国内变黏滑溜水研究进展及在川渝非常规气藏的应用

刘雨舟 张志坚 王磊 何国鸿

1.中国石油西南油气田公司开发事业部 2.国家管网西南管道分公司 3.四川页岩气勘探开发有限责任公司

美国页岩气革命的成功，不仅改变了世界能源格局，而且使得以滑溜水为代表的体积压裂液技术得到了空前发展，并推广到致密油气中，实现了非常规油气藏低成本效益开发。川渝气田的页岩气、致密气资源丰富，借鉴北美开发模式，采用滑溜水进行体积压裂[1-3]。近年来，随着川渝深层页岩气以及储层具有一定塑性的致密气的开发，原有滑溜水技术已不能完全满足现场携砂、造缝等的要求：①深层页岩气的地层压力系数高，在有限的泵注水马力条件下，一些难压储层的泵注排量受限，导致以低黏滑溜水大排量携砂的方式难以为继；②对于裂缝发育层段，常规滑溜水滤失量大，易砂堵；③致密气储层具有一定塑性，常规滑溜水起裂后的缝口窄，难以满足致密气造长缝的要求；④加砂压裂后，井筒残留少量的砂，影响下一段压裂工具的下入，特别是对于上倾水平井，常规滑溜水难以将砂完全“清扫”至地层。因此，以线性胶、弱凝胶为代表的中、高黏压裂液在体积压裂中与常规滑溜水进行复合应用。在应用初期，这些中、高黏压裂液需要提前配制，所需液罐多，现场无法实现连续混配，现场液体切换时存在滞后，影响压裂效果。在这样的背景下，变黏滑溜水应运而生，低黏时作为常规滑溜水，中黏时作为线性胶，高黏时又用作弱凝胶，可连续混配，实现了低、中、高黏压裂液的实时切换[4-5]。综述了近年来国内在变黏滑溜水技术的研究进展，并结合川渝非常规气藏的开发实际，举例分析了变黏滑溜水在川渝页岩气、致密气的应用。

1 变黏滑溜水变黏方式

调研国内外油气藏现场应用情况，滑溜水的变黏方式主要分为两类：①改变降阻剂含量，依靠高分子聚合物含量的改变来调节滑溜水黏度。这是目前国内外最常用的变黏方式，但受制于成本、计量泵排量、高分子聚合物溶解速度等，黏度的调节范围通常在1.5～50.0 mPa·s。采用返排液配液时，因配液用水高矿化度引起高分子聚合物分子链卷曲，实际变黏范围仅1.5～30.0 mPa·s；②在改变降阻剂含量的同时，引入交联剂形成弱凝胶或胶束，实现大范围的变黏。交联剂多以有机锆为主，对于疏水缔合聚合物类降阻剂，也可采用具有反离子的表面活性剂形成胶束增黏[6]，变黏范围可达1.5～100.0 mPa·s，过高的黏度会造成高摩阻影响泵注。

2 国内变黏滑溜水技术进展

2.1 变黏滑溜水概况

目前，变黏滑溜水已成为页岩气、致密气压裂的主要液体。变黏滑溜水的关键在于高分子聚合物类降阻剂，其主要成分属于聚丙烯酰胺及其衍生物类。早期的降阻剂以部分水解聚丙烯酰胺为主，后随着返排液的大规模回用，在聚丙烯酰胺分子链上引入了AMPS等基团以提高降阻剂的耐盐性[2]，而近年来更多的是引入疏水单体，在提高其耐盐性的同时，利用疏水缔合聚合物分子间和分子内缔合形成胶束，在临界胶束浓度以上实现大范围增黏[7]。

现场应用的降阻剂以乳液型为主，固体粉末型为辅。其中：乳液型又分为反相乳液聚合型和悬浮乳液型。反相乳液聚合型是采用油包水乳液进行反相乳液聚合得到的乳液，其有效质量分数一般为30%左右。而悬浮乳液是将水溶液聚合得到的降阻剂固体粉末分散悬浮于油包水乳液中[8-9]，其有效质量分数一般为40%。乳液型降阻剂直接采用比例泵加注，在混砂车中与配液用水混合形成所需黏度的滑溜水，而固体粉末型降阻剂需连续混配车或专用加注撬配液。目前，关于低黏、中黏、高黏滑溜水的黏度范围没有明确的定义，特别是中、高黏滑溜水的黏度范围在业界的差异较大。在相同的性能条件下，固体粉末型因其有效含量高而用量较乳液型低，但加注方式更加复杂。

2.2 降阻剂技术进展

2.2.1常规聚丙烯酰胺类降阻剂

常规聚丙烯酰胺类降阻剂主要是以丙烯酰胺(AM)、丙烯酸(AA)为单体，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为单体，通过反相乳液聚合制备了聚丙烯酰胺乳液降阻剂，在0.1%(w)的加量下作为低黏滑溜水，降阻率达75.6%，在0.5%(w)加量下用作胶液，黏度可达52 mPa·s，现场通过调整降阻剂用量来实现滑溜水与胶液切换。由于返排液的大规模回用，导致配液用水的矿化度较高、含有高价金属离子。因此，在聚丙烯酰胺分子链上引入2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)或对苯乙烯磺酸钠(SSS)等耐盐基团(见图1)，以提高聚合物的耐盐性。这也是目前市面上常规聚丙烯酰胺类降阻剂的主流产品。

对耐盐聚丙烯酰胺类降阻剂的研究较多，但部分偏重室内合成实验，探讨合成条件对性能的影响，没有很好地与现场生产实际结合起来，部分降阻性能甚至不能满足施工要求，而现场应用人员更多的是直接在聚丙烯酰胺产品中进行优选。张文龙等[10]以AM、AA和AMPS为单体，通过反相乳液聚合制备了黏均分子量大于1 000×104的聚合物乳液，乳液黏度高达650 mPa·s，实际应用是难以实现连续混配的，且在清水中0.1%(w)的加量下降阻率仅为61.5%，不能满足70%的施工基本要求。王文哲等[11]以AM、SSS为单体，通过水溶液聚合法制备了共聚物用作降阻剂，在0.1%(w)的加量下降阻率也仅为59%～67%。吴越等[12]采用反相乳液聚合法制备了一种包含AM、AMPS、AA结构单元的可交联聚丙烯酰胺乳液，能与有机锆交联，在0.08%～0.1%(w)的加量下降阻率大于75%，在0.4%(w)的加量下的黏度为22 mPa·s，引入0.15%(w)的有机锆可形成弱交联，实现大范围变黏。

阳离子、非离子及两性离子的聚丙烯酰胺耐盐性要优于阴离子聚丙烯酰胺，但现场几乎见不到大规模应用。其主要原因是这些聚丙烯酰胺成本较高，更多的是室内研究或少量的现场试验。此外，对于成熟的开发区块，大规模使用阴离子聚丙烯酰胺类降阻剂后，其返排液中仍然含有少量阴离子聚丙酰胺或降解物，使用阳离子聚丙烯酰胺容易造成与配液用水不配伍等问题。此外，返排液中含有大量悬浮物，大部分带负电荷，阳离子以及两性离子的聚丙酰胺容易产生絮凝。

2.2.2疏水缔合聚合物类降阻剂

疏水缔合聚合物类降阻剂是近年来降阻剂的主要发展方向，利用其高黏下的弹性降阻性解决常规聚合物高黏下摩阻高的问题，这类降阻剂的关键在于疏水单体。目前，应用于降阻剂制备的疏水单体主要有甲基丙烯酰氧乙基二甲基十八烷基溴化铵、甲基丙烯酰氧乙基二甲基十二烷基溴化铵(DMDB)、N,N-二甲基烯丙基十六烷基氯化铵、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(DMC)、N,N-二甲基十八烷基烯丙基溴化铵(DOAB)等。降阻剂的分子主链仍是聚丙烯酰胺，将疏水单体与AM、AA、AMPS等进行共聚形成耐盐多元共聚物[13-14]。图2所示为常见的疏水缔合聚合物共聚反应式。

目前，对疏水缔合聚合物降阻剂的研究较多，区别在于疏水单体的不同。利用疏水缔合聚合物的“自组装”行为增黏在技术上可行，但降阻剂使用量高，其成本现场难以接受。因此，更多的是采用化学交联的方式增黏。刘宽等[15]在聚丙烯酰胺分子链段上引入了甲基丙烯酰氧乙基二甲基十八烷基溴化铵，制备了可与有机锆交联的疏水缔合聚合物，在加量为0.06%(w)下用作低黏滑溜水，降阻率达78%以上，在加量为0.40%(w)下引入有机锆交联，在90 ℃、170 s-1下剪切1 h后的黏度达80 mPa·s，且耐盐性满足压裂返排液回用要求。李远照等[16]以N,N-二甲基烯丙基十六烷基氯化铵与AM共聚，引入pH值刺激相应型表面活性剂，实现了疏水缔合聚合物在球状胶束与囊泡结构之间的可逆转变，形成的变黏滑溜水降阻率最高达78.1%(实际上只是低黏下才能达到)。贾金亚等[17]以AM、DMC和DMDB为单体，通过水溶液聚合制备了疏水缔合聚合物粉剂用作降阻剂，在加量0.1%(w)下的黏度达10 mPa·s，降阻率偏低(65.7%)，用作胶液的含量高，质量分数提高至0.5%后，“自组装”成胶束，在90 ℃、170 s-1下剪切2 h后的黏度大于50 mPa·s。张晓虎等[18]以AM、AMPS、长链烷基二甲基烯丙基氯化铵、N-乙烯吡咯烷酮为单体，通过反相乳液聚合制备了疏水缔合聚合物用作降阻剂，0.08%(w)下在清水和返排液中的降阻率均为70%左右，0.6%(w)下在110 ℃、170 s-1下剪切2 h后的黏度达120 mPa·s以上。

2.2.3水包水型乳液降阻剂

近年来，常规乳液降阻剂所含油相带来的环保问题也引起了业界的重视，不含油相的水包水型聚丙烯酰胺成为环保型降阻剂的研究方向。水包水型乳液降阻剂的实质是在水溶液聚合体系中加入与所合成的聚丙烯酰胺疏水性有一定差异的水溶性物质构成的分散相，乳化造乳后再加入引发剂进行聚合，得到互不相溶的水溶性聚合物分散液。祝纶宇等[19]以(NH4)2SO4和Na2SO4为相分离剂、水解聚丙烯酰胺为分散稳定剂、AM为单体，通过双水相分散聚合制备水包水型聚丙烯酰胺乳液，为环保型降阻剂的研究提供了一条新思路。张锋三[20]采用AM、AMPS、十八烷基二甲基烯丙基氯化铵为单体，在(NH4)2SO4水溶液中加入聚2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸制备了双水相疏水缔合型聚丙烯酰胺用作降阻剂。刘倩等[21]以AMPS、丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(DAC)、AM为单体，通过分散聚合制备了水包水型降阻剂，耐盐能力达80 g/L，当加量为0.1%(w)时，在80 ℃下老化72 h后的黏度保持率大于90%，在盐水中的降阻率达70%以上。李旭晖等[22]以AM和二甲基二烯丙基氯化铵(DADMAC)为单体，聚甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵为分散剂，乙醇-水体系为分散介质，通过分散聚合法合成了阳离子型聚丙烯酰胺乳液降阻剂，其分子量较低(126×104)，虽然具有耐盐性(在30 000 mg/L盐水中黏度保持率达78.6%)，但在加量为0.2%(w)时降阻率最高仅为66.4%。目前，这类降阻剂的研究较少，未见现场应用的报道，但避免了大量油相引入，在页岩气开发中后期，将有助于降低压裂返排液外排处置难度。因此，从长远来看，该技术具有一定的发展前景。

2.3 变黏滑溜水性能研究进展

变黏滑溜水的性能研究主要集中在黏度对携砂性能、裂缝形态、降阻性能的影响等方面。通常认为黏度越低，摩阻越低，压裂形成的缝网越复杂，但高黏、高摩阻更利于造长缝。究竟多大黏度的滑溜水适合国内非常规储层，目前还没有定论，主要还是与不同区块的岩性及工艺要求相关。李远照等[16]通过动态光散射发现，表面活性剂对于疏水缔合聚合物形成的胶束受pH值影响，在不同pH值下组装成不同结构，从而引起黏度变化；同时，疏水缔合聚合物的降阻率随着剪切速率的增大而上升，有利于指导大排量施工，而降阻剂加量的增大导致黏度上升，流动阻力增加，可在提高排量与黏度之间寻找一个平衡点。卞晓冰等[23]应用离散裂缝网格模型来模拟裂缝扩展规律，明确了黏度越小，半缝长和SRV越大，但平均缝宽和缝高则越小，反之亦然；对于脆性较高的中浅层页岩，低黏滑溜水易进入微小孔隙及裂缝，沟通储层中大量存在的页理/层理缝，但偏塑性特征的深层页岩应适当提高滑溜水黏度，增加裂缝动态缝宽，黏度控制在50 mPa·s以内的液体可获得相对较好的裂缝形态(见图3)。

陈作等[24]通过三轴应力实验发现前置中黏液体有利于裂缝多次起裂、产生次生裂缝；注入低黏液体，液体先向层理面大量渗滤，憋起高压后层理面瞬间完全开启，起裂压力较高，形成了单一层理缝；提高注入液体黏度至30 mPa·s，裂缝沿最大主应力方位起裂，起裂压力较低，形成了横切裂缝。闫秀等[25]针对高含碳酸盐岩的页岩气藏，研究了酸性滑溜水的性能，通过酸对碳酸盐岩的溶蚀作用，降低岩石骨架强度，有利于远端裂缝转向，并尽可能沟通天然裂缝。这与目前非常规气藏在进行体积压裂前采用10 m3左右的稀盐酸进行降破处理有一定的相似性。孙亚东等[14]研究了疏水缔合聚合物降阻剂的黏弹性，发现随着振荡频率的增大，储能模量和耗能模量线性增大，且储能模量始终大于耗能模量，可实现低黏高弹，有助于解决高携砂和低摩阻之间的矛盾。贾金亚等[17]研究了含DMDB疏水单体的聚合物，发现加入一定量的SDS 可与DMDB形成混合胶束，SDS可包裹在疏水缔合单体周围，使聚合物疏水单体之间的相互作用减弱，提高聚合物溶解性，而对黏度的影响不大。刘宽等[15]发现疏水缔合聚合物在低含量时，泵注过程中线性分子链沿流线分布，起到降阻作用；在高含量时，分子链间非极性基团在极性水环境中通过分子间范德华力聚集在一起，缔合形成弹性空间网络结构，可提高携砂性能，且泵注过程中弹性空间网络结构储存湍流能量，起到降阻作用，而常规聚丙烯酰胺在高含量时，分子链发生缠绕，黏度增加，流动阻力增加，降阻性能下降。

3 变黏滑溜水在川渝非常规气藏的应用

3.1 变黏滑溜水在川渝致密气藏的应用

变黏滑溜水在川渝致密气藏的应用主要是满足工程上从“单缝、复杂缝”到“多缝”的需要，利用中、高黏滑溜水造长缝，低黏滑溜水造分支复杂缝，同时避免常规交联冻胶带来的高伤害问题。以致密气田某井为例，对变黏滑溜水在川渝致密气藏的应用情况进行分析。该井改造层位为沙二段(2 650～4 070 m)，设计采用“段内多簇射孔+变黏滑溜水加砂”模式，力争造多条长缝，并辅以复杂分支缝，扩大波及体积。该井低黏滑溜水的黏度为6～10 mPa·s(较页岩气的低黏滑溜水明显偏高)，中黏滑溜水的黏度为10～20 mPa·s，高黏滑溜水的黏度为30～50 mPa·s，现场采用调节悬浮乳液降阻剂含量变黏。图4是该井压裂施工曲线。

从图4可看出：该井段先采用高黏滑溜水作为前置液，压开地层，尽量撑大缝口，然后采用中黏滑溜水加砂造长缝，再采用低黏滑溜水在长缝的基础上形成复杂分支缝，最后用高黏滑溜水“清扫”井筒。前置液压开地层后，压力降低，有利于后续加砂作业；在中黏滑溜水加砂的前半部分，受地层塑性以及裂缝发育的影响，施工压力整体偏高(约58 MPa)，但随着加砂的持续，缝口逐渐被打磨，压力逐渐降低(52～54 MPa)，后续的低黏滑溜水加砂及高黏滑溜水清扫井筒也维持在此压力；通过停泵压力估算该井施工过程中的降阻率在71%左右，满足了高强度加砂压裂需要(该井加砂强度达5.09 t/m)。现场通过微地震监测，发现45个事件点，长度约486 m，宽度约88 m，高度约58 m，在井筒西侧延伸较远，人工裂缝较长且较复杂，波及体积大。

3.2 变黏滑溜水在川渝深层页岩气气藏的应用

变黏滑溜水在川渝深层页岩气气藏应用的区块普遍垂深超过3 500 m，地层压力系数高，区块内裂缝较为发育，加砂难度较大。以某井为例，对变黏滑溜水在川渝深层页岩气气藏的应用情况进行分析。该井完钻井深6 150 m，垂深 3 895.69 m，施工层位为龙马溪组。设计采用“段内多簇射孔+变黏滑溜水加砂”模式，尽量造复杂缝网，增大SRV。该井低黏滑溜水的黏度为3～6 mPa·s，中黏滑溜水的黏度约为30 mPa·s，高黏滑溜水的黏度约为100 mPa·s，现场采用改变乳液降阻剂含量及引入交联剂相结合的方式变黏。图5是该井压裂施工曲线。

从图5可看出，该井段先采用酸液降低地层破裂压力，然后用高黏滑溜水压开地层，扩大缝口，再采用低黏滑溜水加砂造复杂缝网，最后用高黏滑溜水“清扫”井筒。在施工中，低黏滑溜水先采用3 mPa·s液体，但加砂时的泵压偏高，先后两次切换30 m3中黏滑溜水后泵压有明显降低，表明该井段采用3 mPa·s的低黏滑溜水加砂难度较大，后改为6 mPa·s的低黏滑溜水加砂，施工泵压大幅降低，最后采用30 m3中黏滑溜水“清扫”井筒后，再用3 mPa·s的低黏滑溜水顶替，泵压又上升，表明该井段即使采用6 mPa·s的低黏滑溜水施工，井底仍可能有一些沉砂，导致“清扫”进地层时的砂含量较高，泵压上升。通过停泵压力估算该井施工过程中的降阻率在73%左右，加砂强度2.94 t/m，说明低黏滑溜水在深层页岩气气藏的加砂难度较大。

4 结论与展望

(1)变黏滑溜水的变黏主要是通过调节降阻剂含量和/或引入交联剂的方式实现低、中、高黏液体的实时切换，但对于低、中、高黏滑溜水的定义未有统一标准，变黏的关键在于降阻剂的降阻增黏性。

(2)降阻剂研究主要是含AMPS或SSS等耐盐基团的聚丙烯酰胺或疏水缔合聚合物的合成与性能评价等，且疏水缔合聚合物是研究热点，而水包水型乳液聚丙烯酰胺也是一个发展方向。

(3)变黏滑溜水性能研究主要是研究黏度对携砂性能、裂缝形态、降阻性能等的影响规律。究竟何种黏度适合何种储层还无定论，但可确定的是疏水缔合聚合物的高弹性可降低高黏液体摩阻。

(4)变黏滑溜水在川渝非常规气藏应用获得成功，在致密气中应用的黏度较页岩气的偏高，对深层页岩气气藏的携砂能力还需进一步增强。

(5)疏水缔合聚合物类降阻剂是变黏滑溜水发展的重点，有望解决高黏液体携砂能力强与摩阻高之间的矛盾，而固体型降阻剂可大幅降低成本，且可以避免乳液降阻剂潜在的环保问题，也是今后的发展方向，但目前的重点是解决其连续混配的难题。