压裂液技术研发新进展1-NEW

,压裂液技术研发新进展,2012年03月21日,薛承瑾,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,主要内容,压裂液压裂过程中所用的液体由多种添加剂按一定配比形成的非均质不稳定化学体系性能要求：滤失小；悬砂能力强；摩阻低；稳定性好；配伍性好；低残渣；易返排；货源广、易于配制、价格便宜,水基压裂液,VES压裂液,泡沫压裂液,1压裂液概述,1压裂液概述,1947.7，美国堪萨斯州第一次水力压裂施工，油基压裂液50年代，水基压裂液得以应用，但仍以油基为主60年代，瓜尔胶改性研究及其交联水基压裂液体系（B、Al）70年代，成功将瓜尔胶化学改性，完善了相应交联体系（无机钛和锆），水基压裂液迅速发展并在应用中取得主导地位80年代，有机钛、锆交联水基压裂液及其泡沫压裂液体系（N2和CO2），微观结构、流变学特性、伤害与保护90年代，有机硼交联水基压裂液体系，胶囊破胶剂技术，压裂液技术无论是其体系本身还是应用工艺都日趋成熟2000年，低稠化剂浓度水基压裂液、清洁压裂技术和其他压裂液2011年以后，替代胍胶压裂液体系的研发,压裂液发展历程,将井筒中携砂液全部替入裂缝,按照泵注程序和所起作用不同，压裂液分为三类,按耐温性不同，压裂液分为四类,低温（20-60）中温（60-120）高温（120-180）超高温（180）,1压裂液概述,按照化学组成不同，压裂液分为五类,常用压裂液体系的比较,1压裂液概述,清洁压裂液,以盐水为分散介质（溶剂），加入表面活性剂和助剂，配制而成的一种具有一定粘弹性的胶束流体，也称为无聚合物压裂液或者粘弹性表面活性剂压裂液（VES）,1压裂液概述,清洁压裂液微观结构图,VES形成机理示意图,1压裂液概述,清洁压裂液在遇油时的自动离解过程,优点：（1）粘度低，但能有效地依靠流体的塑性和结构输送支撑剂（2）摩阻低（3）很容易在盐水中溶解,不需要交联剂、破胶剂和其它化学添加剂,无地层伤害并能使充填层保持良好导流能力使用现状：（1）国外：现场施工超过30000井次（2）国内：克拉玛依、长庆、大庆等油田进行了20多次作业，效果显著,1压裂液概述,1压裂液概述,目前，国外压裂液体系朝着地层伤害小、环境友好型的方向发展，并不断提高其耐温耐剪切抗盐能力，已形成门类齐全、适用于各种地层和环境条件下的压裂液体系，并得到广泛应用。国内在油气田低伤害压裂液体系和环保方面研究和应用还处在起步阶段。各个科研院所开发的成果也只是在某个油田小范围应用。因此，参照国外的经验，应该加强低伤害压裂液体系的系统研究和推广应用工作。,主要内容,主要内容,2.1泡沫粘弹性表面活性剂乳化压裂液2.2类交联VES压裂液2.3增能压裂液2.4酸性VES压裂液2.5纤维充填压裂液2.6低分子可回收压裂液,2几种新型压裂液,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粘弹性表面活性剂乳化压裂液（VES/CO2压裂液）,2.1泡沫粘弹性表面活性剂乳化压裂液,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,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60-100VES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,经典的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,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,抗温性与抗盐性：可适用于180高温储层；可适用于高浓度盐水造壁性：形成高粘度的VES层称为拟滤饼清除拟滤饼：使用破胶剂（1）把原有的胶束结构变成球形的非粘弹性结构（2）分散纳米粒子，使其随流体返排,拟滤饼被内部破胶剂清除后的岩心壁面,2.2类交联VES压裂液,VES压裂液纳米材料缔合后分子结构示意图,中石化工程院HAKKEMARS流变仪,国内研究现状,2.2类交联VES压裂液,清洁压裂液粘度随剪切时间的变化（添加纳米材料，130，170S-1，2h）,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、RockCreek,Ostracod、Gething、Viking、Dunvegan和Cardium等地层都有应用例如：在RockCreek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,常规VES压裂液缺点配液难度较大携砂性弱乳化伤害大润湿反转伤害大滤失较大,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阴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，在缝内形成高黏堵塞，造成其在微细裂缝中的屏蔽暂堵，从而在缝内形成憋压转向，沟通其他酸压工艺不能沟通的新油区（4）低摩阻、低施工压力摩阻为清水的1/5、胍胶的1/2；对于深度2000m深的井，可以降低施工压力约10MPa（5）耐剪切、有效时间长黏弹性表面活性剂的胶束是自组装结构体，胶束在剪切力作用下可以被剪断；但外力撤出后，其胶束又可恢复交联，携砂能力好,2.4酸性VES压裂液,适用性,（1）针对老井重复改造根据老井的开采时间和结垢状况，初步评估结垢量，该体系可调整酸液类型和酸量。针对结垢严重的老井，该体系可采用高酸浓度酸压施工（2）针对新井改造在强酸敏地层可控制pH范围为4-6，并加入铁离子稳定剂，在碳酸盐地层也可将压裂和高浓度酸化有机结合，提高改造效果,应用现状,国内酸性清洁压裂液成型的产品不多，产品耐温性能稍差，酸浓度不高，施工交联比大，目前还不易控制,纤维材料的作用促进裂缝中支撑剂均匀分布起桥接作用随时间降解，对地层无伤害在美国Bakken地区，纤维素降解时间少于4天；18个小时后在返排液中无纤维成分防止出砂,纤维材料剖面,纤维充填,纤维材料,纤维充填压裂液在常规压裂液中加入纤维材料形成的纤维网状压裂液,2.5纤维充填压裂液,纤维充填压裂液,优点,2.5纤维充填压裂液,耐温性好：65-204有利于使用低粘度压裂液运移、悬浮和铺置支撑剂例如：将人造纤维混在携砂液中尾随注入，从而将支撑剂稳固在原始位置，而流体可以自由通过，达到预防支撑剂回流的目的,国外应用最多的为北美德克萨斯东部低渗透CottonValley地层，最大加砂规模385t；施工超过200井次国内四川都遂101井，加砂规模60m3、全程加入纤维330kg；该井压后16个月后仍保持稳定输气1.2-1.3104m3/d,应用现状,新型低分子聚合物短链的分子聚合物，和硼离子交联，能形成致密的、密集的聚合物网络结构的物质作用机理低分子短链聚合物和高分子聚合物网络形成的交联液具有更好的粘性和弹性，液体链的体积较小，短链分子在剪切条件下容易排列，化学链连接后形成三维网状稳定结构，使压裂液具有较高的粘弹性，提高了压裂液的携砂性能,2.6低分子可回收压裂液,HPGF交联示意图,低分子-硼离子交联体系的可逆过程,50下HPGF与LMF的流变曲线对比图,2.6低分子可回收压裂液,LMF和HPGF压裂液外观,不同压裂液的破胶残渣对比,（1）性能稳定，流变特性易控制，携砂性能较好（2）可循环使用，节约用水及化学添加剂，减少废液处理费用（3）滤失性能较好（4）侵入岩芯的滤饼深度较浅，滤饼由小分子量的聚合物组成，和传统聚合物形成的滤饼有较大区别，容易清除，对裂缝壁面伤害较小（5）和岩石矿物接触后，pH值降低，压裂液恢复为清洁的“类牛顿流体”、低粘流体对裂缝导流能力伤害较低,优点,长庆油田曾在杏河作业区进行了低分子可回收压裂液现场试验，后优化液体配方，改进回收装置和回收工艺，在西峰油田白马区、靖安油田白于山区试验58井次，取得较好效果,应用现状,2.6低分子可回收压裂液,主要内容,3压裂液发展的几点思考,压裂液的发展是哲学的镜子，在大量丰富的现象中，镜子中的影像总是能够激发头脑中的智慧，使我们获得对自然更加广泛而深刻的认识，更深入地揭示事物的本质。哲学能够更加清楚地审视自己的面目，它是对实践与认识的终极反思。,（1）矛盾与统一矛盾就是对立统一，没有矛盾就没有世界。人们认识世界，就是认识事物的矛盾。科学地认识事物，正确地解决问题，应该对具体矛盾具体分析，防止和克服思想方法上的片面性和绝对化。压裂液一方面要求有较高的粘度来携砂，另一方面又要求压后快速破胶返排，如何解决这一矛盾是提高压裂液性能的关键压裂液类型中的“水基油基”、“高温低温”、“低分子高分子”等；压裂液添加剂中的“阴离子表面活性剂阳离子表面活性剂”、“破胶剂稠化剂”等均体现了对立统一的矛盾思想,3压裂液发展的几点思考,（2）系统与集成任何事物都是以系统的方式存在的。事物不论其范围大小，在特定条件下都可以看成是一个系统。系统的集成可以产生协同效应，形成优化的新系统。整个压裂液世界构成一个庞大而复杂的系统，这一系统按照不同的角度又可划分为不同的子系统。如从化学组成角度可分为水基、油基、泡沫、乳化、清洁压裂液五类；从泵注程序和所