水力压裂作为北美页岩气开发的一种主要技术手段，可通过产生人造裂缝来增加储层渗透率，从而实现石油或天然气的有效开采[1]。随着常规油藏的开采殆尽，非常规储层正逐渐成为开采和研究的重点领域。但由于非常规油藏所具有的超低孔隙率和渗透率，无疑为开发手段和开采效率带来了诸多困难与挑战[2, 3]。近年来，纳米技术在非常规储层水力压裂增产中的应用引起了广泛的关注。纳米粒子的尺寸很小，粒径通常在1-100 nm的范围之间，这种小粒径的特性在压裂过程中能够有效提升纳米流体材料在地层中的扩散效率。与相同尺寸的小分子或大分子相比，纳米粒子总是能够表现出迥然不同的特性，这是由于超小的尺寸使纳米颗粒具有更高的原子密度和更大的比表面积，更易于与其它物质之间产生相互作用或形成化学键[4, 5]。另外，几乎所有纳米材料的表面都存在着大量的活性位点，能够为材料表面的化学修饰及改性提供便利[6]。而表面改性后的纳米材料就能具备更多能够满足非常规储层水力压裂施工中各阶段不同需求的理化性能，如可控的表面润湿性、可调节的微粒运移性、剪切增稠性、防腐耐磨性等特殊功效。将纳米材料的独特性质与传统水力压裂技术相结合，便能更有效地突破油气田水力压裂过程中的各种技术瓶颈。
1 前置液纳米添加剂
压裂过程中，为了确保后续携砂液能够顺利进入地层，需要在施工初期注入前置液以压开地层并降低地层温度。传统的前置液中，为了降低压裂液的滤失量、提高压裂施工效率，通常会加入诸如陶粉、硅粉或一些油性的树脂材料以对地层中的细小裂缝进行封堵。然而，由于这些传统的降滤失材料粒径尺寸都较大，只能封堵地层中的一些大中尺寸裂缝，而对于尺寸较小的微裂缝则很难实现有效封堵，故而起到的降滤失作用大大受限。
前置液纳米添加剂的使用则可有效解决这一问题。由于纳米材料自身具有较高的比表面积和表面能，很容易与岩石矿物表面之间产生引力作用而形成吸附，改变储层表面润湿性，从而起到改变储层中油水渗透率的作用以降低压裂液的滤失。另外，存在于纳米材料表面上的活性位点也为其表面改性提供了便利条件。曾有研究表明，在压裂前置液中加入疏水改性后的纳米二氧化硅粒子能够有效降低压裂液的滤失。这是由于表面疏水的二氧化硅粒子能够通过氢键或疏水相互作用在储层表面上发生吸附，将储层表面原本亲水的润湿性转变为亲油。更为难得的是，这些纳米粒子在原油的采出过程中，又会依靠自身亲油的特性与原油一起离开储层，使岩石表面在开采过程中保持水湿特性，从而不对采收效率造成影响[7]。
2 压裂液纳米添加剂
作为在压裂施工中直接注入地层的流体介质，压裂液的性能优劣将直接影响最终的压裂施工效果和成败。随着非常规储层开发占比的日益增长，压裂施工过程中对压裂液的要求也随之发生了改变，常规压裂液很难满足致密低渗储层的压裂需求，而纳米技术的发展则为当前压裂液所面临的困境提供了新的解决思路。
2.1 纳米交联剂
交联剂是压裂液中一种主要的添加剂，能够使常规压裂液中的聚合物分子之间产生化学键，将小分子的线性聚合物彼此连在一起，形成网状结构，从而使压裂液呈现出一种高粘度的凝胶状态，进而提升压裂液的造缝和携砂能力。尽管常用的硼、锆等交联剂已经使用了近半个世纪，但是随着胍胶价格的持续上涨以及人们环保意识的增强，新型交联剂的开发已迫在眉睫。
纳米材料表面上大量的活性位点不仅有利于其表面改性，若把它们作为交联位点，则为纳米交联剂的应用提供了可行性。有研究表明，在纳米颗粒表面上接枝硼酸根离子，只需传统硼酸使用量的二十分之一，便能够使胍胶在更低的浓度下发生交联，并形成强度和粘度都更高的冻胶。由于使用纳米交联剂能够有效减少聚合物的用量，不仅节约了压裂施工成本，还有效防止了压裂过程中聚合物团聚物的沉积。
2.2 纳米降阻剂
滑溜水是一种较为常见的水基压裂液，由于其对地层伤害小并能够有效降低管内摩阻而在非常规油气田开发中得到了较为广泛的应用。降阻剂则是滑溜水体系中最重要的添加剂，是降阻性能优劣的关键所在，同时也决定了整个滑溜水体系的应用范围。
随着纳米技术在石油工业中的逐渐普及，纳米复合降阻剂也以其在压裂液中的迅速分散、低生物毒性和高强度耐剪切等性能成为了近来的研究热点。选取机械性能和耐温性能良好的纳米粒子，并利用具有特殊功能的有机聚合物分子对纳米粒子进行表面改性，从而得到兼具二者优点的复合纳米降阻剂材料。实验室内结果表明，纳米复合降阻剂产品的溶解能力较强，不易起泡、具有较强的抗盐性且耐温可达130℃。这是由于所制备的纳米降阻剂材料既保留了纳米粒子表面的亲水基团，又赋予了其一层疏水聚合物外层。使得纳米降阻剂材料不仅能够在储层岩石表面上形成一层牢固的吸附膜，还能够利用自身的疏水性能在岩石表面上产生一层类似于“气垫”的隔层将水层与岩石表面相隔开。
2.3 纳米破胶剂
在水力压裂的过程中，通过加入水基聚合物凝胶来增加压裂用流体粘度是一种使用较为广泛的方法。利用这种方法压裂后，则必须使用破胶剂将凝胶降解至可返排的粘度。现在常用的两种破胶剂注入方法分别是直接注入法和控制释放法。直接注入法顾名思义就是将破胶剂直接注入到地层之中，但是这种方法很可能会导致凝胶的过早破裂，不利于裂缝的有效扩展和后续支撑剂的运输。控制释放法则是将破胶剂封装在一个小的囊泡中，当囊泡进入到地层后所受压力随之增大，当压力增大到一定程度后，囊泡便会破碎从而释放出破胶剂。然而这种方法在使用过程中，囊泡又大概率会无法均匀的分布在整个凝胶之中，容易因无法完全破胶而降低裂缝的导流能力。
2.4 其他纳米添加剂
由于纳米粒子自身具有较高的比表面积和表面能，当其加入到含有聚合物的压裂液之中后，纳米粒子之间会产生引力作用而形成团聚，这些聚集体的存在便能够对压裂液体系的性能产生影响。例如，加入了氧化锌纳米粒子的压裂液与空白组相比，高温低剪切速率下的粘度明显升高，是空白组的五倍左右。而在60℃的温度下，加入纳米粒子的压裂液表现出了更好的悬砂能力和抗滤失性。又如，美国的贝克休斯公司研究表明，通过两种不同纳米颗粒的混配，可以增强表面活性剂基液的稳定性，这是由于不同纳米粒子所具备的特殊性能在混合后能够产生协同效应，从而改善基液的流动性并降低滤失。而且还能够在高温条件下实现海水对淡水的替换，极大的降低了压裂施工成本。此外，Fakoya等人通过调整压裂液中纳米二氧化硅颗粒的比例，研究了不同纳米颗粒浓度对压裂液体系流变性和抗滤失性的影响，发现加入浓度为0.002％的聚合物纳米流体后，压裂液不仅表现出了更好的流变性能，还能大幅降低压裂液的滤失并提高裂缝导流能力。证实了加入聚合物纳米流体不仅能够提高非常规油藏的产量，还能有效节约材料成本，提高压裂施工的经济效益。
3 纳米支撑剂
水力压裂所面临的主要挑战之一便是如何在释放压裂压力后使孔径狭小的纳米或微米级裂缝保持打开状态。与闭合或破碎的裂缝相比，开启的裂缝能够较为显著的提高导流能力。为了推动油气资源从地层向井筒的迁移，通常使用支撑剂以抵抗闭合应力并保持裂缝的开放，为油气资源的流动提供更多的通道。常规的砂基支撑剂、树脂涂层支撑剂以及陶瓷支撑剂虽然能够较为有效的提高储层渗透性并在压裂作业后保持烃类的可流动性。但是由于这些支撑剂的尺寸往往较大，仅适用于支撑较大的天然裂缝，而无法进入到狭小的裂缝中防止纳米或微米级裂缝的闭合。
4 结论与展望
目前，水力压裂仍是开采非常规储层的主要形式之一，如何能够在储层条件下保持优异的流变特性以及最小化对地层的伤害是压裂液开发过程中最为重要的环节。近年来，随着纳米技术的应用，人们对利用其改善水力压裂技术的兴趣也日益浓厚。各类有关于水力压裂过程中纳米技术应用的研究结果表明，纳米材料所具备的诸如尺寸小、比表面积高、强度和稳定性等性质，可用于开发压裂液前置液、压裂液添加剂以及纳米支撑剂等材料，具有巨大的应用潜力。可借助各类先进的手段和方法实现对纳米材料与压裂液中各组分及储层表面之间相互作用机理的精准研究，从而将成熟的理论探索应用到油田现场生产之中，为石油工业的发展提供可靠的技术支持，并力求更快地将科技成果转化为实际生产力。
参 考 文 献
References
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作者简介：
眭世元（1985年） 毕业于中国石油大学（华东）石油工程专业，中级职称 主要从事储层改造中工艺流程 流体材料和添加剂的研发相关项目攻关工作。
