非常规压裂液发展现状及展望_许春宝

非常规压裂液发展现状及展望

许春宝1，何春明

2

（1．中国石化西南油气田分公司装备管理处，成都610017；

2．西南石油大学研究生院“油气藏地质及开发工程”国家重点实验室，成都610500）［摘

要］系统总结了国内外已经广泛应用的非常规压裂液体系，包括表面活性剂类压裂液

体系、醇类压裂液体系、二氧化碳类压裂液体系以及凝胶液化石油气类压裂液体系等；并对各种非常规压裂液的性能、储层类型以及现场应用进行了介绍。

［关键词］非常规压裂液

储层

发展现状

现场应用

收稿日期：2012－03－29。

作者简介：工程师，从事工程设备材料管理与研究工作。

随着勘探开发的不断深入以及对能源需求的日益增加，非常规油气资源已成为当前勘探开发的新热点。非常规油气资源主要包括致密砂岩气、

煤层气以及页岩气（致密油）等［1］

。

压裂改造是非常规油气资源勘探开发的最重要措施，但非常规油气藏与常规油气藏的储层特征存在巨大差异，非常规油气藏（如页岩气及致密砂岩气）岩心通常表现为水湿，

且储层原始条件下其含水饱和度往往远低于束缚水饱和度，这种情况下外界流体进入储层后会发生自吸现象，造成近井地带或近裂缝壁面区域发生水相圈闭伤害，严重影响储层流体的流动能力。

非常规油气藏压裂改造的思路以及对压裂改造工作液性能的要求与常规储层存在较大差异。由于非常规储层的物性很差，因此对压裂改造工作液性能提出了更高的要求，主要包括低伤害性、与储层良好的配伍性、良好的返排性等。依据储层对压裂液性能的要求，

国内外已开发出多种适合非常规储层压裂改造的非常规压裂液体系，包括表面活性剂类压裂液体系、醇类压裂液体系、二氧化碳类压裂液体系以及凝胶液化石油气类压裂液体系等。1表面活性剂类压裂液

1．1

黏弹性表面活性剂基压裂液早在1980s ，Nehmer

［2］

就报道了表面活性剂

流体作为携砂液在砾石充填作业中的应用，表面活性剂流体在砾石充填领域的成功应用为其在压裂液领域的应用提供了依据。1997年，Samuel 等

［3］

成功研制了无聚合物水基压裂液（VES 压裂

液），

VES 压裂液以季铵类表面活性剂为主要成分，

加入反离子使表面活性剂分子缔合形成蠕虫状胶束，

赋予流体黏弹性具有较好的携砂性能。VES 压裂液体系不需外加化学破胶就能自动破胶，

破胶液表面张力很低，返排能力强，且压裂液残渣含量几乎为零；同时，体系含有大量阳离子表面活性剂能够有效地稳定黏土，压裂过程中较低的表皮效应和油层污染能有效提高油气井压裂改造后的产能

［4－5］

。

目前，作为VES 压裂液使用较多的表面活性剂包括：阳离子型表面活性剂、阴离子型表面活性剂、

两性离子表面活性剂、双子型表面活性剂（Gemini 表面活性剂）。VES 压裂液体系配制简单，

只需加入表面活性剂以及无机盐（反离子）或带不同电荷的表面活性剂，

就能形成具有黏弹性的流体。体系不需要加入杀菌剂，因为体系中加入的阳离子表面活性剂本身就具有杀菌的能力；体系也不用加助排剂，因为VES 压裂液体系本身就具有很低的表面张力以及界面张力；同时也不用加黏土稳定剂，因为体系含有大量无机盐类物质（如KCl ，NaCl 等）以及阳离子表面活性剂，具有很好的防止黏土膨胀和微粒运移的能力。

压裂液的携砂性能是保证压裂施工成功以及支撑剂在产层良好铺置的关键。2002年，Asadi 等

［6］

提出，零切黏度是压裂液携砂的关键参数，

VES 压裂液具有很强的黏弹性，在低剪切速率下压裂液表现出一定的屈服应力，支撑剂沉降速率

很低，而在高剪切速率下压裂液黏度较低，有利于降低施工摩阻。

VES 压裂液不含不溶物，压裂过程中不会形成滤饼，压裂过程中滤失速率较高，为了降低压裂液的滤失速率，

2010年，Huang 等［7］

提出使用具

有纳米尺寸的热点材料如35nm 尺寸的镀锌氧化剂，

使VES 胶束形成拟交联结构，如图1所示。该结构可以提高胶束溶液的黏度和热稳定性，且赋予表面活性剂流体造壁性能，有利于降低压裂液的滤失速率，提高VES 压裂液的效率

。

图1纳米交联VES 压裂液

VES 压裂液的另一个特点是可以回收利用。2005年，Gupta 和Tudur ［8］开发出一种新型的可回收VES 压裂液，该体系的主剂为阴离子性表面活性剂。由于阴离子性表面活性剂在储层中的吸附较小，因此压裂改造后的返排液中含有部分阳离子表面活性剂以及大部分阴离子表面活性剂，将返排出的液体放在储液罐内放置24h 后，过滤除去液体中的固体颗粒，

然后再补入部分损失的阴离子表面活性剂，体系就又能形成黏弹性冻胶。这种可重复利用的特点使这类VES 压裂液的使用成本大幅度降低。

VES 压裂液具有的低伤害性以及良好的返排性能使其在致密砂岩气藏以及煤层气压裂改造中得到了广泛应用，

同时也取得了很好的改造效果。而对于页岩储层，压裂改造的规模通常很大，而VES 压裂液成本相对较高，目前推广应用难度较大，但随着可回收VES 压裂液体系的进一步发展，其在页岩储层改造中的推广应用也指日可待。1．2

黏弹性表面活性剂泡沫压裂液

为了进一步减小压裂液的入地液量，降低压裂液的滤失量，同时提高压裂液的返排能力。

2002年，Zhang ［9］开发出VES 泡沫压裂液，该体系可以形成稳定的N 2泡沫，

但该VES 体系与CO 2配伍性较差，因为超临界态的CO 2具有与有机溶剂相似的特性，会进入胶束内部使VES 流体破胶，不能形成稳定的CO 2泡沫。2005年，Chen 等

［10］

开发出与CO 2配伍的VES 泡沫压裂液，该

体系使用组合表面活性剂体系，

能够使CO 2在溶液中处于颗粒状态，

避免对VES 流体的破坏，如图2所示。CO 2泡沫压裂液体系具有比N 2泡沫更强的返排能，同时具有与水相当的静水压力，能够满足深层致密储层的改造，同时流体呈酸性能够减小黏土膨胀

。

图2

与CO 2配伍VES 压裂液特征

2005年，Gupta 等［11］成功地将VES 泡沫压裂液应用于储层温度为121?的致密砂岩气藏压裂，

取得了很好的改造效果。虽然致密砂岩气场存在严重的水相圈闭伤害趋势，

但VES 泡沫压裂液滤失量小，同时滤失流体中含有高浓度的表面活性剂，能够降低流体的界面张力，有利于流体的返排。同时VES 泡沫压裂液在煤层气、页岩气储层压裂改造中也得到应用，

用VES 压裂液携带超低密度支撑剂，在进入储层前注入N 2或CO 2形成高质量的泡沫（泡沫质量分数＞85%），泡沫几乎呈雾状，这样可以形成局部的单层铺置，VES 流体不存在残渣对天然裂缝、层理、割理等伤害，有利于提高储层压裂改造效果。2醇基类压裂液2．1

醇基压裂液

早在1966年，

Mcleod 等［12］

就提出使用醇作

2

ADVANCES IN FINE PETROCHEMICALS

为压裂液，此后，1989年Hossaini［13］、1992年Thompson［14］等都提出将醇基压裂液用于强水敏储层压裂施工。大量研究表明，压裂液的返排包括两个过程，首先是黏性驱替阶段，该阶段返排主要与地层能量以及破胶液黏度有关，该阶段持续时间短，第二阶段的返排主要为挥发引起的排液阶段，干气从储层流出携带部分液相，使含水饱和度降低，该排液阶段持续时间长，随着生产时间的延长，水相圈闭伤害逐渐降低。而醇基压裂液具有一定的表面张力和界面张力；蒸气压高易于挥发；与储层流体以及储层岩石具有很好的配伍性等特点。因此，当储层存在严重的水相圈闭伤害问题时，可以考虑使用无水甲醇（乙醇）作为压裂液。

由于醇类通常黏度很低，所以人们提出很多方法提高其黏度。其中比较通用的方法有：形成醇基泡沫流体提高黏度；利用合成聚合物（聚丙烯酰胺类或聚氧化乙烯等）增加醇基液黏度；利用改性胍胶（对羟丙基胍胶分子进行表面活性剂改性）增加基液黏度。但通常利用稠化剂增加醇基液黏度存在以下问题：聚合物分子在无水甲醇（乙醇）或含水醇的溶解性问题；聚合物的交联困难；成胶后冻胶的破胶问题等。

1997年，Gupta等［15］通过胍胶改性开发出一种能在无水甲醇内充分溶胀、溶解，且能通过有机硼使其交联的醇基压裂液体系，在较高的pH环境下，可以使用硼交联体系使稠化剂在无水乙醇中交联，在较低的pH环境下，可以使用锆交联体系使稠化剂在无水乙醇中交联。该体系使用特殊的氧化剂能使冻胶快速完全破胶，对储层伤害很小，该体系已在强水敏储层成功运用，并取得了很好的压裂改造效果。

2．2CO

2

泡沫醇基压裂液

对某些储层，即使是泡沫质量分数超过70%普通泡沫压裂液或是VES泡沫压裂液，同样会对储层造成严重的水相圈闭伤害。为了解决此问题，可以用甲醇来代替泡沫压裂液中的水相成分，以减少进入储层的水量。2007年，Gupta等［16］用质量分数为40%的甲醇代替常规CO2泡沫中水相成分，形成的CO2泡沫醇基压裂液具有很高的黏度，体系的凝固点接近－40?，能很好地满足低温施工的要求，且体系的表面张力仅为30mN/m，该体系所使用的起泡剂为特殊表面活性剂，该表面活性剂与甲醇均有较好的配伍性；同年，Gupta等又使用泡沫质量分数达到85%的CO

2

泡沫醇基压裂液体系，在加拿大强水敏的致密气藏改造中进行了多口井的先导性实验取得了较好的改造效果。

3CO

2

类压裂液

3．1液体CO

2

压裂液

液体CO2压裂液是一种非常规压裂液，该压裂液体系在北美的加拿大以及美国致密气藏改造中应用较多，且取得了很好的效果。通常使用的液体CO2压裂液主要包括：纯液体CO2压裂液以及为了降低成本而使用的液体CO2和N2的混合体系［17］。

常规的水基压裂液主要通过长链聚合物分子沉积在裂缝壁面，形成滤饼降低滤失，或是通过体系的黏弹性特征，降低体系的滤失以获得足够的裂缝宽度。足够的缝宽是顺利加砂的必须要求。而对于液体CO2压裂液体系，与常规压裂液体系相比，体系黏度低，同时也不能形成滤饼，但体系却具有很好的降滤失能力。液体CO2压裂液体系温度低，具有压缩性，在液体进入储层后，在相对低压以及高温环境下，压裂液体系迅速膨胀，热膨胀效应限制了流体在裂缝壁面的滤失，同时相对渗透率效应以及在储层微小孔隙介质流动过程中的湍流效应共同降低了流体的滤失，增加了裂缝的有效宽度，有利于加砂的进行。

支撑剂的传送主要包括两个过程：在地面管线、井筒以及射孔孔眼的流动；在裂缝中的流动。支撑剂在地面管线、井筒以及射孔孔眼的流动相对容易，主要通过高泵注速率。在液体CO2压裂液施工时泵注速率通常很高，且体系黏度很低，所以流动过程中雷诺数很高，处于湍流状态，在此状态下完全能满足携砂的要求。降低支撑剂沉降速度主要依赖以下3方面因素：在裂缝流动过程中体系同样处于湍流状态降低沉降速率；裂缝壁面的粗糙度使得支撑剂与裂缝壁面的摩阻增加降低了沉降速率；由于压裂液黏度很低裂缝宽度较小，

较小的裂缝宽度能大大降低支撑剂沉降速率。

液体CO2压裂液与其他压裂液体系的最主要的差别在于混合问题。在液体CO2压裂液施工过程中，支撑剂进入高压泵前，液体CO2必须与支撑剂充分混合。而支撑剂与液体CO2的混合必须在一个带压的容器内混合进行，所以支撑剂必须储存以及通过带压管输送，这就限制了支撑剂的使用量，目前，使用的设备混合能力大约在18144kg左右。此外，放射性密度计也是液体CO

2

压裂液施工中必须的设备，通常需要安装两个，一个安装在混合一起的出口处，另一个安装在高压管线上，以保证液体的质量［17］。

液体CO2压裂液施工成本很高，因为需要很高的泵注排量才能使体系顺利携砂，此外由于液体黏度很低造成摩阻压降较高，所以需要很高的水马力才能达到施工的要求。此外，液体CO2压裂液的施工规模普遍较小，主要适用于低渗低压储层以及水敏严重储层。

3．2液体CO

2

基泡沫压裂液

由于液体CO2压裂液存在的低黏度问题，使得压裂过程中的砂比通常较低，为了解决液体

CO

2

压裂液低黏度的问题，尝试了很多方法提高液体CO2压裂液黏度，且能保持压裂液所具有的高导流能力保持率以及与地层的良好配伍性，但施工成功的例子很少。2003年，Gupta等［18］提出使用液体CO2基泡沫压裂液提高体系黏度，该体系以液体CO2作为连续相，N2作为分散相，要形成泡沫压裂液体系必须加入能溶于液体CO2的表面活性剂。该体系的主要优势能获得比液体

CO

2

压裂液更高的黏度，加入75%的N2可以使得体系的成本更低。

液体CO2基泡沫压裂液在加拿大的煤层气压裂中进行了先导性实验，取得了很好的效果，因为其降低了水对煤层割理的伤害。该体系主要适合于干气藏、低压渗气藏、欠饱和气藏、储层流体敏感性气藏以及煤层气等。

4凝胶液化石油气（LPG）压裂液

2007年，Loree等［19］提出使用液化石油气作为压裂液的专利。该压裂液体系在室温和中等压力（1．4MPa）环境下呈液体状态。与常规油基压裂液不同，LPG压裂液所用的液化天然气为纯度达到90%的经过分馏的HD－5丙烷和丁烷。在储层温度≤96?时可以选择100%的HD－5丙烷作为压裂液，而当温度＞96?时则需要加入一定比例的丁烷以保证施工过程中压裂液处于液体状态，若选用100%的丁烷作为压裂液则体系可以运用于150?的高温储层。

LPG压裂液在施工过程中不同阶段使用的压裂液有所差异，通常在前置液以及顶替液阶段使用100%的液态凝胶压裂液，而在携砂液阶段使用90%的凝胶液化石油气压裂液并混入10%左右的挥发性液化天然气基液。所有的添加剂以及支撑剂都加入到压裂液基液中并在密闭的混砂车内混合，而挥发性流体则从高压井口注入以保证混合流体以单相状态存在，该体系具有与油基压裂液相似的流变性、支撑剂携带能力以及降滤失能力。

LPG压裂液具有很低的密度，约为水密度的1/2。通常情况下，1m3液体气化后能够形成272 m3气体，有利于压裂液的快速和完全返排。LPG 压裂液与天然气混合后会立即挥发，而与地层原油接触后能够100%地溶解于原油中，与储层流体具有很好的配伍性，不会对储层造成相圈闭伤害。

2008年，在加拿大McCully首次开展了100%LPG压裂施工的先导性实验［20］，施工设备包括8台LPG拖车、2台LPG混砂车、10台LPG 泵车、2台液氮泵车、2台液氮车、2台添加剂车以及1台指挥车。压裂施工非常顺利，压裂改造效果很好，测试有效裂缝长度达到100m以上，远高于常规水基压裂液获得的有效裂缝长度。同时，LPG压裂液在美国、加拿大交界的Bakken页岩油层分段改造中也得到了广泛的应用。

目前，非常规压裂液体系在国内外已经得到了应用，但由于成本相对较高，使得非常规储层的开发成本大幅度增加，降低非常规压裂液体系的成本，或开发可回收、可重复利用的非常规压裂液，应该是非常规压裂液实现大规模应用的关键。

5结论

随着大量致密砂岩气藏、煤层气藏以及泥页

4ADVANCES IN FINE PETROCHEMICALS

岩气藏投入开发，上面介绍的众多国内外已经应用的非常规压裂液具有很好的运用前景。在非常规压裂液选择时应当综合考虑储层复杂的地质特征、需要解决的关键问题以及施工成本等，并且要有针对性地选择适合储层且满足施工要求的非常规压裂液体系。

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Status Quo and Prospect of Unconventional

Fracturing Fluids Development

Xu Chunbao1He Chunming2

（1．Equipment Management Office of Sinopec Southwest Oil＆Gas Field Company，Chengdu610017；

2．State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation Engineering of Graduate School of Southwest Petroleum University，Chengdu610500）

［Abstract］Unconventional fracturing fluid systems，including surfactant type fracturing fluid，alcohol based fracturing fluid，carbon dioxide based fracturing fluid and gelled liquefied petroleum gas fracturing fluid，etc．，that have been widely used both at home and abroad，are summarized systematically，and the performance of these fracturing fluids，the types of reservoirs as well as the application of these fracturing fluids at oil fields are introduced in this paper．

［Key words］unconventional fracturing fluid；reservoir；status quo of development；field application