滑溜水压裂液用乳液降阻剂的合成及应用

徐太平，李 栓，周京伟，袁发明

(四川捷贝通能源科技有限公司，四川 成都 610015)

滑溜水作为非常规页岩油气储层压裂施工的主要压裂液，具有无固相水不溶物、常规胶体残渣和摩阻低的特点。滑溜水的化学添加剂通常有降阻剂、表面活性剂、黏土稳定剂、破胶剂等。目前滑溜水压裂液用减阻剂存在着溶解困难、现场使用操作不便、对水质要求高、需使用清水进行配置和无法使用返排液配制重复利用等问题[1-3]。

笔者使用反向乳液聚合法合成了一种共聚物降阻剂。采用AM、AMPS、丙烯酸及全氟甲基丙烯酸酯4种单体在反相乳液中发生共聚，以过硫酸铵、亚硫酸氢钠为引发体系，合成得到共聚物降阻剂。该降阻剂加入全氟甲基丙烯酸酯单体，提高其在施工注入过程中的耐剪切性；加入AMPS单体，提高了降阻剂的抗温耐盐性能；同时反相乳液聚合方法提高了溶解性，缩短了溶解时间，使其能够满足现场施工过程中连续混配的配液需求[4-5]。

图1 聚合物分子结构

1 实 验

1.1 原料及仪器

丙烯酰胺(AM)，工业级，宁波先安化工；2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)、氯化钠、氯化铵、氢氧化钠、亚硫酸氢钠、碘化钾、硝酸钾、全氟甲基丙烯酸酯、碳酸甘油酯、无水亚硫酸钠、过硫酸铵均为分析纯，成都科龙化工；山梨醇酐单油酸酯(Span-80)、十二烷基酚聚氧乙烯醚(OP-10)均为工业级，济南浩天化工。

吴茵混调机，美国waring公司；MARS 40型高温高压旋转流变仪，德国哈克仪器；WQF-520型红外光谱仪，瑞利分析仪器公司；毛细管吸收时间测定仪，青岛恒泰达设备公司；QBZY-2型全自动表界面张力仪、HAMZ-IV型管路摩阻仪，四川高精；JCY-1型接触角测试仪，上海方瑞仪器有限公司。

1.2 合成步骤

分别称取一定量的AM、AMPS溶于水中；称取一定量的全氟甲基丙烯酸酯、OP-10、Span-80加入至一定量的碳酸甘油酯中，混合均匀备用；将一定量的过硫酸铵和亚硫酸氢钠溶解于少量水中备用；将前两步中配好的溶液移至三口烧瓶中，放入水浴锅中恒温30 ℃，通入氮气，高速搅拌30 min，充分乳化；随后滴加引发体系至上述乳液，继续保温在30 ℃反应16～18 h，用氢氧化钠调节pH值6～7，得到最终产物。

2 红外光谱表征

图2 降阻剂红外光谱

3 降阻剂性能评价

3.1 速溶分散性

用清水配制质量分数0.1%的降阻剂溶液使用吴茵混调器在转速2 500 r/min条件下进行搅拌，随后将配置好的溶液在常温下采用流变仪双狭缝(模具)在剪切速率为170 s-1下进行速溶分散性测试[7]，结果如图3所示。

图3 降阻剂溶液黏度与溶解时间关系

由图3可以发现，降阻剂溶解后40 s后黏度1.8 mPa·s，基本稳定。此时降阻剂已经充分溶解，溶液均一透明。因此可知，现场进行压裂施工配液时，在配液水中循环即可实现降阻剂的连续混配，操作简单。滑溜水黏度小于5 mPa·s，压裂后即可返排，可实现重复利用，对储层伤害小。

3.2 防膨性

滑溜水的防膨性通过毛细管吸收时间(CST)评价。实验分别评价质量分数0.1%的降阻剂溶液和1%的KCl溶液的防膨效果并进行对比，实验方法根据文献[8]进行，结果如表1所示。由表1可以看出，合成降阻剂溶液的CST值明显低于KCl溶液，说明其具有较低的水化分散程度和较强的防膨性。

表1 合成降阻剂CST值测试

3.3 降阻性

降阻性参照文献[8]测试。测试原理为在测试管汇中，将试样按设计方案投入管汇，测试管汇上游和下游的压差，随后通过与水比较后求得降阻率[9-10]。自制管路摩阻仪示意图如图4所示。

图4 自制管路摩阻仪示意

按照质量分数将不同质量分数的降阻剂配置为滑溜水压裂液，使用10 mm管汇，在线速度为10 m/s条件下，分别测试其降阻率，结果如图5所示。

图5 不同质量分数降阻剂配制滑溜水压裂液的降阻率曲线

由图5可见，滑溜水的降阻率随降阻剂质量分数的提高而增加。降阻剂加量为0.1%时，降阻率最高为74.31%。加量0.12%和0.14%时维持在72%～73%，说明降阻性随着降阻剂的浓度到达一定临界值时即稳定不会继续升高。综合考虑施工成本及储层伤害性，降阻剂加量确定为0.1%。

3.4 岩心伤害性

实验使用人造岩心，根据文献[11]评价岩心伤害性，结果如表2所示。

表2 合成降阻剂滑溜水岩心伤害评价结果

由表2可知，液测时，驱替60 PV后，合成降阻剂滑溜水伤害后岩心渗透率为117.2 mD，伤害率为5.18%；气测时，驱替20 PV后，合成降阻剂滑溜水伤害后岩心渗透率为116.7 mD，伤害率为4.27%。而使用某商品乳液滑溜水伤害后的岩心，液测和气测伤害率为35%左右，远高于所合成降阻剂滑溜水。因此，合成降阻剂滑溜水对岩心伤害率均很低，远远低于常规产品。

3.5 抗盐性

3.5.1 离子种类对降阻剂的影响

实验对某页岩气返排液进行离子分析，由表3可以看出，地下水主要含Na+和K+，二价Ca2+和Mg2+，阴离子主要为Cl-。为验证降阻剂抗盐性，分别配置质量分数为1.0%、2.0%、10.0%KCl和CaCl2溶液，验证降阻率是否受到盐浓度影响，结果如表4所示。由表4可知，随着一价离子浓度的增加，合成降阻剂滑溜水和某乳液滑溜水的降阻率均基本保持不变；而随着Ca2+浓度的增加，合成降阻剂滑溜水的降阻率基本保持不变，某乳液滑溜水的降阻率随离子浓度增加而下降。因此，可以看出合成降阻剂滑溜水降阻性能基本不受一价离子和二价离子的影响。

表3 某页岩气井返排液离子分析结果

表4 不同盐含量下滑溜水降阻率 %

3.5.2 矿化度对降阻剂的影响

为验证降阻剂返排液总矿化度的影响，实验分别配置不同矿化度模拟地层水，加入质量分数0.1%的合成降阻剂配置滑溜水，测试其降阻率，结果如图6所示。

图6 矿化度对降阻率的影响

由图6可以看出，矿化度的增加基本不影响滑溜水的降阻率，而200 g/L矿化度相当于某页岩气井返排液矿物度(21 474.78 mg/L)的10倍，亦能保持74.2%的降阻性能。这是因为聚合物的合成中引入了部分耐温抗盐基团，例如含有磺酸基的阴离子型强水化基团以及含有强电离基团的单元等，电解质的浓度基本对该类基团的电离程度不会产生影响，使得溶液动力学性质不会发生巨大变化，最终可以看到降阻剂在溶液中受矿化度的影响较小，体现出良好的抗盐性[5]。

3.6 返排液重复利用性

现场压裂施工多采用返排液进行配液，滑溜水体系的返排液重复利用性尤为重要[13]。实验分别使用现场返排液和自来水进行配液，降阻剂加量为0.1%，使用10 mm管汇，在线速度为10 m/s条件下，分别测试其降阻率，结果如图7所示。

由图7可知，利用返排液配制的滑溜水降阻率最后稳定于72.9%，而使用自来水配制的滑溜水降阻率稳定于73.91%，返排液所配制滑溜水降阻率只是略低于自来水配液，说明返排液对该减阻剂的性能影响较小，因此可以确定该降阻剂可使用返排液配液，且降阻率基本不受影响。

4 现场应用

该降阻剂滑溜水体系于2020年10月在自211井进行了现场施工，该井完钻井深5 745 m，水平段长1 485 m，施工井段为4 000～5 695 m，压裂方式采用连续加砂+段塞式加砂模式，正常压裂段单段液量30 m3/m，加砂强度3.0 t/m，单段加砂180 t，主体施工排量不低于16 m3/min。

现场施工结果表明：1)该降阻剂滑溜水携砂效果良好，可实现连续加砂，现场施工试验了连续加砂+段塞式加砂，施工压力稳定；2)施工最高压力为97 MPa，平均压力为95 MPa，停泵压力为70 MPa，施工排量为16 m3/min，可以计算施工过程中摩阻为25 MPa，改造储层中部深度5 301 m，计算得摩阻系数为4.72 MPa/1 000 m，降阻率达到76%，压裂施工要求降阻率≥70%，而常规滑溜水压裂液体系摩阻系数为5～7 MPa/1 000 m。该降阻剂滑溜水摩阻系数明显低于传统滑溜水压裂液，具有低摩阻、高排量、高砂浓度的特点。

5 结 论

a.采用乳液聚合法合成一种新型滑溜水降阻剂，引入全氟甲基丙烯酸酯单体，提高了耐剪切性；AMPS的加入提高了抗温耐盐性；同时采用反相乳液聚合制备，使降阻剂溶解性得到提高，满足页岩气压裂连续混配施工工艺的需求。

b.合成降阻剂的溶解时间为40 s，CST值小于同条件下的KCl溶液，防膨性良好；加量为0.1%时降阻率最高为74.31%；岩心伤害试验中，液测和气测渗透率恢复率分别为94.82%和95.73%；降阻剂在20 g/L矿化度模拟地层水中亦能保持74.2%的降阻性能，返排液所配液的降阻率仍为73.91%。

c.现场施工中，该降阻剂所配制滑溜水在施工中降阻率达到76%且性能稳定，摩阻系数明显低于传统滑溜水压裂液，具有低摩阻、高排量、高砂浓度的特点。