新型高效减阻剂研究及应用

孟 强, 范锦锋, 艾生军, 刘 刚, 杨文斌, 吴 昊

(1辽宁省盘锦市辽河油田特种油开发公司 2中国石油集团渤海钻探工程公司井下作业分公司 3中国石油集团渤海钻探工程公司钻井技术服务分公司 4中国石油集团渤海钻探工程公司第四钻井分公司 5中国石油集团西部钻探工程有限公司克拉玛依钻井公司)

页岩储层压裂通常使用滑溜水压裂液体系，而由于滑溜水压裂液体系的黏度通常较低，使其携砂能力下降，从而影响压裂施工的效果。因此，为了提高其携砂能力，页岩储层压裂通常采用大排量和大液量进行施工，从而增大压裂半径，形成更加复杂的网络裂缝结构，提高裂缝的导流能力[1-4]。而减阻剂作为滑溜水压裂液的核心处理剂，需要其具备良好的降摩阻性能，才能有效降低压裂施工压力，从而满足页岩储层体积压裂对大排量施工的要求[5-11]。

目前，国内外常用的减阻剂类型主要包括线性胶、高分子聚合物、乳液聚合物以及交联聚合物等[12-17]。其中线性胶减阻剂具有良好的水溶性和降阻性能，但其稳定性较差，且对储层的伤害较大；高分子聚合物和乳液聚合物降阻性能优于线性胶，但其耐温、耐盐和耐剪切性能较差，且由于其残渣含量较高，同样存在对储层伤害较大的弊端；交联聚合物由于黏度较大，在携砂能力上有了较大的提高，但降阻性能一般。因此，需要研究出性能优良的高效减阻剂，以提高页岩储层压裂施工的效果。本文采用反相乳液聚合法，合成了一种适用于页岩气储层的新型高效减阻剂HDR-C，在室内对其性能进行了综合评价，并在现场进行了成功应用，以期为提高页岩储层压裂施工效率提供一定的技术支持。

一、实验部分

1.主要实验材料及仪器

实验材料：Span80、Tween80、环己烷、AMPS(2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸)、AM(丙烯酰胺)、丙烯酸酯单体，均为工业品；氢氧化钠、过硫酸铵、亚硫酸氢钠，均为分析纯；氮气；国外同类减阻剂A(乳状液类)；国内同类减阻剂B(乳状液类)；固体减阻剂C(粉末类)；实验用岩心取自目标区块页岩储层段；岩心驱替实验流体为标准盐水。

实验仪器：IR-960型傅里叶变换红外光谱仪；MCR-302型动态剪切流变仪；JZHZ-200型表面张力仪；多功能岩心流动实验装置。

2.新型高效减阻剂HDR-C的制备

将一定比例的非离子表面活性剂Span80和Tween80加入到环己烷中，搅拌形成连续相。再将一定比例的2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、丙烯酰胺以及丙烯酸酯单体加入到蒸馏水中，搅拌形成分散相，调整分散相的pH值为7～9之间。然后在高速搅拌条件下将分散相缓慢加入到连续相中，充分乳化反应1 h左右，即形成均匀的反相乳液体系。最后，在通入氮气的情况下加入引发剂，在40℃～50℃之间反应2 h左右，即得到新型高效减阻剂HDR-C。

3.性能评价方法

3.1 红外光谱分析

使用IR-960型傅里叶变换红外光谱仪，室内采用衰减全反射法测定新型高效减阻剂HDR-C的红外光谱图，选择波数范围为500～4 000 cm-1。

3.2 减阻性能评价

使用清水配制不同浓度的减阻剂溶液，然后采用滑溜水摩阻测定仪对不同减阻剂溶液的减阻性能进行了评价，实验仪器管径为8 mm，实验流量为2.0 m3/h，实验温度为25℃。

3.3 流变性能评价

配制一定浓度的减阻剂溶液，使用MCR-302型动态剪切流变仪对减阻剂溶液的流变性能进行测试。其中耐剪切性能评价实验时剪切速率控制在170 s-1，温度控制在25℃；黏弹性能评价实验时频率控制在1 Hz，应力变化范围在0.1～10 Pa之间，温度为25℃。

3.4 表面活性及防膨性能评价

参照标准NB/T 14003.1-2015 《页岩气压裂液第1部分：滑溜水性能指标及评价方法》滑溜水表界面张力以及防膨性能测定方法，评价了不同类型减阻剂溶液的表面活性和防膨性能，其中表面张力测定采用JZHZ-200型表面张力仪。

3.5 岩心伤害性能评价

参照标准SY/T 5107-2016《水基压裂液性能评价方法》中压裂液滤液对岩心基质渗透率的损害测定方法，使用多功能岩心流动实验装置评价了减阻剂溶液(破胶液)对页岩储层天然岩心的伤害性能。

二、结果与讨论

1.红外光谱分析

图1为新型高效减阻剂HDR-C的红外光谱图。从图中可以看出，3 452 cm-1处的强吸收峰为酰胺基团中N—H伸缩振动吸收峰；2 920 cm-1处为C—H伸缩振动吸收峰；1 684 cm-1处为酰胺基团中的羰基C=O的特征吸收峰；1 568 cm-1和1 408 cm-1处为—COO—的反对称和对称特征吸收峰；1 236 cm-1和1 156 cm-1处为磺酸基—SO3H的振动特征吸收峰。红外光谱图结果显示各种单体已经充分发生聚合反应。

图1 减阻剂HDR-C红外光谱图

2.减阻性能

室内按照减阻性能评价中的实验方法，对比评价了新型高效减阻剂HDR-C与国内外其他减阻剂的减阻效果，实验结果见图2。

图2 减阻率随减阻剂浓度的变化曲线

由图2可知，在相同的实验流量下，随着减阻剂质量分数的逐渐增大，减阻率均呈现出“先增大后减小”的趋势。其中新型高效减阻剂HDR-C的减阻效果最好，在同等实验条件下的减阻率均优于国内外其他常用的减阻剂，当其加量为0.1%时，减阻率可以达到60%以上，再继续增加减阻剂加量，减阻率略微出现下降，这是由于减阻剂质量分数越大，其溶液的黏度就越高，过高的黏度使流体的流动阻力增大，从而降低了减阻效果。可以看出，减阻剂HDR-C、A和B的最佳质量分数均为0.1%，而减阻剂C的最佳质量分数为0.075%。

3.耐剪切性能

由于页岩储层压裂施工过程中需要的压裂液量较大，因此需要提高泵速以满足压裂施工的需要，这就会使压裂液在高速流动时受到一定的剪切作用，所以就要求减阻剂具有良好的耐剪切性能。室内按照流变性能评价中的实验方法评价了减阻剂溶液的耐剪切性能，HDR-C加量为0.1%，剪切时间为60 min，实验结果见图3。

由图3可知，随着剪切时间的延长，减阻剂溶液表观黏度逐渐下降，但下降幅度较小，当剪切时间为60 min时，溶液的表观黏度仍能达到33.2 mPa·s，与初始状态的36.8 mPa·s相比，表观黏度保留率可以达到90%以上，说明研制的新型高效减阻剂HDR-C具有良好耐剪切性能。这是由于HDR-C分子中含有一定量的长链疏水基团，其在水溶液中发生缔合反应，形成类似交联作用的网状结构，使其具有良好的耐剪切作用。

图3 剪切时间对减阻剂溶液表观黏度的影响

4.黏弹性能

常规滑溜水压裂液的携砂能力较差，这与其低黏度、低切力以及黏弹性能较差有关，因此，为了提高滑溜水压裂液的携砂能力，需要减阻剂溶液具有一定的黏弹性能。室内按照液变性能评价中的实验方法评价了减阻剂溶液的弹性模量G′和黏性模量G″随扫描应力的变化关系，HDR-C加量为0.1%，实验结果见图4。

图4 减阻剂溶液黏弹性能评价结果

由图4结果可知，随着扫描应力的逐渐增大，减阻剂HDR-C溶液的弹性模量G′和黏性模量G″一直比较稳定，变化幅度不大，且在应力变化范围0.1～10 Pa内，弹性模量G′一直都大于黏性模量G″，说明研制的新型高效减阻剂HDR-C具有良好的黏弹性能。这是由于HDR-C分子在水溶液中相互缠绕形成较为稳定的网状结构，在受到外力作用时，网状结构产生形变，从而表现出良好的弹性特征，这将有助于提高滑溜水压裂液的携砂能力。

5.表面活性及防膨性能

室内按照表面活性及防膨性能评价中的实验方法，评价了新型高效减阻剂HDR-C的表面活性和防膨性能，并与其他常用减阻剂进行了对比，减阻剂加量均为0.1%，实验结果见表1。

表1 不同类型减阻剂表面张力和防膨率实验结果

由表1结果可知，在相同的实验条件下，新型高效减阻剂HDR-C的表面活性和防膨性能优于国内外其他常用的减阻剂，其加量为0.1%时，表面张力值为34.3 mN/m，防膨率可以达到85%以上。说明HDR-C具有良好的表面活性和防膨性能，能够有效提高压裂液的返排效率，降低压裂液滞留对页岩储层造成的损害，同时可以有效防止页岩矿物的吸水膨胀，保证压裂施工的效果。

6.对岩心的伤害性能

室内按照岩心伤害性能评价中的实验方法，评价了不同类型减阻剂溶液(破胶液)对页岩储层岩心的伤害情况，实验结果见表2。

表2 不同类型减阻剂对岩心的伤害性能评价结果

由表2可知，与其他常用减阻剂相比，新型高效减阻剂HDR-C对目标区块页岩储层天然岩心的基质渗透率的损害较小，其伤害率小于10%，而其他减阻剂溶液对岩心的渗透率伤害率均大于10%。这是由于HDR-C配制的溶液破胶后基本无残渣，且有良好的表面活性和防膨性能，能够降低其对页岩储层岩心基质渗透率的损害程度，具有低伤害的特性。

三、现场应用效果

新型高效减阻剂HDR-C在四川盆地某页岩气区块M-1井压裂施工过程中成功进行了应用，该井压裂层段总长度为1 205 m，在第一段压裂施工过程中对HDR-C的降阻性能进行了评价，在维持排量基本不变的情况下(排量控制在12.5 m3/min)，通过测定HDR-C的加入对施工压力的影响，来测试其降阻性能，结果见图5。可以看出，加入HDR-C之前，施工压力维持在58 MPa左右，按比例加入减阻剂HDR-C后，在1 500 s时施工压力迅速降低至47 MPa左右，经过压裂软件模拟计算，与清水摩阻相比降低了67.5%，可见新型高效减阻剂HDR-C起到了良好的降低摩阻效果。

图5 M-1井施工压力变化曲线

另外，该井共计注入压裂液6 542.5 m3，加入支撑剂为412 t，最高砂比可以达到29.6%，整体降阻率控制在65.5%左右，减阻效果较好。压裂后返排率可以达到50%左右，返排液性能稳定。M-1井整体压裂施工过程顺利，新型高效减阻剂HDR-C降阻效果明显，携砂性能较好，取得了较好的压裂施工效果。

四、结论

(1)室内采用反相乳液聚合法制备了一种适用于页岩气储层的新型高效减阻剂HDR-C，并利用红外光谱对合成减阻剂的结构进行了表征。

(2)减阻剂HDR-C室内性能评价结果表明：HDR-C具有良好的减阻性能，在相同的实验条件下其减阻性能优于国内外其他常用的减阻剂；HDR-C具有良好的耐剪切性能和黏弹性能，可以有效提高滑溜水压裂液的携砂能力；另外，HDR-C还具有一定的表面活性和较好的防膨性能，并且其对页岩储层岩心的基质渗透率伤害程度较小，具有低伤害特性。

(3)减阻剂HDR-C现场应用效果表明：在相同的排量情况下，M-1井加入HDR-C后压裂施工压力显著下降，起到了良好的减阻效果；且该井压后返排率较高，返排液性能稳定，取得了良好的压裂施工效果。