1. 前言

页岩气是一种优质、高效、清洁的低碳能源，近年来越来越受到世界各国的重视，也是我国“十二五”关注的重点。页岩储层具有低孔、低渗的特点，勘探开发难度大，大多数致密页岩气储层需经过体积改造才能获得比较理想的产量。在美国、加拿大等页岩气开采技术较为成熟的国家，主要采用的是减阻水压裂液体系。该体系聚合物含量低、易反排、成本低且对储层损害小，在多个地区已经得到了大规模的推广应用，并取得了显著的经济效益。

近年来，随着我国多个大型页岩气藏的发现和国家对页岩气开采的重视， 页岩气成为继石油、天然气之后的又一大热门能源。因此未来我国对页岩气开采作业必将增多，对压裂技术及压裂液的需求也将逐步提高，而在国外已经广泛使用的性能优异的减阻水压裂液体系势必也会越来越被重视。减阻剂是减阻水体系中最重要的添加剂，其性能决定了整个体系的应用范围，而我国主要研究的都是用于石油管道输送系统的聚合物减阻剂，对用于水力压裂的减阻剂鲜有报道。

本文结合国内外对水力压裂用减阻剂的研究现状，重点介绍了国外减阻剂的研究进展，旨在提高我国对减阻水压裂液的整体认识，对我国减阻剂的研究具有一定的指导意义。

2. 减阻剂

1947 年，Toms 在研究高聚物在高剪切力下降解时，偶然发现了聚合物的减阻作用， 加入少量(25μg/g) 的高聚物，即可达到较高的减阻率(70%～80%)。后来，聚合物作为减阻剂被广泛用于原油输送管道中，可以大大降低摩擦阻力，提高原油输送速度。1950年，减阻剂开始用于储层改造的压裂液体系，称为减阻水压裂液，但很快被聚合物凝胶体系所取代。20 世纪90 年代末，由于非常规油气藏的开采得到快速发展，减阻水再次被应用于储层压裂改造并得到发展，尤其在页岩储层得到了大规模应用。1997年，Mitchell 能源公司首次将减阻水应用在Barnett页岩气的压裂作业中， 使页岩气最终采收率提高了20%，压裂费用较大型水力压裂减少65%。

减阻水压裂液的主要成分是大量水和支撑剂，少量表面活性剂、减阻剂、黏土稳定剂等，其聚合物含量少，故减阻水体系比常规交联凝胶体系的黏度低，携带支撑剂能力较差。为克服这一缺点，减阻水的泵入速度通常较大，易造成湍流，导致能量消耗大，因此需要加入减阻剂，其可以在较高泵速下减少摩擦管线和水或盐水溶液之间的摩擦而产生的巨大的能量损失。国外常用的减阻剂一般是聚丙烯酰胺类聚合物，其具有降阻性能高、使用浓度低、经济性好等优点，在页岩储层的压裂改造中得到大规模应用。大量研究表明，聚合物的减阻作用主要包括两方面：

①聚合物分子的性质，包括相对分子质量、单体性质、电荷强度和类型等；

②在低温、高矿化度、酸化压裂等环境中的转相速度。

一般认为，减阻剂的减阻性能与其相对分子质量成正比，且聚合物的离子类型(阳离子、阴离子、非离子)决定了它的物理性能和适用范围。近年来，为了适应多种复杂地层情况， 通过改变聚合物的结构和离子类型，研发出许多新型减阻剂，且取得了较好应用效果。

3. 减阻剂作用机理

减阻剂的减阻机理比较复杂，从20 世纪50年代开始，人们即开始对减阻剂的减阻机理进行了大量研究，提出了有效滑移假说、涡流能量耗散/产生抑制假说、黏弹性假说等。从目前来看，被大家普遍接受的主要有湍流抑制说和黏弹说。

① 湍流抑制说

流体在管道中的流动形态分为湍流和层流两种。当流体流速较高时，容易形成湍流，产生大量的漩涡，由于湍流漩涡和管壁间的动量传递及不同尺寸的漩涡之间的动量传递，造成能量消耗， 这种能量消耗即为流体阻力产生的原因。当高聚物减阻剂加入到管道中后，减阻剂靠本身的黏弹性，分子长链顺流向自然拉伸，影响流体微元的运动， 在径向上抵消流体微元的部分作用力，并改变其大小和方向，使部分径向力转变为顺流向的轴向力，从而减少涡流能量耗散，降低流动阻力。而层流不存在涡流能量耗散，故减阻剂不能在层流中起作用。

② 黏弹说

减阻剂中的高聚物都是线性高分子聚合物，其溶液具有黏弹性，这些高聚物溶液与湍流漩涡相互作用，吸收部分涡流能量，使其以弹性能的形式储存在高聚物溶液中，减少涡流能量耗散。减阻剂在管道内部形成弹性底层，减少流体与管壁间的摩擦作用，起到减阻的效果。

4. 国外减阻剂研究进展

4.1 W/O 反相聚合物减阻剂

聚合物减阻剂一般由于物理状态不同可分为干粉聚合物减阻剂(DPAMs)、W/O 反相聚合物减阻剂(EPAMs)、聚合物溶液(SPAMs)， 其相对分子质量分布范围较广(1×106～3×107)，主要受聚合物的分散状态限制。其中，W/O 反相聚合物减阻剂中聚合物的相对分子质量最大，减阻性能最好，是减阻水压裂液体系中最常用的减阻剂。W/O 反相聚合物减阻剂是由水溶性聚合物溶液为内相，石油烷烃类油相为外相， 形成的一种低油水平衡值的乳状液体系。

当其加入清水压裂液中， 由于水相体积的增加，高聚物将快速从反相乳状液体系中释放出来，并且迅速水化，在压裂液注入过程中起到减阻作用。W/O 反相聚合物减阻剂以其较好的减阻效果得到了广泛应用，但其抗温性差，且其转相速度即聚合物从乳状液体系中释放并在水中溶解的速度，易受外界条件影响，故需根据水质状况优选合适的减阻剂。Harsha Kolla在2012 年研制出一种新型耐低温乳状液减阻剂， 该体系在-35℃时仍有较快的转相速度，在清水、盐水体系中60s 即可全部溶解，达到较好的减阻效果。且与常规干粉聚合物减阻剂、反相乳状液减阻剂对比，具有更好的剪切稳定性、耐温性、转相时间短、易降解等优点。

4.2 抗盐减阻剂

近年来，减阻水压裂技术快速发展， 多级水平井压裂和同步压裂技术在页岩储层得到广泛应用，使得所需减阻水体积大量攀升。然而，清水使用量也越来越大，特别对于海上油田和水资源缺乏的地区，水源成了一大问题。同时，大量产出水的处理，也给各大企业增加了负担，故许多油田都考虑将油层产出水和压裂液返排液循环利用。油田产出水经过一般的化学和机械处理过程后，水中的可溶性盐类难以除去， 而常规的减阻剂只能使用于清水体系，在盐水体系中性能并不好，这使得抗盐性化学添加剂的需求越来越迫切。

4.2.1 加入表面活性剂，提高转相速度

常规W/O 反相聚合物减阻剂在盐水体系中性能会下降， 其下降原因不仅与高聚物的性能有关，还与其转相速度有关。在盐水体系中，大量溶解盐的存在， 会抑制聚合物从W/O 乳状液中释放的速度，使其减阻作用延后。

C.W.Aften于2009 年研制出一种能应用于清水和2%的KCI 溶液中的W/O 反相聚合物减阻剂。通过加入一种较高HLB 值的表面活性剂(非离子)，在体系中作为一种转相剂，使高聚物能够快速释放出来。通常，这种表面活性剂与减阻剂接触后，并不会立即起到转相作用，当其与大量水相压裂液接触后，才会起到转相作用，故可将其预先加入减阻剂中。这种新型减阻剂比同种规格(相对分子质量、加量相同) 的常规减阻剂性能好， 在加量为0.5μg/g下，清水体系中减阻率增加29%，2%的KCI 体系中减阻率增加119%。由于其具有良好的减阻率和转相速度，在一定速度下，输送相同压裂液体积时，可减少能耗，或者在相同功率下可增大其输送速度。