國內(nèi)變黏滑溜水研究進展及在川渝非常規(guī)氣藏的應(yīng)用

劉雨舟 張志堅 王磊 何國鴻

1.中國石油西南油氣田公司開發(fā)事業(yè)部 2.國家管網(wǎng)西南管道分公司 3.四川頁巖氣勘探開發(fā)有限責(zé)任公司

美國頁巖氣革命的成功，不僅改變了世界能源格局，而且使得以滑溜水為代表的體積壓裂液技術(shù)得到了空前發(fā)展，并推廣到致密油氣中，實現(xiàn)了非常規(guī)油氣藏低成本效益開發(fā)。川渝氣田的頁巖氣、致密氣資源豐富，借鑒北美開發(fā)模式，采用滑溜水進行體積壓裂[1-3]。近年來，隨著川渝深層頁巖氣以及儲層具有一定塑性的致密氣的開發(fā)，原有滑溜水技術(shù)已不能完全滿足現(xiàn)場攜砂、造縫等的要求：①深層頁巖氣的地層壓力系數(shù)高，在有限的泵注水馬力條件下，一些難壓儲層的泵注排量受限，導(dǎo)致以低黏滑溜水大排量攜砂的方式難以為繼；②對于裂縫發(fā)育層段，常規(guī)滑溜水濾失量大，易砂堵；③致密氣儲層具有一定塑性，常規(guī)滑溜水起裂后的縫口窄，難以滿足致密氣造長縫的要求；④加砂壓裂后，井筒殘留少量的砂，影響下一段壓裂工具的下入，特別是對于上傾水平井，常規(guī)滑溜水難以將砂完全“清掃”至地層。因此，以線性膠、弱凝膠為代表的中、高黏壓裂液在體積壓裂中與常規(guī)滑溜水進行復(fù)合應(yīng)用。在應(yīng)用初期，這些中、高黏壓裂液需要提前配制，所需液罐多，現(xiàn)場無法實現(xiàn)連續(xù)混配，現(xiàn)場液體切換時存在滯后，影響壓裂效果。在這樣的背景下，變黏滑溜水應(yīng)運而生，低黏時作為常規(guī)滑溜水，中黏時作為線性膠，高黏時又用作弱凝膠，可連續(xù)混配，實現(xiàn)了低、中、高黏壓裂液的實時切換[4-5]。綜述了近年來國內(nèi)在變黏滑溜水技術(shù)的研究進展，并結(jié)合川渝非常規(guī)氣藏的開發(fā)實際，舉例分析了變黏滑溜水在川渝頁巖氣、致密氣的應(yīng)用。

1 變黏滑溜水變黏方式

調(diào)研國內(nèi)外油氣藏現(xiàn)場應(yīng)用情況，滑溜水的變黏方式主要分為兩類：①改變降阻劑含量，依靠高分子聚合物含量的改變來調(diào)節(jié)滑溜水黏度。這是目前國內(nèi)外最常用的變黏方式，但受制于成本、計量泵排量、高分子聚合物溶解速度等，黏度的調(diào)節(jié)范圍通常在1.5～50.0 mPa·s。采用返排液配液時，因配液用水高礦化度引起高分子聚合物分子鏈卷曲，實際變黏范圍僅1.5～30.0 mPa·s；②在改變降阻劑含量的同時，引入交聯(lián)劑形成弱凝膠或膠束，實現(xiàn)大范圍的變黏。交聯(lián)劑多以有機鋯為主，對于疏水締合聚合物類降阻劑，也可采用具有反離子的表面活性劑形成膠束增黏[6]，變黏范圍可達1.5～100.0 mPa·s，過高的黏度會造成高摩阻影響泵注。

2 國內(nèi)變黏滑溜水技術(shù)進展

2.1 變黏滑溜水概況

目前，變黏滑溜水已成為頁巖氣、致密氣壓裂的主要液體。變黏滑溜水的關(guān)鍵在于高分子聚合物類降阻劑，其主要成分屬于聚丙烯酰胺及其衍生物類。早期的降阻劑以部分水解聚丙烯酰胺為主，后隨著返排液的大規(guī)?；赜茫诰郾０贩肿渔溕弦肓薃MPS等基團以提高降阻劑的耐鹽性[2]，而近年來更多的是引入疏水單體，在提高其耐鹽性的同時，利用疏水締合聚合物分子間和分子內(nèi)締合形成膠束，在臨界膠束濃度以上實現(xiàn)大范圍增黏[7]。

現(xiàn)場應(yīng)用的降阻劑以乳液型為主，固體粉末型為輔。其中：乳液型又分為反相乳液聚合型和懸浮乳液型。反相乳液聚合型是采用油包水乳液進行反相乳液聚合得到的乳液，其有效質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般為30%左右。而懸浮乳液是將水溶液聚合得到的降阻劑固體粉末分散懸浮于油包水乳液中[8-9]，其有效質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般為40%。乳液型降阻劑直接采用比例泵加注，在混砂車中與配液用水混合形成所需黏度的滑溜水，而固體粉末型降阻劑需連續(xù)混配車或?qū)Ｓ眉幼⑶伺湟?。目前，關(guān)于低黏、中黏、高黏滑溜水的黏度范圍沒有明確的定義，特別是中、高黏滑溜水的黏度范圍在業(yè)界的差異較大。在相同的性能條件下，固體粉末型因其有效含量高而用量較乳液型低，但加注方式更加復(fù)雜。

2.2 降阻劑技術(shù)進展

2.2.1常規(guī)聚丙烯酰胺類降阻劑

常規(guī)聚丙烯酰胺類降阻劑主要是以丙烯酰胺(AM)、丙烯酸(AA)為單體，采用反相乳液聚合或水溶液聚合得到的聚丙烯酰胺，分子量通常在800×104～1 000×104。李凌川[8]以AM、AA為單體，通過反相乳液聚合制備了聚丙烯酰胺乳液降阻劑，在0.1%(w)的加量下作為低黏滑溜水，降阻率達75.6%，在0.5%(w)加量下用作膠液，黏度可達52 mPa·s，現(xiàn)場通過調(diào)整降阻劑用量來實現(xiàn)滑溜水與膠液切換。由于返排液的大規(guī)?；赜?，導(dǎo)致配液用水的礦化度較高、含有高價金屬離子。因此，在聚丙烯酰胺分子鏈上引入2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)或?qū)Ρ揭蚁┗撬徕c(SSS)等耐鹽基團(見圖1)，以提高聚合物的耐鹽性。這也是目前市面上常規(guī)聚丙烯酰胺類降阻劑的主流產(chǎn)品。

對耐鹽聚丙烯酰胺類降阻劑的研究較多，但部分偏重室內(nèi)合成實驗，探討合成條件對性能的影響，沒有很好地與現(xiàn)場生產(chǎn)實際結(jié)合起來，部分降阻性能甚至不能滿足施工要求，而現(xiàn)場應(yīng)用人員更多的是直接在聚丙烯酰胺產(chǎn)品中進行優(yōu)選。張文龍等[10]以AM、AA和AMPS為單體，通過反相乳液聚合制備了黏均分子量大于1 000×104的聚合物乳液，乳液黏度高達650 mPa·s，實際應(yīng)用是難以實現(xiàn)連續(xù)混配的，且在清水中0.1%(w)的加量下降阻率僅為61.5%，不能滿足70%的施工基本要求。王文哲等[11]以AM、SSS為單體，通過水溶液聚合法制備了共聚物用作降阻劑，在0.1%(w)的加量下降阻率也僅為59%～67%。吳越等[12]采用反相乳液聚合法制備了一種包含AM、AMPS、AA結(jié)構(gòu)單元的可交聯(lián)聚丙烯酰胺乳液，能與有機鋯交聯(lián)，在0.08%～0.1%(w)的加量下降阻率大于75%，在0.4%(w)的加量下的黏度為22 mPa·s，引入0.15%(w)的有機鋯可形成弱交聯(lián)，實現(xiàn)大范圍變黏。

陽離子、非離子及兩性離子的聚丙烯酰胺耐鹽性要優(yōu)于陰離子聚丙烯酰胺，但現(xiàn)場幾乎見不到大規(guī)模應(yīng)用。其主要原因是這些聚丙烯酰胺成本較高，更多的是室內(nèi)研究或少量的現(xiàn)場試驗。此外，對于成熟的開發(fā)區(qū)塊，大規(guī)模使用陰離子聚丙烯酰胺類降阻劑后，其返排液中仍然含有少量陰離子聚丙酰胺或降解物，使用陽離子聚丙烯酰胺容易造成與配液用水不配伍等問題。此外，返排液中含有大量懸浮物，大部分帶負(fù)電荷，陽離子以及兩性離子的聚丙酰胺容易產(chǎn)生絮凝。

2.2.2疏水締合聚合物類降阻劑

疏水締合聚合物類降阻劑是近年來降阻劑的主要發(fā)展方向，利用其高黏下的彈性降阻性解決常規(guī)聚合物高黏下摩阻高的問題，這類降阻劑的關(guān)鍵在于疏水單體。目前，應(yīng)用于降阻劑制備的疏水單體主要有甲基丙烯酰氧乙基二甲基十八烷基溴化銨、甲基丙烯酰氧乙基二甲基十二烷基溴化銨(DMDB)、N,N-二甲基烯丙基十六烷基氯化銨、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨(DMC)、N,N-二甲基十八烷基烯丙基溴化銨(DOAB)等。降阻劑的分子主鏈仍是聚丙烯酰胺，將疏水單體與AM、AA、AMPS等進行共聚形成耐鹽多元共聚物[13-14]。圖2所示為常見的疏水締合聚合物共聚反應(yīng)式。

目前，對疏水締合聚合物降阻劑的研究較多，區(qū)別在于疏水單體的不同。利用疏水締合聚合物的“自組裝”行為增黏在技術(shù)上可行，但降阻劑使用量高，其成本現(xiàn)場難以接受。因此，更多的是采用化學(xué)交聯(lián)的方式增黏。劉寬等[15]在聚丙烯酰胺分子鏈段上引入了甲基丙烯酰氧乙基二甲基十八烷基溴化銨，制備了可與有機鋯交聯(lián)的疏水締合聚合物，在加量為0.06%(w)下用作低黏滑溜水，降阻率達78%以上，在加量為0.40%(w)下引入有機鋯交聯(lián)，在90 ℃、170 s-1下剪切1 h后的黏度達80 mPa·s，且耐鹽性滿足壓裂返排液回用要求。李遠照等[16]以N,N-二甲基烯丙基十六烷基氯化銨與AM共聚，引入pH值刺激相應(yīng)型表面活性劑，實現(xiàn)了疏水締合聚合物在球狀膠束與囊泡結(jié)構(gòu)之間的可逆轉(zhuǎn)變，形成的變黏滑溜水降阻率最高達78.1%(實際上只是低黏下才能達到)。賈金亞等[17]以AM、DMC和DMDB為單體，通過水溶液聚合制備了疏水締合聚合物粉劑用作降阻劑，在加量0.1%(w)下的黏度達10 mPa·s，降阻率偏低(65.7%)，用作膠液的含量高，質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高至0.5%后，“自組裝”成膠束，在90 ℃、170 s-1下剪切2 h后的黏度大于50 mPa·s。張曉虎等[18]以AM、AMPS、長鏈烷基二甲基烯丙基氯化銨、N-乙烯吡咯烷酮為單體，通過反相乳液聚合制備了疏水締合聚合物用作降阻劑，0.08%(w)下在清水和返排液中的降阻率均為70%左右，0.6%(w)下在110 ℃、170 s-1下剪切2 h后的黏度達120 mPa·s以上。

2.2.3水包水型乳液降阻劑

近年來，常規(guī)乳液降阻劑所含油相帶來的環(huán)保問題也引起了業(yè)界的重視，不含油相的水包水型聚丙烯酰胺成為環(huán)保型降阻劑的研究方向。水包水型乳液降阻劑的實質(zhì)是在水溶液聚合體系中加入與所合成的聚丙烯酰胺疏水性有一定差異的水溶性物質(zhì)構(gòu)成的分散相，乳化造乳后再加入引發(fā)劑進行聚合，得到互不相溶的水溶性聚合物分散液。祝綸宇等[19]以(NH4)2SO4和Na2SO4為相分離劑、水解聚丙烯酰胺為分散穩(wěn)定劑、AM為單體，通過雙水相分散聚合制備水包水型聚丙烯酰胺乳液，為環(huán)保型降阻劑的研究提供了一條新思路。張鋒三[20]采用AM、AMPS、十八烷基二甲基烯丙基氯化銨為單體，在(NH4)2SO4水溶液中加入聚2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸制備了雙水相疏水締合型聚丙烯酰胺用作降阻劑。劉倩等[21]以AMPS、丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨(DAC)、AM為單體，通過分散聚合制備了水包水型降阻劑，耐鹽能力達80 g/L，當(dāng)加量為0.1%(w)時，在80 ℃下老化72 h后的黏度保持率大于90%，在鹽水中的降阻率達70%以上。李旭暉等[22]以AM和二甲基二烯丙基氯化銨(DADMAC)為單體，聚甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨為分散劑，乙醇-水體系為分散介質(zhì)，通過分散聚合法合成了陽離子型聚丙烯酰胺乳液降阻劑，其分子量較低(126×104)，雖然具有耐鹽性(在30 000 mg/L鹽水中黏度保持率達78.6%)，但在加量為0.2%(w)時降阻率最高僅為66.4%。目前，這類降阻劑的研究較少，未見現(xiàn)場應(yīng)用的報道，但避免了大量油相引入，在頁巖氣開發(fā)中后期，將有助于降低壓裂返排液外排處置難度。因此，從長遠來看，該技術(shù)具有一定的發(fā)展前景。

2.3 變黏滑溜水性能研究進展

變黏滑溜水的性能研究主要集中在黏度對攜砂性能、裂縫形態(tài)、降阻性能的影響等方面。通常認(rèn)為黏度越低，摩阻越低，壓裂形成的縫網(wǎng)越復(fù)雜，但高黏、高摩阻更利于造長縫。究竟多大黏度的滑溜水適合國內(nèi)非常規(guī)儲層，目前還沒有定論，主要還是與不同區(qū)塊的巖性及工藝要求相關(guān)。李遠照等[16]通過動態(tài)光散射發(fā)現(xiàn)，表面活性劑對于疏水締合聚合物形成的膠束受pH值影響，在不同pH值下組裝成不同結(jié)構(gòu)，從而引起黏度變化；同時，疏水締合聚合物的降阻率隨著剪切速率的增大而上升，有利于指導(dǎo)大排量施工，而降阻劑加量的增大導(dǎo)致黏度上升，流動阻力增加，可在提高排量與黏度之間尋找一個平衡點。卞曉冰等[23]應(yīng)用離散裂縫網(wǎng)格模型來模擬裂縫擴展規(guī)律，明確了黏度越小，半縫長和SRV越大，但平均縫寬和縫高則越小，反之亦然；對于脆性較高的中淺層頁巖，低黏滑溜水易進入微小孔隙及裂縫，溝通儲層中大量存在的頁理/層理縫，但偏塑性特征的深層頁巖應(yīng)適當(dāng)提高滑溜水黏度，增加裂縫動態(tài)縫寬，黏度控制在50 mPa·s以內(nèi)的液體可獲得相對較好的裂縫形態(tài)(見圖3)。

陳作等[24]通過三軸應(yīng)力實驗發(fā)現(xiàn)前置中黏液體有利于裂縫多次起裂、產(chǎn)生次生裂縫；注入低黏液體，液體先向?qū)永砻娲罅繚B濾，憋起高壓后層理面瞬間完全開啟，起裂壓力較高，形成了單一層理縫；提高注入液體黏度至30 mPa·s，裂縫沿最大主應(yīng)力方位起裂，起裂壓力較低，形成了橫切裂縫。閆秀等[25]針對高含碳酸鹽巖的頁巖氣藏，研究了酸性滑溜水的性能，通過酸對碳酸鹽巖的溶蝕作用，降低巖石骨架強度，有利于遠端裂縫轉(zhuǎn)向，并盡可能溝通天然裂縫。這與目前非常規(guī)氣藏在進行體積壓裂前采用10 m3左右的稀鹽酸進行降破處理有一定的相似性。孫亞東等[14]研究了疏水締合聚合物降阻劑的黏彈性，發(fā)現(xiàn)隨著振蕩頻率的增大，儲能模量和耗能模量線性增大，且儲能模量始終大于耗能模量，可實現(xiàn)低黏高彈，有助于解決高攜砂和低摩阻之間的矛盾。賈金亞等[17]研究了含DMDB疏水單體的聚合物，發(fā)現(xiàn)加入一定量的SDS 可與DMDB形成混合膠束，SDS可包裹在疏水締合單體周圍，使聚合物疏水單體之間的相互作用減弱，提高聚合物溶解性，而對黏度的影響不大。劉寬等[15]發(fā)現(xiàn)疏水締合聚合物在低含量時，泵注過程中線性分子鏈沿流線分布，起到降阻作用；在高含量時，分子鏈間非極性基團在極性水環(huán)境中通過分子間范德華力聚集在一起，締合形成彈性空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可提高攜砂性能，且泵注過程中彈性空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)儲存湍流能量，起到降阻作用，而常規(guī)聚丙烯酰胺在高含量時，分子鏈發(fā)生纏繞，黏度增加，流動阻力增加，降阻性能下降。

3 變黏滑溜水在川渝非常規(guī)氣藏的應(yīng)用

3.1 變黏滑溜水在川渝致密氣藏的應(yīng)用

變黏滑溜水在川渝致密氣藏的應(yīng)用主要是滿足工程上從“單縫、復(fù)雜縫”到“多縫”的需要，利用中、高黏滑溜水造長縫，低黏滑溜水造分支復(fù)雜縫，同時避免常規(guī)交聯(lián)凍膠帶來的高傷害問題。以致密氣田某井為例，對變黏滑溜水在川渝致密氣藏的應(yīng)用情況進行分析。該井改造層位為沙二段(2 650～4 070 m)，設(shè)計采用“段內(nèi)多簇射孔+變黏滑溜水加砂”模式，力爭造多條長縫，并輔以復(fù)雜分支縫，擴大波及體積。該井低黏滑溜水的黏度為6～10 mPa·s(較頁巖氣的低黏滑溜水明顯偏高)，中黏滑溜水的黏度為10～20 mPa·s，高黏滑溜水的黏度為30～50 mPa·s，現(xiàn)場采用調(diào)節(jié)懸浮乳液降阻劑含量變黏。圖4是該井壓裂施工曲線。

從圖4可看出：該井段先采用高黏滑溜水作為前置液，壓開地層，盡量撐大縫口，然后采用中黏滑溜水加砂造長縫，再采用低黏滑溜水在長縫的基礎(chǔ)上形成復(fù)雜分支縫，最后用高黏滑溜水“清掃”井筒。前置液壓開地層后，壓力降低，有利于后續(xù)加砂作業(yè)；在中黏滑溜水加砂的前半部分，受地層塑性以及裂縫發(fā)育的影響，施工壓力整體偏高(約58 MPa)，但隨著加砂的持續(xù)，縫口逐漸被打磨，壓力逐漸降低(52～54 MPa)，后續(xù)的低黏滑溜水加砂及高黏滑溜水清掃井筒也維持在此壓力；通過停泵壓力估算該井施工過程中的降阻率在71%左右，滿足了高強度加砂壓裂需要(該井加砂強度達5.09 t/m)?，F(xiàn)場通過微地震監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)45個事件點，長度約486 m，寬度約88 m，高度約58 m，在井筒西側(cè)延伸較遠，人工裂縫較長且較復(fù)雜，波及體積大。

3.2 變黏滑溜水在川渝深層頁巖氣氣藏的應(yīng)用

變黏滑溜水在川渝深層頁巖氣氣藏應(yīng)用的區(qū)塊普遍垂深超過3 500 m，地層壓力系數(shù)高，區(qū)塊內(nèi)裂縫較為發(fā)育，加砂難度較大。以某井為例，對變黏滑溜水在川渝深層頁巖氣氣藏的應(yīng)用情況進行分析。該井完鉆井深6 150 m，垂深 3 895.69 m，施工層位為龍馬溪組。設(shè)計采用“段內(nèi)多簇射孔+變黏滑溜水加砂”模式，盡量造復(fù)雜縫網(wǎng)，增大SRV。該井低黏滑溜水的黏度為3～6 mPa·s，中黏滑溜水的黏度約為30 mPa·s，高黏滑溜水的黏度約為100 mPa·s，現(xiàn)場采用改變?nèi)橐航底鑴┖考耙虢宦?lián)劑相結(jié)合的方式變黏。圖5是該井壓裂施工曲線。

從圖5可看出，該井段先采用酸液降低地層破裂壓力，然后用高黏滑溜水壓開地層，擴大縫口，再采用低黏滑溜水加砂造復(fù)雜縫網(wǎng)，最后用高黏滑溜水“清掃”井筒。在施工中，低黏滑溜水先采用3 mPa·s液體，但加砂時的泵壓偏高，先后兩次切換30 m3中黏滑溜水后泵壓有明顯降低，表明該井段采用3 mPa·s的低黏滑溜水加砂難度較大，后改為6 mPa·s的低黏滑溜水加砂，施工泵壓大幅降低，最后采用30 m3中黏滑溜水“清掃”井筒后，再用3 mPa·s的低黏滑溜水頂替，泵壓又上升，表明該井段即使采用6 mPa·s的低黏滑溜水施工，井底仍可能有一些沉砂，導(dǎo)致“清掃”進地層時的砂含量較高，泵壓上升。通過停泵壓力估算該井施工過程中的降阻率在73%左右，加砂強度2.94 t/m，說明低黏滑溜水在深層頁巖氣氣藏的加砂難度較大。

4 結(jié)論與展望

(1)變黏滑溜水的變黏主要是通過調(diào)節(jié)降阻劑含量和/或引入交聯(lián)劑的方式實現(xiàn)低、中、高黏液體的實時切換，但對于低、中、高黏滑溜水的定義未有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，變黏的關(guān)鍵在于降阻劑的降阻增黏性。

(2)降阻劑研究主要是含AMPS或SSS等耐鹽基團的聚丙烯酰胺或疏水締合聚合物的合成與性能評價等，且疏水締合聚合物是研究熱點，而水包水型乳液聚丙烯酰胺也是一個發(fā)展方向。

(3)變黏滑溜水性能研究主要是研究黏度對攜砂性能、裂縫形態(tài)、降阻性能等的影響規(guī)律。究竟何種黏度適合何種儲層還無定論，但可確定的是疏水締合聚合物的高彈性可降低高黏液體摩阻。

(4)變黏滑溜水在川渝非常規(guī)氣藏應(yīng)用獲得成功，在致密氣中應(yīng)用的黏度較頁巖氣的偏高，對深層頁巖氣氣藏的攜砂能力還需進一步增強。

(5)疏水締合聚合物類降阻劑是變黏滑溜水發(fā)展的重點，有望解決高黏液體攜砂能力強與摩阻高之間的矛盾，而固體型降阻劑可大幅降低成本，且可以避免乳液降阻劑潛在的環(huán)保問題，也是今后的發(fā)展方向，但目前的重點是解決其連續(xù)混配的難題。