高通道壓裂自聚性支撐劑研究進展

隨著常規油氣田開發相繼進入中后期，世界范圍內對致密油、頁巖氣、致密氣等非常規油氣資源的勘探開發展現了巨大的經濟潛力。成功開采這些非常規油氣資源必將使全球石油工業重新煥發生機。

一般采用水力壓裂增產技術來開發非常規油氣資源，壓裂后形成高導流裂縫是實施該增產技術的終極目標。然而，在壓裂完成后的排液及后續油井生產中，難以避免地會出現支撐劑回流現象，有時支撐劑回流率高達20%，這必將直接導致裂縫寬度、長度減少，致使導流能力大幅降低。另外，回流的支撐劑滯留于井筒中掩蓋孔眼，也會有部分支撐劑被攜帶至地面，腐蝕油嘴等設備，降低油井產量，增加井底沖砂等作業頻率。

針對常規水力壓裂后支撐劑回流率高、壓裂液返排率低、支撐劑充填層導流能力低等問題，2010年Schlumberger提出了高通道壓裂技術，其核心在于通過對支撐劑進行表面改性使其束縛成團，配合脈沖加砂工藝，在壓裂液注入過程中易于“抱團”，使裂縫由“面支撐”變為“點支撐”，在裂縫內部形成穩定的通道網絡，使油氣流動阻力大大降低，實現無限導流。隨后，Halliburton提出了支撐劑自聚處理技術，通過對支撐劑進行覆膜改性，在壓裂液泵送過程中支撐劑顆?？勺园l聚集并以“砂團”形式存在，裂縫閉合后形成分散“砂柱”支撐狀態，亦可實現通道壓裂。

另外，相比前者，自聚處理劑的黏性作用能增強支撐劑顆粒間的“抱團”作用，在壓裂液返排及生產過程中不易被沖散而發生支撐劑回流，同時還可對因生產流體的沖刷而發生運移的儲層粉砂微粒產生攔截作用，并使其二次定位，從而實現油氣流動通道的“自潔”，使壓裂長期有效。

目前國外對支撐劑自聚改性技術的研究已獲得了成功，礦場試驗表明自聚性支撐劑能在泵送及裂縫中自聚并形成砂柱，顯著改善高通道壓裂的導流能力，增大油氣產量。國內在通道壓裂方面的相關研究落后于國外，在自聚性支撐劑方面的研究尚屬空白。本文詳細綜述了自聚性支撐劑研究進展和發展趨勢。

自聚性支撐劑概念的提出

啟發于纖維束縛支撐劑技術

高通道壓裂技術的核心在于對支撐劑的控制，即支撐劑“砂團”的形成與保持。為了形成一個個分散的“砂團”，首先需要通過工藝技術將支撐劑大段塞分散成多個小段塞，目前采用的仍是脈沖加砂技術，即在地面上交替注入純壓裂液段塞和支撐劑段塞。另外，也采用特殊的多簇射孔技術，使支撐劑段塞再細分為更小的“砂團”，除此之外，多簇射孔技術能改善支撐劑在垂向上的分布，有利于增大縫寬。

為了保持“砂團”的整體性，防止支撐劑團塊在運移過程中分散，Gillard等于2010年提出使用纖維束縛支撐劑技術，即在向壓裂液中添加支撐劑的同時加入纖維，其機理在于纖維的加入能改變支撐劑顆粒的流變學性質，增大砂團的屈服應力，防止支撐劑在井筒中分散，減小支撐劑在壓裂液中的沉降速度。另外，纖維形成的相互交錯網絡結構對支撐劑顆粒有較好的束縛作用，在壓裂液返排裂縫閉合后，使砂柱具有較高的強度和較好的穩定性。

Oussoltesv等指出纖維對支撐劑顆粒的作用主要是通過物理束縛使支撐劑“抱團”，沒有任何化學交聯反應，因而對儲層傷害不大。王熙等指出纖維在與支撐劑的攪拌及運移過程中，長纖維會斷裂為短纖維，極大地降低對支撐劑顆粒的束縛性能。同時，所使用的纖維多為可降解纖維，因此當其降解后，“砂柱”就失去了束縛，若此時地層應力發生變化，外加流體的沖刷作用，發生回流的支撐劑可能會引起油氣運移通道的堵塞，降低裂縫導流能力。

針對纖維束縛支撐劑的缺點，并借鑒其“抱團”特性，近幾年出現了一種支撐劑自聚處理技術。其機理在于通過化學改性方法，使用樹脂對支撐劑顆粒表面覆膜，使其在井筒及裂縫運移過程中發生自聚，并在裂縫閉合后能形成具有一定強度的“砂柱”，實現通道壓裂。同時由于樹脂的黏性作用，生產過程中能有效降低支撐劑回流的發生。

改進于樹脂覆膜支撐劑技術

樹脂類物質被用于支撐劑覆膜改性已有較長的歷史，早在1987年，Pope就提出了RCP（Resin Coated Proppant）技術用于解決支撐劑回流問題，該工藝是在工廠中利用樹脂對支撐劑進行預涂層，再裝罐運送到施工井場，并與壓裂液混合攪拌注入裂縫。由于樹脂價格較高，RCP通常是作為末段塞注入裂縫，且用量通常為支撐劑總量的20%~40%。常用的涂層樹脂有環氧樹脂、酚醛樹脂及呋喃樹脂等，適用的儲層溫度范圍為5~200℃。RCP固化后具有較好的抗破碎能力且現場操作簡單，但是，RCP的存儲時間短，且在注入裂縫前已有部分樹脂發生固化，必然降低支撐劑填充層的支撐強度。另外，RCP需長時間關井待其固化，且必須施加閉合壓力，延長施工周期。

為了解決RCP技術的缺點，Nguyen提出了LRC（Liquid Resin Coating）體系。LRC與RCP最大的不同在于前者是在現場制備并立即添加于壓裂液中的，樹脂未發生固化，且LRC體系在裂縫中不需要施加閉合應力便可完全固化，故LCR體系能以較少量的樹脂形成更高強度的支撐劑填充層。LRC能吸附于裂縫表面使其固結，從而能夠分散儲層的點源載荷，降低破裂效應，同時可在支撐劑表面形成疏水膜，阻止成巖作用的發生，使支撐劑填充層保持相對較高的滲透性。

Johnson指出早期的LRC 通常是被直接加入壓裂液混合攪拌池中，在壓裂液中完成對支撐劑的涂層，支撐劑可能會先與壓裂液添加劑（如交聯劑和破膠劑等）發生反應，降低涂覆效果。2003年Nguyen提出了“干涂法”，即在現場先將 LRC 與支撐劑混合進行涂層處理，然后再與壓裂液混合，由于降低了壓裂液及其添加劑對支撐劑表面涂層時的干擾，可以獲得較好的覆膜。

前期的樹脂覆膜支撐劑均須在特定條件下發生固化方能發揮相應作用。2010年Copper提出了一種全新的水基表面改劑ASMA（Aqueous-based Surface-Modification Agent）用于對支撐劑改性。該技術的最大特點在于，這類表面改性劑注入地層后不完全固化，仍保持較好的黏性，一方面可以使支撐劑相互黏結而不易被流體沖刷運移，另一方面黏性表面能夠吸附地層微粒、阻止地層微粒運移而引起油氣運移通道發生堵塞，這種作用尤其是在粉砂巖地層中效果更為突出。由于表面改性劑不溶于地層中的其它流體，且能與支撐劑顆粒表面發生化學反應而生成牢固的化學鍵，因此能夠使裂縫長期保持較高的導流能力。

2014年Vo等將可固化樹脂（Curable Resin）和增黏劑（Tackifying Agent）以適當比例混合并對支撐劑進行涂層改性，制得具有相當強度的自聚性支撐劑，并指出實際應用中可通過調整兩者的比例來滿足不同儲層條件的應用需求。通過自聚性支撐劑對煤粉的靜態吸附實驗和模擬填砂管流動實驗，驗證了自聚性支撐劑的自清潔性在保持裂縫幾何穩定性方面有著重要意義。

2014年Inyang使用聚酰胺樹脂對石英砂支撐劑進行涂層處理，其推薦用量為3%~6%（v/w），通過比較不同時刻改性支撐劑“砂團”在壓裂液中的體積變化，指出自聚性支撐劑在壓裂液中具有優異的懸浮性能。借助平板裂縫模型研究交替注入純凈壓裂液和攜帶改性支撐劑的壓裂液時支撐劑的運移情況），首次獲得了自聚性支撐劑在裂縫中自聚后“砂團”的形態。

為了模擬真實壓裂中自聚性支撐劑在裂縫中的自聚性能，采用全尺寸裂縫模型研究了改性支撐劑在裂縫中的運移及沉降規律。支撐劑仍能形成一個個相互分離的“砂團”，相比常規支撐劑，自聚性支撐劑具有更優的縱向分布，壓裂液排出后更有利于縱向縫寬保持穩定。與常規壓裂的均勻鋪砂不同，在“團塊”間留有一段空間的支撐劑真空帶，如此可大幅降低壓裂過程中支撐劑的用量，有效地降低壓裂費用。

表面改性機理

支撐劑自聚處理技術的關鍵在于表面改性劑的優選，Nguyen等首次提出使用聚結劑AA（Agglomeration Agent）對支撐劑表面進行處理，該物質是一種新型可再生的聚酰胺類共聚物，主要成分為取自大豆中的脂肪酸與聚胺的縮聚物，相對分子質量約為50000g/mol，具有以下優點：

• 對人無害，對環境友好；
• 不溶于原油及儲層中的其它流體，且具有較好的耐酸能力；
• 作為一種壓裂液添加劑，幾乎不會對壓裂液的黏度及流變性產生明顯影響。

表面改性劑與砂粒表面接觸后，其極性主鏈趨向于在硅酸鹽表面鋪展，此時疏水支鏈從極性礦物表面疏離，在遠離砂粒表面處相互纏繞，形成濃密的疏水支鏈“團簇”，如圖 3 所示。聚酰胺共聚物能夠“恰好”填充于疏水支鏈“團簇”間隙內，此時相鄰的碳原子相互鍵合，形成獨特的“分子鉤鎖系統”，這樣的結構使得改性支撐劑呈現內部“抱團”，外部“吸引”的特性。

Anderson和ZHANG指出聚結劑在砂粒表面的錨定主要依靠三類作用力。一是靜電作用，由于支撐劑砂粒表面與錨定基團帶有不同的電荷，依靠靜電作用可使聚結劑親水基團在砂粒表面錨定，此類作用力相對較弱；二是氫鍵作用，表面改性劑中的極性基團能與砂粒表面的硅羥基形成穩定的氫鍵；三是化學鍵作用，預涂覆的偶聯劑能與表面改性劑發生化學反應形成牢固的化學鍵，此類錨定作用最為穩定，但難點在于優選合適的偶聯劑。

Vo在對以前工作總結的基礎上對聚結劑作了以下定義：聚結劑是一類在支撐劑顆粒間能提供自聚性，且在儲層環境（溫度和壓力）下不發生硬化或固化的樹脂類物質。此類改性劑最主要的特點是：覆膜支撐劑能牢牢地“抱團”，防止在隨壓裂液注入過程中被沖散而脫砂，同時亦可使支撐劑“團塊”具有足夠的黏性，吸附地層中的粉砂微粒。

通常還需要添加偶聯劑以使覆膜層更為牢固，聚結劑在支撐劑表面形成吸附膜需經過以下兩步：首先，水解后的偶聯劑和支撐劑表面羥基反應，偶聯劑鍵合在支撐劑表面，向外伸出裸露氨基；隨后，表面改性劑的活性端基與支撐劑表面裸露的氨基反應，表面改性劑錨定在支撐劑表面。此時在支撐劑表面形成柔性疏水基團吸附層，使支撐劑具有自聚性，實現“抱團”。

在線制備及現場應用

Murphey和Dalrymple 等在室內實驗研究的基礎上，通過對實驗裝置、流程、加藥時間、加藥量的評價與優化，提出了適用于現場應用的支撐劑在線制備工藝（On-the-fly method）。Murphey指出在保證UCS（Uniaxial compressive strength）的前提下，適量非離子表面活性劑和陽離子表面活性劑的加入能夠使涂層時間縮短至5~10s內完成。但由于配套的技術設備發展相對滯后，大部分研究集中于樹脂預涂覆支撐劑，支撐劑在線制備技術并未得到相應的推廣應用。

2013年在埃及的Abu Roash油田進行了一次試驗，Abu Roash儲層為晚白堊地層，一共包括7個含油層，主要為石灰巖，中間包含著頁巖夾層。與常規壓裂相比，采用黏性樹脂覆膜處理后的自聚性支撐劑用量減少了35%。壓裂實時數據表明脈沖加砂過程中支撐劑段塞的濃度上升較快，并無延遲現象，地面控制系統能夠準確無誤地完成閥門的開啟關閉。在黏性樹脂的作用下，支撐劑顆粒能在輸送過程中發生自聚形成“砂團”，并能順利通過射孔孔眼，并被泵入裂縫，形成高導流裂縫通道。

存在問題及發展趨勢

目前關于自聚性支撐劑的研究仍以室內實驗居多，現場應用經驗相對較少。所使用的聚結劑種類有限，改性支撐劑自聚性能的評價仍相對較為單一，主要以主觀定性評價為主，缺少定量標準。改性支撐劑在閉合壓力下的抗壓強度、支撐劑填充層的裂縫導流能力等方面研究的相對較少，尤其是支撐劑填充層的抗剪強度等特性均未涉及。另外，此類自聚性支撐劑應以現用現制的在線制備工藝為最好，而目前并沒有關于自聚性支撐劑在線制備的文獻報道，仍是沿用LCR涂層支撐劑的在線制備技術。

自聚性支撐劑技術源于哈里伯頓，而國內對支撐劑的改性主要致力于提高支撐劑充填層的強度及降低支撐劑的密度，仍較多的采用樹脂包膠支撐劑，如張偉民等利用高溫環氧樹脂并添加潛伏型固化劑，可制備樹脂覆膜石英砂支撐劑，現場應用中取得了良好的效果。

另外，李波等先用酚醛樹脂對支撐劑浸泡，干燥后用環氧樹脂包覆于以堅果殼為主的低密度復合材料，可制備出低密度高強度的樹脂二次包膠支撐劑。但是RCP預涂層支撐劑因有部分樹脂易發生固化，因此注入裂縫中固化后強度不高，且容易出現脫砂等情況，降低支撐劑填充層的支撐效果，易引起支撐劑回流而影響正常生產。

因此，該項技術也必將被自聚性支撐劑技術取而代之。綜上所述，自聚性支撐劑技術應首先建立一個統一的評價標準體系，在此基礎上篩選更多性能優異的聚結劑，并提出切實可行的現場在線制備工藝調控技術。

隨著國家非常規油氣資源勘探開發能源戰略的出臺與實施，常規水力壓裂技術也將迎來新的挑戰。作為重要增產措施的高通道壓裂技術能夠在裂縫中形成無數的油氣滲流通道，實現無限導流，對提高壓裂效果、增加油氣產量有著重要意義。作為通道壓裂核心技術的自聚性支撐劑以其優異的吸附“自潔”和聚結“抱團”的性能，促使高通道的形成，必將成為改性支撐劑發展的新方向。

版權聲明 | 來源：油田化學，作者：浮歷沛等，版權歸原作者所有。

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