关于作为水基压裂液添加剂的使用效果的综述

《Journal of Molecular Liquids》：Perspective review of friction reducers as additives in water-based fracturing fluids

本文系统研究了聚合物和表面活性剂作为水力压裂减阻剂的作用机制，比较了天然（如XG、GG）与合成（如PAM、HAWSP）材料在高温、高盐及机械稳定性下的性能差异，提出基于热稳定性、抗盐性、降解性及环境成本的综合评价方法，并验证纳米增强聚合物在复杂储层中的高效应用。

　　

沙欣·法里德-塔泽坎德（Shahin Farid-Tazekand）| 沙欣·科尔德（Shahin Kord）| 图巴·哈穆勒（Touba Hamoule）| 阿巴斯·阿亚蒂扎德·坦哈（Abbas Ayatizadeh Tanha）

伊朗阿瓦兹石油大学阿瓦兹分校石油学院

摘要

水力压裂需要高粘度流体来形成宽裂缝并确保支撑剂的传输。然而，这会增加摩擦压力，从而可能对地层造成损害并增加成本。诸如聚合物之类的减摩添加剂对于通过改善流体性能和降低摩擦来提高压裂效率至关重要。本研究探讨了聚合物和表面活性剂作为减摩剂（FRs）的机制，解决了热、机械和盐度等关键问题。同时，还讨论了评估减阻效果的方法，为评估不同减摩剂的性能提供了系统框架。此外，通过分析多个案例研究，展示了目标减摩剂在克服复杂储层挑战方面的成功应用。该研究通过收集效率、热稳定性、耐盐度、机械降解性、环境影响、成本效益、快速溶解性、低地层损害和适当粘度等性能参数，帮助根据储层条件选择合适的减摩剂。结果表明，在高温和高盐度环境中，合成聚合物（如PAM和HAWSP）优于天然替代品（如XG和GG）。由于含有羧基、磺酸基和疏水基团，这些合成材料具有更好的减阻率和耐热性。此外，纳米增强型聚合物表现出优异的机械稳定性，使其适用于恶劣的储层条件。这项工作还为未来的减摩研究提供了重要见解，包括通过寻找能提高压裂流体性能特性的功能基团来进行合成和改进。

引言

水力压裂是一种广泛应用于常规和非常规储层以提高烃类产量的技术[1,2]。最初应用于砂岩、石灰岩和白云岩等地层，后来也被应用于低渗透率的非常规储层（<1 mD），包括致密气、页岩气储层、煤层气、重油储层、油砂和水合物地层[[3], [4], [5]]。首次水力压裂作业发生在1947年的堪萨斯州格兰特县（Grant County）的克拉珀井1号（Clapper Well No. 1），当时使用了柴油基流体来提高井的生产效率[6,7]。

开始水力压裂时，通常会向井底注入不含支撑剂的清洁流体以启动压裂过程。随后注入含有支撑剂的高粘度流体，使裂缝进一步扩展到地层中。停止泵送后，裂缝压力下降，导致流体泄漏。然后注入破胶剂以降低流体粘度和密度，使压裂流体能够回流到地面[8]。压裂流体的性能很大程度上取决于其流变特性，这些特性影响裂缝几何形状、支撑剂传输效率、地层损害最小化以及减阻效果。根据储层条件，可以使用多种类型的压裂流体，包括水基、油基、泡沫、酸、醇、乳液以及CO?和N?等活化流体（图1）[4,7,[9], [10], [11]]。（见表1、表2。）

其中，由于成本效益高、易获取且对环境影响小，大约96%的水力压裂作业使用水基流体[[12], [13], [14]]。这些流体通常含有多种添加剂，如酶破胶剂、杀菌剂、防腐剂、凝胶剂和粘度调节剂、酸、减摩剂（FRs）和除氧剂（图1）[7]。

随着对更深井和致密地层的需求增加，对最佳压裂流体的需求也随之增加，尤其是那些能够减少摩擦压力损失的流体。随着流速和深度的增加，为了有效传输支撑剂，所需的粘度更高，从而导致更大的摩擦压力损失[[15], [16], [17]]。这种显著的压降可能导致地层损害、操作问题和成本增加。因此，减摩剂对于最大化压裂流体的效果至关重要[18]。常用的减摩剂（FRs）如聚合物能够改善流体流变性能、促进凝胶化、提高支撑剂悬浮效果，并显著降低管道、泵和裂缝中的摩擦损失[[19], [20], [21]]。

本研究全面综述了用于水力压裂的聚合物和表面活性剂基减摩剂。评估了重要的性能参数，如流变行为、热稳定性和机械稳定性、耐盐度、环境兼容性和成本效益，以确定在不同操作条件下的最有效添加剂。本研究还讨论了与流体降解和压力损失相关的重要问题，并提出了一种系统的方法来评估减阻效果。旨在为未来的研究提供参考，并促进开发满足石油和天然气储层技术和环境要求的改进型压裂流体。

章节摘录

减摩剂添加剂

在接下来的三个部分中，将探讨减摩剂的机制、局限性、类型及其应用，如图2所示。

图2展示了应用领域（承载能力和减阻效果）以及影响减摩剂性能的关键因素（温度、盐度和机械耐受性）。同时，详细介绍了确定最佳减摩剂的参数，包括耐盐度、减阻效果和耐温性。

结果与讨论

比较天然聚合物和合成聚合物时，可以发现它们各有优缺点。天然聚合物（如XG和GG）具有成本效益和环境友好性，但在热稳定性和残渣管理方面往往不足。引入疏水基团可以提高其热稳定性并减少残渣生成，但这些改进可能无法完全消除合成聚合物与天然聚合物之间的性能差距。

挑战、差距与展望

尽管取得了显著进展，但在开发有效的压裂流体方面仍存在一些关键差距。将成本效益与热性能和机械性能相结合仍然是一个重要问题。虽然天然聚合物经济且环保，但它们往往缺乏热稳定性，限制了其在高温储层中的应用。相比之下，合成聚合物和先进表面活性剂虽然性能更好，但成本较高且对环境有负面影响。

结论

在水力压裂领域选择合适的压裂流体对于提高各种储层条件下的井刺激效果至关重要。减摩剂在水力压裂作业中起着关键作用，它们可以减少流体与管壁之间的摩擦力，提高流体传输效率，降低泵送压力，并提升整体性能。这些添加剂有助于节省能源、降低运营成本，并增加储层的渗透率。

CRediT作者贡献声明

沙欣·法里德-塔泽坎德（Shahin Farid-Tazekand）：撰写原始稿件、验证、资料收集、方法论制定、数据整理、概念构思。沙欣·科尔德（Shahin Kord）：撰写与编辑、资料收集、项目管理、概念构思。图巴·哈穆勒（Touba Hamoule）：撰写与编辑、撰写原始稿件、验证、方法论制定、调查、数据分析、概念构思。阿巴斯·阿亚蒂扎德·坦哈（Abbas Ayatizadeh Tanha）：撰写原始稿件、数据可视化、验证、方法论制定、调查。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。