西南石油大学-压裂液概述及新型压裂液演示文档

.,压裂液概述及新型压裂液简介,2014.11.03,.,一、压裂液概述,.,压裂就是利用地面高压泵车(组)，以高于储层吸收能力的速度，向井下注入高粘度压裂液，使井筒内压力增高，一直达到克服地层的压缩应力和岩石的张力强度，岩石出现破裂，形成对称于井眼的裂缝的过程。,压裂的原理,.,在注入压裂液时携带一定粒径的固体支撑物（粒径0.41.0mm的天然石英砂或人造高强度陶粒），使其按需要模式停留在裂缝里，使支撑裂缝保持一定的张开程度。在压裂液破胶返排后，这些裂缝为地层中的油气提供了高导流能力的通道，从而提高了油气井的产量。酸压是指在高于储层破裂压力或天然裂缝的闭合压力下，将酸液挤入储层，在储层中形成裂缝，同时酸液与裂缝壁面发生反应，非均匀刻蚀缝壁岩石，形成沟槽状或凹凸不平的刻蚀裂缝，施工结束后裂缝不完全闭合，最终形成具有一定几何尺寸和导流能力的人工裂缝，改善油气井的渗流状况。,压裂的作用与目的,.,无支撑剂的错位缝面粗糙裂缝面错位支撑，具有一定的导流能力。,无支撑剂的吻合缝面粗糙裂缝面完全闭合，裂缝几乎无导流能力。,含支撑剂的吻合缝面粗糙裂缝面无错位，少量支撑剂，有一定导流能力。,含支撑剂的错位缝面粗糙裂缝面错位支撑和少量支撑剂支撑，裂缝具有高导流能力。,几种裂缝的导流能力,.,1.滤失量低;2.悬浮性能好;3.摩阻损失小;4.对地层渗透率损害小（配伍性好、低残渣、易返排）;5.性能稳定（热稳定性、剪切稳定性）；6.成本低。,压裂液是压裂改造油气层过程中的全部工作液。它起着传递压力、形成地层裂缝和沿着张开的裂缝输送支撑剂的作用。压裂液是个总称，注入井内的压裂液在不同的阶段有各自的任务。,压裂液的作用及性能,.,相应阶段的压裂液粘度控制应满足以下要求： 泵送阶段的压裂液初始粘度控制在满足悬砂和低摩阻的适中水平；造缝阶段的压裂液粘度尽可能达到最大造缝能力的高水平；排液阶段的水化液粘度降到最低水平。从而获得最佳的压裂效果。,压裂液的关键,.,对地层降温冷却和预处理，以减少后续主工作液对地层的伤害。一般为活性水。,传递压力，使地层破裂，产生裂缝以备后面的携砂液进入。在温度较高的地层，它还可以进一步起到降温作用。一般为高粘冻胶。,将支撑剂带入裂缝中并将砂子分布在预定的位置上。同时可使裂缝延伸和继续冷却地层。它在压裂液中的份量最大。一般为交联冻胶。,将携砂液送到预定的位置。一般为活性水。,压裂液的分类,.,压裂液的分类,.,水基压裂液的发展经历了活性水压裂液、稠化水压裂液、水基冻胶压裂液三个阶段。活性水压裂液:是表面活性剂的稀的水溶液。稠化水压裂液：是以稠化剂及表面活性剂配制的粘稠水溶液，即增稠了的活性水压裂液。水冻胶压裂液：是用交联剂将溶于水的增稠剂高分子进行不完全交联，使具有线性结构的高分子水溶液变成线型和网状体型结构混存的高分子水冻胶。其中亦添加了表面活性剂。它实际上就是交联了的稠化水压裂液。,水基压裂液,.,因为剪切敏感、温度稳定性差只适用于低温、浅井、低砂量和低砂比的小型解堵性压裂。,解决了线型压裂液进行高温深井压裂施工引起的剪切敏感、温度稳定性差等许多问题。,线型压裂液交联压裂液,活性水压裂液稠化水压裂液,水基压裂液,., 植物胶及衍生物 胍胶（HPG、CMG、CMHPG） 田箐、香豆胶、魔芋胶等 纤维素衍生物 羧甲基纤维素钠盐（CMC） 羟乙基纤维素（HEC） 羧甲基羟乙基纤维素（CMHEC）生物聚多糖 黄原胶（XC） 工业合成聚合物 聚丙烯酰胺（PAM） 部分水解聚丙酰胺（PHPAM） 甲叉基聚丙烯酰胺（MPAM）,水基压裂液稠化剂,.,两性金属（非金属）含氧酸盐 硼酸盐、铝酸盐、锑酸盐和钛酸盐等 弱酸强碱盐无机盐类两性金属盐 如硫酸铝、氯化铬、硫酸铜、氯化锆等强酸弱碱盐无机酸脂 如硼酸酯、钛酸酯、锆酸酯醛类 甲醛、乙醛、乙二醛等,水基压裂液交联剂,.,生物酶 适用温度21 54,pH值范围pH=3 8,最佳pH=5 氧化破胶剂 适用于 pH=3 14。普通氧化破胶剂适用温度 5493；延迟活化氧化破胶剂适用温度 83116，常用氧化破胶剂是过硫酸盐。 有机弱酸 很少用作水基压裂液的破胶剂,适用温度大于93 。,水基压裂液破胶剂,.,降滤剂：降低压裂液在施工过程中的液体滤失量防膨剂：防止粘土水化膨胀和分散运移杀菌剂：杀灭高分子水溶液中的细菌，保证基液不变质助排剂：降低破胶后液体表面张力，利于返排pH值调节剂：使压裂液具有一定的pH值缓冲能力稳定剂：用来提高压裂液的耐温能力,水基压裂液助剂,.,清洁压裂液是对传统聚合物/破胶方法的挑战。它使用粘弹性表面活性剂(VES)而不用聚合物，亦称清洁无聚合物压裂液(简称VESfluid或CleanFRAC)。 特点：VES压裂液粘度低，弹性好，可以有效地输送支撑剂，同时能降低摩阻。该压裂液配制简单，主要用VES在盐水中调配。不需要交联剂、破胶剂和其它化学添加剂。无残渣，支撑裂缝能保持良好的导流能力。,清洁压裂液,.,清洁压裂液,粘弹性表面活性剂阳离子表面活性剂：长链烷基季铵盐，EHAC两性离子表面活性剂：甜菜碱型或氧化胺，阴离子表面活性剂：羧酸型、磺酸型反离子助剂：无机盐：氯化钾、氯化钠、氯化铵、溴化钠、溴化钾助水溶盐：水杨酸钠、苯甲酸钠、对甲苯磺酸钠,.,胶束形成机理,CCMC,treelike micelle,Transient networks,.,蠕虫状胶束的特性,与高分子不同，蠕虫状胶束在外力（比如高剪切力）的作用下发生的断裂，在外力撤除之后，是可以恢复。所以在现场施工过程中，可以以很高的速度将清洁压裂液压入地层，而不会引起其性能的降低。,.,两种类型压裂液的差别温粘性,清洁压裂液剪切粘度随时间变化图,胍胶压裂液剪切粘度随时间变化图,.,两种类型压裂液的差别流变性,胍胶压裂液在低温时粘度非常大，因而摩阻较大，动力消耗太大，增加施工成本；60摄氏度，清洁压裂液的粘度不到胍胶压裂液的粘度1/3，但是其静态悬砂能力比瓜胶压裂液强得多。,.,清洁压裂液与常规压裂液对比,清洁压裂液携砂能力强、适宜造长缝粘度低、裂缝窄配置方便无固相、低伤害由于弹性好，粘度30mPa.s携砂良好,HPG等压裂液粘度高、造缝宽添加剂种类多对储层伤害严重悬砂能力差粘度至少大于50mPa.s,.,清洁压裂液在一定范围内解决了传统压裂液对裂缝导流能力伤害；清洁压裂液施工简单，裂缝几何参数合理，对裂缝导流能力伤害小；清洁压裂液却改变了地层表面性质，使地层的渗透率可能受到伤害。,清洁压裂液小结,.,油基压裂液,基液：一般为成品油及原油（高闪点）。胶凝剂：磷酸酯或油溶性脂肪酸盐（长碳链）。交联剂：三价铝离子或者三价铁离子。破胶剂：碱（有机酸钠、碳酸氢钠、碳酸氢铵）。,.,泡沫压裂液,常用气体为氮气或二氧化碳，泡沫体积含量为50-70%。粘度大，携砂能力强。滤失量小。增能效应有利于返排。摩阻小，只有常规压裂液的30-40%适用于：低温、低压、水敏油气藏。,.,三个阶段：第一代泡沫压裂液(70年代)主要由盐水、酸类、甲醇、原油、N2和起泡剂配制而成,其泡沫稳定性差,寿命短,携砂浓度只有120240kg/m3，适合于浅井小规模施工;第二代泡沫压裂液(80年代)由盐水、起泡剂、聚合物(植物胶)、稳泡剂和N2或CO2组成,其泡沫稳定性好、寿命长、黏度大,携砂浓度可达480600kg/m3,适合各类油气井压裂施工。第三代泡沫压裂液(8090年代)由盐水、起泡剂、聚合物、交联剂、N2或CO2组成,以交联冻胶体为稳泡剂,气泡分散更均匀、更稳定、黏度更大,携砂浓度可大于600kg/m3,适合高温深井压裂施工。,泡沫压裂液,.,二、新型压裂液简介,.,传统聚合物压裂液的伤害特征,按压裂液作用位置分,地层基质伤害支撑裂缝伤害,液体伤害固体伤害压裂液滤饼和浓缩胶,按流体性质分,.,压裂液对储层的伤害,压裂液在地层中滞留产生液堵地层粘土矿物水化膨胀和分散运移产生的伤害压裂液与原油乳化造成的地层伤害润湿性发生反转造成的伤害压裂液残渣对地层造成的损害压裂液对地层的冷却效应造成地层伤害压裂液滤饼和浓缩对地层的伤害,.,压裂液固相堵塞,来源基液或成胶物质的不溶物降滤剂或支撑剂中的微粒压裂液对地层岩石浸泡而脱落下来的微粒化学反应沉淀物等固相颗粒。作用形成滤饼后阻止滤液侵入地层更远处，提高了压裂液效率，减少了对地层的伤害；它又要堵塞地层及裂缝内孔隙和喉道，增强了乳化液的界面膜厚度而难破胶。,.,压裂液浓缩,压裂液的不断滤失和裂缝闭合，导致交联聚合物在支撑裂缝内的浓度越来越高（即浓缩）。支撑剂铺置浓度对压裂液浓缩因子有较大影响，随着铺砂浓度降低，压裂液浓缩因子提高，此时不可能用常规破胶剂用量实现高浓缩压裂液的彻底破胶，形成大量残胶而严重影响支撑裂缝导流能力。,.,常规胍胶压裂液的伤害机理,侧基去除，主链向纤维素的螺旋结构转化，引起聚合物水溶性降低，产生次生残渣,水不溶残渣的来源,.,胍胶残渣对导流能力的伤害,图1 导流率 孔隙率关系,图2 导流率 起始胍胶浓度,.,残余的胍胶在裂缝内部的分布状况 压裂液滤失 容易形成定向排列,胍胶残渣对导流能力的伤害,.,胍胶增稠剂大幅涨价后的思考与对策,2011年4季度以来，国际市场瓜尔胶片价格持续大幅上涨，涨幅超过300%（由原来的2-3万元/吨上涨至13万元/吨以上），可考虑采取以下应对措施：,（一）降低瓜尔胶使用浓度 应用羧甲基胍胶(CMHPG)，代替羟丙基胍胶(HPG)，用量可降低1/31/2 研制低分子改性胍胶压裂液体系 研制高效交联剂，如双分子或多分子型有机硼、钛、锆交联剂（二）其他天然植物胶代替瓜尔胶 如香豆胶、田菁胶、魔芋胶、黄原胶等作为压裂液的增稠剂，优化研究相应的交联剂及配套添加剂（三）清洁压裂液替代胍胶压裂液 粘弹性表面活性剂（VES）清洁压裂液 抗温抗盐聚合物清洁压裂液 纳米材料缔合清洁压裂液,.,随着人们对常规聚合物压裂液伤害特征认识的不断深入，发展新型低伤害、甚至无伤害的压裂液体系已经逐渐变成了现实。,低浓度胍胶压裂液低分子胍胶压裂液（可重复使用）疏水缔合聚合物压裂液清洁压裂液的衍生体系增能压裂液体系酸基压裂液纤维压裂液,.,低浓度胍胶压裂液,如何降低瓜胶在地层中的残留，最直接的方法就是降低瓜胶的用量。既要保证压裂液粘度，又要降低胍胶用量。怎么实现？通过向瓜胶分子上引入带电基团，利用带电基团之间的静电斥力，可以使原有的瓜胶收缩线团变成扩张线团，从而降低形成交联网络所需要的瓜胶用量。胍胶羧甲基化 -CH2COOH,.,低浓度胍胶压裂液,该类型胍胶用量可以减少30-50%。,.,低分子胍胶压裂液,低分子胍胶是在酶或者光催化下，严格控制实验条件，把常规胍胶降解成分子量仅1/101/20的产物。 目的是在地面上、在实验室内将在地下无法控制的破胶过程提前、严格控制的完成。 特点：它的交联和破胶靠压裂液体系自身pH值的改变而完成， pH值高的时候可以交联呈冻胶状， pH值低的时候自动破胶。因此施工工艺相对简单，可回收再利用。,.,超低分子量,MicroPolymer material is 25 to 30 times smaller than conventional polymers,.,交联示意图,.,优点：分子量17-30万，比常规压裂液分子量降低至少210（243万），易形成很好的交联流体；液体滤失控制好；滤饼，对裂缝表面损害较小；返排率高、对地层的伤害大幅度降低；液体回收重复利用，减少对环境的污染、也节约成本。,.,疏水缔合聚合物压裂液,疏水缔合聚合物是亲水性大分子链上引入少量疏水基团的一类新型聚合物。 这类聚合物在稀溶液中主要以分子内缔合为主，在浓度大于临界缔合浓度时就形成以分子间缔合为主的超大分子结构，形成网状结构，使流体力学体积增大，表现出良好的增粘效果。特别是在一定浓度的盐水中，疏水缔合作用进一步加强。 这类聚合物溶液在强剪切作用下可以粘度下降，在低剪切速率下又会重新形成疏水基团相互作用的缔合，形成高粘流体。这很好地满足了压裂液在不同阶段受剪切作用强弱不同的要求，可以很好地满足压裂液携砂的要求。,.,疏水缔合聚合物的优点,1、性能稳定不易腐败变质。2、易溶解，可根据现场情况调整；3、压裂液流变性好，减小了设备工作负荷。4、价格较低，压裂液成本可以接受。5、残杂含量很低，伤害较小，增产效果好。6、地层水可使之降粘，返排，配合破胶剂使用破胶更彻底。 在压裂液中有广阔的应用前景。,.,疏水缔合聚合物的剪切稀释特性,从上图可以看出，在1400s-1高剪切速率下压裂液的粘度约为25mpa.s，剪切速率降至170s-1时粘度恢复至55 80mpa.s。这与压裂液网状结构有关，缔合结构是可逆的，具有剪切稀释性。,.,VES/CO2压裂液：多表面活性剂体系中加入CO2所形成的压裂液体系 耐温性：可达160 适用于：衰竭油气藏、水敏地层、小油管,（1） 新型CO2粘弹性表面活性剂压裂液（VES/CO2压裂液）,VES泡沫压裂液,优点 无剪切降解：所形成的蠕虫状胶束可以自动修复被破坏的结构对于不适合聚合物压裂液的小油管更有优势， 相比泡沫压裂液，其摩阻小 表面活性剂遇地层油自动破胶 无固相，无残渣，对渗透率和裂缝导流能力伤害很小 表面活性剂表界面张力低，摩阻低，返排率高,现场应用情况 VES/CO2压裂液在国外20多个油田被应用，其中德克萨斯州 Panhandle地区应用最多 国内目前还没有被报道的应用实例,.,（2） CH4混合CO2粘弹性表 面活性剂乳化压裂液 （VES/ CH4 / CO2压裂液）,体系组成： 主剂为表面活性剂，添加 CO2和CH4，CO2占50%适用储层： 低压水敏性致密气层 适合温度135以内的储层,2.1 泡沫粘弹性表面活性剂乳化压裂液,.,类交联VES压裂液,普通的VES压裂液缺点,低分子量粘弹性表面活性剂+纳米材料+内部破胶剂,类交联VES压裂液,VES胶束在高温下不稳定，容易受热重排成没有粘度的结构，普遍耐温60-100 VES胶束抗高速剪切能力低 约20%的VES压裂液不能充分地流动和返排 清洁压裂液中的表面活性剂分子量小，容易滤失；当地层渗透率为800-1000md时， VES的滤失和清水相当,.,2.2 类交联VES压裂液,纳米材料,形成机理 在传统VES压裂液中加入纳米材料，这些纳米材料以静电力和范德华力与VES胶束缔合或“拟交联”在一起，建立起一种动态网状结构，从而保持流体高温稳定性,.,类交联VES压裂液, 60mPas,.,（1）对地层中压裂液升温，同时对井筒增压，以利于压裂液的彻底破胶和压裂液的顺利返排,生热剂+改性胍胶+交联剂+化学破胶剂等基本原理：在现有胍胶压裂液中加入延迟升温剂，使其在20- 40min后升温到50以上达到最佳破胶温度，进压 裂液彻底破胶返排，以进一步降低对储层的伤害,2.3 增能压裂液,适用性,砂岩地层、泥岩地层、水敏性地层、滤失伤害较严重的地层、低温低压地层、压裂后返排困难的地层 地质条件越复杂、地层温度及压力越低，其技术经济优势越明显,., 破胶性能 聚合物分子链断裂均匀，破胶彻底，破胶液外观清澈透明，粘度较低（低于5mPa.s），肉眼看不见压裂液残渣 升温性能 根据施工规模不同，通过控制催化剂的浓度和生热剂的浓度，能使压裂液体系在施工的后期上升到最佳的破胶温度 增压助排性能 压裂液在产生热量的同时，生成大量惰性气体，具有自动增压功能，形成类似前置“液氮/二氧化碳”的作用,性能,2.3 增能压裂液,.,进入地层自动形成的泡沫混合物抗滤失性强、携砂性强。泡沫混合物提供的结构粘度更适合于大砂量的压裂施工，泡沫具有类似粉砂的降滤失效果 返排时形成的泡沫混合物在井筒中自动气举，返排快，对储层伤害小 成本低，仅为羟丙基胍胶压裂液的1.52倍左右，比泡沫压裂液的 成本低得多 对地层的伤害率较小，明显小于目前使用的羟丙基胍胶压裂液,优点,2.3 增能压裂液,.,（2）CO2增能稠化烃压裂液,稠化烃压裂液烃 类：磷酸酯类和改性的磷酸酯类交联剂：铝或者铁活化剂（都与氮气兼容）铁活化剂交联的稠化烃压裂液：在酸性地层中稳定，破胶剂为碱性材料；这种体系更适合加入CO2，形成CO2增能稠化烃压裂液。现场常用CO2和N2混合应用。,适用条件：低压致密气井，储层渗透率0.1mD10D；井深超过3000m；地层温度110以下,2.3 增能压裂液,现场应用 Montney、Rock Creek,Ostracod、Gething、Viking、Dunvegan 和Cardium等地 层都有应用 例如：在 Rock Creek气田，现场使用体系为：12% 稠化烃压裂液中加入CO2 ，18% 加入N2、70%不加入任何气体,.,2.4 酸性VES压裂液,酸性VES压裂液：采用新型两性黏弹性表面活性剂，在酸性介质中 稠化形成酸性黏弹性流体，配制得到新型酸性清 洁压裂液,20% 盐酸VES压裂液黏温曲线,.,2.4 酸性VES压裂液,（1） 低伤害 自动破胶， 破胶后无残渣，不会对地层产生新的伤害 两性离子表面活性剂可克服阳离子表面活性剂体系因减小砂岩地层孔隙吼道尺寸引起岩石表面润湿反转等副作用（2）良好的降滤和缓速性能 可与岩石发生反应，使pH值降低和盐浓度上升，从而使其黏度升高（可 达300mPas以上），降滤和缓速性能得到显著改善 在酸压改造中，酸性VES压裂液在裂缝壁面的滤失过程中，鲜酸易进入高渗 透段，进而产生较多高渗透率孔道（蚓孔），同时pH 值下降, 黏度上升， 增 黏后转向酸的作用深度和强度更大，降滤能力更强，从而可有效地降低 高渗透区的滤失速率,性能及优点,.,2.4 酸性VES压裂液,（3）良好的缝内转向性能 对于微细裂缝发育的储层