纳米滑溜水压裂液技术研究在我国的进展

0 引言

中国页岩油气资源极为丰富，可探明储量仅次于美国与加拿大，据报道我国的页岩气可采量有31.57 万亿m3，油页岩资源总量为7 200 亿吨，相当于480 亿吨页岩油[1-2]。但随着国民经济发展，我国对油气资源需求急剧增加，2019年我国原油对外依存度已超过70%，已成为世界第一大原油进口国。当今世界动荡不安，能源安全已成为国家战略安全的重要基石，如何有效利用国内丰富的油气资源，将成为缓解我国能源安全问题的关键途径。

随着致密油气藏开采的深入研究，压裂液技术得到了快速发展，压裂液进入地层会采用大规模泵入方式，需要有效降低泵入过程中的阻力，减阻是其首要的性能要求，高效减阻剂成为配套压裂液施工的关键技术。目前滑溜水体积压裂液被广泛应用于致密油气藏资源开采中，是目前压裂液主流产品，滑溜水压裂液除了水和支撑剂外，会有很多添加剂，其中最主要的是减阻剂，主流减阻剂成分是聚丙烯酰胺类聚合物，添加量只有0.01%左右，其作用是降低滑溜水摩擦系数，减小压裂过程能耗[3]。

聚丙烯酰胺类减阻剂溶解性能一般，优点是减阻性能优良且成本低廉，易于大规模应用。1997 年，美国能源公司Mitchell 在Barnett 页岩使用滑溜水压裂液对页岩气进行规模开采，取得了不错的经济效益。随后，聚丙烯酰胺类减阻剂得到迅速推广，逐渐成为压裂液减阻剂主流产品。聚丙烯酰胺滑溜水减阻剂之所以能起到减阻作用，得益于其溶于水中后大分子链段舒展成线性状态，极低含量即能产生一定黏度，水中舒展的分子链可以疏导流体，降低流动状态下的阻力，同时大分子链可以贴附在油藏岩石表面，形成低摩擦阻力的有机膜层，从而明显降低压裂阻力。但在高温、高盐及高剪切致密油藏复杂环境下，聚丙烯酰胺分子的酰胺键易断裂成小分子，舒展的大分子遇到高盐、高矿化度环境下易卷曲导致黏度下降明显，因此会大大降低或失去减阻效果。

随着油气资源的深度开发，容易开采的油藏已日益枯竭，高温、高盐等特殊油藏将成为主要开采区块，传统聚丙烯酰胺类减阻剂已难以满足要求。因此，为满足高温、高盐油藏的开采要求，必须大力开发耐温、耐盐型减阻剂。

纳米材料及纳米技术是新兴技术革命，经过多年发展已逐渐深入油气资源开采领域，其独特的小尺寸、高比表面性能、可控表面活性等性质，体现出优良力学性能以及微尺度材料优异的扩散性能和活性，使其具备可变革传统压裂液材料的基础条件。纳米材料应用在压裂液领域，将纳米材料引入传统高分子聚合物形成复合高分子材料，利用其成核交联效应，可开发出耐温耐盐、耐盐和流变性能良好的纳米滑溜水压裂体系。纳米材料及纳米技术为克服传统压裂液缺点、增效压裂液功能提供了有效的解决方案。

1 纳米压裂液减阻剂研究进展

滑溜水压裂液体系以其减阻性能优良、成本低廉日益受到国内外油化企业的青睐。随着纳米材料在钻井液、完井液，油水井增产等领域取得增益效果后，纳米材料体系下的滑溜水压裂液也逐渐受到人们的重视。注入适合致密油压裂的纳米化学剂可以消除压裂液侵入造成的乳化和水锁等不良影响，增加了地层原油流动能力，使致密油气藏压裂效果明显改善。纳米颗粒由于其特有的尺寸与结构，具备较好的润湿性，当被添加到乳状液中能够吸附油性颗粒，有效驱替地层中的残余油，提高驱油效率，有效控制流度，防止发生窜流现象，且能够保持体系黏度长时间的稳定性。研发人员将纳米颗粒添加到前置液中，利用纳米颗粒表面特性改变岩石润湿性，使岩石发生润湿性反转，提高驱替残余油的效果。在开发过程中，纳米颗粒能够使吸附在地层孔隙表面的原油流动并带至地面，提高原油采收率。已有一种金属氧化物纳米颗粒，在经过表面活性剂处理后，能够实现低界面张力，颗粒能够有效地聚集在两相界面，根据外加磁场的作用力，可以了解油水分布界面，根据界面分布情况判断提高原油采收率特性。

赵永峰研究团队制备了一种反相乳液法合成的减阻剂[4]，将SiO2纳米颗粒添加至一种乳状液中，可以有效提高乳状液封堵性能，降低油田含水率，且随着地层水的矿化度增加，乳液因SiO2增稠作用，黏度逐渐增加形成凝胶状态，乳液体系因此具备耐温、耐盐性能。岩芯驱替实验表明，低渗透岩芯经SiO2纳米微粒处理后可提高水相渗透率20%。

高瑞民研究团队将活性纳米SiO2粉体经强憎水改性以及特殊表面活性剂分散[5]，制备出压裂用减压增注水基分散液，进行了岩心驱替实验，纳米SiO2水基分散液对改善岩心渗透率效果明显， 分散效果与0.2%的乙醇、柴油分散液基本相同，纳米SiO2的最佳加入量为0.1wt%， 此时岩芯渗透率效果为Ki/K0=1.39， 该技术特别适用于中渗油藏。

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