２００５年６月　青海石油　第２３卷第２期　
泡沫压裂液添加剂与压裂方法（美国专利介绍）　

１．概　述　
单静　邵永恒谢政译　
（青海油田公司钻采工艺研究院）　

该项发明提供了多种环保型泡沫压裂液添加剂与地层压裂方法，这些添加剂可使压裂液　
泡沫化并使之稳定。这些泡沫压裂液的基本构成：水、稠化剂（用于水的稠化并增加其粘度）、大　
量气体（用于泡沫化）及大量的添加剂（用于稠化水的泡沫化作用与稳定作用），这些稠化水又　
由水合角朊构成。　

２．有关说明　
（１）地层压裂方法含有以下过程：准备泡沫压裂液，它由水、稠化剂、气体与添加剂组成；　
用上述液体压裂地层并至少产生一条裂缝。　
（２）上述压裂液中的水由淡水、盐水组成。　
（３）上述压裂液中的交联剂由乳甘露、纤维衍生物及生物聚合物组成。　
（４）上述乳甘露由胍胶、羟丙基胍胶与羧甲基羟丙基胍胶组成。　
（５）上述稠化剂是一种纤维衍生物，它由羟乙基纤维，羧甲基羟乙基纤维及羟乙基纤维组　
成（含乙烯基磷酸）。　
（６）上述稠化剂是一种磺原酸胶。　
（７）上述稠化剂的含量是水成份重量的０．１２５％一０．３７５５％。　
（８）上述气体由空气、氮气组成。　
（９）上述气体的体积是水体积的２０％一８０％。　
（１０）上述水合角朊占水体积的０．２％一１％。　
（１１）上述压裂液含有交联剂。　
（１２）交联剂由硼化合物及另外一种化合物（后一种化合物可提供锆Ⅳ离子、钛Ⅳ离子、铝　
离子与锑离子。）　
（１３）交联剂的数量是稠化剂重量的０．００１％一０．１％。　
（１４）添加剂由碳、过氧化氢、硫化铜及溴化锌组成。　
（１５）压裂液中有支撑剂。　

带单静，女，工程师，１９８９年毕业于石油大学钻井工程专业，现在钻采工艺研究院设计科工作。　

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青海石油　２００５年６月　
（１６）支撑剂由无包层砂、树脂包层砂、烧结铝土砂、陶瓷粒与玻璃珠组成。　
（１７）支撑剂浓度是１～１０磅／加仑压裂液。　

３．综合论述　
对地层进行水力压裂时，常用粘性胶体压裂液，以提高油气产量，在一定的速度、压力下把　
压裂液泵人井内而使地层产生裂缝，压裂液携带的砂粒亦随之进入地层，地层中的压裂液破胶　
．　
后，原来呈悬浮状态的砂粒即在地层中沉淀，这些砂粒阻止裂缝闭合并提供油气通道。裂缝形　

成并得到支撑后，对压裂液进行返排，返排作用主要靠压裂液中的延迟破胶剂（在地面与压裂　
液混合）。延迟破胶剂有酸性破胶剂、氧化破胶剂与酸破胶剂。　
压裂时压裂液的密度必须较低，以避免对地层产生过高的静水压力，因此已研制了一系列　
轻质压裂液，包括泡沫压裂液，泡沫压裂液包括多种表面氧化剂，如泡沫剂与泡沫氧化剂，然而　
这些表面活性剂还未达到环保要求，即这些表面活性剂与地表水混合时还不能完全降解（而造　
成水污染）。　
因此，需要进一步对泡沫压裂液进行改进、对泡沫剂与稳定剂进行改进（二者在地表中完　
全降解并产生无害物质）及对泡沫压裂液的使用方法进行改进。　
（１）改进后的产品　
改进的产品是泡沫压裂液、泡沫添加剂（用于压裂液的泡沫化与稳定化，对环境无害）。泡　
沫压裂液的基本组成有水、交联剂（用于稠化水的形成及其粘度提高）、大量气体（用于产生泡　
沫）及环保型添加剂（用于稳定稠化水的化学性质，它由水合角元构成）。添加剂先加至清水中，　
然后再加至压裂液中，最后加入气体以形成泡沫压裂液。　
（２）改进产品的使用方法　
压裂液中的水可以是淡水或盐水，盐水可以是饱合盐水或不饱合盐水，水中加入交联剂以　
形成稠化水，有多种交联剂（包括天然多糖化合物或合成多糖化合物）。也使用了改性交联剂，　
如羧烃基羟衍生物（羧甲基胍胶、羟丙基胍胶），还使用了双衍生物胶体（羧甲基羟丙基胍胶）。　
上述基本物质的改性纤维及衍生物也可作为交联剂，水溶性纤维乙醚包括羧甲基纤维、羧　
甲基乙荃纤维、烃乙基纤维、甲羟基丙荃纤维、甲基纤维、乙基纤维、丙基纤维、基纤维、乙羟基　
甲荃纤维、甲荃乙基纤维与羟丙基甲荃纤维等，但是优先使用了羟乙基纤维与羟乙基甲纤维　
（最常用的纤维衍生物是乙基纤维，它由乙烯磷酸配制而成）。　
其它的交联剂还有：①生物聚合物，如磺原酸；（　水溶性有机聚合物，其分子重量大于　
１０００００，如聚丙烯酰胺与聚甲基丙烯酰胺，其中７５％～５％的羟基酰胺经羟基化而形成羟基功　
能团，７５％～５％丙烯酸或甲基丙烯酸的共聚物与丙烯酰胺或甲基丙烯酰胺发生了共聚反应，　
这些水溶性有机聚合物可以与交联剂发生反应，这种交联剂的成份有水、锆化合物（化合价　
４）、羧基酸与氨化物；③蟹合有机交联剂。　
在上述交联剂中，由乳甘露、纤维衍生物与生物聚合物组成的交联剂得到了优先使用：①　
在乳甘露交联剂系列中，胍胶、羟丙基、胍胶与羧甲基、羟丙基胍胶得到了优先使用；②在纤维　
衍生物交联剂系列中，羟基乙基纤维、羧甲基羟乙基得到了优先使用（含有乙烯基磷酸）；③在　

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第２３卷第２期　单静：泡沫压裂液添加剂与压裂方法（美国专利介绍）　６９　
生物聚合物交联剂系列中，磺元酸酯胶得到了优先使用。泡沫压裂液中的气体是空气或氮气，　
优先使用氮气，其体积占水体积的２０％一８０％。　
用于压裂液的泡沫化与稳定化的介质是一种环保型水解角元添加剂，ｈｏｏｆ与ｈｏｒｎ　ｍｅａｌ发　
生水解作用后形成这种添加剂：在高压容器中用石灰对ｈｏｏｆ与ｈｏｒｎ　ｍｅａｌ进行加热，其产物是　
水解蛋白质（粉沫状），它含有８５％的蛋白质，在剩余的１５％成分中，有０．５８％的非溶性物质与　
少量的可溶性物质（后者的主要成分一一ＣａＳＯ　、Ｍｇｓｏ　与ＫＳＯ　）。　
预先在水溶液中以４０％的重量比对这种水解角朊蛋白质进行溶解。溶液中还可加抗冻剂　
以方便寒冷地区的贮存与运输。抗冻剂的加量是０．１％　０．１２５％（重量比）。　
为了进一步提高压裂液中稠化水的粘度，在稠化水中加入交联剂。交联剂的使用量是　
０．００１％一０．１％（重量比）。　
如果需要再进一步提高泡沫压裂液的粘度与稳定性，那么还可使用一种粘度增强剂。　
如前所述，压裂液中还含有支撑剂，如树脂包层砂、非包层砂、烧结铝土、陶瓷材料与玻璃　
珠，其使用量是每加仑压裂液１　１０磅。　
常用的泡沫压裂液有以下几种成份：淡水、稠化剂（乳甘露、纤维衍生物与生物聚合物）、大　
量氮气与少量的添加剂，常用的压裂方法有以下几个过程：（ａ）准备泡沫压裂液（ｂ）地层压裂。　
以下列举２个配液实验，以便对上述作补充说明：　
【例１］在Ｗａｒｉｎｇ混合器中加入１升自来水与２％的ＫＣ１溶液，再加入２．４ｇ烃丙基胍胶（２０　
磅／１０００加仑），加入一种钠化合物以调节其ＰＨ至６．０，充分搅拌溶液２０ｍｉｎ以保证胍胶完全水　
化，利用Ｆａｎｎａ３５型粘度仪测其粘度，在３００ｒｐｍ时测值是１２ＣＰ，这时的溶液称为稠化水。　
取１００ｍｌ稠化水放人另一个混合仪，以非常低的速度加入０．５ｍｌ角朊泡沫剂以产生泡沫，　
逐步增加搅拌速度直至泡沫液的高度不再增加，这时加入６０克２０／４０的砂粒（５磅／加仑），边　
加边搅拌以保证砂粒均匀分布。　
把上述液体倒人５００ｍｌ带刻度的容器中以观察沉淀现象，室温下１小时后有５％的砂粒发　
生沉积现象，即９５％的砂粒呈悬浮状态。　
【例２］　在Ｗａｒｉｎｇ型混合仪中加入１升自来水及２％的ＫＣ１溶液，再加入２．４ｇ烃丙基胍　
胶（２００磅／１０００加仑），用双蜡酸钠将混合物的ＰＨ值调至６．０，再充分搅拌２０ｍｉｎ而使胍胶充　
分水化，经Ｆａｎｎａ３５型粘度仪测试，其粘度在３００ｒｐｍ时是１２ＣＰ，这是第１种混合液。准备第２　
种　昆合液，其成分有：１０ｍｌ自来水，泡沫稳定剂（含２克磺化钠）及１．６６克碘。　
取１００ｍｌ第１种混合液（水合稠化液）并放人Ｗａｒｉｎｇ型混合仪中，在搅拌过程中先加入　
０．５ｍｌ第２种混合液，再以很低的搅拌速度加入０．５ｍｌ角朊泡沫剂以产生泡沫。　
搅拌速度逐步增加直至泡沫的高度不再上升。加入２０／４０砂粒并同时搅拌以保证砂粒均　
匀分布。把以上液体倒人５００ｍｌ带刻度的容器中以观察沉砂现象。在室温下，１小时后发现有　
极少的砂粒发生沉积，即有９９％以上的砂粒呈悬浮状态。　
因此，采用该项发明中的技术可达到本文所讨论的目的及其它有关要求。　

译自“美国专利”，专利号６，４５４，００８　

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