滑溜水壓裂液技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

張世嶺 郭繼香 楊矞琦 余子敬 康 凡 王文昌

（中國(guó)石油大學(xué)（北京）提高采收率學(xué)院，北京，102249）

1 前言

滑溜水壓裂技術(shù)（Slickwater Fracture），又被稱之為清水壓裂技術(shù)，主要由水構(gòu)成。在大排量注入情況下，需要加入降阻劑，降低水的摩阻，使其變?yōu)槟ψ栎^低的滑溜水，從而實(shí)現(xiàn)大排量泵注，彌補(bǔ)了水粘度低、攜砂能力差等諸多問題［1］。滑溜水壓裂液技術(shù)是目前美國(guó)頁巖氣開發(fā)作業(yè)中應(yīng)用最多的壓裂液技術(shù)［2］，其特征是以聚合物為主劑，配合殺菌劑、表面活性劑和阻垢劑等輔劑從而形成完整配方體系，具有較高的粘度和較好的減阻作用，與清水相比可降阻40%到50%。常用的滑溜水壓裂液技術(shù)具有以下特點(diǎn)：

（1）較大的施工間隔段；

（2）工作液用量大、效率低、粘度低；

（3）形成的裂縫寬度較窄且?guī)缀涡螤钶^復(fù)雜；

（4）攜砂能力差；

（5）工作液的高濾失需要較高的泵注排量補(bǔ)償。

常用的滑溜水減阻劑是粉劑或凝膠聚丙烯酸胺，剪切穩(wěn)定性差，用量大［3］。因此，開發(fā)優(yōu)質(zhì)低損害、低摩阻和良好流變性能的滑溜水壓裂液是中國(guó)頁巖氣藏高效開采的緊迫要求。

油氣田開發(fā)的經(jīng)濟(jì)效益，取決于開發(fā)技術(shù)的成本控制，目前國(guó)內(nèi)主要通過引進(jìn)北美普遍采用的滑溜水壓裂液技術(shù)，以達(dá)到降低成本的目的，北美地區(qū)正是由于采用了低成本的滑溜水壓裂技術(shù)［4］，從而取得了頁巖氣開發(fā)的成功。但是，國(guó)內(nèi)的頁巖氣開發(fā)模式難以取得經(jīng)濟(jì)效益，其主要原因是國(guó)外對(duì)于國(guó)內(nèi)的技術(shù)封鎖，以勝利油田某油氣井的壓裂開采預(yù)算為例，國(guó)外公司的壓裂材料、完井工具以及技術(shù)服務(wù)費(fèi)用占全部壓裂費(fèi)用的44.4%，其中，壓裂液的費(fèi)用高達(dá)全部預(yù)算的57%。因此，從長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展角度來看，只有在足夠科研力量的投入下，打破國(guó)外技術(shù)壟斷，才能從根本上提高我國(guó)壓裂開采技術(shù)的軟實(shí)力，從而控制成本，進(jìn)而提高頁巖氣開發(fā)的經(jīng)濟(jì)效益［5］。

2 滑溜水壓裂液的優(yōu)缺點(diǎn)及適用性

2.1 滑溜水壓裂液的優(yōu)點(diǎn)

滑溜水壓裂液系統(tǒng)較常規(guī)水基凍膠壓裂液系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）易形成長(zhǎng)裂縫提升導(dǎo)流能力。

（2）地層損害低，返排速度快。

（3）延伸地層天然裂縫進(jìn)而形成裂縫網(wǎng)。

（4）支撐劑用量少，施工成本低廉。

相同規(guī)模的頁巖氣開發(fā)作業(yè)中，采用滑溜水壓裂較常規(guī)凍膠壓裂可節(jié)省費(fèi)用50%左右?；锼畨毫鸭夹g(shù)尤其適合開發(fā)滲透率很低的邊際油氣田，可有效降低采油成本，增加動(dòng)用儲(chǔ)量，提高油氣田開發(fā)的經(jīng)濟(jì)效益。

2.2 滑溜水壓裂液的缺點(diǎn)

滑溜水壓裂施工中，因泵入的支撐劑量和支撐劑濃度均較低，導(dǎo)致滑溜水壓裂存在以下缺點(diǎn)：

（1）由于滑溜水是用活性水加入減阻劑等添加劑作為壓裂液，其壓裂液攜砂能力差，因此壓裂施工時(shí)不能用高砂比的攜砂，否則會(huì)造成支撐劑沉降，過早砂堵。

（2）由于不含高分子聚合物，施工過程不能形成濾餅，因此滑溜水濾失量大，易砂堵。

（3）效率較低，需提高排量來補(bǔ)償液體的濾失。

（4）施工設(shè)備需耐受較高摩阻。

（5）泵入地層的液體量大，應(yīng)充分考慮儲(chǔ)層保護(hù)措施。

2.3 滑溜水壓裂液適用性

滑溜水壓裂技術(shù)對(duì)于具有天然地層裂縫的系統(tǒng)具有更強(qiáng)的適用性，這主要是由于滑溜水壓裂攜砂能力差，砂濃度低所導(dǎo)致。天然地層裂縫系統(tǒng)對(duì)于壓力及就地應(yīng)力的相應(yīng)程度也會(huì)影響滑溜水壓裂技術(shù)的施工效果。所以，滑溜水壓裂一般適用于低滲透地層、高強(qiáng)度巖石地層、低閉合應(yīng)力地層、天然裂縫發(fā)育的地層、壓力較低的地層［6］。

3 國(guó)內(nèi)外滑溜水壓裂技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

近些年來，胍膠成本不斷提高，許多油田及企業(yè)紛紛研究新的工藝技術(shù)來降低成本，在此背景下，滑溜水壓裂技術(shù)以其低成本日益受到青睞。上世紀(jì)70年代中期，國(guó)外開始進(jìn)行滑溜水壓裂室內(nèi)研究和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)?；锼畨毫褟?997年至今一直是Barnett頁巖開發(fā)中最重要的增產(chǎn)措施，Mitchell能源公司（2001年被Devon能源公司收購(gòu)）在Barnett頁巖中首先開始使用滑溜水壓裂，滑溜水壓裂技術(shù)使Barnett頁巖采收率提高20%以上的同時(shí)，使作業(yè)費(fèi)用減少了65%。國(guó)內(nèi)在頁巖氣開發(fā)方面多借鑒采用北美國(guó)家的經(jīng)驗(yàn)，但是北美地區(qū)的地質(zhì)條件與自然環(huán)境與國(guó)內(nèi)存在較大差異。北美地區(qū)頁巖儲(chǔ)層壓力系數(shù)高，地層脆性指數(shù)高，并具有發(fā)育良好的天然裂縫，滑溜水返排率達(dá)到30%左右，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定生產(chǎn)。但是，國(guó)內(nèi)大部分頁巖儲(chǔ)層壓力較低，壓后連續(xù)自噴能力和帶液生產(chǎn)能力較差，無法實(shí)現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)，盲目采取照搬國(guó)外技術(shù)，會(huì)增加生產(chǎn)壓差波動(dòng)，增大支撐劑載荷，從而使得導(dǎo)流能力會(huì)急劇下降，影響壓后生產(chǎn)效果。

國(guó)內(nèi)對(duì)于滑溜水壓裂技術(shù)的研發(fā)也取得了很大的進(jìn)步。王偉華［7］等所研究的HL＿C3滑溜水體系可以有效提高洗油效率并提高原油的滲流能力，此體系所增加的生物活性劑可以顯著降低水鎖、水敏等地層傷害，并增加巖石潤(rùn)濕性。

塔河油田采用房好青［8］等的滑溜水壓裂技術(shù)與其它三種常規(guī)技術(shù)進(jìn)行比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)滑溜水壓裂技術(shù)較其它三種技術(shù)對(duì)改造后累增產(chǎn)的貢獻(xiàn)沒有顯著的差別，而可以節(jié)省10萬元的施工成本，表明一定儲(chǔ)層條件下，可以優(yōu)選費(fèi)用較低的施工技術(shù)，以達(dá)到經(jīng)濟(jì)最優(yōu)化。

徐騫［9］等在渝東南地區(qū)對(duì)彭頁HF－1井采用滑溜水壓裂技術(shù)取得了較好的成果，實(shí)驗(yàn)的分析結(jié)果表明所選擇的滑溜水和線性膠完全滿足壓裂施工的要求，同時(shí)也證明渝東南地區(qū)頁巖氣地質(zhì)特征與北美地區(qū)差異較大，不能照搬國(guó)外技術(shù)，需要在其基礎(chǔ)上，找到適合國(guó)內(nèi)地質(zhì)特征的壓裂工藝技術(shù)系列。

2011年，長(zhǎng)慶油田開始廣泛采用滑溜水壓裂技術(shù)，由魏松［10］等研發(fā)的EM30滑溜水壓裂液以其所具有的無固相殘留、低傷害、低摩阻、配置簡(jiǎn)單、高效返排和重復(fù)利用率高等顯著優(yōu)勢(shì)，在長(zhǎng)慶油田試用后取得了較好的效果。根據(jù)文獻(xiàn)，采用EM30降阻劑滑溜水后，摩阻降低50%以上，水力噴射壓力可降低5－10MPa，返排液回收重復(fù)利用率達(dá)85%，成本降低60%。

4 滑溜水壓裂液體系配方研究

4.1 降阻劑優(yōu)選

減阻劑可顯著降低流體管道湍流阻力，多為水溶性或油溶性試劑，國(guó)內(nèi)常用的減阻劑有高分子量聚丙烯酰胺、羥丙基胍膠等。流體在管道中，由于摩擦阻力的存在，限制了其流動(dòng)性，增大了能量消耗。減阻劑所具有的長(zhǎng)鏈高分子結(jié)構(gòu)可以改變流體與管壁之間的相互作用，抑制橫向流，其吸收的湍流能量可以轉(zhuǎn)換，增強(qiáng)軸向流，減少流動(dòng)能量損耗，從而降低摩阻［6］。

降阻劑是滑溜水壓裂液體系中的核心技術(shù)，國(guó)內(nèi)技術(shù)尚不成熟，現(xiàn)主要依賴進(jìn)口，從而使得滑溜水壓裂液的成本較高。王娟娟［11］等采用水分散聚合法制備了一種水溶性減阻劑乳液，此減阻劑具有明顯的粘彈性特征且耐溫耐剪切性能良好，0.2%的減阻劑水溶液的最大降阻率超過70%，能夠作為滑溜水減阻劑使用。

此外，中國(guó)石化河南油田分公司工程院和中國(guó)石油川慶鉆探工程公司井下作業(yè)公司分別自主研發(fā)的滑溜水降阻劑進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，獲得了成功。

4.2 支撐劑的優(yōu)選

合適的支撐劑可以有效的提高產(chǎn)量，其選擇主要考慮其在特定條件下的裂縫導(dǎo)流能力。影響支撐劑選擇的因素主要包括兩大方面：第一、地質(zhì)條件，包括溫度、巖石硬度、閉合壓力、目的層物性等；第二、工程條件，包括壓裂液性質(zhì)、泵注設(shè)備等?；锼畨毫哑鸩诫A段，施工中并不加入支撐劑，后來在施工中加入了少量支撐劑，有效提高了裂縫的導(dǎo)流能力，取得了較好的收益［12］。

支撐劑沉降規(guī)律的研究國(guó)內(nèi)尚處于起步階段，工藝方面主要參考國(guó)外的經(jīng)驗(yàn)，很多理論缺乏必要的試驗(yàn)驗(yàn)證。溫慶志［13］等通過實(shí)驗(yàn)，模擬了縫寬、施工排量、支撐劑粒徑和壓裂液粘度等參數(shù)對(duì)于支撐劑沉降速度及水平運(yùn)移速度的影響，并且建立了與之相關(guān)的修正系數(shù)表達(dá)式，此研究結(jié)果可以更好的確定合理的施工參數(shù)，為進(jìn)一步提高壓裂水平奠定基礎(chǔ)。

4.3 粘土防膨劑的優(yōu)選

粘土防膨劑（又稱粘土穩(wěn)定劑），在油氣田開發(fā)中消耗量較大。粘土防膨劑主要作用是對(duì)粘土礦物進(jìn)行防膨處理，防止粘土礦物因其水化膨脹導(dǎo)致的地層巖石強(qiáng)度降低以及堵塞巖石內(nèi)部空隙和喉道現(xiàn)象，從而防止儲(chǔ)集層滲透率不可逆轉(zhuǎn)的下降［14］。

無機(jī)鹽類粘土防膨劑主要使用KCl，其使用量為1.0%時(shí)，防膨率就可以達(dá)到80%以上。這是因?yàn)槁然洸粌H提供了充分的陽離子濃度防止陽離子交換，壓縮使粘土膨脹的擴(kuò)散雙電層，防止粘土膨脹、分散、運(yùn)移。而且鉀離子的直徑（0.266nm）與粘土表面由6個(gè)氧原子圍成的內(nèi)切直徑0.28nm的空間相匹配，使它容易進(jìn)入此空間而不易從此間釋出，有效地減少粘土表面的負(fù)電性。

有機(jī)聚陽離子聚合物類粘土防膨劑是含氮、磷和硫的聚合物，其作用原理是提供陽離子濃度防止陽離子交換，并且粘土粒子吸附后，在表面展開形成一層保護(hù)膜防止粘土粒子與外來液相接觸。它少量存在就有很好的防膨效果，并具有耐酸、耐鹽的優(yōu)點(diǎn)。

4.4 水鎖抑制劑的優(yōu)選

水鎖抑制劑的主要作用是為了減少壓裂液在地層的停留時(shí)間，它必須降低壓裂流體的表面張力，降低過高的毛細(xì)管力，從而抑制水鎖現(xiàn)象。產(chǎn)生水鎖現(xiàn)象的主要原因是在壓裂施工過程中，地層中滲入的壓裂液會(huì)使水的飽和度增加，其產(chǎn)生的兩相流動(dòng)使得流動(dòng)摩阻增大。如果地層壓力不能克服過高的毛細(xì)管力，就會(huì)出現(xiàn)水鎖現(xiàn)象。郭繼香［15］等通過實(shí)驗(yàn)，研制的SDY水鎖抑制劑在吐哈柯柯亞致密氣藏取得了較好水鎖抑制效果，其防水鎖性能優(yōu)于吐哈目前使用的水鎖抑制劑，有望廣泛應(yīng)用于致密油氣藏。

5 結(jié)論

國(guó)外對(duì)于滑溜水壓裂技術(shù)的研究已經(jīng)較為成熟，但是國(guó)內(nèi)尚處于起步上升階段，研究成果較少。與此同時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用大部分還依賴國(guó)外技術(shù)，從而大大提高了開采成本，并且國(guó)內(nèi)與國(guó)外開采地區(qū)差異性較大，不適合照搬國(guó)外滑溜水壓裂技術(shù)。《頁巖氣勘探開發(fā)“十二五”規(guī)劃》明確提出，到2015年我國(guó)頁巖氣產(chǎn)量達(dá)65×108m3，2020年建產(chǎn)600×108m3以上［16］，因此研發(fā)符合我國(guó)頁巖氣開采的滑溜水壓裂技術(shù)已迫在眉睫。

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