壓裂液技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀研究

胡科先，王曉華

（1.中國石油長慶油田分公司技術(shù)監(jiān)測中心，陜西西安710018；2.中國石油長慶油田分公司第一采氣廠，陜西靖邊718500）

壓裂液技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀研究

胡科先1，王曉華2

（1.中國石油長慶油田分公司技術(shù)監(jiān)測中心，陜西西安710018；2.中國石油長慶油田分公司第一采氣廠，陜西靖邊718500）

壓裂已經(jīng)廣泛應(yīng)用于油田增產(chǎn)當(dāng)中，壓裂液是造縫與攜砂所使用的液體，是壓裂技術(shù)的重要組成部分，壓裂液的性能在作業(yè)中起到至關(guān)重要的作用。為此，在研究大量文獻的基礎(chǔ)上，分別對油基壓裂液、水基壓裂液、泡沫壓裂液、清潔壓裂液（VES）以及前沿的清潔泡沫壓裂液發(fā)展現(xiàn)狀及其特點進行了分析。研究結(jié)果表明，目前仍以合成聚合物水基壓裂液體系的應(yīng)用為主；在低壓、強水敏儲層可考慮采用油基壓裂液、泡沫壓裂液；清潔壓裂液、清潔泡沫壓裂液低傷害、環(huán)保的優(yōu)勢是目前研究的一個重點領(lǐng)域。壓裂液將朝著低傷害、抗鹽、抗高溫、適應(yīng)性強、環(huán)境友好的方向發(fā)展。

油基壓裂液；水基壓裂液；泡沫壓裂液；清潔壓裂液；清潔泡沫壓裂液；低傷害；現(xiàn)狀；前景展望

20世紀(jì)50年代壓裂液首次用于裂縫增產(chǎn)以來，發(fā)生了巨大的演變。早期的壓裂液是將汽油作為分散介質(zhì)，加入具有一定粘度的流體，這也是出現(xiàn)最早的油基壓裂液；后來，隨著井深的增加和井溫的升高，對壓裂液粘度及耐溫的要求增加，開始采用天然植物膠壓裂液、纖維素壓裂液、合成聚合物壓裂液，即傳統(tǒng)的水基壓裂液；20世紀(jì)80年代，因泡沫壓裂液對地層傷害較小而得到廣泛的應(yīng)用；到了20世紀(jì)90年代，Eni-Agip流體專家與Schlumberger工程師推薦了一種粘彈性流體壓裂作業(yè)，即其所研發(fā)的粘彈性表面活性劑（VES），其特點是壓裂過程中依靠自身的結(jié)構(gòu)粘度攜帶支撐劑，不需要添加交聯(lián)劑、破膠劑和其他各種化學(xué)添加劑，對地層的傷害較小。1999年Zhang和Gupta提出將清潔壓裂液與泡沫壓裂液相結(jié)合形成清潔泡沫壓裂液，結(jié)合了清潔壓裂液與泡沫壓裂液的優(yōu)點，具有攜砂能力強、濾失低、壓裂效能高、返排能力強、地層傷害小的優(yōu)勢。壓裂液從20世紀(jì)50年代發(fā)展到目前的清潔壓裂液、清潔泡沫壓裂液，仍以水基壓裂液體系的應(yīng)用為主［1］。

1　油基壓裂液

1.1油基壓裂液類型

油基壓裂液是以油作為溶劑或分散介質(zhì)，與各種添加劑配制而成的壓裂液。目前國內(nèi)外使用的油基壓裂液主要有以下幾種類型：以油溶性活性劑作為稠化劑，主要是脂肪酸鹽；以油溶性高分子物質(zhì)作為稠化劑，主要有聚異丁烯、聚丁善烯、聚異戊善烯、a-烯氫聚合物，聚烷基苯乙烯，氫化聚環(huán)戊善烯、聚丙烯酸酯［2］。

1.2油基壓裂液攜砂機理

汽油為非極性物質(zhì)，無活潑官能團，化學(xué)惰性大，難以形成交聯(lián)結(jié)構(gòu)，所用成膠劑是低分子量的表面活性劑，本身不增加黏度，但可以在油中形成膠束，成膠劑擴散進入初交聯(lián)劑液滴內(nèi)時，其中所含的酸性磷酸酯溶解在滴中并被中和，引起鋁酸根離子濃度減小，鋁離子濃度增大，在適當(dāng)條件下形成鋁離子的八面向心配價體。初成膠劑中所含的磷酸酯通過該配價體與鋁離子形成橋架網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)產(chǎn)物，與初成膠劑中的烷基磷酸酯形成長鏈大分子，使油的黏度大幅度升高。

采用油基壓裂液，與地層及流體的配伍性好，基本上不會產(chǎn)生水堵、水敏，但其成本高，改性效果不如水基壓裂液，且濾失量大，摩阻也較大。適用于低壓、強水敏地層。

2　水基壓裂液

水基壓裂液是以水作為溶劑或者分散介質(zhì)，向其中加入稠化劑、添加劑配制而成的。具有粘度高、攜沙能力強、摩阻低、濾失低等優(yōu)點。

水基壓裂液的命名一般以稠化劑的種類來命名。目前國內(nèi)外使用的水基壓裂液主要有以下幾種類型：天然植物膠水基壓裂液、纖維素壓裂液、合成聚合物壓裂液，分別以天然植物膠、纖維素、合成聚合物作為稠化劑。

2.1天然植物膠水基壓裂液

天然植物膠壓裂液包括胍膠及其衍生物羥丙基胍膠、羥甲基羥丙基胍膠；田箐膠及其衍生物，如甘露聚葡萄糖膠。由于天然植物膠的高分子鏈含有多個羥基，其吸附能力強，易形成水花膜，粘度高；但其破膠后往往產(chǎn)生大量的殘渣，不溶物含量高，對地層傷害很大，且破乳困難。

2.2纖維素水基壓裂液

纖維素壓裂液包括羧甲基纖維素（CMC）凍膠壓裂液，羥乙基、羥丙基纖維素壓裂液和羧甲基-羧乙基纖維素（CMHEC）。纖維素是一種非離子型聚多糖，其大分子鏈上的眾多羧基之間的氫鍵作用使纖維素壓裂液增稠能力強、攜砂性好、濾失小、殘渣少，但其摩阻偏高，且耐溫穩(wěn)定性也較差，因此一般不適用于深井等高溫層段。

2.3合成聚合物水基壓裂液

合成聚合物壓裂液，使用的聚合物包括聚丙烯酰胺（PAM）、部分水解聚丙烯酰胺（HPAM）、丙烯酰胺-丙烯酰胺共聚物、甲叉基聚丙烯酰胺等。與前兩種水基壓裂液不同，這種水基壓裂液的稠化劑均為人工合成的聚合物。因此，可通過控制合成條件的辦法調(diào)整聚合物的性能來滿足壓裂液的性能指標(biāo)。其優(yōu)勢明顯，可以更高的滿足壓裂液對溫度和粘度的要求，破膠后，殘渣也很少，對地層傷害很小。但其對環(huán)境污染較大。

3　泡沫壓裂液

3.1泡沫壓裂液組成

泡沫壓裂液是由氣相、液相、表面活性劑和其他化學(xué)添加劑組成。是在常規(guī)植物膠壓裂液基礎(chǔ)上混拌高濃度的液態(tài)N2或CO2等組成的以氣相為內(nèi)相、液相為外相的低傷害壓裂液。氣體泡沫質(zhì)量分?jǐn)?shù)（即在給定的壓力和溫度下，氣體的體積占泡沫體積的百分?jǐn)?shù)）一般為50%～70%，當(dāng)泡沫質(zhì)量小于52%，其為增能體系，一般用其作為常規(guī)壓裂后的尾隨液，以幫助壓后破膠液的快速返排；當(dāng)氣泡質(zhì)量大于52%，內(nèi)相氣泡顆粒較小，穩(wěn)定性好，半衰期（即泡沫中分離出一半液體時所需的時間）長，分布均勻，流動過程中氣泡與氣泡相互接觸、干擾，使得黏度大，攜砂能力增強；在泡沫壓裂液中液相比例較小，一般只占30%～50%，壓裂過程中降低了液相在地層中的濾失量，對地層傷害性小。

3.2泡沫壓裂液適應(yīng)性

泡沫壓裂液進入地層后其泡沫被壓縮，從而聚積能量，壓裂結(jié)束后聚集的能量使氣體快速膨脹，向外驅(qū)替壓裂液破膠液，驅(qū)使破膠液快速而徹底返排，并將縫中殘渣帶出井筒；泡沫壓裂液可以在井筒中形成氣流與管壁的滑流層從而處于層流狀態(tài)，其摩阻小，只有常規(guī)壓裂液的30%～40%?；谂菽瓑毫岩旱倪@些特點，特別適用低溫、低壓、水敏或水鎖等敏感性強的油氣井的壓裂改造［3］。

4　清潔壓裂液體系

清潔壓裂液是在鹽水中添加表面活性劑形成的一種粘彈性表面活性劑（VES）僅由表面活性劑與鹽水相互溶解而成，無需交聯(lián)劑等添加劑。主要包括：陽離子季銨鹽類表面活性劑壓裂液體系、甜菜堿性陽離子表面活性劑壓裂液一級非離子型表面活性劑壓裂液［4］。

4.1清潔壓裂液特點

4.1.1粘彈性粘彈性表面活性劑可在鹽水（分散介質(zhì)）中形成棒狀膠束，隨著棒狀膠束的增多而發(fā)生了相互纏結(jié)，形成了類似交聯(lián)聚合物大分子的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)（見圖1）。即小分子的物質(zhì)，通過相互纏繞從而形成大分子的結(jié)構(gòu)。在宏觀上小分子物質(zhì)卻可以表現(xiàn)出大分子物質(zhì)的性質(zhì)。

4.1.2剪切稀釋性VES壓裂液的攜砂原理與常規(guī)的水基、油基壓裂液存在根本的不同。常規(guī)壓裂液依靠壓裂液的表觀粘度攜帶支撐劑，而VES壓裂液依靠流體的結(jié)構(gòu)粘度攜帶支撐劑。其粘度隨著流體剪切的停止而恢復(fù)，具有很好的剪切稀釋性（見圖2）。因此，其表觀粘度很小，與地層及流體之間的摩阻相當(dāng)?shù)男?。美國Stin-Lab通過支撐劑攜砂實驗，表明粘彈性表面活性劑溶液在粘度小于30 mPa·s，剪切速率為100 s-1時，同樣可以將支撐劑有效的輸送到目的層。

4.1.3粘溫特性隨著溫度的升高，VES壓裂液的粘度經(jīng)歷一個最大值，隨后溫度升高，粘度下降（見圖3）。這是由于，溫度的升高加快了溶液中膠束的運動，在溫度較低時，這種作用是有益的，加快了棒狀膠束的纏繞；而當(dāng)溫度較高時，溫度的升高加快了膠束的分離。因此清潔壓裂液的使用對地層的溫度有一定的要求［5］。

圖1　棒狀膠束相互纏繞形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)示意圖

圖2　不同比例的陽離子膠束劑/NaSal體系的穩(wěn)態(tài)剪切行為

圖3　不同VES-80加量對壓裂液粘溫性能的影響

5　清潔泡沫壓裂液

清潔壓裂液的使用改變了傳統(tǒng)聚合物壓裂液生產(chǎn)操作方式，大大減少了傳統(tǒng)壓裂液對地層的損害和污染。為了進一步減小清潔壓裂液的成本，降低清潔壓裂液的推廣難度，同時提高壓裂液的返排能力，1999年Zhang和Gupta第1次提出將清潔壓裂液與泡沫壓裂液相結(jié)合形成清潔泡沫壓裂液。清潔泡沫壓裂液是在清潔壓裂液的基礎(chǔ)上，加入起泡劑、氣體，形成泡沫，從而組成以氣體為內(nèi)相、清潔壓裂液溶液為外相的低傷害壓裂液體系。

2007年在俄羅斯Western Sibe-rian basin油田，使用清潔泡沫壓裂液與常規(guī)的聚合物水基壓裂液進行現(xiàn)場試驗。油井4454采用0.48%交聯(lián)胍膠聚合物壓裂液實施壓裂。壓裂返排持續(xù)了14 d。壓裂施工完成后油井產(chǎn)量為5.5 t/d。油井492采用清潔泡沫壓裂液，壓裂后油井僅返排3 d時間。壓裂后，油井產(chǎn)量增產(chǎn)至30 t/d。在國內(nèi)，2011年在山西沁水盆地，應(yīng)用清潔泡沫壓裂液對兩口油井進行壓裂。PH1-6油井產(chǎn)氣量達到3 000 m3/d～4 000 m3/d，PH1產(chǎn)氣量達到2 000 m3/d～5 800 m3/d，是臨井產(chǎn)量的1.5倍，增產(chǎn)效果明顯［6］。

清潔泡沫壓裂液結(jié)合了清潔壓裂液與泡沫壓裂液的優(yōu)點，具有攜砂能力強、濾失低、壓裂效能高、返排能力強、地層傷害小等優(yōu)勢，成為近年來壓裂液領(lǐng)域的研究重點。

6　展望

目前，國內(nèi)外的壓裂液體系正朝著低傷害、適應(yīng)強、低成本、耐高溫、環(huán)保的方向發(fā)展，已形成適用于各種地層條件的壓裂液體系。但國內(nèi)在低傷害壓裂液體系的研究與應(yīng)用還處于起步階段。各個單位的研究結(jié)果也只是在油田小范圍的應(yīng)用。因此，應(yīng)參照國外的經(jīng)驗，加強研發(fā)適用我國油藏特點的低傷害壓裂液體系，如：清潔泡沫壓裂液。在此基礎(chǔ)上開展以下研究。

（1）針對不同儲層特點，研究開發(fā)適用不同條件的低傷害壓裂液體系?？赏ㄟ^室內(nèi)實驗進行評價，篩選適合不同條件的配方體系，擴大低傷害壓裂液的應(yīng)用前景。

（2）加強對配套的施工設(shè)備及工藝的研究與設(shè)計，促進低傷害壓裂液在現(xiàn)場的大規(guī)模應(yīng)用推廣。

［1］梁文利，趙林，辛素云.壓裂液技術(shù)研究新進展［J］.斷塊油氣田，2009，16（1）：95-98+117.

［2］楚振中，盧宗平，熊兆軍，等.油基壓裂液性能的特點及應(yīng)用［J］.勝利油田職工大學(xué)學(xué)報，2009，23（6）：38-39+42.

［3］洪怡春.低傷害水基壓裂液體系研究［D］.吉林大學(xué)，2006.

［4］張朝舉，何興貴，關(guān)興華，等.國內(nèi)低中溫清潔壓裂液研究進展及應(yīng)用展望［J］.鉆采工藝，2009，32（3）：93-96+129.

［5］陳馥，王安培，李鳳霞，李興應(yīng).國外清潔壓裂液的研究進展［J］.西南石油學(xué)院學(xué)報，2002，24（5）：65-67.

［6］李兆敏，張韻，李巖松，等.清潔泡沫壓裂液研究應(yīng)用現(xiàn)狀及展望［J］.特種油氣藏，2014，21（5）：1-6.

Situation fracturing fluid technology development research

HU Kexian1，WANG Xiaohua2
（PetroChina Changqing Oilfield Company，Technology of Monitoring Center，Xi'an Shanxi 710018，China；2.Gas Production Plnat 1 of PetroChina Changqing Oilfield Company，Jingbian Shanxi 718500，China）

Fracturing has been widely used in oil yield among seam fracturing fluid is made of sand and carrying liquid used is an important part of the fracturing，fracturing fluid properties play a crucial role in the job.To this end，a lot of the basic research literature，respectively，oil-based fracturing fluids，water-based fracturing fluid，foam fracturing fluid，clean fracturing fluid（VES）and the status of the leading edge of clean development and characteristics of foam fracturing fluid were analyzed.The results show that the current application is still water-based synthetic polymer-based fracturing fluid systems.At low pressure，high water sensitivity reservoir may consider oil-based fracturing fluid，foam fracturing fluid. Clean fracturing fluid，cleaning foam low damage fracturing fluid，environmental advantage is a focus area of current research.Low damage fracturing fluid will move，salt，high temperature resistance，adaptability，and environment-friendly direction.

oil-based fracturing fluid；water-based fracturing fluid；foam fracturing fluid；clean fracturing fluid；cleaning foam fracturing fluid；low damage；status quo；prospects

10.3969/j.issn.1673-5285.2015.02.004

TE357.12

A

1673-5285（2015）02-0013-04

2015－01-19

胡科先，男（1981-），陜西漢中人，工程師，現(xiàn)工作于中國石油長慶油田分公司技術(shù)監(jiān)測中心，研究方向為油氣田增產(chǎn)措施研究，郵箱：h123456hkx@163.com。