陳 昊，畢凱琳，張 軍，劉虎子，張 勝，馮玉軍

（1.四川大學(xué)高分子研究所，高分子材料工程國家重點實驗室，四川成都 610065；2.山東同力化工有限公司，山東淄博 255000；3.中國石化勝利油田勝利化工有限責(zé)任公司，山東東營 257055）

0 前言

非常規(guī)油氣是指無法用傳統(tǒng)技術(shù)手段進行勘探開發(fā)的資源，主要包括致密氣、頁巖氣、煤層氣、致密油等［1-2］。非常規(guī)油氣往往存在于致密儲層中，儲層的滲透率一般在微達西至納達西，多數(shù)情況下無自然產(chǎn)量，必須對儲層進行大規(guī)模壓裂改造，以人工方法提高地層滲透率而獲得理想產(chǎn)量［3-4］。目前，“體積壓裂”技術(shù)是有效動用非常規(guī)油氣資源的主要手段［5-7］。體積壓裂是在水力壓裂過程中，在主裂縫形成的同時，通過分段多簇射孔及轉(zhuǎn)向材料與技術(shù)等的應(yīng)用，實現(xiàn)對天然裂縫、巖石層理的溝通，以及在主裂縫的側(cè)向強制形成次生裂縫，讓主裂縫與多級次生裂縫交織形成不同于常規(guī)壓裂的復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)，將具有滲流能力的有效儲集體“打碎”，使裂縫壁面與儲集層基質(zhì)的接觸面積最大，使得油氣從任意方向基質(zhì)向裂縫的滲流距離“最短”，極大地提高儲集層整體滲透率，實現(xiàn)對儲集層在長、寬、高三維方向的“立體改造”［8-10］?；锼畨毫岩菏歉咝嵤w積壓裂的關(guān)鍵，但滑溜水的黏度低、攜砂性能差。為了提高支撐劑的輸送能力和形成復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)，滑溜水壓裂通常采用大液量和大排量，不僅導(dǎo)致施工摩阻劇增，而且對地面泵注設(shè)備要求較高［11-12］。因此，減阻劑作為滑溜水壓裂液的核心成分，其作用在于降低施工過程中的泵送摩阻，從而盡可能提高排量，同時減小設(shè)備的負荷和高壓風(fēng)險，實現(xiàn)安全施工。減阻劑的性能直接決定了水平井壓裂施工的成敗，高效減阻劑的研發(fā)已經(jīng)成為非常規(guī)油氣開采壓裂的核心技術(shù)之一。

近年來，隨著非常規(guī)油氣的勘探開發(fā)，對壓裂技術(shù)和滑溜水壓裂液的需求不斷增多，國內(nèi)外在減阻劑的研究與應(yīng)用方面取得了長足的發(fā)展。合成聚合物［13］、天然高分子［14］、表面活性劑［15］及聚合物-表面活性劑復(fù)合體系［16］等均已用作減阻劑。本文主要針對國內(nèi)外減阻劑的研究進展，綜述了減阻機理和減阻性能，總結(jié)了影響減阻性能的因素，列舉了減阻劑在頁巖氣開發(fā)中的應(yīng)用，試圖為現(xiàn)有減阻劑性能的優(yōu)化和新型減阻劑的研發(fā)提供借鑒和指導(dǎo)。

1 減阻機理

1948 年，Toms［17］首次報道在氯苯中加入0.25%的聚甲基丙烯酸甲酯可使流動阻力降低約50%，由此拉開了聚合物減阻機理研究的序幕。歷經(jīng)70 余年的研究，目前普遍認可的聚合物減阻機理包括兩個方面：黏性和彈性理論。

在湍流過程中，聚合物線團在流動方向會顯著拉伸，導(dǎo)致拉伸黏度突然增加，此現(xiàn)象被認為是產(chǎn)生減阻的重要原因。Lumley［18］提出了經(jīng)典的黏性理論（圖1（a）），認為聚合物線團在黏性底層不被拉伸，因而不能改變其有效黏度，而在湍流過渡區(qū)中聚合物線團發(fā)生大的拉伸形變使拉伸黏度急劇增加，降低了過渡區(qū)中渦流的能量耗散和動能傳遞，使過渡區(qū)明顯增厚，宏觀上表現(xiàn)為阻力減小。但他也認為，只有當聚合物線團的松弛時間大于湍流特征流動時間時才會產(chǎn)生減阻現(xiàn)象。Hinch［19］認為聚合物線團在湍流過渡區(qū)中被拉伸，過渡區(qū)中的應(yīng)變速率和漩渦場則是引起聚合物線團完全伸展的主要原因，從而導(dǎo)致拉伸黏度大幅增加，達到有效抑制過渡區(qū)中漩渦的再生而實現(xiàn)減阻。在湍流中，聚合物線團受到拉伸作用呈周期性變化，所以聚合物線團一直處于動態(tài)變化的過程，從卷曲狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槭芗羟辛髯饔玫睦鞝顟B(tài)。因此，Ryskin［20］認為，在湍流中聚合物線團的中心部分變直，線團端部保持纏繞狀態(tài)；當湍流場減弱時，聚合物線團恢復(fù)為無規(guī)卷曲狀，這種變化將引起溶液局部黏度急劇增加，而增加的拉伸黏度是造成減阻的主要原因。

但有學(xué)者［21-22］認為，聚合物的彈性才是產(chǎn)生減阻作用的關(guān)鍵。有效黏度的增加對于湍流減阻并不重要，聚合物分子因拉伸而儲存的彈性能起關(guān)鍵作用。de Gennes［22］認為，盡管壁湍流的應(yīng)變速率很高，但在時間和空間上都是波動的，并且只能使部分聚合物線團拉伸，不會使聚合物有效黏度發(fā)生明顯變化。因此，他認為部分拉伸的聚合物線團所儲存的湍流能量才是產(chǎn)生減阻作用的重要原因。在湍流高應(yīng)變速率區(qū)，聚合物線團通過吸收湍流中小漩渦耗散的能量，并將其儲存在拉伸變形的線團中，達到降低漩渦動能和能量消耗的目的。當上述聚合物線團擴散到低應(yīng)變速率區(qū)時，會釋放其儲存的能量，抑制湍流中旋渦的發(fā)展，減少能量損失和流動阻力。Min 等［23］認為，聚合物線團吸收了壁湍流的漩渦動能，并轉(zhuǎn)化為聚合物線團彈性能；聚合物線團的松弛時間越長，聚合物線團從壁湍流吸收的彈性能越多；隨后，聚合物線團回彈至湍流過渡區(qū)并釋放彈性能，抑制了壁湍流中旋渦的再生，改變了湍流結(jié)構(gòu)并減少了流動阻力（圖1（b））。

圖1 （a）黏性理論減阻機理［18］和（b）彈性理論減阻機理［23］

上述兩種減阻機理的差異在于聚合物線團與湍流之間的相互作用不同，但均認為減阻是發(fā)生在聚合物線團與湍流相互作用過程中聚合物線團被拉伸所產(chǎn)生的結(jié)果。目前，最為經(jīng)典的相關(guān)理論為Lumley［18］的黏性理論和de Gennes［22］的彈性理論。黏性理論認為，聚合物分子鏈在湍流中會被顯著拉伸，使拉伸黏度增加，抑制湍流過渡區(qū)中旋渦的再生和發(fā)展，拓寬過渡區(qū)范圍并最終達到湍流減阻的目的。但過高的溶液黏度反而會使減阻性能下降，這是由于黏度增加不僅會增加流動阻力，同時造成聚合物線團運移能力下降。換言之，黏度增加會降低聚合物線團與湍流旋渦之間的相互作用。彈性理論則認為，聚合物線團在拉伸過程中吸收湍流能量并轉(zhuǎn)換成自身彈性能，并在過渡區(qū)釋放，最終導(dǎo)致湍流及其產(chǎn)生的流動阻力被抑制。實際上，聚合物存在臨界交疊濃度，只有聚合物濃度大于此濃度時，孤立的聚合物線團才發(fā)生纏結(jié)，產(chǎn)生黏彈性。而減阻中所使用的濃度均低于臨界交疊濃度，所以前人認為減阻是單個分子鏈的貢獻［24］。但聚合物單鏈的彈性很弱，通過目前的實驗手段難以檢測。因此，目前并沒有定量評價減阻性能與聚合物單鏈彈性之間關(guān)系的相關(guān)報道。因此，一些學(xué)者僅就減阻劑對流體的作用進行了概括性描述，并沒有說明是因為聚合物黏性還是彈性發(fā)揮減阻作用。

盡管前人在聚合物減阻方面進行了大量的工作，但都局限于聚合物本身的性質(zhì)及其與湍流之間的相互作用。湍流是一個復(fù)雜的流體流動行為，若能表征減阻劑加入前后湍流內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及聚合物線團的變化，將進一步認識聚合物減阻機理。此外，上述理論在一定程度上可以揭示聚合物湍流減阻現(xiàn)象，但無法解釋湍流減阻過程中所發(fā)生的所有現(xiàn)象，如Virk［25］提出的最大減阻現(xiàn)象。因此，減阻劑的湍流減阻機理及作用規(guī)律還需進一步完善。

2 減阻劑

添加減阻劑的滑溜水壓裂技術(shù)最早見于20 世紀50 年代末。隨著上世紀末美國非常規(guī)油氣的不斷開發(fā)，滑溜水壓裂技術(shù)重新受到重視并迅速發(fā)展［26］。Mitchell 能源公司于1997 年在美國Barnett地區(qū)率先實施了滑溜水壓裂，頁巖氣最終采收率提高了20%，壓裂成本降低了65%［27-28］。此后，滑溜水壓裂液很快擴展到美國Haynesville、Marcellus、Woodruff 和Fayetteville 等地區(qū)，已成為有效動用非常規(guī)油氣資源的關(guān)鍵技術(shù)［29］?；锼畨毫堰^程中摩阻大，因此，減阻劑是滑溜水壓裂施工的重要保障之一。目前，國內(nèi)外使用的水基減阻劑主要有胍膠、黃原膠、丙烯酰胺共聚物等減阻劑。

2.1 天然高分子

天然聚合物具有來源豐富、環(huán)境友好、能夠生物降解等優(yōu)點。目前，應(yīng)用于減阻的天然聚合物主要有胍膠、黃原膠等。黃原膠是由黃單胞桿菌發(fā)酵產(chǎn)生的陰離子型胞外多糖，具有與纖維素類似的骨架結(jié)構(gòu)，且側(cè)鏈上帶有一定量的乙?；c丙酮酸酯基。Wyatt 等［30］研究了湍流中黃原膠的減阻行為，加量從20 mg/L增至200 mg/L時，減阻率從2%增至35%。Sohn等［31］發(fā)現(xiàn)，剪切時間對黃原膠的減阻性能影響甚微，并認為是由于常溫下黃原膠分子的棒狀螺旋構(gòu)象能很好地抵抗剪切降解的影響。

盡管如此，黃原膠的減阻性能受礦化度和溫度的影響較大。Sohn等［31］發(fā)現(xiàn)，在30～50 ℃范圍內(nèi)，隨著溫度升高，減阻率呈S 形增加。他們認為這是由于溫度誘導(dǎo)黃原膠構(gòu)象發(fā)生從有序到無序的轉(zhuǎn)變所致。但Pereira 等［32］認為，當溫度升高時，單個黃原膠分子構(gòu)象更伸展，平均分子鏈長度增加，導(dǎo)致減阻性能增強。此外，Sohn 等［31］還發(fā)現(xiàn)，NaCl 的加入會提高黃原膠的減阻能力。例如，加量為50 mg/L 的黃原膠，對質(zhì)量濃度為500 mg/L 的NaCl 鹽水的減阻率為21%，而對清水的減阻率僅為16%。這是由于NaCl 的加入促進了分子鏈間的氫鍵作用而引起黃原膠構(gòu)象轉(zhuǎn)變，形成分子聚集體，進而提高了黃原膠的減阻性能。Hong 等［33］發(fā)現(xiàn)，與NaCl提高黃原膠減阻率不同，隨KCl濃度的增加，黃原膠減阻率降低，這可能是由于在高濃度的KCl條件下，黃原膠聚合物分子鏈剛性增加，導(dǎo)致減阻率降低。

另一種被廣泛用作減阻劑的天然高分子是胍膠。Singh 等［34］發(fā)現(xiàn)，胍膠加量從10 mg/L 提高至1000 mg/L時，減阻率從11%增至61%。Kim等［35］進一步注意到，減阻率并不隨胍膠加量的增加而線性增加，而是增至最大值后再下降。例如，胍膠加量從25 mg/L 增至200 mg/L 時，減阻率從7%增至31%；而胍膠加量進一步增至300 mg/L 時，減阻率卻降至28%。該小組還發(fā)現(xiàn)胍膠的減阻性能不受剪切時間的影響。Hong 等［36］也發(fā)現(xiàn)，胍膠加量為10 mg/L時減阻率為5%，胍膠加量為200 mg/L時減阻率為31%。

盡管具有一定的減阻能力，但胍膠及黃原膠的水不溶物含量均較高，對低孔、低滲儲層的傷害性較大，此外，它們的另一個缺陷是易生物降解，進而影響減阻性能。因此，常通過化學(xué)改性來提高胍膠及黃原膠類天然聚合物的減阻性能。Singh 等［34］將丙烯酰胺接枝到胍膠分子的支鏈形成胍膠-聚丙烯酰胺接枝共聚物，在加量為10 mg/L時，其減阻率較接枝前提高了27%。

綜上所述，胍膠和黃原膠的減阻率相對較低，只有在高濃度條件下，才能體現(xiàn)出相對較高的減阻率，天然高分子的低減阻作用限制了它們在滑溜水壓裂液中的應(yīng)用。

2.2 合成聚合物

聚丙烯酰胺（PAM）及其衍生物是最常用的減阻劑，因為丙烯酰胺單體活性高，容易得到高相對分子質(zhì)量產(chǎn)品，且其價格便宜、方便合成。目前，粉末狀和乳液狀聚合物減阻劑都得到了較廣泛的應(yīng)用。

2.2.1 粉末狀聚合物

Sung 等［24］發(fā)現(xiàn)，加入5 mg/L 陰離子PAM 可實現(xiàn)有效減阻，但減阻率并不隨濃度的增加而增加，而是增加到最大值后再緩慢下降：加量為5 mg/L時減阻率為18%，加量為25 mg/L時減阻達到最大值，為23%，加量進一步增至300 mg/L 時，減阻率降為20%。Zhang 等［37］研究了丙烯酰胺（AM）與丙烯酸（AA）的共聚物P（AM-co-AA）的減阻特性，該共聚物加量為10 mg/L 時的減阻率為42.5%。Brun 等［38］研發(fā)的AM 與2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸鈉（NaAMPS）的共聚物P（AM-co-NaAMPS），加量為10 mg/L 時的減阻率為33%，加量為100 mg/L 時的減阻率增至60%。Eshrati等［39］研發(fā)的AM和丙烯酰胺叔丁基磺酸鹽（ATBS）的共聚物，加量為10 mg/L時的減阻率為52%。

疏水締合聚合物是在聚合物分子主鏈上引入疏水基團所形成的水溶性共聚物，疏水基團之間的相互作用可形成空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，大大增加溶液的黏彈性。鮑晉等［40］以丙烯酸鈉、AM 和十六烷基烯丙基二甲基氯化銨合成了三嵌段疏水締合共聚物，研究了聚合物濃度、疏水單體比例和水解度對減阻特性的影響，發(fā)現(xiàn)減阻率隨加量的增加呈現(xiàn)先增后減再增再減的趨勢，這是因為疏水基團締合作用由分子內(nèi)締合轉(zhuǎn)變?yōu)榉肿娱g締合所致。此外，在極稀溶液中，疏水單體比例越大，減阻率越??；而在稀溶液中，疏水單體比例越大，減阻率越高。在極稀溶液和稀溶液中，減阻率均隨著水解度的增大而增大。

熱增黏聚合物是一種具有溫度刺激響應(yīng)的高分子材料，與部分水解聚丙烯酰胺（HPAM）溶液黏度隨溫度升高而降低不同的是，熱增黏聚合物溶液在溫度升高時，其溶液黏度相應(yīng)升高。Bhambri等［41］研究了聚N-異丙基丙烯酰胺（PNIPAM）在湍流中的減阻效應(yīng)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，加量從100 mg/L 增至400 mg/L 時，減阻率從15%增至48%。同時，加量為500 mg/L 的情況下，溫度低于33 ℃時的減阻率約45%；而溫度高于33 ℃時，減阻率降低至5%。這是由于PNIPAM 的低臨界溶解溫度（LCST）為33 ℃，高于此溫度時，PNIPAM 由親水性轉(zhuǎn)變?yōu)槭杷蝗軤顟B(tài)，此時PNIPAM 不會與湍流發(fā)生相互作用而削弱減阻效果。

雖然滑溜水中減阻劑的用量較小，但是在施工作業(yè)過程中壓裂液用量大，聚合物對儲層傷害不可忽視，因此可降解性成為減阻劑的一個重要發(fā)展方向［42］。Kot和Bismarck［43］以鈰離子和2，2′-偶氮（2-甲基-N-（2-羥基乙基）丙酰胺）為氧化還原劑，引發(fā)聚合AM制備了具有偶氮基團的溫敏聚合物。偶氮基團在高溫下易降解，使聚合物的相對分子質(zhì)量降低，導(dǎo)致黏度減小，進而降低在巖石壁面吸附滯留，從而降低對儲層傷害。在室溫下，該減阻劑的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，加量為500 mg/L 時的減阻率達56%；但當?shù)貙訙囟雀哂谂嫉鶊F的分解溫度（86 ℃）時，減阻劑會自發(fā)斷裂成小相對分子質(zhì)量聚合物，相對分子質(zhì)量從4.43×106g/mol降至2.6×105g/mol，達到減少地層傷害的目的。

PAM的減阻性能優(yōu)于胍膠等天然聚合物，但是抗鹽性和耐剪切穩(wěn)定性能差。通過加入AMPS、AA及疏水單體合成的丙烯酰胺共聚物的抗鹽、抗溫性能均有所提高。熱增黏聚合物合成成本較高，而溫敏性聚合物合成工藝復(fù)雜，限制了它們在滑溜水壓裂中的廣泛應(yīng)用。

2.2.2 乳液狀聚合物

粉末狀聚合物雖具有便于運輸?shù)膬?yōu)點，但生產(chǎn)過程環(huán)節(jié)涉及干燥、粉碎、造粒等步驟，工藝繁瑣且能耗高。此外，粉末狀聚合物在水中的分散、溶解性均較差，在施工作業(yè)過程中需配備大型的溶解裝置，不僅占地空間大而且配液繁瑣，難以滿足現(xiàn)場大排量壓裂下的快速溶解和即配即用的要求。采用反相乳液聚合法制備的“油包水”乳液（W/O）和采用分散聚合法制備的“水包水”乳液（W/W），在現(xiàn)場使用過程中不需要經(jīng)過“溶脹”階段，只需稀釋乳液即得目標滑溜水。

劉通義等［44］通過反相微乳液法制備了一種水溶性減阻劑，在84 s 內(nèi)即可完全溶解；加量為500 mg/L時，減阻率可達55%。魏娟明等［45］采用反相乳液聚合法制備的一種反相乳液型減阻劑，其溶解時間小于300 s，加量1000～1500 mg/L時，減阻率達到65%以上。

陳馥等［46］采用分散聚合法制備了一種可用高礦化度產(chǎn)出水配制的懸浮乳液減阻劑，加量為2000 mg/L時，在清水中102 s即能完全伸展并水化；在含質(zhì)量濃度100000 mg/L 的K+、Ca2+、Fe3+溶液中均能保持60%以上的減阻率。廖子涵等［47］通過分散聚合法制備的“水包水”型乳液減阻劑，在98 s 內(nèi)即能完全溶解；加量為2000 mg/L時的減阻率達81%。

乳液減阻劑能在短時間內(nèi)完全溶解，可滿足現(xiàn)場大排量壓裂下即配即用的要求。但“油包水”乳液減阻劑通常含有大量的有機溶液和表面活性劑，壓裂返排液可能會造成環(huán)境污染；現(xiàn)場使用鹽水配制時存在難以發(fā)生破乳或者破乳時間延長的問題，無法滿足用高礦化度水或返排水配制的要求。而“水包水”乳液減阻劑在生產(chǎn)過程中不需要使用大量的有機溶劑，更加安全環(huán)保；但產(chǎn)品的有效含量不高，減阻劑相對分子質(zhì)量不如反向相乳液聚合法合成的高。

2.3 表面活性劑

具有特定結(jié)構(gòu)的表面活性劑分子在一定的水溶液環(huán)境下可自組裝形成線性蠕蟲狀膠束，這些膠束隨著濃度升高而相互纏結(jié)，宏觀上表現(xiàn)出類似于聚合物溶液的黏彈性，因此表面活性劑組裝體也可用于減阻。表1 歸納了文獻報道的表面活性劑減阻劑。

表1 表面活性劑減阻劑

表面活性劑類減阻劑目前主要包括非離子型、兩性離子型、陽離子型和陰離子型表面活性劑。Tamano 等［48］發(fā)現(xiàn)，加量為100 mg/L 的非離子表面活性劑油酸二甲基氧化胺（ODMAO）的減阻率可達73%。Wei等［49］報道了兩性離子表面活性劑三甲胺油酸酰亞胺（ZA）用于湍流減阻，加量為200 mg/L時的減阻率可達83%。采用陽離子表面活性劑作為減阻劑時，需加入一定量的水楊酸鈉作為穩(wěn)定劑，其目的是為陽離子表面活性劑提供反離子，使其能夠形成穩(wěn)定棒狀膠束［50-51］。Ró aDski［52］研究了陽離子表面活性劑十六烷基三甲基氯化銨（CTAC）和水楊酸鈉混合溶液的減阻特性，發(fā)現(xiàn)加量在300 mg/L時的減阻率可達到73.7%。Suzuki等［53］分析了陽離子表面活性劑二羥乙基油酸甲基氯化銨和水楊酸鈉混合溶液用于減阻的可行性，發(fā)現(xiàn)加量為100 mg/L 時的減阻率為28%。Abdul-Hadi 和Khadom［54］分析對比了陰離子表面活性劑十二烷基苯磺酸鈉（SDBS）、十二烷基硫酸鈉（SDS）、月桂醇聚醚硫酸酯鈉（SLES）和硬脂酸鈉（SS）的減阻性能，發(fā)現(xiàn)這4 種表面活性劑的減阻作用大小順序為：SDBS ＞SDS ＞SLES ＞SS，且減阻率隨加量的增加而增加。同時，他們還發(fā)現(xiàn)，減阻率隨流體流速的增大而增加，這是由于在流體未達到湍流時，沒有明顯的減阻作用；隨著流體流速的增加，當流體從層流過渡為湍流時才開始顯示減阻作用。

與聚合物減阻劑相比，表面活性劑減阻劑的耐剪切性能更加優(yōu)異，但存在以下缺點：（1）在高剪切速率下，表面活性劑蠕蟲狀膠束結(jié)構(gòu)易被拆散成較小的膠束，使減阻率大幅下降；（2）表面活性劑只有在濃度必須遠遠超過臨界膠束濃度才產(chǎn)生有效的減阻，因此存在用量較大、成本較高的缺點；（3）陽離子表面活性劑一般具有生物毒性，壓裂返排液直接排放會造成環(huán)境污染。

2.4 聚合物-表面活性劑復(fù)合體系

通過添加少量的聚合物可起到減阻作用，但聚合物分子的機械降解是降低減阻作用的不可逆因素，而表面活性劑組裝體具有可逆的機械降解特征。因此，將表面活性劑加入聚合物溶液中，通過兩者之間的相互作用以形成一種超分子結(jié)構(gòu)，可望獲得更優(yōu)異的減阻性能。

Kim等［55］研究了聚丙烯酸（PAA）和SDS混合溶液體系在湍流中的減阻行為。在低pH 值下，PAA離解度低，線團收縮；當將SDS 引入PAA 溶液中可形成表面活性劑分子和聚合物分子之間的締合，增強聚合物分子間的結(jié)合力，從而使分子鏈更長，進而達到提高減阻率的目的。在pH=4 時，150 mg/L PAA+2307 mg/L SDS 的減阻率為35%，而單獨的150 mg/L PAA的減阻率僅為16%。

Matras等［56］分析了聚氧化乙烯（PEO）和十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）復(fù)合溶液作為減阻劑的可行性，結(jié)果表明，該復(fù)合體系結(jié)合了聚合物和表面活性劑兩種溶液的特征，與單一聚合物溶液相比，表面活性劑的加入提高了減阻性能。Fakhruddin等［57］研究了PEO 和SDBS 復(fù)合溶液的減阻特性，認為聚合物和表面活性劑之間的相互作用導(dǎo)致聚合物分子鏈從蜷曲狀轉(zhuǎn)變?yōu)樯煺範?，SDBS 聚集在PEO 分子鏈上，進而提高了PEO 的耐剪切性能，達到提高減阻性能的目的。

Liu等［58］研究了非離子型PAM和CTAC復(fù)合溶液的減阻性能。在Re=28，000 和溫度為35 ℃的條件下，加量為60 mg/L 的PAM 的減阻率為50%；而60 mg/L PAM+100 mg/L CTAC 的減阻率則可達70%。他們認為，表面活性劑和聚合物之間的疏水締合作用在提高減阻性能中起著至關(guān)重要的作用。在溶液中，CTAC在PAM周圍形成膠束，CTAC的疏水尾基和PAM 的疏水基團隱藏在水中，CTAC的親水頭基暴露于水中，并與周圍的水分子相互作用。CTAC 膠束有助于保護PAM 免受剪切應(yīng)力的影響，從而提高減阻性能。

3 影響減阻性能的因素

減阻劑濃度、相對分子質(zhì)量、分子結(jié)構(gòu)、分子鏈柔性以及礦化度、溫度、pH值、以及測試條件等因素均會影響減阻性能。

3.1 減阻劑濃度的影響

由于減阻被看成是單個減阻劑分子減阻貢獻之和，因此減阻劑濃度對減阻性能有重要影響。Kim等［55］研究了PAA濃度對減阻性能的影響，發(fā)現(xiàn)隨著PAA 濃度的增加，減阻率先增后減，達到最大減阻率的聚合物濃度被稱為“最佳濃度”。Sung等［24］和Kim 等［35］分別用PAM 和胍膠減阻劑得到類似結(jié)果。由于疏水締合聚合物存在疏水締合作用，減阻率隨濃度的增加表現(xiàn)出先增后減再增再減的變化規(guī)律［40］。Hadri 等［51］發(fā)現(xiàn)陽離子表面活性劑CTAC 的減阻率隨濃度增加而增大，陰離子表面活性劑如SDBS、SDS 和SS 等也有與陽離子表面活性劑類似的減阻行為［54］。

隨著聚合物濃度的增加，聚合物分子鏈增多，分子鏈間纏結(jié)增多，剪切作用不足以打開所有卷曲的分子線團，使能量被不可逆耗散，同時黏度增加也會導(dǎo)致流體的流動阻力增大，進而導(dǎo)致減阻率下降。疏水締合聚合物的第一次減阻率峰值出現(xiàn)是因為在極稀溶液中分子間距離較大，締合作用主要是分子內(nèi)締合為主，高分子鏈在剪切作用下自身解纏結(jié)，從而實現(xiàn)減阻；第二次減阻率峰值出現(xiàn)是由于當濃度大于臨界交疊濃度時，締合方式由分子內(nèi)締合轉(zhuǎn)變?yōu)榉肿娱g締合，在分子鏈上形成空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，黏彈性增加，湍流能量耗散增加，進而減阻率增加。

對于表面活性劑類減阻劑來說，其濃度需大于臨界膠束濃度才能形成膠束結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)高效減阻。

3.2 減阻劑相對分子質(zhì)量的影響

聚合物相對分子質(zhì)量是影響減阻性能的重要參數(shù)之一。Kim等［35］發(fā)現(xiàn)減阻率隨著胍膠相對分子質(zhì)量的增加而增加。Sohn 等［31］發(fā)現(xiàn)黃原膠也有類似的現(xiàn)象。Zhang等［37］研究了不同相對分子質(zhì)量共聚物（AM-co-AA）的減阻特性，濃度在10 mg/L條件下，相對分子質(zhì)量為1.5×107g/mol 的丙烯酰胺共聚物的減阻率（42.5%）大于相對分子質(zhì)量為5×106g/mol 的丙烯酰胺共聚物的減阻率（25%），說明減阻率與減阻劑相對分子質(zhì)量密切相關(guān)。Al-Yaari等［59］研究了3 種相對分子質(zhì)量（3×105、4×106和8×106g/mol）的PEO 在加量為50 mg/L 時的減阻性能，發(fā)現(xiàn)減阻性能隨相對分子質(zhì)量的增加而增強。這是由于聚合物溶液的黏度與聚合物相對分子質(zhì)量相關(guān)，隨著聚合物相對分子質(zhì)量的增大，分子鏈增長且分子鏈之間越容易纏結(jié)，黏度增加，進而減阻率增加。McCormick和Morgan［60］認為，減阻劑的相對分子質(zhì)量越高減阻性能越優(yōu)異。但過高相對分子質(zhì)量的減阻劑普遍存在溶解時間過長的問題，因此需要選擇合適的相對分子質(zhì)量的減阻劑以保證優(yōu)異的減阻性能。

3.3 減阻劑分子結(jié)構(gòu)的影響

減阻劑的減阻性能很大程度上取決于減阻劑的分子結(jié)構(gòu)。胍膠和黃原膠具有半剛性結(jié)構(gòu)，柔性較差，而PAM 是具有線性結(jié)構(gòu)的長鏈大分子，因此減阻性能優(yōu)于胍膠和黃原膠等天然高分子。表面活性劑蠕蟲狀膠束具有剪切誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)，剪切后結(jié)構(gòu)可以恢復(fù)，因此具有可逆的機械降解特征。盡管該類膠束具有與PAM相當?shù)臏p阻率，但黏度難以達到聚合物同等增黏水平，所以很難具備良好的攜砂性能。對于聚合物-表面活性劑體系，表面活性劑在聚合物分子鏈的復(fù)合在一定程度上保護了聚合物分子鏈免受剪切影響，同時兩者之間的超分子作用促使聚合物分子鏈進一步伸展，表現(xiàn)出更加優(yōu)異的減阻性能。

單體的結(jié)構(gòu)也是影響聚合物減阻性能的關(guān)鍵因素之一。引入AMPS、AA 和疏水單體，均可提高PAM 的減阻性能。聚合物的拓撲結(jié)構(gòu)也會影響減阻性能。Gramain 等［61］研究了線形、星形和梳形聚苯乙烯在甲苯中的減阻性能，發(fā)現(xiàn)分子鏈的支化程度大大降低了減阻率。Singh 等［34］認為，分子鏈更長或支化程度更少的聚合物具有更為優(yōu)異的減阻性能，這是由于與線性高分子相比，在相同的相對分子質(zhì)量的條件下，支化程度越高則其水動力體積越小，黏度越低，因此減阻性能越差。但Cole 等［62］通過對比分析四臂星型PAA 和線性PAA 的減阻性能發(fā)現(xiàn)，支化結(jié)構(gòu)對減阻率幾乎沒有影響；且重復(fù)減阻實驗30 次后，線性PAA 的減阻率下降約13%，而四臂星型PAA的減阻率基本保持穩(wěn)定，表現(xiàn)出更加優(yōu)異的機械穩(wěn)定性。

聚合物的減阻性能與其支鏈結(jié)構(gòu)有很大關(guān)系，一般來說，聚合物主鏈上帶有少量或較長的側(cè)基，在溶液中分子體積較大，會增加其減阻性能。此外，在高分子主鏈上接上少量的長支鏈后其減阻性能增強；而接上短支鏈后，其減阻性能降低。

3.4 減阻劑分子鏈柔性的影響

聚合物分子鏈的柔性同樣對減阻性能影響很大。Sifferman和Greenkorn［63］考察了PEO和羧甲基纖維素鈉（NaCMC）的減阻性能，在相同加量（3000 mg/L）下，PEO 的減阻率約80%，而NaCMC 的減阻率僅有約60%。PEO 是具有—［CH2—CH2—O］—重復(fù)單元的線性柔性聚合物，而NaCMC 具有半剛性結(jié)構(gòu)，因此PEO 具有更高效的減阻性能。Pereira等［32］發(fā)現(xiàn)，PEO 與PAM 具有類似的減阻性能，而黃原膠的減阻性能均低于上述兩種聚合物，因為黃原膠具有剛性骨架，而PEO 與PAM 均是柔性鏈。Singh等［34］通過將柔性高分子PAM接枝到黃原膠的剛性骨架上，提高了黃原膠分子鏈的柔性，達到提高減阻性能的目的。Eshrati 等［39］認為，分子鏈的柔性促進了聚合物分子鏈間聚集體的形成，提高了聚合物的減阻性能。因此，具有柔性鏈結(jié)構(gòu)的聚合物在溶液中更舒展，易變形，有利于減阻。

3.5 礦化度的影響

Sohn 等［31］發(fā)現(xiàn)NaCl 對黃原膠減阻性能有促進作用，而Hong等［33］發(fā)現(xiàn)黃原膠減阻率隨KCl濃度的增加而降低。Nguyen等［64］研究了PAM共聚物在不同礦化度下的減阻性能，當?shù)V化度為20000 mg/L和雷諾數(shù)為350000時，減阻率從清水時的38%下降到20%。Kamel和Shah［65］也研究了礦化度與HPAM減阻性能的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)隨著礦化度的增加，HPAM溶液的減阻率降低，這是因為鹽的加入破壞了聚合物分子鏈間的氫鍵作用，減少了分子鏈之間的纏結(jié)，分子鏈更加蜷曲，線團尺寸縮小。在湍流條件下，鹽的存在使聚合物分子鏈的拉伸更加困難，導(dǎo)致減阻性能下降。通過引入耐鹽單體可以提高聚合物的耐鹽性能，使分子鏈更伸展，提高減阻性能。

3.6 溫度和pH值的影響

Sung等［24］對比了溫度對PAM和PEO減阻性能的影響，溫度升高導(dǎo)致PAM 初始減阻率增加，但不會隨時間延長而顯著降低。而對于PEO，初始減阻率同樣隨溫度升高而增加，但由于溫度升高導(dǎo)致分子鏈降解速率加快，所以減阻率隨著時間的延長而顯著降低。AM 共聚物的減阻率隨溫度的變化與PAM的結(jié)果相似［37］，共聚物溶液的初始減阻率隨溫度的升高而增大，這是由于溫度升高會破壞分子間的氫鍵作用，導(dǎo)致黏度降低，使雷諾數(shù)略微增加，最終有利于初始減阻率的提高。Sohn等［31］研究發(fā)現(xiàn)，黃原膠在50～60 ℃時的減阻率比在室溫時的更高，這是因為在高溫下氫鍵作用會被破壞，黃原膠構(gòu)象由有序變?yōu)闊o序，解纏成單個黃原膠分子，使減阻率增加。

Hadri 等［51］研究了溫度對表面活性劑減阻特性的影響。加量為25 mg/L時，在10～20 ℃范圍內(nèi)減阻率基本一致，但在25～40℃范圍內(nèi)減阻行為消失；但加量達到150 mg/L 時，50 ℃時的減阻率高達83%。表面活性劑的減阻性能與其形成的膠束結(jié)構(gòu)有關(guān)，溫度升高導(dǎo)致表面活性劑分子運動加快，削弱了表面活性劑分子的水合作用，分子間的締合作用變?nèi)?，已存在的膠束結(jié)構(gòu)離解，導(dǎo)致減阻行為消失。因此，溫度較高時，需要高加量的表面活性劑才具有減阻作用。同時，減阻性能與溶液的pH 值有很大關(guān)系。Kim 等［55］發(fā)現(xiàn)，在pH=4 時，PAA 的減阻率低于pH=7 和11 時的減阻率，因為在pH=4 時PAA線團更緊密，而在高pH值時PAA線團更伸展，也進一步說明聚合物的減阻性能與其在溶劑中的大分子構(gòu)象有關(guān)。

3.7 管道直徑和幾何形狀的影響

Karami和Mowla［66］研究了3種不同聚合物溶液在不同管道內(nèi)徑下的減阻率，發(fā)現(xiàn)減阻率均隨管道內(nèi)徑的增加而減小。Zhao 等［67］研究了乳液聚合物在管道內(nèi)徑分別為3、10和12 mm時的減阻率，同樣發(fā)現(xiàn)乳液聚合物的減阻率隨管道內(nèi)徑的增大而減小。Abdul-Hadi 和Khadom［54］研究了4 種不同陰離子表面活性劑的減阻性能與管道直徑的關(guān)系，其減阻率均隨管道內(nèi)徑的增大而增加。這是因為在相同的雷諾數(shù)下，較小管道具有更大的流速，導(dǎo)致壁面剪切應(yīng)力較大，膠束破壞程度也更大，因此，在相同表面活性劑濃度的情況下，小管道的減阻率低于大管道的。

管道直徑對不同類型減阻劑的減阻性能影響不同，但文獻中大多數(shù)的減阻性能研究都基于直管，而彎管中的摩擦損失明顯高于直管［68］。Fox 和Bainum［69］對比研究了聚合物水溶液在直管和彎管中的減阻性能，濃度為155 mg/L 時，直管中減阻率為81%，而彎管中的減阻率為69%。對于彎管來說，曲線的彎曲程度同樣影響減阻性能。Shah 等［70］采用曲率比為0.01、0.019 和0.031 的彎管研究AM 共聚物的減阻性能，發(fā)現(xiàn)減阻率隨曲率比的增大而減小。Zhou 等［71］報道了胍膠和黃原膠在不同曲率比彎管中的減阻率，發(fā)現(xiàn)彎管中的減阻率比直管減少10%～30%，這可能是由于在彎管中的彎曲流動引起額外的流動阻力造成的結(jié)果，但Zhou［72］認為是彎管延遲了湍流的發(fā)生，因此造成減阻性能下降。

3.8 壁面粗糙度

Yang 和Gou［73］研究了聚合物在粗糙管道中的減阻性能，結(jié)果表明，在相同的雷諾數(shù)和聚合物溶液條件下，粗糙管道的減阻率小于光滑管道。Shah和Kamel［74］通過研究管道粗糙度對HPAM減阻性能的影響，發(fā)現(xiàn)管道粗糙度可明顯降低減阻率。這是由于管道粗糙度的增加導(dǎo)致剪切應(yīng)力增加，造成聚合物機械降解，使減阻性能下降。因此，為了達到與光滑管道相當?shù)臏p阻率，需要增大聚合物加量，但同時也增加了操作成本。Ró aDski［52］研究了表面活性劑CTAC 在粗糙管道中的減阻行為，發(fā)現(xiàn)CTAC在粗糙管道中的減阻效果優(yōu)于在光滑管道中的，分析認為當CTAC溶液流過粗糙管道時，由于管道表面的不規(guī)則性而產(chǎn)生額外剪切應(yīng)力，導(dǎo)致微觀結(jié)構(gòu)的變化，提高了減阻性能。此外，Vlachogiannis和Hanratty［75］研究了波浪形表面與減阻性能的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)波浪形表面的減阻率高于光滑表面的減阻率，說明壁面的形狀同樣影響減阻性能。

4 減阻劑在非常規(guī)油氣開發(fā)中的應(yīng)用

中國石油西南油氣田分公司采用自主研發(fā)的滑溜水壓裂液在長寧-威遠國家級頁巖氣示范區(qū)進行了5 井次的水平井分段壓裂，現(xiàn)場減阻率為66%～75%，累計增加井口測試產(chǎn)量36.2×104m3/d［76］。針對頁巖氣開發(fā)對水資源的消耗和對環(huán)境的影響，該公司采用壓裂返排液配制滑溜水，并在長寧-威遠地區(qū)H26-4、NH3-（4，5，6）和NH2-（4，5，6）平臺成功應(yīng)用，減阻率介于60.3%～79.3%之間，壓裂后獲得高產(chǎn)工業(yè)氣流［77-78］。根據(jù)四川頁巖儲層特征，該公司采用反相乳液聚合法制備了適用于四川頁氣體積壓裂的滑溜水減阻劑，并成功應(yīng)用8井次，降阻率達65.5%～68.3%、平均返排率為18%～55.5%、累計井口測試產(chǎn)量6.24×104～11.35×104m3/d［79］。

中國石化石油工程技術(shù)研究院［45］采用反相乳液聚合法制備了新型滑溜水減阻劑，并在青海、江漢、華北等油田的6 口致密薄互儲層井及2 口頁巖油氣水平井壓裂中成功應(yīng)用。壓裂液返排率和見油時間明顯好于同類型致密薄互儲層壓裂井，初期日產(chǎn)油量達到6 t，后期穩(wěn)產(chǎn)階段達到4 t左右，是相鄰區(qū)塊的3～4倍。在頁巖氣水平井壓裂中，減阻劑的溶脹速率快，易于配制，現(xiàn)場測試滑溜水減阻率達到65%。

中國石化石油工程技術(shù)研究院針對深層頁巖埋藏深、巖性差異大、地應(yīng)力高等地質(zhì)特征，提出了預(yù)處理酸、滑溜水和膠液的組合壓裂模式，并在丁頁2HF 井完成了12 段壓裂，壓后初期產(chǎn)氣量達10.5×104m3/d，提高了深層頁巖壓裂的有效性［80］。

中國石化南方勘探分公司采用滑溜水和線性膠組合壓裂液在涪陵地區(qū)進行4口探井的分段壓裂改造，累積井口測試產(chǎn)量91.74×104m3/d［81］。中國石化石油工程技術(shù)研究院在涪陵頁巖氣田西南區(qū)塊E2和E3井實施滑溜水壓裂，鋪砂濃度明顯提升，平均測試產(chǎn)氣量為21.2×104m3/d，提高43%，增產(chǎn)效果顯著［82］。

劉寬等［83］針對減阻劑抗鹽能力差的問題研發(fā)的疏水締合聚合物抗鹽型減阻劑GAF-RP，在120 s內(nèi)達到最大減阻率80%，抗鹽25×104mg/L，抗Ca2+1000 mg/L，表面張力低于27.1 mN/m，防膨率大于70%，傷害率小于5%。該減阻劑在吉林油田成功應(yīng)用，減阻率為78.2%，壓后返排率為49.6%。

勝利油田采用自主研發(fā)的滑溜水壓裂液現(xiàn)場實施3 井次，成功率100%，平均返排率38.6%，壓裂前平均產(chǎn)油0.28 m3/d，壓裂后平均產(chǎn)油5.8 m3/d，增產(chǎn)效果明顯［84］。

中國石油西南油氣田公司天然氣研究院［85］針對川中沙溪廟致密油藏特低孔、低滲的特征，采用“滑溜水+凍膠”混合壓裂技術(shù)成功應(yīng)用2井次，獲得了良好的儲層改造效果，現(xiàn)場減阻率達60%，且返排率高于40%，平均日產(chǎn)油22.55 t。

中國石化華北石油工程公司［86］針對鄂爾多斯盆地杭錦旗區(qū)塊存在致密氣藏儲層物性較差、單一裂縫無法有效擴大儲層改造體積和壓裂后初期產(chǎn)量低等問題，采用滑溜水、線性膠和交聯(lián)液的組合壓裂模式在杭錦旗區(qū)塊5 口井完成了41 段的體積壓裂，平均無阻流量達15.95×104m3/d。

中國石化河南油田［87］采用滑溜水在南襄盆地泌陽A1 井實施壓裂，總液量2280.56 m3，排量達9.0～10.73 m3/min，返排率32.28%，最高日產(chǎn)油4.68 m3，使泌陽凹陷成為我國首個取得陸相頁巖油突破的地區(qū)。

Trican Well Service 公司采用新型高耐鹽性減阻劑配制的滑溜水壓裂液，在Horn River 地區(qū)頁巖氣井成功應(yīng)用4井次，減阻性能優(yōu)異，頁巖氣壓裂效果大幅提高［88-89］。B J Services 公司在Granite Wash采用低傷害減阻劑實施水力壓裂，現(xiàn)場減阻率高達80%，增產(chǎn)油47%，增產(chǎn)天然氣30%［90］。

5 總結(jié)與展望

胍膠等天然高分子減阻劑的減阻率較低且不溶性物質(zhì)含量相對較高，易堵塞滲流通道。表面活性劑類減阻劑的減阻效果較好，但其黏度較低，攜砂性能較差，同時存在用量較大、成本較高及環(huán)境危害大的缺點。PAM 類合成高分子減阻劑具有成本較低、減阻效果好的優(yōu)勢，其中粉末狀聚丙烯酰胺的相對分子質(zhì)量高，溶解速率慢，乳液狀減阻劑在短時間能完全溶解，可滿足壓裂施工過程中的在線混配，但“油包水”型乳液狀減阻劑對環(huán)境污染較大，而“水包水”型乳液減阻劑對環(huán)境污染較小，但其有效含量不高。PAM類減阻劑易產(chǎn)生吸附滯留，造成儲層傷害。雖然破膠劑的加入可有效降低PAM類減阻劑對地層的傷害，但存在破膠時間難以控制的問題。將表面活性劑加入聚合物溶液中，通過兩者之間的相互作用可獲得優(yōu)異的減阻性能，但同時也帶來了表面活性劑的成本高和對環(huán)境危害大的問題。

減阻性能的影響因素復(fù)雜，不僅與減阻劑結(jié)構(gòu)、相對分子質(zhì)量和分子鏈柔性有關(guān)，還與測試條件如溫度、pH、礦化度、管道粗糙度和彎曲程度有關(guān)。對于減阻機理來說黏性理論和彈性理論都認為減阻的發(fā)生是由于減阻劑分子和湍流之間的相互作用，其中減阻劑分子鏈的狀態(tài)起著重要作用。因此，實現(xiàn)高效減阻的關(guān)鍵在于如何使聚合物處于拉伸狀態(tài)，即使在高溫高鹽等特殊環(huán)境下也是如此。表面活性劑減阻作用雖已被研究，但人們對于其減阻機理尚不明晰，并沒有進行系統(tǒng)研究。面對目前非常規(guī)油氣開發(fā)成本高且環(huán)保壓力大的問題，開發(fā)減阻性能優(yōu)異、對儲層傷害低且能重復(fù)利用的環(huán)保型“智能高分子”減阻劑將是未來的研究重點。