可逆交联低伤害压裂液体系APCF

1、 郑郑 焰焰 博士博士 北京爱普聚合科技有限公司北京爱普聚合科技有限公司可逆交联低伤害压裂液APCF体系 新一代压裂液技术 提 纲一、常规胍胶压裂液体系存在的问题一、常规胍胶压裂液体系存在的问题二、清洁压裂液的概念与发展历程二、清洁压裂液的概念与发展历程三、可逆交联低伤害三、可逆交联低伤害压裂液压裂液APCF体系体系四、下一步发展方向四、下一步发展方向五、现场应用情况五、现场应用情况一、常规压裂液体系存在的问题压裂液的基本要求n 悬浮携砂能力强n 流变性好n 造缝能力强n 低伤害n 易破胶n 低滤失n 低摩阻n 易配制n 成本低 压裂液是压裂工程的血液压裂液是压裂工程的血液核心材料核心材料n

2、存在不溶物n 高温稳定性不好n 抗剪切性差n 破胶后必须尽快返排残渣n 对储层伤害较大n 原料供应受限存在的问题（基于胍胶Guar Gum、改性胍胶CMG, HPG, CMHPG）关键问题：关键问题：不清洁不清洁伤害储层伤害储层成本高成本高依赖进口依赖进口胍胶来源于南亚的天然植物胍胶类压裂液残渣的来源n 胍胶本身不溶物 4-20%n 配液、交联与破胶作用产生的不溶物 20%清洁压裂液（或称低伤害压裂液）清洁压裂液（或称低伤害压裂液）：n 对储层无直接伤害（不溶物、残渣、残胶）n 二次伤害小（如水敏、水锁、碱敏等）n 易返排，少残留关键问题关键问题：n 无残渣n 彻底破胶n 满足施工要求二、清洁

3、压裂液的概念与发展历程（一）粘弹性表面活性剂VES（ Visco-Elastic Surfactant）（斯伦贝谢，1997）VES清洁压裂液存在的问题n 成本高：成本高：分子量小，导致用量大、成本高n 耐温能力差：耐温能力差：使用温度低（通常80以下）n 稳定性差：稳定性差：胶束遇水遇油不稳定n 悬浮能力不强：悬浮能力不强：粘度不高、结构不强导致悬浮能力低，易形成砂堵 n 配制工艺复杂：配制工艺复杂：需配合其他多种组分清洁，但成本高、体系不稳定清洁，但成本高、体系不稳定（二）聚丙烯酰胺凝胶类 包含水解聚丙烯酰胺、疏水缔合聚丙烯酰胺、支化聚丙烯酰胺、小分子缔合聚合物等，通过化学交联形成凝胶：u

4、抗温抗盐性、抗剪切能力、悬浮能力差；u摩阻大；u难破胶和难返排，产生新的伤害；u初始粘度过大交联后压裂液挑挂情况，明显有细小的独立凝胶团（三）清洁压裂液的新思路：n可逆交联低伤害压裂液可逆交联低伤害压裂液APCF体系体系胍胶：胍胶：分子量超大分子量超大化学交联、强结构化学交联、强结构强增粘、低浓度强增粘、低浓度VES：分子量小分子量小不交联、弱结构不交联、弱结构弱增粘、高浓度弱增粘、高浓度APCF：分子量适中分子量适中可逆交联、粘弹性结构可逆交联、粘弹性结构强增粘、低浓度强增粘、低浓度APCFAPCF体系体系可逆交联的多元结构型聚合物：可逆交联的多元结构型聚合物： 溶液中聚合物分子链间通过多元

5、弱键（范德华力、氢键和离子键）适当结合，形成布满整个溶液体系的三维立体网状结构(多级可逆结构)，明显有别于胍胶和其他合成聚合物，此结构可随剪切速率、盐度和温度等条件变化而可逆变化。其分子结构为：可逆结构的压裂液预期特点及其影响可逆结构的压裂液预期特点及其影响条件结构非结构表观粘度粘弹性浓度温度矿化度剪切速度破胶后把温度、盐度、剪切速度等不利因素变成了有利因素，且过程可逆。特特点：具有清洁低伤害、微残留，抗温抗盐抗剪切，摩阻小，悬浮能力点：具有清洁低伤害、微残留，抗温抗盐抗剪切，摩阻小，悬浮能力强，彻底破胶易返排，使用浓度低，环境友好，性价比高。强，彻底破胶易返排，使用浓度低，环境友好，性价比高

6、。表观表观结构结构非结构非结构基本体系基本体系 2 种组分：种组分：n新型聚合物增稠剂APCF-1n可逆交联剂 APCF-B选配助剂：选配助剂：n耐温助剂 APCF-C (100 以上使用）n防膨剂/粘稳剂 (水敏性地层使用）n可降解降滤失剂 （高渗透地层使用）n助排剂 （气井压裂时使用） 已申请专利：20110223102.6三、可逆交联低伤害压裂液APCF体系 对储层低伤害 高效增粘 超强悬浮能力 适应温度范围宽 耐盐性好APCF体系主要性能特点主要性能特点6. 抗剪切性能优异7. 降摩阻性能突出8. 配制工艺简单9. 环境友好10. 性价比高1、对储层低伤害、对储层低伤害p 所有组分完全

7、溶解于水：全过程不产生沉淀和絮状不溶物，破胶后无残渣、无残胶，易返排APCF体系破胶后APCF体系配液后四个低伤害压裂液样本对岩心渗透率平均损害率为12.07%，(吐哈最新果某井1#：21%，2#：9.83%)而瓜胶压裂液对岩心渗透率伤害高达28.3%岩心伤害评价对比 压裂液压裂液 岩芯规格岩芯规格 煤油渗透率（煤油渗透率（10-3m2） 伤害率伤害率 （%）（dL）（cmcm） 伤害前渗透率伤害前渗透率K1 伤害后渗透率伤害后渗透率K213.87.6 12.5111.0611.5423.87.6 13.9812.1712.9133.87.6 12.1110.6412.0843.87.6 13

8、.2811.7211.75有机硼交联有机硼交联胍胶胍胶3.87.6 12.769.1528.320/40目支撑目支撑剂剂破胶液破胶液伤伤害害导导流能力（流能力（m2.cm） ）测试测试曲曲线线破胶液破胶液1：APCF聚合物清洁压裂液，聚合物清洁压裂液，破胶液破胶液2：HPG瓜胶压裂液瓜胶压裂液破胶液破胶液1 1的导流能力明显高于破胶液的导流能力明显高于破胶液2 2 2、高效增粘、高效增粘p 聚合物增稠剂APCF-1具有超强的增粘性；p 使用组分少，效率高；p 配合使用可逆交联剂APCF-B，水溶液的粘度和结构性进一步大幅度增强。超高粘弹性使低浓度、低粘度压裂液成为可能超高粘弹性使低浓度、低粘度

9、压裂液成为可能3、超强悬浮能力、超强悬浮能力 APCF压裂液具有的可逆交联结构和粘弹性，悬砂携砂能力优异，仅20mPa.s粘度即有足够的悬浮支撑剂能力。既便于实现高砂比，又可避免施工时的脱砂和砂堵等事故。 超强的悬浮能力来源于超强的粘弹性：超强的悬浮能力来源于超强的粘弹性：压裂液粘弹性动态特征：压裂液粘弹性动态特征：如图7所示，随着扫描频率的逐步增加，压裂液的储能模量G#和复合模量G*增加，而损耗模量G却几乎不变，整个试验过程中压裂液弹性明显地大于粘性弹性明显地大于粘性。图7 APCF压裂液体系的粘弹性动态特征模量测试：模量测试：模量测试实验表明一般情况下APCF压裂液体系的储能模量G#及它与

10、其耗能模量G之比均大于常用的胍胶压裂液,即其粘弹性更强。表5.1 压裂液的流变参数胍胶胍胶压裂液的储能模量压裂液的储能模量G G# #和复合模量和复合模量G G* *表观粘度，表观粘度，mPa.SmPa.S105209406储能模量，储能模量，G G# #17.633.248.7复合模量，复合模量，G G* *21.841.560.6APCFAPCF清洁压裂液的储能模量清洁压裂液的储能模量G G# #和复合模量和复合模量G G* *表观粘度，表观粘度，mPa.SmPa.S11213056108200储能模量，储能模量，G G# #3.2012.6020.1026.4029.5031.60复合模

11、量，复合模量，G G* *3.2112.7020.2026.5029.7031.70APCFAPCF体系在体系在30mPa.S30mPa.S的携砂能力近似于胍胶压裂液的携砂能力近似于胍胶压裂液在在105mPa.S105mPa.S。APCF溶液（0.30%），支撑剂悬浮48h以上悬浮能力对比胍胶溶液中（0.4%交联后），支撑剂510min 有下沉现象（ （0.35%APCF-1+0.18%APCF-B0.35%APCF-1+0.18%APCF-B； ；支撑支撑剂剂： ：20/40目陶粒，密度目陶粒，密度为为1.85g/cm3。 。） ）悬悬砂静置砂静置1h1h时时悬悬砂静置砂静置2h2h时时悬悬

12、砂能力砂能力悬悬砂静置砂静置4h4h时时悬悬砂静置砂静置6h6h时时静止静止6小小时时后，砂子只在液体后，砂子只在液体顶顶部部发发生部分沉降，生部分沉降，证证明液体的明液体的悬悬砂性能砂性能优优异。异。(1) APCF-1 + APCF-B，配制粘度 20、30、40 mPa.s(2) HPG + 四硼酸钠，配制粘度50、75、400 mPa.s压裂液类别压裂液类别编号编号粘度粘度(mPa.s)10cm沉降时间沉降时间(s)沉降速度沉降速度(mm/s)APCF压裂液压裂液1201500.66672306000.166734012000.0833HPG压裂液压裂液450541.851957530

13、3.3333640011400.087720mPa.s的的APCF压裂液的悬浮能力明显超过压裂液的悬浮能力明显超过50mPa.s的胍胶压裂液。的胍胶压裂液。40mPa.s的的APCF压裂液的悬浮能力与压裂液的悬浮能力与400mPa.s的胍胶压裂液相当。的胍胶压裂液相当。悬浮能力对比不同粘度的不同粘度的APCF压裂液悬浮能力对比压裂液悬浮能力对比（40目支撑剂）目支撑剂）60mPa.s60min30mPa.s30min20mPa.s10min充气泡沫液的稳定性和悬浮能力充气泡沫液的稳定性和悬浮能力特别适合吐哈的三特低油气藏特别适合吐哈的三特低油气藏p 可充气或使用生泡剂，泡沫均匀、稳定，密度可低

14、至 0.45 g/cm3；p 泡沫悬浮能力强，低密度泡沫悬浮支撑剂可达72h；p 容易消泡和破胶密度0.45泡沫液，混入支撑剂10min后72hr后破胶消泡后4、适应温度范围宽、适应温度范围宽 APCF体系的适应温度范围为25-150； 特殊要求时，可达到180 。5、耐盐性好、耐盐性好 APCF体系在矿化度010%范围内可正常使用。020406080100t in min5060708090100110120130140150E ta in m P a s20406080100120140160180G P in 1 /s ,T in CHAAKE RheoWin 4.30.0011 0.3

15、%APCF-1+0.15%APCF-B(60C,20111223)Eta = f (t)GP = f (t)T = f (t)60，0.3%APCF-1 + 0.15%APCF-B， 170s-1，剪切1.5h， 粘度5055mPa.s100，0.35%APCF-1 + 0.18%APCF-B， 170s-1 ，剪切2h， 粘度3545mPa.s0285684112140t in min101001000E ta in m P a s0102030405060708090100110120130140150160170180190200G P in 1 /s ,T in CHAAKE Rheo

16、Win 4.30.0011 0.35%APCF-1+0.18%APCF-B(100C,20111125)Eta = f (t)GP = f (t)T = f (t)150：0.7%APCF-1 + 0.35%APCF-B + 0.1%APCF-C+2% KCl 170s-1， 剪切2h，4055mPa.s024487296120t in min30405060708090100110E ta in m P a s8090100110120130140150160170180G P in 1 /s ,T in CHAAKE RheoWin 4.30.0011 0.7%APCF-1+(0.17+0

17、.18)%APCF-B+0.1%APCF-C+2%KCl(150C,20120311)Eta = f (t)GP = f (t)T = f (t)0285684112140t in min050100150200250300350E ta in m P a s406080100120140160180200G P in 1 /s,T in CHAAKE RheoWin 4.30.0011 0.77%APCF-1+0.19%APCF-B2+0.2%APCF-C+2%APCF-D(20120216,180C)Eta = f (t)GP = f (t)T = f (t)180：0.77%APCF-1

18、 + 0.19%APCF-B2 + 0.2%APCF-C+2%KCl 170s-1 剪切2h，50-100mPa.s6、抗剪切性能优异、抗剪切性能优异 APCF体系采用独特的可逆交联技术，剪切稳定性和剪切稀释性均表现优异，经泵送、炮眼和渗流过程不会明显破坏液体的流变性。抗剪切性抗剪切性n 常规“交联”压裂液由于其交联作用的不可逆性则其有效粘度必然随剪切时间增长而不断下降；n APCF结构流体由于其结构随剪切作用而可逆变化,当剪切速率一定时,其结构将达到与该剪切速率平衡的状态,因此“有效粘度”不再随剪切时间增长而下降,长期保持恒定，故表现出优良的抗剪切性。更能适合于需要泵送时间较长的压裂作业（如

19、深井、大型压裂等）。剪切稀释性剪切稀释性： 是结构性流体固有的特性，因此能很好解决流动中在保证良好悬浮携砂的前题下大幅度降低流动阻力。0.111000.20.40.60.81平均流速，m/s摩擦系数圆管实验裂缝实验圆管理论裂缝理论 图4 达西-韦氏摩擦系数与流速的关系曲线(主剂含量0.5%)屈服应力：屈服应力：图5 120 APCF体系在120、130高温条件下获得了比较高的屈服应力，显示该体系在低流速下仍有较高的携带能力。 0100200300400500600700024681012141618剪切应力,Pa剪切速率,1/S010020030040050060070080090002468

20、10 12 14 16 18 20剪切应力,Pa剪切速率,1/S图6 130【注】 用量在两个温度下均为0.6% + KCl2% + 辅剂0.3%流变参数：流变参数：通过图解法获得主剂0.50%及辅剂0.25%压裂液的K和n值，与常规交联压裂液一样,也显示屈服应力,测定其屈服应力y为9.4Pa。具有较高的稠度系数和屈服应力及低的流动特征指数。且升高温度对其相关系数影响不大。温度，8090100110120*130*n0.1250.1030.1080.1050.1130.118K，Pa.Sn38.432.431.831.530.628.3相关系数0.96360.97320.98450.98230

21、.99120.9765压裂液的流变参数【注】* 主剂0.6% + KCl2% + 辅剂0.3%04080120160200t in min101001000E ta in m P a s0100200300400500600700800900G P in 1 /s ,T in CHAAKE RheoWin 4.30.0011 0.65%APCF-1+0.33%APCF-B+0.45%PACF-C+1%APCF-D(150C,20111227)Eta = f (t)GP = f (t)T = f (t)7、降摩阻性能突出、降摩阻性能突出 APCF体系具有特殊的高分子结构，降摩阻性能突出，可以作为

22、降摩阻剂使用。经最新测试，比胍胶体系减阻30%，比清水减阻76%。有利于大排量压裂。减阻原理：减阻原理：p 属于高分子表面活性剂，类似滑溜水；p 可逆交联的粘弹性结构改变管流中的流型，降低摩阻；p 可逆交联在高速流动中可滑动分离，与胍胶交联体在流动中的牵扯阻力相比，流动阻力小。8、其他水力压裂性能表现好、其他水力压裂性能表现好p 表面张力低（常温下 25.24 mN/m）p 界面张力低（常温下 0.35 mN/m） 对于气井，可以采用专用降水锁剂、助排剂、破乳剂等，有效避免水锁等影响返排的因素。 由于破胶后界面张力低，且无残渣，因而返排率高，一般达到60%以上，甚至有达到98%的实例。采用常规

23、破胶剂（如过硫酸铵）可彻底破胶，破胶液粘度低于2mPa.s。No温度温度APCF-1%APCF-B%APCF-C%KCl%破胶条件破胶条件12小时小时3小时小时125-400.30.15过硫酸铵 0.250.2% + 三乙醇胺0.05%过硫酸铵 0.30.25% + 三乙醇胺0.05%340-1000.30.350.15180.5过硫酸铵 0.010.005%过硫酸铵 0.080.02%6100-1500.350.650.180.330.050.151过硫酸铵 0.10.15%过硫酸铵 0.150.25%静态破胶实验静态破胶实验 破胶剂加量破胶剂加量 （破胶温度（破胶温度65）300ppm40

24、0ppm600ppm800ppm1000ppm破胶时间160分钟完全破胶120分钟完全破胶90分钟完全破胶60分钟完全破胶30分钟完全破胶APCF体系的四点突出技术优势：体系的四点突出技术优势：p 对储层低伤害对储层低伤害 p 低粘度具有超强携砂能力、低摩阻低粘度具有超强携砂能力、低摩阻p 超快速溶，可实现连续在线配液超快速溶，可实现连续在线配液p 环境友好，无重金属污染环境友好，无重金属污染APCF体系与传统压裂液性能对比表体系与传统压裂液性能对比表对比指标对比指标胍胶体系胍胶体系VES体系体系APCF体系体系1液体类型交联粘弹性，无交联粘弹性，可逆交联2适应温度范围 ()501203010

25、0251803耐盐性好好好4增稠剂用量 (50-100)0.350.60%215%0.250.35%5抗剪切性能差好优异6悬浮能力一般差优异7降摩阻率2535%6070%7076%8 岩心伤害率3060%813%612%9造缝能力强差中强10初滤失量小大11表面张力 (mN/m) 2824.825.1412界面张力 (mN/m) 2.00.750.3513破胶后粘度（mPa.s） 5 3 3 14破胶后残渣 (%)10-200.10.115返排率 （%）20-506090609016配液组分和工艺复杂复杂简单17 防腐防冻要求有无无18压裂液成本中高低材料名称材料名称型号型号不同温度段建议用量

26、，不同温度段建议用量，%说明说明低温区低温区2550中温区中温区50100高温区高温区100150抗温抗盐聚合物清洁压裂液增稠剂APCF-10.300.300.400.400.70粉剂可逆交联剂(流变助剂)APCF-B0.150.150.200.200.35液体耐温助剂APCF-C0.050.15粉剂破胶剂过硫酸铵0.20-0.25（+0.05三乙醇胺）0.020.080.100.20（胶囊）基液初始粘度，mPa.s305030604080在常温下测定170s-1剪切120min后粘度，mPa.s302520在使用温度下测定主要配制材料及用量表主要配制材料及用量表（清水配制、不同测试温度下的建

27、议用量）：（清水配制、不同测试温度下的建议用量）：1、大力推广聚合物清洁压裂液体系2、可逆交联剂的多重交联与延迟交联技术3、速溶与连续配液技术 聚合物粉剂速溶与在线配液技术 聚合物液态化及速溶与在线配液技术 大排量无储连续配液施工技术1、大力推广聚合物清洁压裂液体系p 清洁低伤害，无毒无污染；p 配液简便，对水适应力强；p 性价比高，替代胍胶，优于其他合成聚合物；p 成熟，且技术持续发展改进，可以针对油藏特点设计和改进压裂液体系2、可逆交联剂的多重交联与延迟交联技术020406080100t in min050100150200250300350400450500E ta in m P a s

28、406080100120140160180200G P in 1 /s ,T in CHAAKE RheoWin 4.30.0011 0.82%APCF-1+0.19%APCF-B2+0.3%APCF-C+2%APCF-D(20120216,180C)Eta = f (t)GP = f (t)T = f (t)180时，初始粘度 80120 mPa.s， 剪切90Min，80120 mPa.s3、速溶与连续配液技术 聚合物粉剂速溶与在线配液技术 聚合物液态化及速溶与在线配液技术 大排量无储连续配液施工技术简便高效混配装置简便高效混配装置u现场配液，自带发电机u流量3M3/minu循环时间10minu配液速度：50