罗平亚--新型清洁压裂液原理及应用

1、1新型清洁压裂液原理及应用新型清洁压裂液原理及应用( (新型无残渣压裂液新型无残渣压裂液) )( (罗平亚罗平亚) )西南石油大学西南石油大学油气藏地质与开发工程国家重点实验室油气藏地质与开发工程国家重点实验室 2清洁压裂液： 水基压裂液破胶后无不溶物（残渣）或不溶物极低（测不出）的压裂液 (又称无残渣压裂液） 。3 目前所有的水基压裂液毫无例外的都有残渣,这些残渣必然会对地层及充填层造成严重堵塞使其渗透率大幅度下降(其累计损害可达90%以上),从而大大降低压裂的效果,(对于低压、低渗油气层尤其突出,常常会造成压裂完全失效) 因此在目前油气田开发对压裂效果要来愈来愈高的形势下,消除残渣及其伤害

2、成为当今压裂界共同关心的急待解决的重大技术难题。也是本行业的前沿课题一清洁压裂液及其应用术。4一一,清洁压裂液国内、外清洁压裂液国内、外现状现状5 据报道，据报道，19971997年以来年以来, ,目前国外在全球范围内采用清目前国外在全球范围内采用清洁压裂液进行的压裂作业已经超过洁压裂液进行的压裂作业已经超过21002100多井次。该压裂多井次。该压裂液体系最早在美国的墨西哥湾的压裂充填作业中使用，液体系最早在美国的墨西哥湾的压裂充填作业中使用，其效果比用常规压裂液作业的油井效果好。其效果比用常规压裂液作业的油井效果好。后来，加拿后来，加拿大、美国、意大利、墨西哥湾的众多油田的常规压裂施大、美

3、国、意大利、墨西哥湾的众多油田的常规压裂施工中广泛应用，取得了良好效果。工中广泛应用，取得了良好效果。该压裂液配制容易，该压裂液配制容易，施工简单，摩阻小，携砂能力强，施工效果良好施工简单，摩阻小，携砂能力强，施工效果良好。 这类清洁压裂液采用这类清洁压裂液采用特种表面活性剂作特种表面活性剂作“稠化剂稠化剂”，在此表面活性剂溶液中当在此表面活性剂溶液中当浓度较高时形成类似于交联聚浓度较高时形成类似于交联聚合物一样的网络结构，合物一样的网络结构，使溶液具有必要的粘度和粘弹性。使溶液具有必要的粘度和粘弹性。将这些特种表面活性剂称为将这些特种表面活性剂称为粘弹性表面活性剂，简称粘弹性表面活性剂，简称

4、“VESVES”（ViscoelasticViscoelastic surfactant surfactant）。）。 国外发展状况国外发展状况: :6 由由Schlumberger Schlumberger 公司开发的清洁压裂液，其商品名公司开发的清洁压裂液，其商品名ClearFracClearFrac。就是典型的就是典型的VESVES，其分子在水中一定条件下，其分子在水中一定条件下形成棒状结构的胶束，长棒状胶束之间高度形成棒状结构的胶束，长棒状胶束之间高度“缠结缠结” ” ，形成类似于交联的聚合物网状结构，具有粘弹效应和高形成类似于交联的聚合物网状结构，具有粘弹效应和高的有效粘度，使液体具

5、备优良的悬砂和携带性能。的有效粘度，使液体具备优良的悬砂和携带性能。 含有含有VESVES表面活性剂溶液表面活性剂溶液可以具有高粘度和粘弹性可以具有高粘度和粘弹性，能能将其用作将其用作压裂液悬浮支撑剂压裂液悬浮支撑剂。当。当VESVES压裂液进入含油的压裂液进入含油的岩芯或地层以后，岩芯或地层以后，亲油的有机物将被增溶到胶束中亲油的有机物将被增溶到胶束中，使，使棒状胶束膨胀，最终崩解成较小的球形胶束，棒状胶束膨胀，最终崩解成较小的球形胶束，VESVES凝胶破凝胶破解，变成粘度很低的水溶液。碳氢化合物如油和气有这解，变成粘度很低的水溶液。碳氢化合物如油和气有这种作用，将迅速地减少种作用，将迅速地

6、减少VESVES液体的粘度到最低水平。所以，液体的粘度到最低水平。所以，这种体系不需要另加破胶剂这种体系不需要另加破胶剂 7 McBain小胶团（小胶团（C C CMCCMC） Hartley的球形胶束（的球形胶束（C C CMCCMC） Debye的腊肠式棒状胶束的腊肠式棒状胶束（C C 10CMC10CMC） 棒状胶团六角束棒状胶团六角束 （C继续增大）继续增大）8 VESVES溶液无残渣溶液无残渣( (测不出测不出),),填砂管试验填砂管试验发现，发现，VESVES压裂液携砂充填层的渗透率的保压裂液携砂充填层的渗透率的保留率大于留率大于90%90%，比使用胍尔胶压裂液时充填比使用胍尔胶压

7、裂液时充填层的渗透率的保留率（层的渗透率的保留率（ 20 20 ）大得多）大得多, ,压裂效果也好得多压裂效果也好得多 , ,达到清洁压裂液要求。达到清洁压裂液要求。 9存在问题存在问题: : 1, 1,需研制、开发专门特殊的表面活性剂需研制、开发专门特殊的表面活性剂; ; 2, 2,用量大用量大(3(3一一4 % )4 % ), ,且很难减小且很难减小; ; 3, 3,成本高成本高( (每方每方25002500一一40004000元以上元以上) ), ,且极难降低；且极难降低； 4, 4,目前抗温能力还不够（据报道低于目前抗温能力还不够（据报道低于116 116 C C ）; ;且难且难以提

8、高。以提高。 5, 5,破胶不太好控制破胶不太好控制;(;(特别是气层特别是气层) ) 。 6, 6,初滤失速度大初滤失速度大; ;应考虑加降滤失剂应考虑加降滤失剂 10国内研究现状：国内研究现状： 国内长庆油田、大庆油田国内长庆油田、大庆油田, ,克拉玛依油田和四川气田克拉玛依油田和四川气田先先后后引进引进Schlumberger Schlumberger 公司开发的清洁压裂液技术公司开发的清洁压裂液技术，进行了数，进行了数十井次的现场应用，均取得了工艺上的成功和很好的增油效果十井次的现场应用，均取得了工艺上的成功和很好的增油效果 在国内在国内自行研制与研究也在很多油田普遍开展并取得一定的自

9、行研制与研究也在很多油田普遍开展并取得一定的进展进展: :如如 万庄分院研制出了万庄分院研制出了VES-70VES-70型粘弹性清洁压裂液体系型粘弹性清洁压裂液体系。 该清洁压裂液完成了该清洁压裂液完成了2020多井次现场试验效果良好例如在某油多井次现场试验效果良好例如在某油田是邻井使用常规水基压裂液压裂井产量的田是邻井使用常规水基压裂液压裂井产量的2 23 3倍。证实了它倍。证实了它配制简便、低粘度、高弹性和良好的剪切稳定性、携砂能力强、配制简便、低粘度、高弹性和良好的剪切稳定性、携砂能力强、减阻效果良好（减阻率达到减阻效果良好（减阻率达到7676）、破胶彻底、无残渣、返排）、破胶彻底、无残

10、渣、返排快，改善了增产效果。快，改善了增产效果。显示出清洁压裂液的巨大优势。显示出清洁压裂液的巨大优势。11 综上所述综上所述: 目前国内研究起步不久，正在沿着国目前国内研究起步不久，正在沿着国外的技术思路进行；而国外主要仍以外的技术思路进行；而国外主要仍以VESVES特种表活剂在较高浓度下形成棒状、片特种表活剂在较高浓度下形成棒状、片状状胶束进而形成结构的原理为主。即胶束进而形成结构的原理为主。即以研制开发这类特种表活剂为主，但仍以研制开发这类特种表活剂为主，但仍然无法解决与国外清洁压裂液相同的难然无法解决与国外清洁压裂液相同的难题。因此在题。因此在 “热过热过”一段时间后目前处一段时间后目

11、前处于仃滞阶段。于仃滞阶段。12小结小结: : 目前它己见目前它己见成效成效; ;但难以有突破性进展但难以有突破性进展: : 清洁压裂液的材料清洁压裂液的材料(VES)(VES)、体系、施工技、体系、施工技术、基本成功术、基本成功, ,应用效果也很好应用效果也很好; ; 成本太高难以承受成本太高难以承受. .无法推广应用无法推广应用; ; 抗温能力难提高抗温能力难提高( (难超过难超过120,120,据报道国据报道国外实验室己有外实验室己有150150的样品的样品).). 所以目前这项人们期待己久所以目前这项人们期待己久, ,又确有良好效果又确有良好效果的的革命性革命性新技术在国外推广并不迅速

12、新技术在国外推广并不迅速; ;国内基国内基本仃滞本仃滞; ;因此除继续沿着因此除继续沿着VESVES思路深入研究以尽量解决思路深入研究以尽量解决现有难题现有难题, ,争取有所突破外争取有所突破外, ,还必须还必须另劈溪径另劈溪径, ,探索新的思路探索新的思路, ,建立新的理论、研制开发出新建立新的理论、研制开发出新的增稠剂、研究出新的清洁压裂液体系及其应的增稠剂、研究出新的清洁压裂液体系及其应用技术用技术。13 二二,新型新型清洁清洁(无残渣无残渣)压裂液压裂液 (非非VES 类型类型)研究研究14 主要研究内容主要研究内容: 研究出清洁压裂液的一种研究出清洁压裂液的一种新原理新原理; (2)

13、按按它它设计、研制、开发出设计、研制、开发出一系列一系列适用于适用于各类地层条件各类地层条件,各类压裂作业要求的清洁压裂各类压裂作业要求的清洁压裂液液增稠剂及压裂液体系及应用技术。增稠剂及压裂液体系及应用技术。15,新型新型清洁压裂液原理清洁压裂液原理清洁压裂液清洁压裂液： 水基压裂液破胶后无不溶物水基压裂液破胶后无不溶物（残渣）或不溶物极低（测不出）（残渣）或不溶物极低（测不出）的压裂液的压裂液 ( (又称又称无残渣压裂液）无残渣压裂液）, ,它是一种它是一种不须交联不须交联的的结构性水溶结构性水溶液液。 16 1,1,为什么现用水基压裂液总为什么现用水基压裂液总有残渣呢有残渣呢? ? -(

14、 -(现用水基压裂液残渣现用水基压裂液残渣的来源及必然性的来源及必然性):):17压裂液的基本功能之一是将支撑剂压裂液的基本功能之一是将支撑剂由井筒经孔眼携带到裂缝前沿指定由井筒经孔眼携带到裂缝前沿指定位置，因此压裂液的位置，因此压裂液的悬浮和携带悬浮和携带(压压裂砂的裂砂的)能力是其基本要求能力是其基本要求，这就要这就要求它必须具有必要的求它必须具有必要的”有效粘度有效粘度”。18水基压裂液是依靠水溶性高分子水基压裂液是依靠水溶性高分子(天然高分子、天然高分子、改性高分子、合成高分子改性高分子、合成高分子)来建立其必要的有效来建立其必要的有效粘度粘度。但由于其分子结构但由于其分子结构(分子量

15、、线型分子链分子量、线型分子链)决定决定了它在高温、高矿化度油藏条件下很难了它在高温、高矿化度油藏条件下很难(无法无法)具具有所需的有效粘度，因此被迫有所需的有效粘度，因此被迫采用交联的办法采用交联的办法来来提高有效粘度以达到携砂的要求。所以提高有效粘度以达到携砂的要求。所以交联技术交联技术是压裂液技术的基础和必要条件是压裂液技术的基础和必要条件,也是它发展的重也是它发展的重要内容和方向。要内容和方向。19常用水溶性高分子常用水溶性高分子: : , ,合成高聚物合成高聚物( (如如HPAM):HPAM):其自身不溶物可其自身不溶物可以作得很低以作得很低(0.2(0.2) ); ;但其分子结构比

16、较简单，但其分子结构比较简单，能发生交联的官能团少，不易发生交联，进行能发生交联的官能团少，不易发生交联，进行交联所需技术复杂交联所需技术复杂, ,所以采用不多；所以采用不多； , ,天然高分子及其改性产品天然高分子及其改性产品( (如各种改性如各种改性胍胶胍胶) ): :其组成复杂其组成复杂, ,能发生交联的官能团多、能发生交联的官能团多、易发生交联反应故成为国内外易发生交联反应故成为国内外压裂液主要增稠压裂液主要增稠剂。剂。但其本身含有较多的不溶物但其本身含有较多的不溶物(8%(8%10%)10%)因因此通过此通过化学改性降低其不溶物含量是压裂液技化学改性降低其不溶物含量是压裂液技术发展的

17、另一个重要内容术发展的另一个重要内容20 而残渣的来源有二：而残渣的来源有二： 压裂液增稠剂本身的不溶物；压裂液增稠剂本身的不溶物； 交联作用产生的大量不溶物交联作用产生的大量不溶物; ; 它们虽经破胶也不能消除它们虽经破胶也不能消除, ,而对地层的堵而对地层的堵塞损害和对支撑剂充填层的严重堵塞塞损害和对支撑剂充填层的严重堵塞可使其可使其渗透率下降渗透率下降8080一一90%90%以上，从而大大降低压裂以上，从而大大降低压裂的效果的效果( (甚致完全失效甚致完全失效) )，因此，因此消除残渣及其消除残渣及其伤害是目前压裂液技术发展的必然趋势。伤害是目前压裂液技术发展的必然趋势。212,2,解决

18、此问题的思路之一：解决此问题的思路之一： , ,采用本身无采用本身无( (极少极少) )不溶物的水溶不溶物的水溶性增稠剂性增稠剂, ,使其水溶液中无不溶物或可以忽使其水溶液中无不溶物或可以忽略不计略不计( 10( 10ppmppm);); , ,同时同时, ,不交联就能使溶液不交联就能使溶液”有效有效粘度粘度”达到压裂施工的要求达到压裂施工的要求( (关健关健) ) ( (这在原来作不到，但现在其它学科这在原来作不到，但现在其它学科的发展使它己成为可能的发展使它己成为可能).).223,有助于压裂液技术有助于压裂液技术(清洁压清洁压裂液裂液)发展的其它学科的新发展的其它学科的新进展进展23,大

19、幅度提高大幅度提高溶液有效粘度的新途陉：溶液有效粘度的新途陉：由现在由现在”溶液流变学溶液流变学”相关理论相关理论,溶液有效粘度的溶液有效粘度的构成构成: :. .聚合物分子链在溶液中的流体力学尺寸的大小。聚合物分子链在溶液中的流体力学尺寸的大小。( (它它随温度、矿化度的提高而急剧下降随温度、矿化度的提高而急剧下降) )；. .高分子链间非共价健力相互作用的强弱及其状态。高分子链间非共价健力相互作用的强弱及其状态。( (它随温度、矿化度上升或下降或下降不多或不下降或它随温度、矿化度上升或下降或下降不多或不下降或反而上升，可以调、控反而上升，可以调、控) )。, ,而溶液有效粘度等于这两部份的

20、和而溶液有效粘度等于这两部份的和, , 即：即： 有效粘度有效粘度= = 非结构粘度非结构粘度十十 结构粘度结构粘度 24 以前增粘原理以因素以前增粘原理以因素 为主为主, ,没有能够作到利用因没有能够作到利用因素素 ( (天然物质也极少发现天然物质也极少发现) )，故其体系增粘能力差、抗，故其体系增粘能力差、抗温能力差、抗盐能力差、抗剪切能力差，必须加大聚合温能力差、抗盐能力差、抗剪切能力差，必须加大聚合物用量和物用量和采用交联。采用交联。 近几年在原有基础上如何充分利用分子链间作用近几年在原有基础上如何充分利用分子链间作用( (即即十十) )来建立溶液粘度的理论和实践问题己经解决。故来建立

21、溶液粘度的理论和实践问题己经解决。故利用这些成果完全有可能使体系的有效粘度因此而大大利用这些成果完全有可能使体系的有效粘度因此而大大提高、抗温、抗盐、抗剪切能力也因此而大大增强。提高、抗温、抗盐、抗剪切能力也因此而大大增强。 所以完全有可能不交联也能达到要求。所以完全有可能不交联也能达到要求。25这种无需交联其流变性就能达到要求的这种无需交联其流变性就能达到要求的流体称为流体称为“结构流体结构流体”:常见的结构流体有常见的结构流体有: : 1,1,固相在液相中的多级分散体系固相在液相中的多级分散体系 , ,钻井液是其典型钻井液是其典型; ; 2,2,具有超分子结构的水溶液具有超分子结构的水溶液

22、。 ( (它它们不需交联自身的有效粘度就可能达到们不需交联自身的有效粘度就可能达到很高，而且可以调很高，而且可以调, ,控控) ) 26,新兴的超分子化学与超分子结构溶液理论与实践：超分子化学是研究多个分子通过非共价键作用超分子化学是研究多个分子通过非共价键作用（缔合）而形成（超分子）聚集体并具有其特（缔合）而形成（超分子）聚集体并具有其特定结构（超分子结构）和功能的科学。是近十定结构（超分子结构）和功能的科学。是近十多年发展起来的一个新兴交叉学科。多年发展起来的一个新兴交叉学科。我们工作的关键是如何利用这新兴的超分子化我们工作的关键是如何利用这新兴的超分子化学相关理论和实践来获得具有我们所需

23、要功能学相关理论和实践来获得具有我们所需要功能（不交联就具有足够的携带能力和其它优良性不交联就具有足够的携带能力和其它优良性能）的超分子结构溶液。能）的超分子结构溶液。27根据溶液流变学理论根据溶液流变学理论: :流体的悬浮、携带能力主流体的悬浮、携带能力主要由流体的静、动屈服值要由流体的静、动屈服值( (相当于结构粘度相当于结构粘度) )所决所决定，因此屈服值比有效粘度对其携带能力的影响定，因此屈服值比有效粘度对其携带能力的影响更大。更大。根据流体粘弹性理论根据流体粘弹性理论：流体携带能力主要由其储：流体携带能力主要由其储能模量能模量( (弹性弹性) )及它与其耗能模量及它与其耗能模量( (

24、粘性粘性) )之比决定。之比决定。, ,关于流体的悬浮和携带能力关于流体的悬浮和携带能力: :28而从其微观作用机理本质上讲这都是由而从其微观作用机理本质上讲这都是由结构流体结构流体( (溶液溶液) )中溶质分子链间缔合作中溶质分子链间缔合作用形成的用形成的超分子结构状态超分子结构状态所决定所决定。因此因此, ,有效粘度己不能准确表示流体有效粘度己不能准确表示流体( (溶溶液液) )的携带能力。而其静、动屈服值的携带能力。而其静、动屈服值( (相相当于结构粘度当于结构粘度) )或储能模量或储能模量( (弹性弹性) )更准确更准确29 , ,综合应用上述超分子化学、溶液物理化综合应用上述超分子化

25、学、溶液物理化学、结构流体流变学理论及其应用的新进展学、结构流体流变学理论及其应用的新进展，结合高分子化学及溶液理论结合高分子化学及溶液理论, ,通过研究我们己经通过研究我们己经能够设计、研制出这样的能够设计、研制出这样的化学剂；化学剂；它们在溶液它们在溶液中分子链能自动缔合而形成多个分子的结合体中分子链能自动缔合而形成多个分子的结合体( (即超分子聚集体即超分子聚集体) )它们随速梯变化而可逆变化，它们随速梯变化而可逆变化，由它们由它们( (随着其浓度增加随着其浓度增加) )进而形成布满整个溶进而形成布满整个溶液空间的超分子空间纲状结构，液空间的超分子空间纲状结构，成为典型的结成为典型的结构

26、构( (溶液溶液) )流体流体。30 根据结构流体流变学原理这类流体必然具有：根据结构流体流变学原理这类流体必然具有： 高效增粘高效增粘 ( ( 有效粘度有效粘度= = 非结构粘度非结构粘度十十 结构粘度结构粘度) ) 抗温、抗盐；抗温、抗盐； 抗剪切；抗剪切； 剪切稀释性：剪切稀释性： 触变性触变性; ; 动、静屈服值动、静屈服值( (结构粘度结构粘度) )； 粘弹性；粘弹性； 以上各种性能都可按要求通过分子结构设计进以上各种性能都可按要求通过分子结构设计进行调控。行调控。因此无需交联这类溶液的携带能力就可能因此无需交联这类溶液的携带能力就可能完全解决。而且还具有现在惯用的交联压裂液希望完全

27、解决。而且还具有现在惯用的交联压裂液希望具有，又难以具有的特长和优点。具有，又难以具有的特长和优点。 314,4,新型清洁压裂液的新原理新型清洁压裂液的新原理( (理论理论依据依据) ): : (1)1)利用结构流体流变学的相关理论利用结构流体流变学的相关理论及其流体悬浮与携带原理解决无需交联及其流体悬浮与携带原理解决无需交联的压裂液就能具有足够的携砂能力和其的压裂液就能具有足够的携砂能力和其它优良性能的理论问题它优良性能的理论问题; ; (2)(2)利用超分子化学理论设计、研制利用超分子化学理论设计、研制出能形成具有以上功能的结构流体（溶出能形成具有以上功能的结构流体（溶液）的化学剂液）的化

28、学剂( (增稠剂增稠剂) )及其溶液体系及其溶液体系（压裂液）。（压裂液）。32 因此我们应用分子缔合形成结构流体的理论因此我们应用分子缔合形成结构流体的理论设计和研制出设计和研制出一系列化学剂一系列化学剂，它们在溶液中利用，它们在溶液中利用分子链间缔合作用形成超分子聚集体进而发展成分子链间缔合作用形成超分子聚集体进而发展成可逆式空间纲状结构，成为结构型流体，因而具可逆式空间纲状结构，成为结构型流体，因而具有以下特性：有以下特性：良好的高效增粘、抗温、抗盐、抗良好的高效增粘、抗温、抗盐、抗剪切、静、动屈服值剪切、静、动屈服值( (结构粘度结构粘度) )、粘弹性、粘弹性、它们不需交联其携带能力也

29、能很好满足压裂要求。它们不需交联其携带能力也能很好满足压裂要求。使用常用破胶剂就可破胶而无使用常用破胶剂就可破胶而无( (极少极少) )残渣。残渣。 SGA SGA一一130130是这类新产品的一种。是这类新产品的一种。33 ( (二二),),新型压裂液性能评价新型压裂液性能评价34 溶液粘度溶液粘度-浓度关系浓度关系(170(170S )S )05010015020025000.10.20.30.40.50.60.70.8浓度，%粘度，mPa.S1,1,高效增粘能力高效增粘能力: :试验结果如图试验结果如图3.23.2所示所示: : 溶液表观粘度随浓度增大而大幅度增大，溶液表观粘度随浓度增大

30、而大幅度增大，0.5 0.5 时时就可进到就可进到100100多多mpsmps。-1-1352,流变特性(1)(1)、抗剪切性：、抗剪切性：常规交联压裂液由于其交常规交联压裂液由于其交联作用的不可逆性则其联作用的不可逆性则其有效粘度必然随有效粘度必然随剪切时间增长而不断下降剪切时间增长而不断下降；而结构性流；而结构性流体由于其结构随剪切作用而可逆变化体由于其结构随剪切作用而可逆变化, ,则则当剪切（速率）作用一定时当剪切（速率）作用一定时, ,其结构将达其结构将达到与该剪切速率平衡的状态到与该剪切速率平衡的状态, ,则其有效粘则其有效粘度不再随剪切时间增长而下降度不再随剪切时间增长而下降, ,

31、长期保持长期保持恒定，故表现出优良的抗剪切性恒定，故表现出优良的抗剪切性。因此。因此它更能适合于需要泵送时间较长的压裂它更能适合于需要泵送时间较长的压裂作业（如深井、大型压裂作业（如深井、大型压裂) )。36压裂液的抗剪切性能压裂液的抗剪切性能 下下图是清洁压裂液在图是清洁压裂液在110110和和120120恒定温度下恒定剪切恒定温度下恒定剪切试验试验, , 压裂液的粘度始终保持恒定在所需要的数字。压裂液的粘度始终保持恒定在所需要的数字。010203040506070020406080时间,min粘度,mPa.S020406080100120140160180Eta mPasT 癈Gp 1/s

32、 清洁压裂液剪切试验清洁压裂液剪切试验 （110）020406080100120140020406080100时间,分钟粘度,mPa.SEta mPasGp 1/sT 清洁压裂液剪切试验清洁压裂液剪切试验 （120）37(2)、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携砂的前题下大幅度降低流动阻力；保证良好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 达西达西- -韦氏摩擦系数与流速的关系曲线韦氏摩擦系数与流速的关系曲线(91

33、#(91#试粉剂的质量含量试粉剂的质量含量0.5%)0.5%)38(3),(3),流变参数流变参数: : 由图解法求得含主剂由图解法求得含主剂0.50%0.50%及辅剂及辅剂0.015%0.015%压裂液的压裂液的K K和和n n值，值，与常规高分子交联压裂液一与常规高分子交联压裂液一样样, ,也显示屈服应力也显示屈服应力, , 测定其屈服应力测定其屈服应力y y 为为9.4 9.4 PaPa。具有较高的稠度系数和屈服应力及低具有较高的稠度系数和屈服应力及低的流动特征指数。的流动特征指数。且升高温度影响不大。且升高温度影响不大。表表3.1 3.1 压裂液的流变参数压裂液的流变参数温度，温度，8

34、0809090100100110110120120* *130130* *n n0.1250.1250.1030.1030.1080.1080.1050.1050.1130.1130.1180.118K K，Pa.SPa.Sn n38.438.432.432.431.831.831.531.530.630.628.328.3相关系数相关系数0.96360.96360.97320.97320.98450.98450.98230.98230.99120.99120.97650.9765【注】【注】* * KCl2%+KCl2%+主剂主剂0.7%+0.7%+辅剂辅剂0.018%0.018%39 压裂

35、液在高达压裂液在高达120120、130130高温条件下获得了比较高的屈服力，高温条件下获得了比较高的屈服力，预示了该体系在低流速下仍有携带能力。预示了该体系在低流速下仍有携带能力。 屈服应力屈服应力0100200300400500600700024681012141618剪切应力,Pa剪切速率,1/S01002003004005006007008009000246810 12 14 16 18 20剪切应力,Pa剪切速率,1/S(120(120) (130) (130)40压裂液粘弹性动态特征压裂液粘弹性动态特征 如图如图3.113.11。从图可知，随着扫描频率的逐步增加，。从图可知，随着扫

36、描频率的逐步增加，压裂液的储能模量压裂液的储能模量GG和复合模量和复合模量G G* *增加，而损耗模量增加，而损耗模量却几乎不变，整个试验过程中弹性明显地大于粘性。却几乎不变，整个试验过程中弹性明显地大于粘性。 0102030405060708090024681012频率，HZGGG*|G*| PaG PaG Pa41试验表明一般情况下这类压裂液的储能模量及它与其耗试验表明一般情况下这类压裂液的储能模量及它与其耗能模量之比均大于常用的胍胶压裂液能模量之比均大于常用的胍胶压裂液,即其粘弹性更强。即其粘弹性更强。 05101520253000.511.522.5时间，分钟G/G/G*|G*|Paf

37、 HzG PaG Pa模量测试（模量测试（110110，辅剂，辅剂0.02%0.02%）42胍胶压裂液的储能模量胍胶压裂液的储能模量GG和复合模量和复合模量G G* 表观粘度，表观粘度，Pa.SPa.S0.1050.2090.406储能模量，储能模量，GG17.633.248.7复合模量，复合模量，G G* *21.841.560.6表观粘度表观粘度Pa.SPa.S 0.011 0.021 0.011 0.021 0.0300.030 0.056 0.056 0.1080.108 0.200 0.200储能模量，储能模量，G3.20 12.60 G3.20 12.60 20.1020.10 2

38、6.40 26.40 29.5029.50 31.60 31.60复合模量，复合模量，G G* * 3.21 2.70 3.21 2.70 20.2020.20 26.50 26.50 29.7029.70 31.70 31.70清洁压裂液的储能模量清洁压裂液的储能模量GG和复合模量和复合模量G G* *43 (4),新型压裂液新型压裂液流变性的流变性的抗温性与抗盐抗温性与抗盐性：性： 超分子溶液超分子溶液结构性流体的流变性从本结构性流体的流变性从本质上具有抗温和抗盐的因素，质上具有抗温和抗盐的因素，因此合理因此合理分子结构的分子结构的超分子溶液超分子溶液就能得到抗高温就能得到抗高温压裂液，压

39、裂液，(无需交联无需交联)；同理也可用于各种；同理也可用于各种盐水盐水(加重、保护储层加重、保护储层)压裂液压裂液(同样无需同样无需交联交联)。44样品样品初滤失量初滤失量( (m m3/m2)滤失系数滤失系数（m/m/)滤失速度滤失速度( (m/min)m/min)J-1 32.310-31.8610-43.410-5J-3 46.710-31.7410-44.110-5J-6 59.510-31.4810-44.210-5硼酸盐交联硼酸盐交联HPGHPG8.110-49.6810-4有机硼交联有机硼交联HPGHPG4.210-45.3110-43,3,压裂液的滤失对比压裂液的滤失对比 mi

40、n45样品样品编号编号破胶破胶温度温度 CFB- CFB-130130% %破胶水化液粘度破胶水化液粘度/ /mPa.smPa.s0 0h h1.01.0h h2.02.0h h3.03.0h h4.04.0h h1#80800.050.051051056363424215153.23.22#90900.040.0498985858373718182.52.53#1001000.030.031021026060353515152.02.04#*1201200.010.011181187272333314141.51.55#*1301300.010.011251256565353515151.5

41、1.54,4,新型清洁压裂液在不同时间破胶后的粘度新型清洁压裂液在不同时间破胶后的粘度 【注】【注】* *主剂主剂0.6%+0.6%+辅剂辅剂0.015%0.015%，其他为主剂，其他为主剂0.5%+0.5%+辅剂辅剂0.013%0.013%。 465,5,新型压裂液新型压裂液破胶液的表面和界面张力破胶液的表面和界面张力（25.9425.94） 压裂液体系压裂液体系编号编号12345#表 面 张 力表 面 张 力（mN/mmN/m）27.5227.1326.8226.6525.14界 面 张 力界 面 张 力（mN/mmN/m）0.680.620.530.420.35 476,6,残渣与伤害残

42、渣与伤害压裂液残渣对比压裂液残渣对比压裂液压裂液新型清洁压裂液新型清洁压裂液超级胍胶压裂液超级胍胶压裂液残渣含量，残渣含量，ppmppm无残渣无残渣95048图图3.20 3.20 HPGHPG压裂液压裂液 清洁压裂液清洁压裂液 49压裂液压裂液岩心规格岩心规格( (d dL)(cmcm)煤油渗透率煤油渗透率( (10-3m2)损害率损害率d d(%)伤害前渗透率伤害前渗透率K K1伤害后渗透率伤害后渗透率K K21#H1-1(2.6987.392)315297.45.592#H2-2(2.6987.408)294.3279.35.093#H3-3(2.6987.450)103.293.59.

43、44#H4-4(2.6987.500)367.7344.56.3交联胍胶交联胍胶H5-5(2.6727.650)105.270.233.27VES压裂液压裂液8383 10.22清洁压裂液与胍胶压裂液的滤液对岩心伤害比较清洁压裂液与胍胶压裂液的滤液对岩心伤害比较 50图图3.24聚合物压裂液破胶液聚合物压裂液破胶液对支撑充填层的影响对支撑充填层的影响 3.253.25清洁压裂液破胶液支撑充填清洁压裂液破胶液支撑充填 51对支撑剂充填的伤害对支撑剂充填的伤害100100200300400500600700800900100005101520253035404550556065时间,分钟累计体积,

44、ml2%KCL，体积，ml清洁压裂液，体积ml硼交联HPG0102030405060700200400600累计通过压裂液体积,mlKHPG/Kkcl,%01020304050607080901000100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000压裂液累计体积,mlKqj/Kkcl,%图图3.21支撑充填层流动伤害试验结果支撑充填层流动伤害试验结果 图图3.213.21支撑充填层流动伤害支撑充填层流动伤害9090图图3.233.23清洁压裂液伤害清洁压裂液伤害1010 52( (三三)“)“悬浮能力和携砂悬浮能力和携砂能力能力” 评价评价53 利用大型的裂缝悬

45、砂测量试验装置和高速摄像利用大型的裂缝悬砂测量试验装置和高速摄像装置跟踪（锁定）支撑剂颗粒，测定了在装置跟踪（锁定）支撑剂颗粒，测定了在静止和静止和一定流动条件一定流动条件( (模拟压裂工况模拟压裂工况) )下下、不同流变参数、不同流变参数的这种清洁压裂液和常规胍胶压裂液中支撑剂颗的这种清洁压裂液和常规胍胶压裂液中支撑剂颗粒的下降速度、沉降距离、平移距离等运动轨迹，粒的下降速度、沉降距离、平移距离等运动轨迹，研讨压裂液的携砂机理并对比了两类压裂液的携研讨压裂液的携砂机理并对比了两类压裂液的携砂能力砂能力: : 试验表明一般情况下这类压裂液的储能模量及试验表明一般情况下这类压裂液的储能模量及与其

46、耗能模量之比均大于常用的胍胶压裂液。根与其耗能模量之比均大于常用的胍胶压裂液。根据结构流体流变学理论据结构流体流变学理论: :它的携带能力主要取决它的携带能力主要取决于其储能模量及它与其耗能模量之比；因此在相于其储能模量及它与其耗能模量之比；因此在相同有效粘度的情况下此类清洁压裂液的携砂能力同有效粘度的情况下此类清洁压裂液的携砂能力应高于常规压裂液；而试验应证实了这一点应高于常规压裂液；而试验应证实了这一点, , 54变频器螺杆泵 差压测量高速数字摄像系统MicroMotion流量与密度测量分离器气体流量计C CO O2 2含含砂砂压压裂裂液液C CO O2 2 裂缝试验段 差压测量 圆管试验

47、段压力温度压力温度数据采集系统 流动试验回路原理图和使用高速摄像可观测压裂液和砂流动试验回路原理图和使用高速摄像可观测压裂液和砂粒在其中的流动特征。粒在其中的流动特征。 55双试验段流动测量回路实验架双试验段流动测量回路实验架( (西安交大西安交大) )56 矩型裂缝实验段（充满压裂液）矩型裂缝实验段（充满压裂液）57砂粒沉降速度随压裂液表观粘度的变化关系砂粒沉降速度随压裂液表观粘度的变化关系58不同粘度下砂粒的沉降过程不同粘度下砂粒的沉降过程(流速流速0.26米米/秒秒)0123456700.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.911.10.1050.2090.4

48、060123456700.10.20.30.40.50.60.70.80.911.10.0110.0210.0300.0560.108瓜胶压裂液瓜胶压裂液 sag-130 sag-130压裂液压裂液时时 间间 ( (秒秒) )沉降距离沉降距离(mm)(mm)59砂粒沉降轨迹的比较砂粒沉降轨迹的比较(流速流速0.26米米/秒秒)0123456700 . 0 50 . 10 . 1 50 . 20 . 2 50 . 39 1 # 试 剂 : 0 . 0 3 09 1 # 试 剂 : 0 . 0 5 69 1 # 试 剂 : 0 . 1 0 8瓜 胶 : 0 . 1 0 5瓜 胶 : 0 . 2 0

49、 9瓜 胶 : 0 . 4 0 6平移距离（平移距离（m m）沉降距离沉降距离(mm)(mm)601,1,无需无需( (没有没有) )交联的结构性水溶液其携带能力完交联的结构性水溶液其携带能力完全能达到和超过常用胍胶全能达到和超过常用胍胶( (交联交联) )压裂液压裂液: : 2,随着表观粘度增加其携砂能力及悬浮能力随之随着表观粘度增加其携砂能力及悬浮能力随之增加增加( (即降沉速度降低即降沉速度降低) )3,3,当表观粘度相同时当表观粘度相同时, ,新型清洁压裂液的悬浮能力新型清洁压裂液的悬浮能力及携带能力总大于常规瓜胶压裂液及携带能力总大于常规瓜胶压裂液; ;较低粘度的新较低粘度的新型清洁

50、压裂液比更高粘度的常规胍胶压裂液有相型清洁压裂液比更高粘度的常规胍胶压裂液有相似或更好的携砂能力。似或更好的携砂能力。4,4, 低有效粘度而较高粘弹性其携带能力就能达到低有效粘度而较高粘弹性其携带能力就能达到压裂要求压裂要求, ,试验证明该新型清洁压裂液试验证明该新型清洁压裂液3030mPa.SmPa.S的的携砂能力达刭常规胍胶压裂液的携砂能力携砂能力达刭常规胍胶压裂液的携砂能力。5,5,我们设计、研制的无交联压裂液完全能达到予我们设计、研制的无交联压裂液完全能达到予期目的。期目的。 结论结论: :61(四),现场试验621 1、濮、濮65-965-9井井20052005年年2 2月月2 2日

51、日采用采用GRAGRA压裂液压裂液，压裂沙二上，压裂沙二上7 71-21-2砂组，井段砂组，井段2512.9-2535.52512.9-2535.5m m，8.3m/3n8.3m/3n，加陶粒加陶粒1717m m3 3，破压破压44.744.7MPaMPa，排排量量3.853.85m m3 3/min/min。压后日产液压后日产液4.24.2m m3 3，日产油日产油1.11.1t t，日产气日产气432432m m3 3，压裂无效压裂无效。本次压裂同一层段井段：本次压裂同一层段井段：2513.3-25352513.3-2535m m，厚度厚度8.18.1m m，层层数数3 3层；测井解释砂体

52、厚度小，解释为层；测井解释砂体厚度小，解释为2 2级水淹层级水淹层，地层温度地层温度: : 83.583.5。本次施工共泵入地层压裂液本次施工共泵入地层压裂液121.6121.6方，加砂方，加砂1010方约方约1717吨。吨。施工破裂压力施工破裂压力49.849.8MPaMPa，泵注预前置液（活性水）时泵压泵注预前置液（活性水）时泵压4848MPaMPa，泵注前置液（压裂液）时，压力下降到泵注前置液（压裂液）时，压力下降到30.530.5MPaMPa，加加砂压力砂压力2828MPaMPa，平均砂比平均砂比20.7%20.7%，顶替（活性水），顶替（活性水）12.612.6方，方，顶顶替正常、顺

53、利，施工获得圆满成功替正常、顺利，施工获得圆满成功 。63现场试验情况：现场试验情况：而采用清洁压裂液现场施工表明，其而采用清洁压裂液现场施工表明，其摩阻仅相摩阻仅相当于清水摩阻的当于清水摩阻的49.6%49.6%，该压裂液的摩阻很低。，该压裂液的摩阻很低。 压后压后4 4小时后开始排液，取样分析，破胶液粘度小时后开始排液，取样分析，破胶液粘度3.53.5mP.SmP.S，pHpH值为值为7.07.0，外观为无色透明状，外观为无色透明状，破胶破胶效果良好。效果良好。初期日产液初期日产液15 15 m3m3，日产油日产油12.712.7t t，日产气日产气2280 2280 m3m3。一直稳产一

54、直稳产6-12.36-12.3t/dt/d之间，平均日产油之间，平均日产油8.38.3t/dt/d，含水含水10-20%10-20%。常规压裂每方砂增油。常规压裂每方砂增油0.060.06t/dt/d，清洁压裂液每方砂增油清洁压裂液每方砂增油0.830.83t/d(14t/d(14倍倍) )。 64 020040060080010001200140018:07:1218:14:2418:21:3618:28:4818:36:0018:43:1218:50:2418:57:36施工时间施工参数0102030405060Slurry Density kg/m3Tubing Pressure MPa

55、Slurry Rate*10 m3/min濮濮65-965-9井压裂液施工曲线井压裂液施工曲线如果按常规压裂施工，预计施工压力如果按常规压裂施工，预计施工压力40-55MPa40-55MPa，而采用清洁压裂液，而采用清洁压裂液，纯胶液泵压为纯胶液泵压为30.5MPa30.5MPa，加砂压力，加砂压力28MPa28MPa，如果不除去孔眼摩阻，其摩，如果不除去孔眼摩阻，其摩阻仅相当于清水摩阻的阻仅相当于清水摩阻的49.6%49.6%，该压裂液的摩阻很低。，该压裂液的摩阻很低。65图图5.65.6a a濮濮65-965-9压裂施工效果对比压裂施工效果对比 00.10.20.30.40.50.60.7

56、0.80.9常规压裂清洁压裂液措施效率，吨油/方砂天66 2.文文99-2井井 文文9999块含油面积小，动用石油地质储量较低，块含油面积小，动用石油地质储量较低，仅为仅为127127* *10104 4t t。该块油层主要分布在沙二下该块油层主要分布在沙二下4 4砂砂组，沙二下组，沙二下5 5砂组只在顶部一个油层，而且含油砂组只在顶部一个油层，而且含油小层厚度较小，平均单层厚度只有小层厚度较小，平均单层厚度只有1 1_2m_2m。由于储由于储层单一，水淹十分严重，剩余油主要分布在构造层单一，水淹十分严重，剩余油主要分布在构造高部位，沿徐楼断层呈南北条带状分布，含油高高部位，沿徐楼断层呈南北条

57、带状分布，含油高度较小，度较小，产量低产量低(0,5t/d)(0,5t/d)、改造难度大。已进行、改造难度大。已进行的压裂无效果。的压裂无效果。67本次压裂层段本次压裂层段S2S2下下4 4，3-5#3-5#层，层，2958.62958.62969.62969.6m,m,，温温度度120120 c c，已进行压裂无效果。已进行压裂无效果。本试验压裂液主剂本试验压裂液主剂0.3%0.3%，辅剂辅剂0.03%0.03%。总用液量。总用液量135.2135.2m3m3，破裂压力破裂压力59 59 MPaMPa，加加砂压力砂压力39.339.3MPaMPa，加粉陶加粉陶1.81.8m3m3，中陶中陶1212m3m3约约1717吨，平吨，平均砂比均砂比26.4%26.4%。加粉陶。加粉陶1.81.8m3m3，中陶中陶1212m3m3约约1717吨，平均吨，平均砂比砂比26.4%26.4%。 加粉陶加粉陶1.81.8m3m3，中陶中陶1212m3m3约约1717吨，平均砂比吨，平均砂比26.4%26.4%。 压后压后4 4小时后开始排液，取样分析，破胶液粘度小时后开始排液，取样分析，破胶液粘度1.51.5mP.SmP.S，pHpH值