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頁巖氣環保變黏壓裂液的研究與應用

文檔作者：范宇恒１，周豐２，蔣廷學３，張士誠４，白森５張曉鋒２，楊　泉５，余維初１，６文檔來源：１長江大學化學與環境工程學院２中國石油長城鉆探工程有限公司等		點擊數：	更新時間： 2025年09月19日
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收稿日期：２０２２０９２７；改回日期：２０２２１２１１
　　基金項目：國家自然科學基金“基于碳點熒光標記碼監測水平井壓裂液剖面的應用基礎研究”（５２２７４０２９）
　　作者簡介：范宇恒（１９９５—），男，２０１６年畢業于長江大學化學專業，現為該校油氣田應用化學專業在讀博士研究生，從事壓裂液研究與實驗工作。
　　通訊作者：余維初（１９６５—），男，教授，博士生導師，１９９９年畢業于江漢石油學院環境工程專業，２００６年畢業于中國石油大學（北京）油氣井工程專業，獲博
士學位，現從事非常規油氣壓裂與油氣田開發方面的教學與研究工作。
ＤＯＩ：１０３９６９／ｊｉｓｓｎ１００６－６５３５２０２３０２０２１
頁巖氣環保變黏壓裂液的研究與應用
范宇恒１，周　豐２，蔣廷學３，張士誠４，白　森５，張曉鋒２，楊　泉５，余維初１，６
（１長江大學化學與環境工程學院，湖北　荊州　４３４０２３；２中國石油長城鉆探工程有限公司，北京　１００１０１；
３中國石化石油工程技術研究院有限公司，北京　１０２２０６；４中國石油大學（北京），北京　１０２２４９；
５中國石油長城鉆探工程有限公司四川頁巖氣項目部，四川　成都　６１００００；
６油氣田清潔生產與污染物控制湖北省工程研究中心，湖北　荊州　４３４０２３）
摘要：為解決深層頁巖氣開發中常規壓裂液儲層傷害大、攜砂能力差、變黏工序復雜等技術難
題，結合威遠區塊深層頁巖儲層特點及施工需求，研發了一種環保變黏壓裂液體系，并進行了
室內性能評價與現場應用。研究表明：該環保壓裂液體系可以在 ３０ｓ內完全溶解，壓裂液可
在黏度為 ２～１５０ｍＰａ·ｓ范圍內實時調整；使用返排水配制的低黏壓裂液與高黏壓裂液減阻
率均大于 ７０％，線性膠壓裂液減阻率大于 ６５％；低黏壓裂液與高黏壓裂液儲層損害率均小于
１５００％，線性膠壓裂液巖心損害率為 １５４７％；環保變黏壓裂液生物毒性均為無毒；環保變黏
壓裂液攜砂性能良好，較清水攜砂性能最大提高 ６５倍。在威遠 Ｈ２１－５井的應用表明，環保變
黏壓裂液溶解速度快、減阻性能優異、攜砂性能優良，可實時改變黏度以滿足不同壓裂工況，滿
足減阻攜砂一體化壓裂施工的技術需求，具有較好應用前景。
關鍵詞：頁巖氣；深層；變黏壓裂液；環保；減阻；攜砂
中圖分類號：ＴＥ３７　　文獻標識碼：Ａ　　文章編號：１００６－６５３５（２０２３）０２－０１４７－０６
ＲｅｓｅａｒｃｈａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｌｙＦｒｉｅｎｄｌｙＶａｒｉａｂｌｅ－ｖｉｓｃｏｓｉｔｙＦｒａｃｔｕｒｉｎｇＦｌｕｉｄｆｏｒＳｈａｌｅＧａｓ
ＦａｎＹｕｈｅｎｇ１，ＺｈｏｕＦｅｎｇ２，ＪｉａｎｇＴｉｎｇｘｕｅ３，ＺｈａｎｇＳｈｉｃｈｅｎｇ４，ＢａｉＳｅｎ５，ＺｈａｎｇＸｉａｏｆｅｎｇ２，ＹａｎｇＱｕａｎ５，ＹｕＷｅｉｃｈｕ１，６
（１．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＣｈｅｍｉｓｔｒｙ＆ＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＹａｎｇｔｚｅＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｊｉｎｇｚｈｏｕ，Ｈｕｂｅｉ４３４０２３，Ｃｈｉｎａ；
２．ＣＮＰＣＧｒｅａｔｗａｌｌＤｒｉｌｌｉｎｇＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｂｅｉｊｉｎｇ１００１０１，Ｃｈｉｎａ；
３．ＳｉｎｏｐｅｃＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＰｅｔｒｏｌｅｕｍＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０２２０６，Ｃｈｉｎａ；
４．ＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＰｅｔｒｏｌｅｕｍ（Ｂｅｉｊｉｎｇ），Ｂｅｉｊｉｎｇ１０２２４９，Ｃｈｉｎａ；
５．ＳｉｃｈｕａｎＳｈａｌｅＧａｓＰｒｏｊｅｃｔＤｅｐａｒｔｍｅｎｔ，ＣＮＰＣＧｒｅａｔｗａｌｌＤｒｉｌｌｉｎｇＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｃｈｅｎｇｄｕ，Ｓｉｃｈｕａｎ６１００００，Ｃｈｉｎａ；
６．ＨｕｂｅｉＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＲｅｓｅａｒｃｈＣｅｎｔｅｒｆｏｒＣｌｅａｎＰｒｏｄｕｃｔｉｏｎａｎｄＰｏｌｌｕｔａｎｔＣｏｎｔｒｏｌｉｎＯｉｌａｎｄＧａｓＦｉｅｌｄｓ，Ｊｉｎｇｚｈｏｕ，Ｈｕｂｅｉ４３４０２３，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｓｏｌｖｅｔｈｅｔｅｃｈｎｉｃａｌｐｒｏｂｌｅｍｓｉｎｄｅｅｐｓｈａｌｅｇａｓｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ，ｓｕｃｈａｓｇｒｅａｔｒｅｓｅｒｖｏｉｒｄａｍａｇｅ，
ｐｏｏｒｐｒｏｐｐａｎｔｃａｒｒｙｉｎｇａｎｄｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄｖａｒｉａｂｌｅ－ｖｉｓｃｏｓｉｔｙｐｒｏｃｅｓｓｏｆｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌｆｒａｃｔｕｒｉｎｇｆｌｕｉｄ，ａｎｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎ
ｔａｌｌｙｆｒｉｅｎｄｌｙｖａｒｉａｂｌｅ－ｖｉｓｃｏｓｉｔｙｆｒａｃｔｕｒｉｎｇｆｌｕｉｄｓｙｓｔｅｍｗａｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄ，ａｎｄｌａｂｏｒａｔｏｒｙｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｅｖａｌｕａｔｉｏｎａｎｄ
ｆｉｅｌｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｗｅｒｅｃａｒｒｉｅｄｏｕｔ，ｔａｋｉｎｇｉｎｔｏａｃｃｏｕｎｔｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓａｎｄｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆｄｅｅｐ
ｓｈａｌｅｒｅｓｅｒｖｏｉｒｓｉｎＷｅｉｙｕａｎＢｌｏｃｋ．Ｔｈｅｓｔｕｄｙｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｅｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｌｙｆｒｉｅｎｄｌｙｆｒａｃｔｕｒｉｎｇｆｌｕｉｄｓｙｓｔｅｍｗａｓ
ｃｏｍｐｌｅｔｅｌｙｄｉｓｓｏｌｖｅｄｗｉｔｈｉｎ３０ｓｅｃｏｎｄｓ，ａｎｄｔｈｅｆｒａｃｔｕｒｉｎｇｆｌｕｉｄｖｉｓｃｏｓｉｔｙｗａｓａｄｊｕｓｔｅｄｉｎｒｅａｌｔｉｍｅｗｉｔｈｉｎｔｈｅｒａｎｇｅ
ｏｆ２ｔｏ１５０ｍＰａ·ｓ．Ｔｈｅｄｒａｇｒｅｄｕｃｔｉｏｎｒａｔｅｏｆｌｏｗ／ｈｉｇｈｖｉｓｃｏｓｉｔｙｆｒａｃｔｕｒｉｎｇｆｌｕｉｄｐｒｅｐａｒｅｄｗｉｔｈｆｌｏｗｂａｃｋｗａｔｅｒｗａｓ
ｍｏｒｅｔｈａｎ７０％，ａｎｄｔｈｅｄｒａｇｒｅｄｕｃｔｉｏｎｒａｔｅｏｆｌｉｎｅａｒ－ｇｅｌｆｒａｃｔｕｒｉｎｇｆｌｕｉｄｗａｉｓｍｏｒｅｔｈａｎ６５％．Ｔｈｅｒｅｓｅｒｖｏｉｒｄａｍ
ａｇｅｒａｔｅｏｆｌｏｗ／ｈｉｇｈｖｉｓｃｏｓｉｔｙｆｒａｃｔｕｒｉｎｇｆｌｕｉｄｗａｓｌｅｓｓｔｈａｎ１５００％，ａｎｄｔｈｅｃｏｒｅｄａｍａｇｅｒａｔｅｏｆｌｉｎｅａｒ－ｇｅｌｆｒａｃｔｕ
ｒｉｎｇｆｌｕｉｄｗａｓ１５４７％．Ｔｈｅｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｌｙｆｒｉｅｎｄｌｙｖａｒｉａｂｌｅ－ｖｉｓｃｏｓｉｔｙｆｒａｃｔｕｒｉｎｇｆｌｕｉｄｗａｓｂｉｏｌｏｇｉｃａｌｌｙｎｏｎ－ｔｏｘｉｃ
ａｎｄｈｉｇｈｉｎｐｒｏｐｐａｎｔ－ｃａｒｒｙｉｎｇｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，ｗｈｉｃｈｗａｓｕｐｔｏ６５ｔｉｍｅｓｈｉｇｈｅｒｔｈａｎｔｈａｔｏｆｃｌｅａｎｗａｔｅｒ．Ｔｈｅａｐｐｌｉｃａ
ｔｉｏｎｉｎＷｅｉｙｕａｎＷｅｌｌＨ２１－５ｉｎＷｅｉｙｕａｎｉｎｄｉｃａｔｅｓｔｈａｔｔｈｅｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ－ｆｒｉｅｎｄｌｙｖａｒｉａｂｌｅ－ｖｉｓｃｏｓｉｔｙｆｒａｃｔｕｒｉｎｇｆｌｕｉｄ
ａｃｔｕａｌｉｚｅｄｆａｓｔｄｉｓｓｏｌｕｔｉｏｎｓｐｅｅｄ，ｅｘｃｅｌｌｅｎｔｄｒａｇｒｅｄｕｃｔｉｏｎｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａｎｄｏｕｔｓｔａｎｄｉｎｇｐｒｏｐｐａｎｔ－ｃａｒｒｙｉｎｇｐｅｒｆｏｒｍ
　１　４８ 特 種 油 氣 藏 第 ３０卷　
ａｎｃｅ，ａｎｄｉｔｃｏｕｌｄｃｈａｎｇｅｄｔｈｅｖｉｓｃｏｓｉｔｙｉｎｒｅａｌｔｉｍｅｔｏａｄａｐｔｔｏｄｉｆｆｅｒｅｎｔｆｒａｃｔｕｒｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓａｎｄｓａｔｉｓｆｙｔｈｅｔｅｃｈｎｉ
ｃａｌｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆｆｒａｃｔｕｒｉｎｇｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｗｉｔｈｄｒａｇｒｅｄｕｃｔｉｏｎａｎｄｐｒｏｐｐａｎｔｃａｒｒｙｉｎｇ，ｗｉｔｈｇｏｏｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｐｒｏｓｐｅｃｔ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｈａｌｅｇａｓ；ｄｅｅｐ；ｖａｒｉａｂｌｅ－ｖｉｓｃｏｓｉｔｙｆｒａｃｔｕｒｉｎｇｆｌｕｉｄ；ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｌｙｆｒｉｅｎｄｌｙ；ｄｒａｇｒｅｄｕｃｔｉｏｎ；ｐｒｏｐ
ｐａｎｔｃａｒｒｙｉｎｇ
０　引　言
川渝地區頁巖氣資源豐富，借鑒北美頁巖氣開
發模式，以滑溜水壓裂液為核心的體積壓裂技術已
成為頁巖儲層的主要改造技術［１－５］。近年來，川渝
頁巖氣逐步轉向深層開發，常用滑溜水壓裂液體系
已不能完全滿足現場攜砂、造縫等要求，具體表現
為：①深層頁巖氣溫度及地層壓力系數高，大排量
泵入低黏滑溜水壓裂液攜砂效果較差；②常規滑溜
水壓裂液形成裂縫的縫口較窄，難以滿足深層頁巖
氣造長裂縫的要求；③常規滑溜水壓裂液在頁巖儲
層的濾失量大，易砂堵［６］。因此，在深層頁巖氣壓
裂施工中采用高、低 ２種黏度的壓裂液交替注入方
式，提高壓裂液攜砂能力和裂縫復雜程度是目前的
技術發展方向之一。深層頁巖儲層結構復雜，要求
壓裂液具有實時調整黏度的能力，以應對施工中可
能遇到的復雜問題。但目前使用的高黏壓裂液需
要提前配制，無法實現連續混配，也無法實時切換
高低黏壓裂液；此外，高黏壓裂液存在破膠不徹底、
損害儲層及污染地下水系統的等問題，且需用清水
配制，不能實現返排水重復利用，進一步加劇了壓
裂用水緊張程度［７－９］。
針對上述難題，結合威遠區塊深層頁巖氣減阻
攜砂一體化需求，開展可實時變黏，具有良好減阻
性能、攜砂性能和儲層保護性能，且可利用返排水
配制的壓裂液體系研究。具體研究思路為：研發一
種新型減阻劑，僅通過調整減阻劑用量即可實現壓
裂液黏度自由切換，并可使用返排水配制壓裂液。
對減阻劑和環保變黏壓裂液（簡稱變黏壓裂液）性
能進行了評價，并在現場進行了實際應用。
１　實驗部分
１１　實驗材料與儀器
實驗材料：丙烯酰胺、丙烯酸、丙烯酸酯、２－丙
烯酰胺－２－甲基丙磺酸、１，２－丙二醇、聚甲基丙烯
酰氧乙基三甲基氯化銨、氯化銨、２，２－偶氮雙（２－
甲基丙脒）二鹽酸鹽，分析純，國藥集團化學試劑
有限公司；人造巖心，江蘇博銳思科研儀器有限公
司；７０／１４０目石英砂，工業級，石家莊辰興實業有
限公司；明亮發光桿菌，北京海富達科技有限公司；
氯化鈉、氯化鈣，化學純，國藥集團化學試劑有限公
司；去離子水，自制；返排水，礦化度為 １０８５２６８
ｍｇ／Ｌ，長城鉆探工程有限公司提供（表 １）。
表 １　返排水離子組成
Ｔａｂｌｅ１　Ｔｈｅｉｏｎｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｆｌｏｗｂａｃｋｗａｔｅｒ
組分 含量 ／（ｍｇ·Ｌ－１） Ｃａ２＋ １５６１５
Ｍｇ２＋ ２３９２
Ｎａ＋、Ｋ＋ ２６８６３７
Ｃｌ－ ４５５２１０
ＳＯ４２－ ６６８３６
　　實驗儀器：ＪＢＱ－１０機械攪拌器，北京中興偉業
世紀儀器有限公司；ＪＨＪＺ高溫高壓動態減阻評價
系統、ＪＨＣＱ巖心動態損害評價裝置，荊州市現代
石油科技發展有限公司；ＤＸＹ－３生物毒性評價儀，
中科院南京土壤研究所；六速旋轉黏度計，青島海
通達專用儀器有限公司；ＱＢＺＹ表面張力儀，上海
方瑞儀器有限公司。
１２　減阻劑的制備
準確稱取一定量丙烯酰胺、丙烯酸、丙烯酸酯、
２－丙烯酰胺－２－甲基丙磺酸，溶于適量去離子水中
（單體質量分數為 ２５００％），并置于容量為 ２５０ｍＬ
的三口燒瓶中。向燒瓶中加入適量 １，２－丙二醇、
聚甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨和氯化銨溶液，
將三口燒瓶置于恒溫水浴中，在室溫下通入氮氣
３０ｍｉｎ除去溶解氧。將水浴升溫至 ４２℃，注入引
發劑 ２，２－偶氮雙（２－甲基丙脒）二鹽酸鹽（引發劑
占單體總質量的 ００３％），將三口燒瓶密封并進行
６ｈ的共聚反應（反應始終處于氮氣環境中），反應
結束后得到乳白色液體，即減阻劑 ＪＨＦＲ－２。
２　結果與討論
２１　減阻劑性能評價
２１１　分散性能
壓裂時施工排量較高，泵注的滑溜水壓裂液一
　第 ２期 范宇恒等：頁巖氣環保變黏壓裂液的研究與應用 １　４９　
般在幾分鐘內便會到達井底。因此，壓裂施工現場
要求滑溜水壓裂液中減阻劑的分散時間短，其分子
鏈能迅速發生彈性形變吸收能量，降低流體湍流程
度，保證滑溜水壓裂液到達目標層位時仍能保持較
大動能，實現對儲層的有效壓裂。測試不同質量分
數的 ＪＨＦＲ－２的完全分散時間，結果見表 ２。由表
２可知：不同質量分數的 ＪＨＦＲ－２均可以在 ３０ｓ內
完全溶解，且其溶液外觀均為澄清透明狀。說明
ＪＨＦＲ－２分散性能較強，可滿足現場壓裂施工即配
即注需要，有利于提高施工效率。
表 ２　ＪＨＦＲ－２分散性能評價實驗結果
Ｔａｂｌｅ２　ＴｈｅｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔｓｏｆＪＨＦＲ－２ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎｅｖａｌｕａｔｉｏｎ
質量
分數 ／％
完全分散時間 ／ｓ
第 １次測試值 第 ２次測試值 第 ３次測試值 平均值
００８ １８０ １９０ １８０ １８３
０２５ ２２０ ２１０ ２２０ ２１７
０５０ ２６０ ２５０ ２５０ ２５３
２１２　增黏性能
壓裂液黏度改變是通過調節減阻劑用量來實
現的，因此，有必要測試減阻劑用量對壓裂液黏度
的影響。測試條件為常溫，剪切速率為 １７０ｓ－１，測
試結果如圖 １所示。由圖 １可知：當 ＪＨＦＲ－２用 量
圖 １　減阻劑用量對壓裂液黏度的影響
Ｆｉｇ１　Ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｄｒａｇｒｅｄｕｃｅｒｄｏｓａｇｅｏｎｆｒａｃｔｕｒｉｎｇｆｌｕｉｄｖｉｓｃｏｓｉｔｙ
為 ００５％～００８％（質量分數，下同）時，黏度為 ２～
３ｍＰａ·ｓ，為低黏滑溜水壓裂液；ＪＨＦＲ－２用量為
０１２％～０２５％時，黏度為 ６～９ｍＰａ·ｓ，為高黏滑
溜水壓裂液；ＪＨＦＲ－２用量為 ０４０％～０５０％時，黏
度為 ２１～３３ｍＰａ·ｓ，為線性膠壓裂液；另外，ＪＨＦＲ－
２可與交聯劑發生交聯反應，交聯后黏度可達 １５０
ｍＰａ·ｓ。整體來看，通過控制減阻劑用量，可以得
到不同黏度的壓裂液，從而在滑溜水壓裂液與線性
膠壓裂液之間自由切換，滿足現場壓裂施工對高低
黏壓裂液實時切換的需求。
２２　變黏壓裂液性能評價
調整 ＪＨＦＲ－２的用量，得到低黏壓裂液（ＪＨＦＲ－２
質量分數為 ００８％）、高黏壓裂液（ＪＨＦＲ－２質量分
數為 ０２５％）、線性膠壓裂液（ＪＨＦＲ－２質量分數為
０５０％）３種壓裂液，對 ３種壓裂液的減阻性能、攜
砂性能、破膠性能、巖心損害率以及生物毒性進行
對比評價。
２２１　減阻性能
實驗流程參照 ＳＹ／Ｔ５１０７—２０１６《水基壓裂液
性能評價方法》，實驗儀器為 ＪＨＪＺ高溫高壓動態
減阻評價系統，實驗管徑為 １０ｍｍ，實驗流速為 ５０
Ｌ／ｍｉｎ。分別用清水、返排水、鹽水 （質量分數為
３００％氯化鈉＋質量分數為 ２００％氯化鈣）３種液
體配制壓裂液，其減阻性能實驗結果見表 ３。由表
３可知：①配液水相同時，３種壓裂液的減阻性能均
表 ３　變黏壓裂液減阻性能評價實驗結果
Ｔａｂｌｅ３　Ｔｈｅｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔｓｏｆｄｒａｇｒｅｄｕｃｔｉｏｎｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ
ｅｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆｖａｒｉａｂｌｅ－ｖｉｓｃｏｓｉｔｙｆｒａｃｔｕｒｉｎｇｆｌｕｉｄ
壓裂液
減阻率 ／％
清水 返排水 鹽水
低黏壓裂液 ７５８ ７４５ ７３６
高黏壓裂液 ７１１ ７０１ ６８９
線性膠壓裂液 ６９１ ６８５ ６６４
隨減阻劑用量增大而下降。其原因為：在一定質量
分數范圍內，減阻劑分子線性結構可以充分發生彈
性形變儲存能量，超過一定質量分數范圍后，減阻
劑分子鏈互相纏繞形成空間聚集體，阻礙流體流
動，黏度增大的同時導致減阻性能下降［１０－１１］。②
減阻劑用量相同時，壓裂液的減阻性能均隨配液水
礦化度增加而降低。其原因為：減阻劑長分子鏈遇
到鹽水會卷曲蜷縮，導致減阻性能出現一定幅度的
下降。通過在減阻劑合成過程中引入耐鹽基團，可
使其具備一定抗鹽性能，返排水配制的低黏壓裂液
和高黏壓裂液減阻率為 ７００％～７５０％，具有良好
減阻效果，可滿足現場應用要求，實現返排水重復
利用。后續實驗中的配液水均為返排水。
２２２　攜砂性能
支撐劑在壓裂液中沉降速度越慢，越有利于支
撐劑在裂縫中均勻填充，支撐劑沉降速度過快則易
形成砂堵，導致施工失敗。因此，需對變黏壓裂液
的攜砂性能進行考察。利用清水和返排水配制變
黏壓裂液（清水為對比樣），加入 ７０／１４０目石英砂
　１　５０ 特 種 油 氣 藏 第 ３０卷　
（石英砂與變黏壓裂液體積比為 ３∶１０）攪拌均勻，
迅速倒入量筒靜置，記錄石英砂完全沉降時間，結
果如圖 ２—５所示。由圖 ２—５可知：清水中石英砂
a !"#$ b %'(2s
圖 ２　清水攜砂情況
Ｆｉｇ２　Ｔｈｅｐｒｏｐｐａｎｔｃａｒｒｉｅｄｉｎｃｌｅａｒｗａｔｅｒ
a !"#$
b %'(10s c %'(20s
圖 ３　低黏壓裂液攜砂情況
Ｆｉｇ３　Ｔｈｅｐｒｏｐｐａｎｔｃａｒｒｉｅｄｉｎｌｏｗ－ｖｉｓｃｏｓｉｔｙｆｒａｃｔｕｒｉｎｇｆｌｕｉｄ
a !"#$
b %'(60s c %'(86s
圖 ４　高黏壓裂液攜砂情況
Ｆｉｇ４　Ｔｈｅｐｒｏｐｐａｎｔｃａｒｒｉｅｄｉｎｈｉｇｈ－ｖｉｓｃｏｓｉｔｙｆｒａｃｔｕｒｉｎｇｆｌｕｉｄ
的完全沉降時間為 ２ｓ；低黏壓裂液攜砂性能為清
水攜砂性能的 １０倍，完全沉降時間為 ２０ｓ；高黏壓
裂液攜砂性能為清水攜砂性能的 ４３倍，完全沉降
時間為 ８６ｓ；線性膠壓裂液攜砂性能為清水攜砂性
能的 ６５倍，完全沉降時間為 １３０ｓ。總體上壓裂液
攜砂性能與壓裂液黏度呈正相關關系。這主要是
因為隨著壓裂液中減阻劑質量分數增加，分子間相
互作用力增大，減阻劑分子鏈互相纏繞形成三維網
狀結構，壓裂液攜砂性能增強［１２－１３］。
a !"#$
b %'(60s c %'(130s
圖 ５　線性膠壓裂液攜砂情況
Ｆｉｇ５　Ｔｈｅｐｒｏｐｐａｎｔｃａｒｒｉｅｄｉｎｌｉｎｅａｒ－ｇｅｌｆｒａｃｔｕｒｉｎｇｆｌｕｉｄ
２２３　破膠性能
壓裂后返排時，若壓裂液破膠不徹底會造成破
膠液黏度增加從而滯留地層，進一步堵塞裂縫造成
儲層損害［１４］。因此，有必要對壓裂液破膠性能進
行測試。實驗流程參照 ＳＹ／Ｔ５１０７—２０１６《水基壓
裂液性能評價方法》，向變黏壓裂液中加入質量分
數為 ００２％的（ＮＨ４）２Ｓ２Ｏ８，用保鮮膜密封，置于 ９０
℃水浴鍋水浴破膠，２ｈ后取出壓裂液，冷卻后測
定壓裂液黏度及表面張力，結果見表 ４。由表 ４可知：
表 ４　變黏壓裂液破膠性能評價實驗結果
Ｔａｂｌｅ４　Ｔｈｅｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔｓｏｆｇｅｌｂｒｅａｋｉｎｇｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ
ｅｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆｖａｒｉａｂｌｅ－ｖｉｓｃｏｓｉｔｙｆｒａｃｔｕｒｉｎｇｆｌｕｉｄ
壓裂液
破膠后黏度 ／
（ｍＰａ·ｓ）
表面張力 ／
（ｍＮ·ｍ－１）
低黏壓裂液 ２５ ２７４２
高黏壓裂液 ２７ ２７１６
線性膠壓裂液 ３１ ２７５８
變黏壓裂液破膠后的黏度均低于 ５ｍＰａ·ｓ，表面
張力均低于 ２８００ｍＮ／ｍ，符合壓裂返排液行業標
準，說明變黏壓裂液在破膠后易返排，不會堵塞巖
石孔隙及填砂裂縫。
２２４　儲層損害率
壓裂液與儲層中的黏土接觸，會引起黏土礦物
　第 ２期 范宇恒等：頁巖氣環保變黏壓裂液的研究與應用 １　５１　
的膨脹或運移，造成儲層滲透率降低。因此，需對
壓裂液的儲層損害率進行評價。實驗流程參照
ＳＹ／Ｔ５１０７—２０１６《水基壓裂液性能評價方法》，將
３種壓裂液經過前文所述破膠處理后進行儲層損
害率評價實驗，結果如表 ５所示。由表 ５可知：３
種壓裂液的滲透率損害率由大到小為線性膠壓裂
液、高黏壓裂液、低黏壓裂液，且均低于 １６００％，
滿足 ＳＹ／Ｔ６３７６—２００８《壓裂液通用技術條件》中
對水基壓裂液巖心損害率低于 ３０００％的要求，具
有較好的儲層保護性能。
表 ５　變黏壓裂液儲層損害率評價實驗結果
Ｔａｂｌｅ５　Ｔｈｅｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔｓｏｆｒｅｓｅｒｖｏｉｒｄａｍａｇｅｒａｔｅ
ｅｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆｖａｒｉａｂｌｅ－ｖｉｓｃｏｓｉｔｙｆｒａｃｔｕｒｉｎｇｆｌｕｉｄ
壓裂液
巖心損害前
滲透率 ／ｍＤ
巖心損害后
滲透率 ／ｍＤ
滲透率損
害率 ／％
低黏壓裂液 １３５８３ １２２５７ ９７６
高黏壓裂液 １５１４２ １３１９８ １２８４
線性膠壓裂液 １４６７５ １２４０５ １５４７
２２５　生物毒性評價
油氣開發過程中使用的各種化學藥劑會隨著
流體進入儲層，存在污染地層水的風險。因此，需
對進入儲層的化學藥劑進行生物毒性檢測，避免水
資源污染。實驗流程參照 Ｑ／ＳＹ１１１—２００７《油田
化學劑、鉆井液生物毒性分級及檢測方法發光細菌
法》和 ＳＹ／Ｔ６７８８—２０１０《水溶性油田化學劑環境
保護技術評價方法》，測試結果見表 ６（ＥＣ５０為發光細
表 ６　變黏壓裂液生物毒性評價實驗結果
Ｔａｂｌｅ６　Ｔｈｅｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔｓｏｆｂｉｏｌｏｇｉｃａｌｔｏｘｉｃｉｔｙｅｖａｌｕａｔｉｏｎ
ｏｆｖａｒｉａｂｌｅ－ｖｉｓｃｏｓｉｔｙｆｒａｃｔｕｒｉｎｇｆｌｕｉｄ
壓裂液 ＥＣ５０／（１０６ｍｇ·Ｌ－１） 毒性等級
低黏壓裂液 １８６ 無毒
高黏壓裂液 １５２ 無毒
線性膠壓裂液 １２４ 無毒
菌的發光能力降至 １／２時樣品的質量濃度）。由
表 ６可知：變黏壓裂液的 ＥＣ５０值均較高，對應生物
毒性等級均為無毒。表明變黏壓裂液體系不具備
生物毒性，具有保護環境的性能。
３　現場應用
威 ２０４Ｈ２１－５井位于四川省內江市威遠縣龍
會鎮窯灣村 ３組和 １２組，構造位置為四川盆地威
遠中奧頂構造南翼。該井完鉆井深為 ５５５０ｍ，完
鉆層位為龍馬溪組，采用 Φ １３９７ｍｍ套管完井，
水平段長度為 １６００ｍ。計劃通過長段多簇、控液
提砂、簇間暫堵等措施提高儲層動用程度。該井設
計壓裂 ２０段，壓裂施工井段為 ３７１０～５５５０ｍ，壓
裂段長度為 １５６１ｍ，壓力系數為 ２０～２２，地層溫
度為 １１９℃，第 １１段至第 １８段采用變黏壓裂液體
系，主要施工參數設計見表 ７。
威 ２０４Ｈ２１－５井于 ２０２２年 ８月 ４日至 ８月 ２６日
進行了第 １１段至第 １８段壓裂施工，８段壓裂施工總
計注入低黏壓裂液 ８３１０５ｍ３，高黏壓裂液 ５６３３０
ｍ３，線性膠壓裂液 １４７３３ｍ３；加入支撐劑 １７００１９ｔ，
其中，７０／１００目石英砂為 １１３３４５ｔ，４０／７０目陶粒為
５６６７４ｔ；平均單段注入液體 １９２７１ｍ３，平均單段
加砂 ２１２５２ｔ，施 工 過 程 井 口 壓 力 最 低 為 ６８５
ＭＰａ。該井使用常規滑溜水壓裂液的壓裂段（第 １
段至第 １０段）平均單段注入液體 １８７５１ｍ３，平均
單段加砂 ２０５４６ｔ，均低于變黏壓裂液體系，減阻
劑用量約為變黏壓裂液的 ２倍，施工過程井口壓力
最低為 ７５７ＭＰａ，比變黏壓裂液體系高出 １０５％。
在應用變黏壓裂液體系過程中，施工排量、施工壓
力、加砂強度、注入地層液量等壓裂施工參數基本
達到壓裂設計工藝要求，同時，可實時改變黏度，高
低黏壓裂液切換過程對壓裂施工泵壓影響較小，既
提高了加砂強度又能兼顧較好的減阻效果，保證了
施工順利進行。
表 ７　威 ２０４Ｈ２１－５井關鍵施工參數
Ｔａｂｌｅ７　ＴｈｅｋｅｙｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆＷｅｌｌＷｅｉ２０４Ｈ２１－５
施工參數 施工設計
射孔參數
主體井段單段射孔簇數為 ８簇，簇間距為 ７～１０ｍ，單段射孔數為 ４８孔，單孔流量
大于 ０２５ｍ３／ｍｉｎ，孔徑為 １０５ｍｍ，相位為 ６０°
施工排量 主體井段排量為 １４～１７ｍ３／ｍｉｎ，天然裂縫發育段排量為 １４～１６ｍ３／ｍｉｎ
壓裂規模 單段壓裂液量為 ２２００～２５００ｍ３，單段砂量為 １４５～１７０ｍ３
變黏壓裂液體系
低黏壓裂液：減阻劑質量分數為 ００８％～０１５％，黏度為 ２～３ｍＰａ·ｓ；
高黏壓裂液：減阻劑質量分數為 ０１２％～０２５％，黏度為 ６～９ｍＰａ·ｓ；
線性膠壓裂液：減阻劑質量分數為 ０４０％～０６０％，黏度為 ２１～３３ｍＰａ·ｓ
酸化液 １５００％ＨＣｌ＋２００％緩蝕劑＋１５０％助排劑＋１００％黏土穩定劑＋１５０％鐵離子穩定劑
支撐劑 ７０／１４０目石英砂＋４０／７０目陶粒組合
　１　５２ 特 種 油 氣 藏 第 ３０卷　
４　結　論
（１）環保變黏壓裂液溶解速度快、減阻性能優
異、攜砂性能優良，具有保護儲層及保護環境功能，
能實時變黏以滿足不同施工要求，可實現返排水重
復利用，有利于降本增效。
（２）威 ２０４Ｈ２１－５井的施工情況表明，環保變
黏壓裂液施工過程中，施工排量大，施工壓力平穩，
加砂強度高，注入地層液量大，高低黏壓裂液切換
過程對壓裂施工影響較小，滿足減阻攜砂一體化壓
裂施工設計技術需求，保證了施工順利進行。該技
術既能有效降低摩阻保證加砂強度，又能保護儲層
及保護環境，應用前景廣泛。
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