新型高效減阻劑研究及應用

孟 強, 范錦鋒, 艾生軍, 劉 剛, 楊文斌, 吳 昊

(1遼寧省盤錦市遼河油田特種油開發公司 2中國石油集團渤海鉆探工程公司井下作業分公司 3中國石油集團渤海鉆探工程公司鉆井技術服務分公司 4中國石油集團渤海鉆探工程公司第四鉆井分公司 5中國石油集團西部鉆探工程有限公司克拉瑪依鉆井公司)

頁巖儲層壓裂通常使用滑溜水壓裂液體系，而由于滑溜水壓裂液體系的黏度通常較低，使其攜砂能力下降，從而影響壓裂施工的效果。因此，為了提高其攜砂能力，頁巖儲層壓裂通常采用大排量和大液量進行施工，從而增大壓裂半徑，形成更加復雜的網絡裂縫結構，提高裂縫的導流能力[1-4]。而減阻劑作為滑溜水壓裂液的核心處理劑，需要其具備良好的降摩阻性能，才能有效降低壓裂施工壓力，從而滿足頁巖儲層體積壓裂對大排量施工的要求[5-11]。

目前，國內外常用的減阻劑類型主要包括線性膠、高分子聚合物、乳液聚合物以及交聯聚合物等[12-17]。其中線性膠減阻劑具有良好的水溶性和降阻性能，但其穩定性較差，且對儲層的傷害較大；高分子聚合物和乳液聚合物降阻性能優于線性膠，但其耐溫、耐鹽和耐剪切性能較差，且由于其殘渣含量較高，同樣存在對儲層傷害較大的弊端；交聯聚合物由于黏度較大，在攜砂能力上有了較大的提高，但降阻性能一般。因此，需要研究出性能優良的高效減阻劑，以提高頁巖儲層壓裂施工的效果。本文采用反相乳液聚合法，合成了一種適用于頁巖氣儲層的新型高效減阻劑HDR-C，在室內對其性能進行了綜合評價，并在現場進行了成功應用，以期為提高頁巖儲層壓裂施工效率提供一定的技術支持。

一、實驗部分

1.主要實驗材料及儀器

實驗材料：Span80、Tween80、環己烷、AMPS(2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸)、AM(丙烯酰胺)、丙烯酸酯單體，均為工業品；氫氧化鈉、過硫酸銨、亞硫酸氫鈉，均為分析純；氮氣；國外同類減阻劑A(乳狀液類)；國內同類減阻劑B(乳狀液類)；固體減阻劑C(粉末類)；實驗用巖心取自目標區塊頁巖儲層段；巖心驅替實驗流體為標準鹽水。

實驗儀器：IR-960型傅里葉變換紅外光譜儀；MCR-302型動態剪切流變儀；JZHZ-200型表面張力儀；多功能巖心流動實驗裝置。

2.新型高效減阻劑HDR-C的制備

將一定比例的非離子表面活性劑Span80和Tween80加入到環己烷中，攪拌形成連續相。再將一定比例的2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、丙烯酰胺以及丙烯酸酯單體加入到蒸餾水中，攪拌形成分散相，調整分散相的pH值為7～9之間。然后在高速攪拌條件下將分散相緩慢加入到連續相中，充分乳化反應1 h左右，即形成均勻的反相乳液體系。最后，在通入氮氣的情況下加入引發劑，在40℃～50℃之間反應2 h左右，即得到新型高效減阻劑HDR-C。

3.性能評價方法

3.1 紅外光譜分析

使用IR-960型傅里葉變換紅外光譜儀，室內采用衰減全反射法測定新型高效減阻劑HDR-C的紅外光譜圖，選擇波數范圍為500～4 000 cm-1。

3.2 減阻性能評價

使用清水配制不同濃度的減阻劑溶液，然后采用滑溜水摩阻測定儀對不同減阻劑溶液的減阻性能進行了評價，實驗儀器管徑為8 mm，實驗流量為2.0 m3/h，實驗溫度為25℃。

3.3 流變性能評價

配制一定濃度的減阻劑溶液，使用MCR-302型動態剪切流變儀對減阻劑溶液的流變性能進行測試。其中耐剪切性能評價實驗時剪切速率控制在170 s-1，溫度控制在25℃；黏彈性能評價實驗時頻率控制在1 Hz，應力變化范圍在0.1～10 Pa之間，溫度為25℃。

3.4 表面活性及防膨性能評價

參照標準NB/T 14003.1-2015 《頁巖氣壓裂液第1部分：滑溜水性能指標及評價方法》滑溜水表界面張力以及防膨性能測定方法，評價了不同類型減阻劑溶液的表面活性和防膨性能，其中表面張力測定采用JZHZ-200型表面張力儀。

3.5 巖心傷害性能評價

參照標準SY/T 5107-2016《水基壓裂液性能評價方法》中壓裂液濾液對巖心基質滲透率的損害測定方法，使用多功能巖心流動實驗裝置評價了減阻劑溶液(破膠液)對頁巖儲層天然巖心的傷害性能。

二、結果與討論

1.紅外光譜分析

圖1為新型高效減阻劑HDR-C的紅外光譜圖。從圖中可以看出，3 452 cm-1處的強吸收峰為酰胺基團中N—H伸縮振動吸收峰；2 920 cm-1處為C—H伸縮振動吸收峰；1 684 cm-1處為酰胺基團中的羰基C=O的特征吸收峰；1 568 cm-1和1 408 cm-1處為—COO—的反對稱和對稱特征吸收峰；1 236 cm-1和1 156 cm-1處為磺酸基—SO3H的振動特征吸收峰。紅外光譜圖結果顯示各種單體已經充分發生聚合反應。

圖1 減阻劑HDR-C紅外光譜圖

2.減阻性能

室內按照減阻性能評價中的實驗方法，對比評價了新型高效減阻劑HDR-C與國內外其他減阻劑的減阻效果，實驗結果見圖2。

圖2 減阻率隨減阻劑濃度的變化曲線

由圖2可知，在相同的實驗流量下，隨著減阻劑質量分數的逐漸增大，減阻率均呈現出“先增大后減小”的趨勢。其中新型高效減阻劑HDR-C的減阻效果最好，在同等實驗條件下的減阻率均優于國內外其他常用的減阻劑，當其加量為0.1%時，減阻率可以達到60%以上，再繼續增加減阻劑加量，減阻率略微出現下降，這是由于減阻劑質量分數越大，其溶液的黏度就越高，過高的黏度使流體的流動阻力增大，從而降低了減阻效果。可以看出，減阻劑HDR-C、A和B的最佳質量分數均為0.1%，而減阻劑C的最佳質量分數為0.075%。

3.耐剪切性能

由于頁巖儲層壓裂施工過程中需要的壓裂液量較大，因此需要提高泵速以滿足壓裂施工的需要，這就會使壓裂液在高速流動時受到一定的剪切作用，所以就要求減阻劑具有良好的耐剪切性能。室內按照流變性能評價中的實驗方法評價了減阻劑溶液的耐剪切性能，HDR-C加量為0.1%，剪切時間為60 min，實驗結果見圖3。

由圖3可知，隨著剪切時間的延長，減阻劑溶液表觀黏度逐漸下降，但下降幅度較小，當剪切時間為60 min時，溶液的表觀黏度仍能達到33.2 mPa·s，與初始狀態的36.8 mPa·s相比，表觀黏度保留率可以達到90%以上，說明研制的新型高效減阻劑HDR-C具有良好耐剪切性能。這是由于HDR-C分子中含有一定量的長鏈疏水基團，其在水溶液中發生締合反應，形成類似交聯作用的網狀結構，使其具有良好的耐剪切作用。

圖3 剪切時間對減阻劑溶液表觀黏度的影響

4.黏彈性能

常規滑溜水壓裂液的攜砂能力較差，這與其低黏度、低切力以及黏彈性能較差有關，因此，為了提高滑溜水壓裂液的攜砂能力，需要減阻劑溶液具有一定的黏彈性能。室內按照液變性能評價中的實驗方法評價了減阻劑溶液的彈性模量G′和黏性模量G″隨掃描應力的變化關系，HDR-C加量為0.1%，實驗結果見圖4。

圖4 減阻劑溶液黏彈性能評價結果

由圖4結果可知，隨著掃描應力的逐漸增大，減阻劑HDR-C溶液的彈性模量G′和黏性模量G″一直比較穩定，變化幅度不大，且在應力變化范圍0.1～10 Pa內，彈性模量G′一直都大于黏性模量G″，說明研制的新型高效減阻劑HDR-C具有良好的黏彈性能。這是由于HDR-C分子在水溶液中相互纏繞形成較為穩定的網狀結構，在受到外力作用時，網狀結構產生形變，從而表現出良好的彈性特征，這將有助于提高滑溜水壓裂液的攜砂能力。

5.表面活性及防膨性能

室內按照表面活性及防膨性能評價中的實驗方法，評價了新型高效減阻劑HDR-C的表面活性和防膨性能，并與其他常用減阻劑進行了對比，減阻劑加量均為0.1%，實驗結果見表1。

表1 不同類型減阻劑表面張力和防膨率實驗結果

由表1結果可知，在相同的實驗條件下，新型高效減阻劑HDR-C的表面活性和防膨性能優于國內外其他常用的減阻劑，其加量為0.1%時，表面張力值為34.3 mN/m，防膨率可以達到85%以上。說明HDR-C具有良好的表面活性和防膨性能，能夠有效提高壓裂液的返排效率，降低壓裂液滯留對頁巖儲層造成的損害，同時可以有效防止頁巖礦物的吸水膨脹，保證壓裂施工的效果。

6.對巖心的傷害性能

室內按照巖心傷害性能評價中的實驗方法，評價了不同類型減阻劑溶液(破膠液)對頁巖儲層巖心的傷害情況，實驗結果見表2。

表2 不同類型減阻劑對巖心的傷害性能評價結果

由表2可知，與其他常用減阻劑相比，新型高效減阻劑HDR-C對目標區塊頁巖儲層天然巖心的基質滲透率的損害較小，其傷害率小于10%，而其他減阻劑溶液對巖心的滲透率傷害率均大于10%。這是由于HDR-C配制的溶液破膠后基本無殘渣，且有良好的表面活性和防膨性能，能夠降低其對頁巖儲層巖心基質滲透率的損害程度，具有低傷害的特性。

三、現場應用效果

新型高效減阻劑HDR-C在四川盆地某頁巖氣區塊M-1井壓裂施工過程中成功進行了應用，該井壓裂層段總長度為1 205 m，在第一段壓裂施工過程中對HDR-C的降阻性能進行了評價，在維持排量基本不變的情況下(排量控制在12.5 m3/min)，通過測定HDR-C的加入對施工壓力的影響，來測試其降阻性能，結果見圖5。可以看出，加入HDR-C之前，施工壓力維持在58 MPa左右，按比例加入減阻劑HDR-C后，在1 500 s時施工壓力迅速降低至47 MPa左右，經過壓裂軟件模擬計算，與清水摩阻相比降低了67.5%，可見新型高效減阻劑HDR-C起到了良好的降低摩阻效果。

圖5 M-1井施工壓力變化曲線

另外，該井共計注入壓裂液6 542.5 m3，加入支撐劑為412 t，最高砂比可以達到29.6%，整體降阻率控制在65.5%左右，減阻效果較好。壓裂后返排率可以達到50%左右，返排液性能穩定。M-1井整體壓裂施工過程順利，新型高效減阻劑HDR-C降阻效果明顯，攜砂性能較好，取得了較好的壓裂施工效果。

四、結論

(1)室內采用反相乳液聚合法制備了一種適用于頁巖氣儲層的新型高效減阻劑HDR-C，并利用紅外光譜對合成減阻劑的結構進行了表征。

(2)減阻劑HDR-C室內性能評價結果表明：HDR-C具有良好的減阻性能，在相同的實驗條件下其減阻性能優于國內外其他常用的減阻劑；HDR-C具有良好的耐剪切性能和黏彈性能，可以有效提高滑溜水壓裂液的攜砂能力；另外，HDR-C還具有一定的表面活性和較好的防膨性能，并且其對頁巖儲層巖心的基質滲透率傷害程度較小，具有低傷害特性。

(3)減阻劑HDR-C現場應用效果表明：在相同的排量情況下，M-1井加入HDR-C后壓裂施工壓力顯著下降，起到了良好的減阻效果；且該井壓后返排率較高，返排液性能穩定，取得了良好的壓裂施工效果。