蔣其輝楊向同于筱溪劉建全唐 雷

(1.中國石油集團工程技術研究院有限公司井下作業(yè)研究所,北京 102206;2.中國石油大學(華東),化學工程學院,山東 青島 266580)

隨著油氣資源的不斷開發(fā),目標儲層逐漸由常規(guī)向非常規(guī)轉變,開發(fā)難度日益增大[1-3],需要進行儲層改造才能達到理想的油氣產量[4]?；锼畨毫鸭夹g是目前低滲透油氣、致密砂巖油氣和頁巖氣等資源最主要的壓裂技術之一。由于滑溜水壓裂液體系整體黏度較低,為了提高支撐劑的攜帶能力,現場操作時需要提高液體的注入速度[5],導致管道內摩擦阻力的增加。作為滑溜水壓裂體系的核心,減阻劑對壓裂液性能起著決定性作用,也是國內外研究的熱點[6]。本論文對國內外常用的傳統(tǒng)與新型滑溜水減阻劑的研究現狀與現場應用情況進行了綜述,分析了影響減阻效果的主要因素,對壓裂液減阻劑的研究與應用前景進行了展望,為原油的開采提供可行性的幫助。

1 滑溜水壓裂液

滑溜水壓裂液是對頁巖油氣儲層進行水力壓裂的一種常用壓裂液體系,該體系的主要組分為水,因此又常被稱為減阻水壓裂液或清水壓裂液?，F場應用時滑溜水壓裂液需要大排量注入,會產生較高的流動阻力,為此需要加入減阻劑,降低滑溜水的摩阻,提高泵注排量;同時彌補水黏度低、攜砂能力差等諸多問題[7]。20世紀50年代,滑溜水首次被應用于油氣藏壓裂中,但是隨后被交聯(lián)聚合物凝膠壓裂液取代。隨著非常規(guī)油氣藏的不斷開采,滑溜水壓裂體系重新回歸人們的視野并取得長足發(fā)展。Mitchell 能源公司在1997年將減阻劑用于Barnett 頁巖氣的壓裂并取得了一定減阻效果;此后,聚丙烯酰胺類減阻劑得到迅速推廣,是現階段研究與應用的首選減阻體系。隨著油氣資源深度開發(fā),為滿足非常規(guī)油氣田的開采要求,新型減阻劑被相繼研發(fā)出來,成為高溫高鹽油藏開采的潛在手段。

2 國內外減阻劑的研究與應用現狀

滑溜水壓裂液體系的核心是減阻劑,是決定壓裂液的性能,制約儲層開采效果的關鍵[8]。伴隨滑溜水壓裂液的成功應用,國內外對減阻劑的研究報道與日俱增。減阻劑根據其分子結構和來源可以分成以下幾種。

2.1 天然生物基多糖減阻劑

天然生物基多糖來源廣泛,可自然降解,對地層傷害小,是早期常用的生物基多糖減阻劑。

2.1.1 胍膠及其衍生物減阻劑

胍膠的相對分子質量約為(20～30)×104,是一種半乳甘露聚糖。低濃度的胍膠是最早使用的滑溜水減阻劑,成本較低[9]。高濃度的胍膠會發(fā)生交聯(lián),形成的凍膠可用于攜砂,可作為稠化劑增黏使用。

Singh 等[10]研究交聯(lián)劑對胍膠減阻性能的影響。通過添加微量硼,胍膠的水力半徑和減阻性能所有提高,耐剪切性能不受影響。Deshmukh 等[11]制備了聚丙烯酰胺接枝的胍膠減阻劑,研究了其在減阻、耐剪切和生物降解等方面的性能。結果表明,聚丙烯酰胺支鏈的長度與數量可以影響胍膠的減阻性能,接枝后胍膠的耐剪切性與生物降解性得到提升。Sharma 等[12]制備了胍膠與助排劑、破乳劑以及黏土穩(wěn)定劑的復配體系。室內實驗采用返排水配制,質量分數為0.1% 時的減阻率達到64.2%;在壓裂施工現場將管道下入井深3 470 m處,減阻率可達63.7%,現場應用良好。

2.1.2 黃原膠及其衍生物減阻劑

黃原膠是另一類生物基多糖減阻劑。黃原膠的相對分子質量為2×106～5×107,其分子結構特殊,可廣泛應用于減阻劑等領域。此外,黃原膠在水中可形成穩(wěn)定的剛性棒狀雙螺旋結構,常作為一種高效增稠劑使用。

Wyatt 等[13]探討了加入方式對黃原膠的減阻性能的影響。研究結果表明,質量濃度相同時,在線加入黃原膠母液配制成的溶液減阻率比預先配制溶液的性能提高2 倍多。明華等[14]采用海水(礦化度28 074 mg·L-1)配制了改性黃原膠壓裂液,經測試該壓裂液摩阻低、穩(wěn)定性好、攜砂能力強且安全環(huán)保,能在較寬溫度范圍(60～130 ℃)下應用,滿足致密儲層的壓裂要求。

然而,大多數生物基多糖減阻劑的減阻性能欠佳,且含有較多不溶性物質,對低滲透或孔隙率低的儲層傷害較大?，F階段常將胍膠和黃原膠作為稠化劑應用,以提高基液黏度,增強攜砂能力,或者應用于三次采油工程中,增大波及系數,提高采收率。

2.2 聚丙烯酰胺減阻劑

聚丙烯酰胺是一種由丙烯酰胺和其它單體共聚得到的合成聚合物,包括陽離子、陰離子、非離子和兩性離子聚丙烯酰胺等[15]。聚丙烯酰胺是一種長鏈大分子,能以任意比例溶于水中,具有良好的熱穩(wěn)定性和減阻性能。聚丙烯酰胺的主鏈中有大量酰胺基團,活性高,性能可控,常以固體粉劑和液體乳劑狀態(tài)應用,是目前頁巖氣滑溜水壓裂作業(yè)中使用最廣泛的水溶性減阻劑[16]。

2.2.1 固體粉劑聚丙烯酰胺減阻劑

粉末狀聚丙烯酰胺是一類常用減阻劑,工藝成熟,便于運輸和儲存,減阻率高[17]。

由Services[18]研發(fā)的粉劑陰離子減阻劑ThinfracTMD 減阻性能優(yōu)越,可用于北美大部分地區(qū)的油氣田。Schlum berger[19]研制的粉劑減阻劑能在較寬溫度(7～175 ℃)和較高礦化度250 g·L-1的條件下可以保持減阻率70%以上。我國科研人員制備了一種粉劑減阻劑[20],能快速溶解且黏度較高,與胍膠類體系相比減阻率高出10%。中國石油集團西南油氣田公司天然氣研究院成功研發(fā)出一種連續(xù)混配的陰離子聚丙烯酰胺類減阻劑,可應用于較高硬度(3 g·L-1)與礦化度(100 g·L-1)條件,減阻率為73%[21]。

然而,大多數粉劑減阻劑溶解速率較慢,且易產生魚眼狀結構傷害儲層,影響現場操作。

2.2.2 液體乳劑聚丙烯酰胺減阻劑

乳液狀的聚丙烯酰胺減阻劑為微米級大小,能快速分散。液體乳劑聚丙烯酰胺減阻劑主要包括2種類型。

2.2.2.1 W/O 反相聚合物減阻劑

W/O 型反相聚合物減阻劑的內相為水溶性聚合物,相對分子質量較大,外相為石油烷烴聚合物,稀釋后可以快速發(fā)揮作用[22]。

在國外油氣田開發(fā)應用中,Kemira[23]研制了KemFlow 系列反相聚合物減阻劑,添加硅聚醚構成反相乳液。該體系陰離子主劑具有較強彈性,攜砂量大;陽離子減阻劑主劑選用丙烯?；趸一谆然@(DMAEA),可與黏土穩(wěn)定劑配合,在含有超高2 價金屬離子的水溶液中依然可以穩(wěn)定減阻。Innospec[24]研制的HirateTM MAXX 1250 型減阻劑,主劑為陰離子聚丙烯酰胺,少量添加即可快速增黏,性能優(yōu)異。Halliburton[25]制備了一種PERMVISTMVFR-10 減阻劑,黏度大,易破膠返排,在高礦化度(300 g·L-1)的水溶液中可保持60%以上的減阻率。

國內研究領域中,蘭昌文等[26]利用半連續(xù)反相微乳液聚合法制備了一種新型減阻劑CW-1。室內實驗表明,在1.2 m3·h-1排量下減阻率可達到70%以上。盧擁軍等[27]將開發(fā)了一種FA30 速溶乳液減阻劑,應用于西南地區(qū)某頁巖氣井,在16 m3·min-1排量下可實現81%減阻率。長慶油田采用了劉通義[28]研發(fā)的新型減阻劑將減阻率提高到78%。馬國艷等[29]以長鏈疏水單體為原料,制備反相乳液減阻劑產品WDRA-M,大幅提高了降阻劑的抗剪切性能,將其應用于某水平井大型壓裂作業(yè),減阻率比胍膠高出42.5%,與國外產品相比,更適合國內大排量壓裂作業(yè)。由中國石化石油工程技術研究院研制的新型減阻劑在四川宜賓和涪陵等地區(qū)施工后,減阻率超過75%[30]。另一種性能優(yōu)異改性聚丙烯酰胺減阻劑EM30,由范華波等[31]研發(fā),其相對分子質量為200 萬,具有良好的耐高溫、耐鹽和耐剪切性能。目前EM30 滑溜水壓裂液作為鄂爾多斯盆地儲層改造主體壓裂液,可回收返排液超過85%,成本節(jié)約5 億元。

W/O 型反相聚丙烯酰胺乳液原料來源廣泛,合成方法簡單,具有良好的溶解和增稠能力,在國內外現場應用取得了較好的作用效果。但W/O 型反相聚丙烯酰胺乳液也存在一定不足,包括:制備過程需要消耗大量的表面活性劑;聚合物需要從油相轉入水相后才能發(fā)揮作用;乳液中大量的油相會對環(huán)境造成污染等,因此,更為環(huán)保的W/W 分散聚合物減阻劑越來越受到重視[32]。

2.2.2.2 W/W 分散聚合物減阻劑

W/W 分散聚合物減阻劑的制備主要采用水分散聚合法。將含有單體的水溶液與高濃度電解質混合,反應后加入引發(fā)劑得到聚合物,在水中形成穩(wěn)定均勻的W/W 溶液,粒徑通常在10 μm 左右。W/W 型聚合物減阻劑不含表面活性劑和有機溶劑,溶解快、成本低、環(huán)境污染小[33],聚合過程簡單,安全性高。BJ Services[34]公司研發(fā)的W/W 分散乳液型高效減阻劑系列產品,包括ThinfracMP、ThinfracTM HV、ThinfracTM PLUS 和ThinfracTM PW 等,不需要加入植物膠增加攜砂比,具有水化速度高、支撐劑運輸力強、對地層傷害小等特點,用于北美頁巖油壓裂作業(yè)可提高生產率 70%,降低成本30%。

國內研究人員采用雙水相分散聚合方法制備了一種新型減阻劑,室內實驗在30 L·min-1排量下,減阻率可達67%。張峰三[35]通過分子設計合成雙水相疏水締合型聚丙烯酞胺OWPAM,對延長油田志丹區(qū)域的4 口致密油井進行實驗,減阻率均大于65%。郭粉娟等[36]采用抗鹽單體丙烯酸二甲基氨基乙酯氯甲烷鹽(DAC)為主劑聚合得到W/W 乳液減阻劑FR-4,分散時間短(5 s 內),70 ℃下的減阻率為71.4%;采用礦化度為57 249 mg·L-1的現場返排水配制時減阻率可達71.9%,在頁巖氣井J29-2HF 進行現場施工,注入后施工壓力迅速降低了2～6 MPa,減阻性能優(yōu)異。2011年,中國石化北京化工研究院開發(fā)出一種高效減阻劑,黏度低,溶解時間短,能夠滿足壓裂施工在線配液的要求。現場壓裂施工結果表明,該減阻劑減阻性能優(yōu)異,減阻率為60%,與國外同類產品相媲美,成本大幅降低[37]。孟強等[5]采用反相乳液聚合法合成了一種新型高效減阻劑HDR-C,具有良好的減阻效果、耐剪切性能和黏彈性能,在四川盆地某頁巖區(qū)塊M-1 井壓裂施工過程中成功進行了應用,在維持排量基本不變的情況下,按比例加入HDR-C 后,施工壓力迅速降低,與清水相比摩阻降低67.5%。

聚丙烯酰胺滑溜水減阻劑的減阻性能極大地依賴于其大分子鏈。在高溫、高鹽與高剪切的油藏環(huán)境下,聚丙烯酰胺分子的酰胺鍵易斷裂成小分子,導致其黏度大幅下降而影響甚至失去減阻效果。隨著油氣資源不斷開采,特殊油藏已成為油氣開發(fā)的主戰(zhàn)場,傳統(tǒng)聚丙烯酰胺減阻劑越來越難滿足現階段的開采要求。為彌補上述缺陷,新型減阻劑體系被相繼研發(fā)出來。其中,納米復合減阻劑是最具發(fā)展前景的一種。

2.3 新型納米復合減阻劑

近年來,納米材料發(fā)展迅速。隨著納米材料在鉆井液、完井液等領域相繼應用并取得了增產增效后[38],納米材料的應用也拓展至滑溜水壓裂液體系。將納米材料引入傳統(tǒng)高分子聚合物構建復合高分子材料,利用其交聯(lián)結構,形成耐溫耐鹽和流變性能優(yōu)異的滑溜水壓裂液體系,作為一類新型減阻劑體系備受關注。

2.3.1 納米復合減阻劑的研究進展

近年來,國際國內關于納米減阻劑的研究與專利逐漸增多。曹智等[39]將SiO2納米顆粒加入乳狀液中,可以降低油田含水率,體系黏度隨地層水礦化度增加而逐漸增加,耐性耐鹽性能增強,室內實驗表明經納米材料處理后,壓裂液水相滲透率有大幅提高。

高瑞民等[40]將SiO2進行超疏水改性,利用表面活性劑分散后,制備出新型超疏水壓裂液減阻劑,通過巖心驅替實驗得到納米SiO2的最適宜加入量,得到1.39 的巖心滲透率,表明該體系可用于中滲油藏開采。

研究發(fā)現,將 CTAB 表面活性劑與無機鹽NaNO3進行復配,加入質量分數為0.01%的SiO2納米顆粒[41]后,體系的耐剪切性和壓裂性能明顯提升,且提升效率隨納米顆粒濃度的增加而增加。黏彈性測試結果表明當溫度達到70 ℃后,體系黏度可達300 mPa·s,壓裂性能遠高于傳統(tǒng)壓裂液體系[41]。

余維初等[42]制備了一種納米材料清潔滑溜水壓裂液體系,該體系易溶于水,對儲層傷害低,對水質要求低,耐高溫、耐高礦化度,室內實驗表明其減阻率可達75%。

納米復合減阻劑的減阻效率高,可能是由于納米材料復合減阻劑會在巖石壁面形成氣-固復合疏水表面,從而降低水流與氣-固復合疏水表面的引力,使壁面與流體間的流動阻力減小,起到減阻作用[43]。常用的納米材料可以分為無機材料和有機材料2 類。納米SiO2是最常用的一類無機納米材料,減阻性能已被多個研究所證實。其他親水納米顆粒TiO2、ZnO 或MgO 單獨或配合使用時,同樣具有很好的減阻效果[44,45]。有機類納米材料主要包括聚合物納米微球、納米乳液等[46,47],此類材料的減阻性能與無機納米材料復合減阻劑相當;同時,有機納米材料中所含的聚合物大分子使其具有很好的注入性能和攜沙性能。因此,有機納米材料減阻劑的研發(fā)越來越受到重視。納米復合高效水力壓裂用減阻劑,穩(wěn)定性好,具有較好的耐溫抗鹽抗污染性能,對地層傷害小,且制備成本低。利用納米材料的特殊性能,可以改善傳統(tǒng)聚合物減阻劑性能上的欠缺,具有很好的應用前景和可行性。

2.3.2 納米復合減阻劑的制備與分類

按照制備方法,納米復合減阻劑通?？梢苑殖? 種。

2.3.2.1 填充型聚合物納米復合減阻劑

此類減阻劑的制備首先要根據現場所需性能選擇合適的納米材料單體,然后將其均勻分布于聚合物基體中得到。由于納米材料單體與聚合物的復配困難,在制備過程中通常需要對聚合物和納米單體進行修飾,才能得到目標產品[48]。

2.3.2.2 層狀硅酸鹽型納米復合減阻劑

將有機或無機插層劑處理后的粘土與聚合物作用可以得到層狀硅酸鹽型納米復合減阻劑。實驗表明,復合材料的拉伸強度與抗剪切能力等性能顯著增強,是開發(fā)高性能納米復合減阻劑的新途徑[49]。

2.3.2.3 有機/無機雜化納米復合減阻劑

通過化學反應將無機納米材料與有機聚合物相接可以制備得到有機/無機雜化納米復合減阻劑,利用兩者協(xié)同作用強化減阻性能。

2.3.3 納米復合減阻劑存在的問題與發(fā)展前景

盡管納米材料復合減阻劑的報道增多,室內評價也取得了很好的減阻效果,但從現有油田現場數據來看,尚無納米材料復合減阻劑在油田大規(guī)模成功應用的案例[38]。主要原因可能包括:1)納米材料種類多,性質差異大,現有研究僅探究了幾種常見納米材料如SiO2和TiO2等的性質與應用,對其他納米材料的物理化學性質認知匱乏;2)地層環(huán)境復雜,大多數納米材料難以適應復雜的地層條件,容易團聚,造成施工困難,需要開發(fā)性能更優(yōu)異的納米材料體系,以適應高溫高鹽油藏的開采需要;3)納米材料的成本高,限制了其進一步推廣,如何降低納米材料的制備成本也是后續(xù)納米材料復合減阻劑研發(fā)需要解決的重要問題;4)納米材料復合減阻劑的研究尚處于起步階段,對其減阻機理尚未進行深入透徹的研究,缺乏對納米材料在地下運移規(guī)律與減阻性能的理論解釋,影響了納米材料復合減阻劑性能的進一步改進和提升。

3 減阻劑減阻效果影響因素

在減阻劑的現場應用過程中,為保證減阻劑作用能夠最大程度的發(fā)揮,需要明確影響減阻劑效果的主要因素。一般來說減阻劑的受內在因素與外在因素共同影響。內在因素主要與減阻劑本身的物理化學性質有關,也就是受減阻劑分子結構的影響;外在因素主要受流動條件的影響,諸如雷諾數、管路特性以及濃度、溫度與礦化度等。

3.1 內在因素

減阻劑的分子結構是影響減阻性能的重要因素。對比文獻,選擇幾種代表性減阻劑的減阻效果對比,結果如表1所示。

表1 常用減阻劑性能比較[50]Table 1 Performance of commonly applied drag reducers[50]

由表1可知,不同分子結構的減阻劑其減阻性能差異很大。具有支鏈結構的減阻劑,如胍膠,溶解性能良好,便于施工,對地層傷害小。聚合物A屬于長鏈結構,與帶支鏈結構的胍膠相比,聚合物A的結構更加穩(wěn)定,抗剪切能力更強,故減阻效果也更好。此外,分子結構中含有較長主鏈長、較少支鏈少的減阻劑,如線型、螺旋型或長鏈結構(聚合物B 或C 等),其分子鏈柔順性強,減阻效果較好,性能穩(wěn)定。當分子結構中存在較小或者較短的側鏈時,會影響主鏈的伸展,影響減阻性能。

3.2 外在因素

3.2.1 流動雷諾數

對于特定減阻劑而言,其減阻效果與流動雷諾數有密切的關系。當流動雷諾數超過某一數值后,減阻劑開始發(fā)揮減阻效果,此時的雷諾數稱為起始雷諾數。超過起始雷諾數后,減阻劑的減阻率先隨雷諾數的增大而增大,達到最大值后,減阻率又會隨著雷諾數的增大而減小。

3.2.2 減阻劑濃度對減阻率的影響

減阻劑在水中充分溶解、伸展,溶脹的分子包裹了大量的水,展現出一定的流體力學體積。隨著減阻劑用量增加,體系黏度增加,流體力學體積增加,彈性底層開始慢慢形成,減阻效果開始增加;但是當減阻劑濃度超過一定限度后,流體分子相互纏繞,體系表觀黏度快速增加,造成流動阻力增大,導致減阻率的增加趨勢減慢,最終趨于穩(wěn)定。

3.2.3 溫度對減阻效率的影響

高聚物減阻劑通常有一定的溫度適用范圍,在適用范圍內,減阻率可以保持穩(wěn)定。隨著溫度增加,聚合物分子熱運動加劇,高分子鏈相互纏繞,會影響滑溜水的流變性能,使其減阻率降低。溫度過高時,聚合物分子鏈容易發(fā)生斷裂,導致表觀黏度下降,減阻率迅速降低。因此,在超過一定溫度時,減阻劑不能發(fā)揮很好的減阻效果。

3.2.4 剪切速率對減阻率的影響

在低剪切速率下,聚合物分子可以自由排列在溶液中;剪切速率增加后,在剪切力的作用下,聚合物順向排列,部分空間結構遭到破壞,黏度下降,減阻率提高;剪切速率持續(xù)增大,聚合物分子鏈被剪切降解,表觀黏度開始下降,減阻效果開始逐漸下降。

3.2.5 礦化度對減阻率的影響

頁巖開采通常會使用返排液配制的滑溜水體系,配液水主要包含Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Fe3+、A13+、F-、C1-和等,大多數金屬離子會影響高聚物減阻劑的減阻效果。通常來說,陽離子濃度越高,價態(tài)越高,影響越大。Fe3+和A13+等離子濃度過高還會導致聚合物出現絮凝,影響減阻效果。

4 總結與展望

綜合室內實驗評價結果與現場實際應用數據,聚丙烯酰胺減阻劑仍是現階段應用最廣泛的滑溜水減阻劑,新型納米材料減阻劑盡管性能優(yōu)異,但距離大規(guī)?，F場應用尚需進一步研究。隨著油氣資源的不斷開發(fā),對減阻劑提出了新的要求。

1)需要加快新型納米材料減阻劑的進一步研究,降低納米材料復合減阻劑的制備成本,開發(fā)新型納米材料滿足高溫高壓非常規(guī)油藏的需要;此外,對納米材料復合減阻劑的減阻機理進行深入研究,為優(yōu)化提升納米材料復合減阻劑的性能提供指導。

2)滑溜水壓裂液體系需要大量的水配制工作液,對滑溜水壓裂后的返排液回收利用有重要的經濟與環(huán)保意義。如果返排率較低,壓裂液滯流地下與儲層接觸,將會向儲層濾失,造成儲層污染。因此,高效返排液處理技術也是今后減阻水壓力液體系研究的重要內容。

3)減阻劑的性能與其分子結構有密切的關系,要重視對減阻劑主劑分子結構、分子形態(tài)的研究,深入探究影響減阻效果的各種因素,優(yōu)化提升減阻劑的減阻性能。

4)強化室內和現場評價方法,滿足室內合成、工業(yè)生產、產品檢驗和質量控制要求,保障產品質量穩(wěn)定,規(guī)范滑溜水體系現場應用。