1可以看出，在反相乳液型減阻劑的加量為0.10%～0.15%時(shí)，減阻率較高，所以確定反相乳液型減阻劑的加量為0.10%～0.15%。

3.2 助排劑的優(yōu)選

由于頁(yè)巖儲(chǔ)層具有非均質(zhì)性強(qiáng)、孔滲物性極差等特點(diǎn)，壓裂過(guò)程中侵入儲(chǔ)層的滑溜水由于吸附滯留效應(yīng)或液相的聚集效應(yīng)造成返排緩慢或返排困難，增大了對(duì)儲(chǔ)層的二次傷害。通過(guò)優(yōu)選助排劑(即表面活性劑)，可以降低滑溜水的表面張力、改變儲(chǔ)層的潤(rùn)濕性，有助于滑溜水的返排，從而降低對(duì)儲(chǔ)層的傷害。

分子結(jié)構(gòu)和親水親油平衡值HLB是優(yōu)選表面活性劑的兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。作為進(jìn)入儲(chǔ)層降低界面張力和改變潤(rùn)濕性的助排劑，要求其HLB在12～15之間。通過(guò)比對(duì)，優(yōu)選了幾種陰離子和非離子表面活性劑，分別測(cè)試了其表面張力和界面張力，并計(jì)算了其HLB，結(jié)果見(jiàn)表2。

從表2可以看出，在減阻劑加量0.10%的滑溜水中，助排劑7具有較好的表面活性，能夠較好地降低滑溜水的表面張力和界面張力。

3.3 黏土穩(wěn)定劑的優(yōu)選

我國(guó)已發(fā)現(xiàn)頁(yè)巖油氣富集儲(chǔ)層多數(shù)黏土含量偏高(如：川東南涪陵地區(qū)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層平均黏土含量32%，丁山地區(qū)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層平均黏土含量40%～60%，彭水地區(qū)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層平均黏土含量高達(dá)20%～50%)，在壓裂過(guò)程中，滑溜水大量進(jìn)入儲(chǔ)層后極易導(dǎo)致黏土礦物膨脹、分散和運(yùn)移，如果不采取黏土穩(wěn)定措施將導(dǎo)致儲(chǔ)層滲透率降低。目前常用的黏土穩(wěn)定劑主要有氯化鉀、高分子陽(yáng)離子類及小分子陽(yáng)離子類黏土穩(wěn)定劑。氯化鉀用量大，又是固體顆粒，很難滿足連續(xù)混配要求。高分子陽(yáng)離子類黏土穩(wěn)定劑的配伍性較差，對(duì)儲(chǔ)層傷害大。由于小陽(yáng)離子類黏土穩(wěn)定劑加量小，防膨效果普遍較好，因此，選該類黏土穩(wěn)定劑作為滑溜水體系的黏土穩(wěn)定劑。

采用離心法測(cè)定防膨率，通過(guò)測(cè)定膨潤(rùn)土在滑溜水和清水中的體積膨脹增量來(lái)評(píng)價(jià)防膨率。稱取0.50 g膨潤(rùn)土，放在20 mL離心管中，加入10 mL滑溜水，充分搖勻，在室溫下靜置2 h后裝入離心機(jī)內(nèi)，在1 500 r/min轉(zhuǎn)速下離心分離15 min，讀出膨潤(rùn)土膨脹后的體積V1。分別用10 mL清水和10 mL煤油取代滑溜水，測(cè)定膨潤(rùn)土在清水和煤油中的膨脹體積V2和V0，按式(1)計(jì)算防膨率，結(jié)果見(jiàn)表3。

(1)

式中：B1為防膨率；V0為膨潤(rùn)土在煤油中的膨脹體積，mL；V1為膨潤(rùn)土在滑溜水中的膨脹體積，mL；V2為膨潤(rùn)土在清水中的膨脹體積，mL。

從表3可以看出,黏土穩(wěn)定劑6的防膨脹效果最好，其加量為0.3%時(shí)，防膨率可達(dá)70%。

3.4 滑溜水體系配方的確定

將減阻劑與助排劑、黏土穩(wěn)定劑等添加劑復(fù)配形成新型滑溜水體系，其基本配方為0.1%乳液減阻劑+0.1%高效助排劑7+0.3%黏土穩(wěn)定劑6+水。

4 滑溜水體系性能評(píng)價(jià)

4.1 減阻性能

采用酸蝕管路摩阻儀對(duì)滑溜水體系的減阻性能進(jìn)行測(cè)試，測(cè)定其在室溫下、φ15.0 mm直管中不同剪切速率下的壓降，并與相同剪切速率下的清水壓降進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算不同剪切速率下的減阻率，結(jié)果如圖2所示。

從圖2可以看出，隨著剪切速率的增大，減阻效果明顯變好，在12 000 s-1剪切速率下減阻率達(dá)到了65.5%。這是由于聚合物大分子加入后，大分子線性基團(tuán)在管道流體中伸展，使流體內(nèi)部的紊動(dòng)阻力下降，抑制了徑向的湍流擾動(dòng)，使更多的力作用在軸向流動(dòng)方向上，同時(shí)吸收能量，干擾薄層間的水分子從緩沖區(qū)進(jìn)入湍流核心，從而阻止或者減輕湍流，湍流越大抑制效果越明顯，表現(xiàn)出的減阻效果越好[11]。

4.2 黏彈性能

黏彈性是評(píng)價(jià)滑溜水體系的重要指標(biāo)之一，利用流變儀在25.0 ℃下對(duì)滑溜水進(jìn)行了頻率掃描，結(jié)果見(jiàn)圖3。

從圖3可以看出，在掃描頻率為0.1～8.0 Hz的范圍內(nèi)，其儲(chǔ)能模量較高，穩(wěn)定在1.0 Pa以上，且儲(chǔ)能模量均大于耗能模量，表現(xiàn)為彈性。

利用流變儀，在25 ℃下以0.5 Hz的恒定頻率，對(duì)0.5%減阻劑溶液進(jìn)行應(yīng)力掃描，測(cè)得剪切儲(chǔ)能模量和剪切耗能模量與應(yīng)力的關(guān)系，結(jié)果如圖4所示。

一般而言，若儲(chǔ)能模量大于耗能模量，則流體主要表現(xiàn)為彈性。由圖4可知，在0.01～3.00 Pa應(yīng)力掃描范圍內(nèi)，儲(chǔ)能模量一直大于耗能模量，且儲(chǔ)能模量大于1.0 Pa，根據(jù)Hoffmann提出的判斷溶液是否具有黏彈性的方法，可以斷定該溶液具有黏彈性，由于黏彈性與湍流漩渦發(fā)生作用，使漩渦的一部分能量被減阻劑分子吸收，以彈性能方式儲(chǔ)存起來(lái)，使渦流動(dòng)能減小達(dá)到減阻效果[12]。

4.3 耐剪切性能

按上文確定的滑溜水配方配制滑溜水，用流變儀對(duì)其進(jìn)行耐剪切試驗(yàn)，觀察剪切速率從0增至3 000 s-1時(shí)其黏度的變化情況，結(jié)果見(jiàn)圖5。

從圖5可以看出，滑溜水體系的黏度隨剪切速率增大緩慢降低，說(shuō)明其有較好的耐剪切性能。

4.4 耐鹽性能

地層中含有的大量金屬離子(如鉀、鈉、鈣、鎂離子等)，對(duì)聚合物的黏度有較大影響，會(huì)降低聚合物的減阻性能，因此評(píng)價(jià)滑溜水體系的耐鹽性具有重要意義。

按上文確定的滑溜水配方配制滑溜水，分別測(cè)試其加入氯化鉀前后不同剪切速率下的減阻率，結(jié)果見(jiàn)圖6。

從圖6可看出，滑溜水體系加入氯化鉀前后減阻率變化較小，說(shuō)明其耐鹽性能好。這是由于在聚合物鏈中加入了一定的耐溫抗鹽基團(tuán)，如含磺酸基的高活性陰離子型強(qiáng)水化基團(tuán)、帶強(qiáng)電離基團(tuán)的結(jié)構(gòu)單元等，這些基團(tuán)的電離受電解質(zhì)濃度影響較小，其溶液的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)變化也較小，所以該滑溜水體系在高礦化度下的穩(wěn)定性也較好，表現(xiàn)出較好的抗鹽性能。

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

新型滑溜水體系在青海、江漢、華北等油田的6口致密薄互儲(chǔ)層井及2口頁(yè)巖油氣水平井壓裂中進(jìn)行了應(yīng)用。壓裂效果及產(chǎn)能統(tǒng)計(jì)顯示，8口井壓裂后都取得了突破，獲得了較高產(chǎn)能。另外，該滑溜水體系成本低于國(guó)內(nèi)外同類產(chǎn)品，有利于降低大型壓裂的施工成本，適合大規(guī)模推廣應(yīng)用。

5.1 在致密薄互儲(chǔ)層壓裂中的應(yīng)用

A井是位于江漢盆地江陵凹陷公安單斜帶魏家場(chǎng)斷鼻的一口探井，為了評(píng)價(jià)新下3油組的含油性，決定對(duì)新下3油組的3個(gè)薄層段(2 760.80～2 762.00、2 763.20～2 764.40和2 771.00～2 772.00 m井段)進(jìn)行壓裂改造。根據(jù)應(yīng)力剖面解釋情況，該井目的層上部隔層的應(yīng)力遮擋條件較差，縫高難控制。為了解決該問(wèn)題，施工中采用了綜合控縫高技術(shù)，即前置液階段用滑溜水以低排量造縫，慢慢壓開(kāi)每個(gè)小層，避免縫高過(guò)早上竄；攜砂液階段逐漸提高排量，采用低黏清潔壓裂液攜砂，加強(qiáng)對(duì)裂縫的有效支撐。

壓裂后溫度測(cè)井解釋顯示，壓裂縫的縫高在井深2 760.00～2 774.00 m范圍內(nèi)延伸，有效控制了縫高在縱向上的過(guò)度延伸。

該井壓裂后的壓裂液返排率和見(jiàn)油時(shí)間明顯好于同類型油藏壓裂井，初期日產(chǎn)油量達(dá)到6 t，后期穩(wěn)產(chǎn)階段達(dá)到4 t左右，是相鄰區(qū)塊的3～4倍，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。

6口高應(yīng)力致密薄互儲(chǔ)層井壓裂情況分析表明，滑溜水控縫高作用明顯，返排率高，且比常規(guī)壓裂液有更好的降阻效果，能夠滿足高應(yīng)力致密薄互儲(chǔ)層壓裂的需要。

5.2 在陸相頁(yè)巖儲(chǔ)層大型壓裂中的應(yīng)用

B井是西北柴達(dá)木盆地陸相侏羅系的一口頁(yè)巖氣探井，為了評(píng)價(jià)大煤溝組頁(yè)巖儲(chǔ)層的含氣性，對(duì)目的層的3個(gè)層段(1 928.00～1 931.50、1 945.40～1 949.20和1 958.00～1 960.50 m井段)進(jìn)行壓裂改造。主壓裂泵入滑溜水640.0 m3、膠液373.0 m3，加砂57.0 m3，頂替液10.0 m3，破裂壓力42.0 MPa，施工最高壓力55.8 MPa，最大排量9.0 m3/min，平均砂比5.63%。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試滑溜水降阻率達(dá)到65%。

從頁(yè)巖儲(chǔ)層現(xiàn)場(chǎng)壓裂統(tǒng)計(jì)看，新型滑溜水體系在頁(yè)巖儲(chǔ)層壓裂中表現(xiàn)出了良好的特性：溶脹速度快，易于配制，可滿足在線混配的要求；施工摩阻低，降阻效果好(降阻率達(dá)到65%以上)，對(duì)于深層及超高應(yīng)力儲(chǔ)層壓裂降壓效果明顯；黏度可調(diào)，攜砂能力較好，最高砂比達(dá)到12%；防膨效果好，能有效抑制儲(chǔ)層黏土礦物膨脹(防膨率達(dá)80%)、對(duì)儲(chǔ)層基質(zhì)傷害小(傷害率<10%)；表面張力小(<25 mN/m)，易返排，返排率高；耐溫好(最高溫度達(dá)120 ℃)，耐鹽性好，適應(yīng)性強(qiáng)，能夠滿足頁(yè)巖油氣儲(chǔ)層大型壓裂施工需要。

6 結(jié) 論

1) 以AA、AM、AMPS和DAC為單體，利用反相乳液聚合法合成了兩性離子聚丙烯酰胺類反相乳液型減阻劑，其減阻率達(dá)到65%以上，性能優(yōu)于國(guó)內(nèi)外同類產(chǎn)品。

2) 以反相乳液型減阻劑為主劑，優(yōu)選配伍性能好、協(xié)同效應(yīng)好的黏土穩(wěn)定劑和助排劑等，研發(fā)形成了一種新型壓裂用滑溜水體系，該體系具有較高的防黏土礦物膨脹和助排性能，較好的耐溫、抗鹽性能，完全能滿足頁(yè)巖油氣儲(chǔ)層大型壓裂施工及常規(guī)致密儲(chǔ)層的壓裂需要。

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[編輯 劉文臣]

The Development and Application of Inverse EmulsifiedFriction Reducer and Slickwater System

Wei Juanming1, Liu Jiankun1, Du Kai2, Sui Shiyuan1, Jia Wenfeng1, Wu Zhiying1

(1.SinopecResearchInstituteofPetroleumEngineering,Beijing,100101,China;2.SinopecBeijingResearchInstituteofChemicalIndustry,Beijing,100013,China)

Due to low friction reduction and high formation damage caused by conventional fracturing fluids as well as the high cost of imported slickwater systems,a low-cost,low-damage inverse emulsified friction reducer and slickwater system were developed which would significantly reduce resistance and treatment pressure in field operations and greatly improve stimulation effect.The inverse emulsified friction reducer was synthesized by inverse emulsion polymerization method,which was used as main agent in new a slickwater system comprised of optimal clay stabilizer and a cleanup agent with good compatibility and synergy.Lab experiments showed that the resistance reduction rate of inverse emulsified friction reducer solution with concentration of 0.10%—0.15% reached 65% or higher and the resistance reduction rate of the new slickwater system reached 65%.In addition,the new slickwater system displayed superior anti-swelling,cleanup,temperature-resistance,and brine tolerance characteristics.The new slickwater system has been applied in staged fracturing in thin tight reservoirs and shale oil and gas reservoirs in Qinghai,Jianghan,Huabei and so on,displaying good characteristics and application results,which indicate that the new slickwater system could meet the requirements for fracturing shale and tight gas and oil reservoirs.

fracturing;slickwater;friction reducer;fracturing fluid property;shale gas

2014-11-15；改回日期：2014-12-21。

魏娟明(1968—)，女，山東平度人，1990年畢業(yè)于石油大學(xué)(華東)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)，2011年獲中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)油氣田開(kāi)發(fā)工程專業(yè)博士學(xué)位，高級(jí)工程師，主要從事壓裂酸化技術(shù)研究工作。

中國(guó)石化科技攻關(guān)項(xiàng)目“頁(yè)巖氣儲(chǔ)層壓裂滑溜水體系研究”(編號(hào)：P12126)和 “涪陵區(qū)塊頁(yè)巖氣層改造技術(shù)研究”(編號(hào)：P14091)部分研究?jī)?nèi)容。

?頁(yè)巖氣壓裂技術(shù)專題?

10.11911/syztjs.201501005

TE357.1

A

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