随着致密气开发的不断深入和压裂技术的不断发展，压裂施工工艺对液体性能也不断地提出新要求。首先，对于致密气储层的改造需要高黏压裂液初期造主缝长缝，然后注入低黏压裂液造复杂缝，沟通更多微细裂缝形成以主缝、分支缝及天然裂缝构成的多尺度裂缝；其次，常规滑溜水压裂液的携砂能力较弱，通常采用高低黏度压裂液交替注入提高携砂能力。针对不同的储层天然裂缝发育程度以及施工过程中的高泵压情况等，要求压裂液具有实时调整黏度的性能以应对施工过程中遇到的复杂问题[1-2]。常见的对压裂液体系黏度的调节方法有提高用量和加入交联剂。但对于实际应用来说，提高加量会显著增加成本，且大量的聚合物进入地层后，有可能因破胶不彻底而带来一定的伤害。近年来，有文献报道，在测试合成的两性离子型聚合物时发现降阻率与溶液黏度呈反相关关系，黏度提高，降阻率下降[3]。故在实际应用中，必须考虑黏度与摩阻的相关性，既不能过高提高黏度，又不能牺牲携砂性能。为此，研发了一种疏水缔合改性聚丙烯酰胺降阻剂，通过调整降阻剂含量和添加交联剂实现滑溜水、线性胶、交联液等不同压裂液在线自由转换，由该降阻剂配制的可变黏压裂液具有良好的携砂性能和降阻性能，并在现场得到了推广应用。
疏水缔合型改性聚丙烯酰胺通过增大其分子的流体力学体积，产生水化膜，使水溶液黏度提高。该聚合物分子以一个中心为缔合点形成一种交联的形态[4-7]。分子链中的疏水基团形成分子间缔合；带有亲水基的分子链舒展在水中，随着聚合物含量的增加，缔合强度也随之不断增大。因此，溶液黏度随着聚合物含量的增大而增加[8]。本实验研发的新型降阻剂从分子设计角度对传统降阻剂进行改性，在聚丙烯酰胺分子链上引入适量疏水基团，在低含量条件下，其水溶液具有较好的减阻性能，可用作体积压裂开发中配制滑溜水压裂液的减阻剂；在高含量条件下，疏水基团倾向于聚集在水中形成W分子间缔合为主的超分子H维空间网状结构，可大幅度提高溶液的黏弹性，其水溶液黏度较高，可用作油田酸化压裂用稠化剂。同时，疏水缔合聚合物上的羧基和羟基可与金属交联剂交联形成交联液，增黏原理见图 1[9]。
降阻剂不同质量分数下可变黏压裂液的黏度变化见图 2。
通过对可变黏压裂液用降阻剂在不同含量下黏度测定的实验，筛选了降阻剂(质量分数，下同)为0.1%(低黏压裂液)、0.2%(高黏压裂液)、0.3%(线性胶)和0.3%降阻剂+0.3%(质量分数，下同)交联剂(交联液)4种压裂液与常规滑溜水压裂液的降阻性能、悬砂性能以及岩心伤害率分别比较。
室内使用GLM-200型管路摩阻仪对可变黏压裂液体系的降阻性能进行评价。实验管径8 mm，实验流速10 m/s。与常规乳液降阻剂滑溜水的降阻性能对比结果见图 3。从图 3可知：在低黏滑溜水区域，该变黏压裂液具有与常规乳液降阻剂相当的降阻性能；随着含量的增加，降阻率有所下降，中黏滑溜水区域降阻率仍能达到70%以上；线性胶由于黏度较高，降阻率降低到65%~70%；加入交联剂后，交联液黏度高，摩阻大，降阻率只有55%~60%。
影响压裂液悬砂性能的因素较多，如压裂液的黏度、弹性以及所悬浮支撑剂的种类、粒径、密度等[10]。结合压裂液实时变黏的工艺技术需求，分别对第2.1节中的变黏压裂液在不同黏度下的悬砂特性进行实验研究。支撑剂采用粒径为0.425~0.212 mm的陶粒，在室温下，按照质量分数10%称量陶粒，静置观察支撑剂沉降情况，并与常规乳液降阻剂配制的滑溜水进行悬砂对比，结果见图 4。从图 4可看出，在小于3 mPa·s的低黏度滑溜水范围内，采用常规乳液降阻剂配制的滑溜水压裂液与可变黏降阻剂配制的压裂液悬砂性能基本相当，随着黏度的逐渐增大，可变黏降阻剂配制的压裂液悬砂性能逐步体现出优势，主要得益于变黏压裂液通过降阻剂分子链上疏水基团间的物理缔合作用形成了具有一定强度的网络结构，增强其黏弹性，弹性的增加对悬浮性的贡献也起到较为关键的作用。
按SY/T 5107-2016《水基压裂液性能评价方法》，对比测试高黏压裂液破胶液、交联液破胶液和常规滑溜水破胶液对岩心的伤害情况。将常规乳液降阻剂配制的滑溜水和可变黏压裂液用降阻剂配制的变黏压裂液体系的破胶液在80 ℃下老化4 h后，分别进行岩心伤害率实验。采用4%(w，下同)NH4Cl溶液作为模拟地层水，实验结果表明(见图 5)，岩样驱替常规滑溜水破胶液的伤害率为7.18%，驱替高黏压裂液破胶液的伤害率为10.45%，驱替交联液破胶液的伤害率为15.23%。
3种压裂液的岩心伤害率大小次序为：交联液破胶液＞高中黏压裂液破胶液＞常规滑溜水破胶液。参考SY/T 5358-2010《储层敏感性流动实验评价方法》，3种压裂液对地层的伤害程度均较弱。
采用扫描电镜观察常规滑溜水及变黏压裂液处理后的岩心微观状态(见图 6~图 8)，结果表明：驱替前岩样全貌致密，孔隙发育差，未见明显的裂缝与孔隙；在滑溜水及变黏压裂液交联液驱替后岩样表面均有极少量有机物残留，主要附着在孔洞聚集处。这是对储层岩心渗透率造成一定伤害的根本原因。
常规滑溜水驱替后，有极少量的有机物残留附着在岩石表面，呈片状分布，主要存在于孔洞处，并形成堵塞。
变黏压裂液驱替后，有少量有机物残留附着在岩石表面，呈条状和片状分布，主要存在于孔洞处，并形成堵塞。
交联液驱替后，岩样表面有大量有机物残留，有机物主要呈片状分布，同时部分有机物形成长条状结构，可能是封堵微裂缝造成的，有机物较为蓬松，对大小孔隙均有堵塞作用。
从岩心伤害测定和电镜扫描结果可以看出，变黏压裂液在中-高黏时岩心伤害与常规滑溜水压裂液相比增加不多，附着在岩心孔洞处的有机残留物有少量增加。交联液破胶液对岩心伤害比常规滑溜水大，但是在压裂初期如果采用交联液作为前置液造主缝，对后期压裂液携砂和造复杂缝会带来更大的帮助，而且交联液一般用量较小，所以交联液即使对地层有一定伤害，但对储层改造效果远远大于其对地层的伤害。
在四川盆地秋林地区选取某井作为实验井，该井构造位置为秋林鼻状构造东北翼，施工层位为沙溪庙组沙二段，致密砂岩，施工井段2 650~4 070 m。根据压裂工程设计，采用低伤害压裂液体系，尽可能降低储层伤害，提高携砂效率，同时尽可能形成较长的压裂主缝，提高沟通远井有利储集体的几率，决定主体采用高黏度压裂液做前置液造主缝，再用中-低黏压裂液造复杂缝的施工模式，加砂强度5~6 t/m，变黏压裂液黏度范围为3~30 mPa·s，施工时根据具体情况调节压裂液黏度来达到对地层最佳的改造效果。现场小样测定，0.1%降阻剂加量条件下在清水中黏度为3.4~3.8 mPa·s，0.3%降阻剂加量条件下在清水中黏度达27.0~30.0 mPa·s，满足施工设计要求。
从图 9可看出：施工主体为高黏压裂液，摩阻比低黏压裂液偏高，但整体施工压力增加不大，充分体现了该变黏压裂液较好的降阻效果；施工后期采用中-低黏压裂液后，泵压随之小幅下降。本段施工曲线证明高低黏压裂液在施工过程中切换对施工泵压和过程影响小。压裂液黏度的调整，既提高了加砂强度又能保持较好的降阻率，保证了施工顺利进行。该井最高砂浓度为480 kg/m3，加砂强度5.3 t/m。
(1) 研发了新型疏水缔合型改性聚丙烯酰胺降阻剂，该降阻剂在低含量条件下，其水溶液具有较好的减阻性能，可用作体积压裂开发中配制滑溜水压裂液的减阻剂；在高含量条件下，其水溶液黏度较高，可用作油田酸化压裂用稠化剂；与金属交联剂可交联配制交联液。
(2) 配制的变黏压裂液在中-高黏度时悬砂能力是常规滑溜水的3倍左右，而该压裂液体系岩心伤害与常规滑溜水相比只增加3%左右；交联液破胶液对岩心伤害虽然相对较大，但用量较少，对储层改造效果远远大于其对地层的伤害。
(3) 从现场压裂施工曲线可看出，中-高黏压裂液在压裂施工中的降阻率与低黏压裂液降阻率相差不大，但却能大大提高携砂和造缝能力，最高砂浓度480 kg/m3，加砂强度5.3 t/m，效果显著。
2022, Vol. 51 Issue (1): 73-77
2022, Vol. 51 Issue (1): 73-77