压裂液总结

压裂液总结 压 裂 液 总 结 压裂液是压裂施工的关键性环节之一，素有压裂“血液”之称。它的性能除了直接影响到水力压裂施工的成功率外，还会对压后油气层改造效果产生很大的影响。压裂液在施工时应具有良好热稳定性和流变性能，较低的摩阻压降，优秀的支撑剂输送和悬浮能力，而在施工结束后，又能够快速彻底的破胶返排，残渣低、并且进入地层的滤失液与油气配伍性好，对储层造成的潜在性伤害应最小，从而获得较理想的施工效果。因此，在优选水力压裂所用的工作液时，应从压裂液的综合性能满足压裂工艺的要求及压裂液应当与储层配伍，对储层造成的潜在性伤害尽可能地小两方面着手，优选出高效、低伤害、适合储层特征的优质压裂液体系。 压裂是油气井增产，水井增注的有效措施之一。特别适于低渗透油气藏的整体改造。压裂形成具有高导流能力的填砂裂缝，能改善储集层流体向井内流动的能力，从而提高油气井产能。然而，压裂作业中压裂液进人储集层后，总会干扰储集层原有平衡条件，压裂措施本身包含了改善储集层和伤害储集层双重作用，当前者占主导时，压裂增产，反之则造成减产。为了获得较好增产效果，就应充分发挥其改善储集层的作用，尽量减少对储集层的伤害。 一、压裂液对油气层的损害 压裂液是压裂施工的关键性环节之一，素有压裂“血液”之称。它的性能除了直接影响到水力压裂施工的成功率外，还会对压后油气层改造效果产生很大的影响。压裂作业中压裂液造成油气层损害的主要原因有:一是由于压裂液及其添加剂选择不当造成压裂液与油气层岩石矿物和油气层流体不配伍造成损害;二是压裂液对支撑裂缝导流能力的损害;三是压裂施工过程中的损害。 1(压裂液与油层岩石和油层流体不配伍损害 1)压裂液滤液对油层的损害 在压裂施工中，向储集层注人了大量压裂液，压裂液沿缝壁渗滤人储集层，滤液的侵人改变了储集层中原始含油饱和度，并产生两相流动，流动阻力加大。毛管力的作用致使压裂后返排困难和流体流动阻力增加。如果储集层压力不能克服升高的毛细管力，则出现严重和持久的水锁。故选择压裂液时首先应当考虑，当压裂液向储集层发生渗滤引起流动阻力增加时，储集层压力能否克服该附加阻力。另外使用压裂液添加剂不当时，会造成岩石润湿性反转，当油层由水湿转变为油湿时，可使油相渗透率大幅降低，压后产量减少。因此，要把降低面张力与防止润湿反转结合起来。滤液在油层中滞留的时间越长，对油气层渗透率的损害越大。油气层渗透率越低，造成损害越严重。 2)压裂液滤液与油气层原油发生乳化造成伤害 用水基压裂液压裂时，压裂液滤液会侵入储集层与原油相接触，由于原油中有天然乳化剂如胶质、沥青质和腊等，因此当油水在储集层孔隙中相互接触，渗流时就形成了乳化液，乳化液粘度比地下原油粘度高 3.2,3.5倍，使渗滤阻力大大增加。而原油中的天然乳化剂附着在水滴上形成保护膜，使乳化液具有较高的稳定性。 当乳化液中的分散相通过毛管、喉道时将发生贾敏效应，该效应对流体产生阻力，此液阻效应是可以叠加的，而且一个分散液珠受阻后，还会使分散液珠聚集造成更严重的液堵，因此，防上压裂液滤液与油气层流体发生乳化现象是十分重要的。 3)压裂液与地层水不配伍的损害 压裂液与储集层流体的配伍性不好时，可能发生化学反应，产生沉淀，引起油层渗透性下降，造成油层伤害。 4)压裂液滤液引起储集层中粘土矿物膨胀和颗粒运移 几乎所有的砂岩储集层都含有一定量的水敏粘土矿物。对含粘土矿物的水敏性油层，用水基冻胶压裂液进行压裂时，将会对油层渗透率造成极大的损害。根本原因是在钻开地层之前，地层中的粘土矿物、地层水或盐水达到膨胀平衡，任何化学成分的改变或盐水浓度的降低，都能破坏这种平衡，引起粘土膨胀。当进行水力压裂时，水基压裂液滤液进 人含粘土矿物的水敏性地层，使油层岩石结构及表面性质发生变化，大量的滤液与粘土矿物接触，这些粘土就会与地层流体离子浓度不同的滤液发生反应，粘土水化膨胀，颗粒分散运移，堵塞孔隙喉道，降低了储集层的孔隙度和渗透率，使油气井的产油气能力降低。粘土矿物对油层的损害，实质上就是破坏油层孔隙结构，降低了油层的渗透性。储油层的原始渗透率越低，由粘土矿物造成的渗透率损害就越大。 粘土矿物的成分不同，在储集层中含量不同，与压裂液接触后产生的影响也不同，同样，不同的压裂液也引起不同程度的粘土水敏膨胀和颗粒运移。 2(压裂液对储集层的冷却效应造成储集层伤害 压裂液进入储集层，会使储集层温度降低，从而使原油中的蜡及胶质、沥青质等析出，造成储集层伤害。此种伤害取决于储集层原油的性质，储集层原始温度、储集层降温幅度及储集层渗透率等因素。原油含蜡量高，降温幅度大，储集层渗透率低和储集层原始温度低的油层，“冷却效应”引起的储层伤害就大; SUttin等人认为，当油层原始温度低于80?(一般石蜡溶点)时，如果压裂后关井时间小于8h，冷却效应将造成严重的伤害;当储集层温度高工80?时，一般不会造成永久性的储集层伤害。 3(压裂液对支撑裂缝导流能力的损害 1)压裂液浓缩对支撑裂缝导流能力损害 实验研究表明，在压裂过程中，随着压裂液的注人形成裂缝。裂缝中压裂液不断滤失。当裂缝闭合后，裂缝中压裂液进一步浓缩，稠化剂的浓度将增加。还引起破胶剂浓度分布发生变化，参见羟乙基田青压裂液滤失试验数据见表l。从表1中可知羟乙基因著压裂液在滤失过程中的破胶剂浓度分布和聚合物浓度分布发生很大变化，滤饼中聚合物浓度约提高9倍，破胶剂浓度提高2倍。由此可见破胶剂浓度分布的不合理性。滤饼上聚合物浓度很高，而破胶剂含量相对较低，致使滤饼及其周围的压裂液不能破胶或只有部分破胶，破胶剂未能充分发挥作用，势必造成对支撑裂缝的伤害。 2)压裂液残渣对支撑裂缝导流能力损害 压裂液的残渣来源是稠化剂，不同植物胶残渣含量不同，胍胶压裂液残渣含量为915,945mg,l。，田青压裂液残渣含量为875,1548mg,l。残渣在岩石表面形成滤饼，可降低压裂液的滤失，并且阻止大颗粒残渣继续浸入储集层内。但较小颗粒残渣，穿过滤饼随压裂进人储集层深部，堵塞孔隙喉道，降低储集层渗透率。缝壁上的残渣，随压裂液的注可能沿支撑缝前移，压裂结束后，这些残渣返流堵塞填砂裂缝，降低裂缝导流能力，使填破裂缝完全堵塞，造成压裂失败。试验结果看出:田青冻胶压裂液，不管是常温或是加温情况下，加压让压裂液经过单后，在滤纸上迅速形成滤饼，滤饼上的残渣占压裂液总残渣量的 78,左右，常温情初 41nin内滤出液中的残渣仅占压裂液中残渣的8.6,，后 32min仅占 3.4,，在加温的滤液中的残渣占压裂液中残渣的7(7,。进人地层中的残渣量极少，且粒径很小。所含残渣形成的滤饼，既可以防止滤液进人地层，也可以阻止压裂液中的残渣进入地层，起到保护储集层的目的，但滤饼本身对储集层和裂缝导流能力是一种伤害，它降低储集性和裂缝的导流能力，因此如何减少压裂液残渣，是提高裂缝导流能力的一个方向。 4(压裂液储罐清洗不干净，将杂质、锈、垢等带人储集层引起损害。配液时，水质不好，使压裂液性能改变，并引人有害物质。 二(压裂液体系的选择 综上述，在优选水力压裂所用的工作液时，应从压裂液的综合性能满足压裂工艺的要求及压裂液应当与储层配伍，对储层造成的潜在性伤害尽可能地小两方面着手，优选出高效、低伤害、适合储层特征的优质压裂液体系。长庆各油田的储层物性差异大、渗透率低、油层薄、油气层深浅不一。综合考虑长庆油田的地层特征及施工工艺要求，压裂液的选择应满足下列条件: 1(良好的抗剪切性能和热稳定性。尤其是气井等深井，储层温度高，高剪切时间和施工时间长，压裂液要有足够的粘度，以确保携砂和造缝。 2(彻底破胶及低残渣。压裂液破胶水化程度直接影响支撑裂缝导流能力的大小。彻底水化破胶后易返排，压裂液返排越快，对油气层造成的损害越小。残渣多易堵塞油气层孔道，并严重损害支撑带渗透率。 3(与储层岩石和流体相配伍。配伍性是压裂液关键的特性，防止压裂液滤液引起储层粘土矿物水化、分散、运移和与储层流体形成沉淀，堵塞油气层孔道。 4(低滤失。控制滤失量是确保超深井压裂施工成功、减少储层损害和降低压裂液成本的重要内容。 5(低摩阻性能。低摩阻可以提高造缝能力和降低地面泵压及设备损耗。 6(压裂液在现场应用应简单易行，经济有效。 目前水力压裂液有水基、油基、泡沫、乳化、液态CO等，不同的压2裂液体系具有不同的特点及应用条件，见表1。 表1 国内外压裂液类型及使用现状 使用比例 压裂 优点 缺点 适用范围 液类型 国外 国内 廉价、安全、可深度高，残渣、除强水敏性储层 水基 操作性强、综合伤害高 外均可用 60,65 ?95 压裂液 性能好 配伍性好、密度成本高，安全性强水敏，低压储 油基 低、易返排伤害差，耐温较低 层 ?5.0 ?3.0 压裂液 小 乳化 残渣少、滤失摩阻较高，油水水敏，低压储 ?5.0 ?2.0 压裂液 低、伤害较小 比较难控制 层、低中温井 密度低、易返施工压力高，需低压、水敏领导 泡沫 排，伤害小、携特殊设备 25,30 ―― 压裂液 砂性好 不会引入任何流施工设备特殊，干气气藏，低压液态CO2 -- 0 体，对地层无伤成本远高于其它油藏 压裂液 害，有利于压后体系，施工规模 投产 较小 可见水基压裂液仍是国内外压裂液的主体，占国内压裂液的 95,以上。它是以水为介质，添加稠化剂、交联剂、破胶剂等十二大类添加剂组成，具有良好的综合性能，即低摩阻、低滤失、耐高温、强携砂能力、易破胶和货源广、成本低、安全、可操作性强等特点。油基压裂液具有较高的施工摩阻，施工安全性较差，在制备时需要大量的技术力量和质量控制，且成本高;乳化压裂液油水比较难控制，摩阻高;泡沫压裂液施工压力高，需特殊设备，不适合目前大力推广应用的要求。 三、压裂液添加剂 1、稠化剂 水基压裂液是以清水为基液，用植物胶或聚合物做稠化剂，再加入各种添加剂配制成，常用水基压裂液及性能见表2。 名称 稠化剂 交联剂 主 要 性 能 残渣含量较高(占干粉的20-30%), 田菁冻胶 田菁粉 硼砂 摩阻小,滤失低,热稳定性较好,抗 剪切性较差. 羟乙基田羟乙基 残渣低(5%),摩阻小,滤失低,热稳硼砂 菁冻胶 田菁 定性较好,抗剪切性较好. 残渣低(5%),摩阻小,滤失低,热稳 羟丙基 HPS冻胶 硼砂 定性较好,抗剪切性较好.适应温度田菁 120-200? 香豆粉 滤失低,摩阻小,悬砂能力强,热稳 香豆粉 硼砂 冻胶 定性抗剪切性较差. 甲叉基聚丙无残渣,摩阻低,热稳定性好,抗剪 PAMM 明矾 烯酰胺 切性较差.不易于现场配制. 胍胶 胍胶 残渣(8-10%),精制后可降低为3- 硼砂 羟丙基瓜胶 羟丙基瓜胶 4%,热稳定性较好，抗剪切性较 差，改性羟丙基瓜尔胶HPG可用于 高温井. 压裂液的残渣量及滤失量是引起储层伤害的主要因素，残渣主要来自稠化剂，国产植物胶稠化剂和美国改性瓜尔胶性能对比还存在差距，但与其它植物胶相比，羟丙基瓜尔胶和香豆胶性能较好优于田菁胶、皂仁胶及其改性产品等。香豆胶和改性瓜尔胶均具有较低摩阻特性，是良好的减阻剂，通过交联，可形成低摩阻的压裂流体。长庆油田逐年淘汰了残渣含量高、抗剪切性和热稳定性差的田菁、改性田菁、蘑芋胶等，选用残渣低、抗剪切强、热稳定性好可适合于高深井的羟丙基瓜尔胶。 瓜尔胶及羟丙基瓜尔胶的主要性能指标见表3 表3 项目 瓜尔胶 羟丙基瓜尔胶 细度(120目) ?99.0 ?99.0 PH值 7.0 7.0 含水率 6-8 6-8 表观粘度(30? 120-138 90-108 ,1170SmPa.s) 水不溶物 % 18-20 7-11 交联性能 交联好,能用玻璃棒挑挂 2、粘土稳定剂 砂岩储层多少都含有粘土，粘土颗粒遇水先是水化膨胀，进而是剥落分散运移。由于粘土本身固有的负电荷与阳离子结合，并在溶液中靠近阴离子表面形成阳离子氛，这些阳离子氛与粘土颗粒的阴电荷构成双电层的颗粒互相排斥，必然引起分散。水合膨胀为分散运移创造了条件，而分散运移又促进了更进一步的水合膨胀。膨胀型粘土(蒙脱石)以水合膨胀为主，而非膨胀型粘土(高岭石、伊利石)则以分散运移为主。粘土的水合膨胀和分散运移都会堵塞油气层，降低油气层的渗透率。因此，对粘土矿物必须采用防膨稳定措施，防上粘土膨胀运移损害 油气层。 粘土矿物的防膨和稳定主要是利用粘土表面化学离子交换的特性。通过改变结合离子达到抑制水合膨胀和分散运移的目的。粘土矿物由于离子取代使离子带负电荷，形成对阳离子的吸引力。粘土矿物稳定的基本机理就是选用结合能力强的离子或化学剂而起到防膨稳定作用。 目前常用的粘土防膨稳定剂有无机盐类、有机阳离子聚合物类。有机阳离子聚合物适用范围广，长久有效，用法简单，用量少，抗酸液，盐液，碱液和油水的冲刷。 3、助排剂 在低渗透油气层中，由于存在毛细管压力使液体被滞留在非常小的孔隙中，液珠通过毛细孔喉时需要变形而对液体流动发生阻力效应，产生水锁，阻力效应是可以迭加的。降低毛细管压力也就降低了返排压裂液所需的油层压力，提高返排率。添加助排剂可降低表面张力或油水界面张力，增大接触角，达到压裂液水化液的助排。 4、破乳剂 为防止水基压裂液滤液与地层原油发生乳化，造成贾敏效应损害，油井施工时入井液体必须使用防乳破乳剂。常用破乳剂多为阴离子型与非离子型表面活性剂. 6、破胶剂 破胶性能是影响压裂支撑裂缝导流能力的关键因素。破胶剂的选择与使用是压裂液添加剂优选极其重要的环节。保持压裂液一定的粘度，以满足压裂施工的需要，与压后彻底破胶，减少对储层的损害是一对尖锐的矛盾。压裂作业施工后，压裂液彻底破胶水化，才能使压裂液水化液迅速返排出油气层。常用的破胶剂是酶和过硫酸盐。酶破胶剂适宜温度在60?下的地层使用;过硫酸盐为氧化破胶剂，可使用在较宽的油层温度范围，在50?以下使用时应加活化剂。破胶剂的用量很关键，用量少，破胶不彻底，用量过大使压裂液粘度过早降低。只有通过试验确定合适的破胶剂加量。另外在压裂施工中，可以尾追破胶剂。 6、杀菌剂 杀菌剂是植物胶稠化剂压裂液中必不可少的一种添加剂，可以防止和杀死 细菌，使配制的压裂液不因细菌的降解作用而失去应有的功能。 7、交联剂 交联剂是通过交联离子将植物胶分子链上的活性基团以化学键连结起来，形成具有粘弹性的三维网状冻胶。不同的交联剂具有不同的延迟交联特性，耐温耐剪切性能和破胶降解性能。有机硼交联剂是压裂液添加剂最新发展成果之一。它具有以下三大特性 1(可控制的延迟交联作用，时间l, 12分钟;2(耐温能力强，温度达到150?;3.易破胶，对支撑裂缝导流能力伤害小。 近年来，压裂液体系又取得了重大进展，主要表现在水基压裂液的交联剂和破胶剂的研究与应用方面。在八十年代，为了改善无机硼交联压裂液的延迟交联和耐温能力，国内外相继研究了有机钛、有机结为交联剂的压裂液体系，并应用于油田;在九十年代初，国内外通过对压裂液破胶机制和支撑裂缝导流能力研究，先后发现了有机金属交联压裂液因破胶困难，对储层支撑裂缝存在严重的污染，影响油气产量,通过对压裂液交联、破胶及伤害机理研究，发现硼交联压裂液对储层伤害小(见后文交联剂的优选)，并通过有机络合作用或其它途径，大大改善了硼交联压裂液的性能。压裂液广泛使用的水基压裂液体系，并在高温深井中取得了很好的施工效内压裂酸化技术服务中心在九十年代初形成了有机硼交联改性瓜尔胶或香豆胶压裂液新体系 研制开发了有机硼交联剂、胶囊破胶剂、破乳助排剂等新型添加剂，应用于全国胜利、辽河、吉林、“连、吐哈、新疆等八个油田，取得了 100,的施工成功率和良好的压后增产效果。 近年来，压裂液体系又取得了重大进展，主要表现在水基压裂液的交联剂和破胶剂的研究与应用方面。在八十年代，为了改善无机硼交联压裂液的延迟交联和耐温能力，国内外相继研究了有机钛、有机结为交联剂的压裂液体系，并应用于油田;在九十年代初，国内外通过对压裂液破 胶机制和支撑裂缝导流能力研究，先后发现了有机金属交联压裂液因破胶困难，对储层支撑裂缝存在严重的污染，影响油气产量’‘’通过对压裂液交联、破胶及伤害机理研究，发现硼交联压裂液对储层伤害小(见后文交联剂的优选)，并通过有机络合作用或其它途径，大大改善了硼交联压裂液的性能。压裂液广泛使用的水基压裂液体系，并在高温深井中取得了很好的施工效内压裂酸化技术服务中心在九十年代初形成了有机硼交联改性瓜尔胶或香豆胶压裂液新体系 研制开发了有机硼交联剂、胶囊破胶剂、破乳助排剂等新型添加剂，应用于全国胜利、辽河、吉林、“连、吐哈、新疆等八个油田，取得了 100,的施工成功率和良好的压后增产效果。 (1) 添加剂优选 1.稠化剂 植物胶是水基压裂液的主要稠化剂，占使用量的90,以上。目前国内广泛巨使用的植物胶稠化剂是瓜尔胶和香豆胶。 国产植物胶稠化剂和美国改性瓜尔胶性能对比还存在较大差距，但与其它植物胶相比，羟丙基瓜尔胶和香豆胶性能较好优于回答胶、皂仁胶及其改性品等。香豆胶和改性瓜尔胶均具有较低摩阻特性，是良好的减阻剂，通过延长交联作用，可形成低摩阻的压裂流体。有机硼交联改性瓜尔胶压裂液于1995年在胜利油田大52断块高温深井施工16口井，施工摩阻仅为清水摩阻的28,35,。 2.交联剂 交联剂是通过交联离子将植物胶分子链上的活性基团以化学键连结起来，成具有粘弹性的三维网状冻胶。不同的交联剂具有不同的延迟交联特性，耐耐剪切性能和破胶降解性能。有机硼交联剂是压裂液添加剂最新发展成果之。它具有以下三大特性:1(可控制的延迟交联作用，时 间l, 12分钟;温控能力强，温度达到150?:2(易破胶，对支撑裂缝导流能力伤害小。有机硼交联剂对温度(153?)深井应用，均获得了良好施工和增产效果，是成熟的交联体系。因此，选用YBJ2-2有机硼交联剂为本压裂液体系的交联剂。 3.破胶剂 破胶性能是影响压裂支撑裂缝导流能力的关键因素。破胶剂的选择与使用是压裂液添加剂优选极其重要的环节。保持压裂液一定的粘度，以满足压裂施工的需要，与压后彻底破胶，减少对储层的损害是一对尖锐的矛盾。近年来，交囊破胶剂的问世使这一难得到了较好的解决。它是利用流化床原理，在常细破胶剂外表包裹一层特殊的高分子材料，形成 20,40目拉径的胶囊。由于它特殊结构，可以大大提高破胶剂用量，不仅在施工中对压裂液流变性能影响。而且在施工结束后，利用裂缝闭合压力、温度和流体介质的化学特性胶囊释放出大量破胶活性物质，消除滤饼、残胶对储层导流能力的影响。胶囊破胶剂可提高破胶用量，达到延缓释放，保持粘度的目的。因此，在改进配方中建议使用常规过硫酸胺破胶剂的同时，考虑追加胶囊破胶剂。 4.粘土稳定剂 常用的粘土稳定剂分为两类:一类是无机盐如KCI;NH‘CI等;一类为是阳离子表面活性剂如聚季胺盐。它们都是为了保持一定的阳离子交换能力使粘土稳定。二者之间比较，一般认为盐类作用明显但有效期短，而阳离子聚合物由于可吸附在粘土表面而耐冲刷，有效期长。但近期研究发现，大分子的阳离子聚合物的这种吸附可能对低渗储层造成严重的伤害。并且水力压裂的滤失液不象注水井注水那样长期对储层冲刷，而且在很短时间内就要反排出来。因此，无机盐中KCI具有良好的稳定粘土作用，也是常用的压裂粘土稳定剂。粘土稳定剂的选择也以地层粘土矿物类型和含量多少，水敏性强弱而定。 。