1、压裂液添加剂在现场压裂中的作用及应用,西安长庆化工集团 主讲人：李强 二零零九年十二月,目录,一、前言介绍,开采低渗层离不开压裂。压裂是指对目的层泵注前置液以形成裂缝并延伸，而后泵注混有支撑剂的携砂液，携砂液继续延伸裂缝，并携带支撑剂深入裂缝内，然后使压裂液破胶降解为低粘度流体流向井底，留下一条高导流能力通道，以利油气由地层远处流向井底。,压裂的目的: 解除钻井完井过程在井眼附近形成的损害,改善油井产能; 在低渗透油藏内形成深穿透的高导流能力的裂缝; 提高废液处理井和注水井的吸收能力; 二次采油及三次采油如注水、火烧、气驱以提高井的吸收能力及驱替中的扫油效率。,二、压裂液现状,压裂液是压裂工艺
2、技术的一个重要组成部分。压裂液的选择、施工设计及整套操作步骤都有助于确定油气井水力压裂后的产量。从历史上来看, 压裂液研制主要侧重两个方面, 即提供充足的支撑剂运移, 减少砂粒充填的伤害。,2.1压裂液的主要功能,主要功能：造缝并沿张开的裂缝输送支撑剂，因此液体的粘性至关重要。成功的压裂作业还要求液体具备其他的特殊性能，除在裂缝中具有要求的粘度外，还要能够破胶，作业后能够迅速返排，能够很好地控制液体的滤失，泵送期间摩阻较低，同时还要经济可行。,2.2压裂液的主要分类,标题文字,标题文字,标题文字,油基压裂液,2.3各压裂液的使用现状,各类压裂液应用的变化曲线,三、水基压裂液,水基压裂液是以水做
3、溶剂或分散介质，与各种添加剂配制而成的工作液体，因使用条件和性能要求的区别，添加剂的加入种类和浓度是可变化的。除少数低压、油润湿、强水敏地层外，水基压裂液适用于大多数油气层和不同规模的压裂改造。,3.1水基压裂液的特点,、安全、环保、不易引起火灾； 、水源易得，价格便宜； 、性能优良，易控制，现场施工后易于清理； 、易于选择添加剂对体系进行优化； 、水溶液聚合物在环境温度下能够悬浮支撑剂的粘稠液体； 、随着温度的增加，液体粘度也降低；,3.2 水基压裂液满足的条件,水基压裂液应满足的条件：1、良好的抗剪切性能和热稳定性。2、彻底破胶及低残渣。,尤其是气井等深井，储层温度高，高 剪切时间和施工时
4、间长，压裂液要 有足够的粘度，以确保携砂和造缝。,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。4、低滤失。5、低摩阻性能。6、压裂液现场应用应简单易行，经济有效。,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。,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。,低摩阻可以提高造缝能力和 降低地面泵压及设备损耗。,3.3水基压裂液的分类,3.3.
5、1活性水压裂液 活性水压裂液是表面活性剂的稀的水溶液。3.3.2稠化水压裂液 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，稠化水压裂液是增稠了的活性水压裂液。,特点：配制简单、成本低廉、粘度低、摩阻小、携砂性能差。 适用性：用于浅井低砂量、低砂比的小型解堵压裂和煤层气压裂。,特点：与活性水压裂液相比，稠化水压裂液粘度高，携砂性能稍强，降滤 失性能略好，高速流动时有一定的减阻效果。 适用性：用于低温(60)、浅井(1000m)和低砂比(15%)的小型压裂。,3.3.3水冻胶压裂液水基冻胶压裂液是用交联剂将溶于水的稠化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
6、构混存的高分子水冻胶，其中应添加必要的添加剂。水基冻胶压裂液是交联了的稠化水压裂液。,特点：粘度高，造缝性能好，携砂性能强，粘度的可调和可控性好。 滤失系数低，液体效率高，高速流动时摩阻低于清水。 适用性：普遍适用于油气井增产、水井增注的作业。特别可以完成 高砂比、大砂量、宽造缝、深穿透的高难度压裂。,3.4水基压裂液的主要添加剂,3.4.1稠化剂,水需要稠化以便输送支撑剂、降滤失剂、增大裂缝宽度。 增稠剂是水基冻胶压裂液的主剂，用以提高水溶液的粘度，以便输送支撑剂、降低滤失、增大裂缝宽度，是使液体具备压裂液功能的主要材料。,3.4.1.1稠化剂的主要作用,稠化剂的主要作用是增粘，次要作用是降
7、低滤失和减少压裂液摩阻等作用。它的水溶液通过与交联剂的交联作用，形成高分子网架结构的高粘弹冻胶，使其达到悬浮支撑剂和高裂缝粘度的要求。,3.4.1.2稠化剂的分类,3.4.1.3评价指标,稠化剂的增稠能力及热稳定性和剪切稳定性是评价其质量性能的主要指标，也是影响压裂液性能和压裂效果的最主要因素之一。此外，稠化剂的水溶性和不溶物含量也会影响压裂液的综合性能。,稠化能力：稠化剂的稠化能力越强，达到同一粘度要求的稠化剂用量就越小，破胶的负荷减小，也就最大限度地较少了由稠化剂本身产生残渣对储层及填砂裂缝渗透率的影响。,热稳定性与剪切稳定性：两者是衡量稠化剂分子在井底温度和高速搅拌及泵送的机械剪切作用下
8、是否容易产生分子链断裂降解减粘的性质。稠化剂的热稳定性与剪切稳定性真实的反映了压裂液体系粘度的稳定性。普通胍胶压裂液可用于80以下的地层，而羟丙基瓜胶与有机钛、锆、硼交联，因其独特的延缓交联作用，可减少温度和剪切作用对压裂液粘度的影响。,水溶性及不溶物：两者对压裂液破胶后的残渣率影响比较大，当压裂完成，压裂液破胶后，稠化剂中的不溶物质都将变为残渣，容易在填砂裂缝中沉淀，造成二次伤害，使填砂裂缝的导流能力降低。因此，选取水化性能好，稠化能力强，水不溶物含量低且易于与多种交联剂交联成冻胶的稠化剂是保证压裂液理想性能和压裂效果的先决条件。,3.4.2交联剂,交联剂是一种能与稠化剂线性大分子链形成新的
9、化学键，使其联结成网状体型结构分子团的化学剂。它可使稠化剂水溶液的粘度由30100mPas（170s-1），上升到上千毫帕秒，达到携带支撑剂的目的，所以交联剂是压裂液中最重要的添加剂之一。,3.4.2.1交联剂的主要作用,交联剂是决定压裂液粘度性质的主要因素之一。交联剂与稠化剂发生交联反应，使体系进一步增稠形成冻胶，成为典型的粘弹流体，粘弹性能的好坏直接影响压裂液的造缝能力，与形成的裂缝长度密切相关。,3.4.2.2交联剂的分类,3.4.2.3评价指标,交联剂对体系的成胶速度、热稳定性和剪切稳定性以及对地层及填砂裂缝的渗透率都有较大的影响。,成胶速度（交联延时性）：压裂液体系的成胶速度和压裂液
10、冻胶粘度的大小，影响在地层温度下支撑剂的携带、分布和造缝效果。成胶速度快，如硼砂能与植物胶类产生瞬时交联形成冻胶，压裂液的起始粘度高，泵送摩阻大，粘度损失也较大。有机硼、有机钛及有机锆交联剂，具有明显的缓交联特征，有利于压裂液粘度时效性控制，获得较高的裂缝粘度，提高压裂处理效果。,热稳定性与剪切稳定性：由于不同类的交联剂的交联反应速度不同，而反映出的压裂液体系的抗温和抗剪切能力不同。有机硼、有机钛及有机锆交联剂，具有明显的缓交联特征，使得体系初始粘度不高，而经过高温和连续剪切后，平衡粘度明显高于无机硼（硼砂体系）。一般而言，硼砂交联羟丙基瓜胶体系可用于80以下的地层，而有机硼、有机钛及有机锆交
11、联的羟丙基胍胶体系可抗160。,交比对压裂液的影响,压裂施工过程中，交比的变化对于施工的影响,渗透率：采用同一稠化剂而交联剂不同的压裂液体系，对地层及填砂裂缝渗透率的伤害是不同的。经研究发现，有机钛、锆等金属螯合物交联压裂液对支撑裂缝导流能力有严重的伤害，清洁返排能力远低于硼交联压裂液。交联剂用于压裂液时不应仅考察交联和耐温程度，注重保护油藏、按温度和油藏条件选用适应的交联剂成为必须遵守的原则。,3.4.3破胶剂,把高粘度压裂液留在裂缝中将降低支撑剂充填层对油和气的渗透性，从而影响了压裂作业的效果。因此压裂施工结束后，为了让施工液体能尽快的从井下裂缝中通过井筒排出地面，必须使用破胶剂。,3.4
12、.3.1破胶剂的主要作用,破胶剂的作用是压裂造缝和填砂裂缝形成后，在地层压力温度的条件下，使联结成网状结构的高分子团的化学键断裂，降解成较小的分子团，从而降低粘度，使高粘压裂液迅速彻底破胶降粘水化，以便破胶水化残液尽快返排。,3.4.3.2破胶剂的分类,单击添加,不同的压裂液体系可采用不同的破胶方法，主要有通过改变压裂液体系的pH值破坏交联环境，高温热力和氧化降解这几种途径实现破胶。常用的方法是利用破胶剂（主要是酶、氧化剂）的氧化降解（或加速氧化降解）的作用，在预定的地层温度下使稠化剂分子链氧化降解断裂，从而破坏聚合物分子与交联剂形成的交联结构而彻底降粘水化返排出来。,3.4.3.3破胶剂影响
13、因素,破胶剂对压裂处理效果的影响不仅与破胶剂本身的性质有关，还与环境温度、使用浓度等综合因素有关。不合适的破胶剂将严重影响压裂处理效果。,破胶剂作用效能的影响：破胶剂效果差破胶不彻底，将导致压裂液破胶后残渣含量高，造成地层孔隙堵塞，使填砂裂缝渗透率降低，导流能力下降。此外，破胶不彻底造成残渣粘度高，返排困难，返排率低，压裂液滞留地层形成水锁和混相流动，增加油流阻力，压裂处理效果降低，甚至达不到压裂的目的。,破胶剂作用时间的影响：破胶剂的起始作用时间是影响压裂液携砂、造缝作用的最重要性能之一。破胶剂在造缝之前就开始起破胶作用，造成压裂液粘度提前损失，达不到高裂缝粘度的要求，加上井底温度升高和泵送
14、过程中的剪切降解减粘作用的影响，使压裂液的造缝能力大大降低。相反，如果压裂造缝阶段完成之后破胶剂不能及时发挥破胶作用，压裂液在地层的驻留时间长，则造成了压裂液造成地层伤害的可能性。,温度对破胶剂作用的影响：破胶剂的作用温度范围通常是作为选择破胶剂的首要条件，也是影响破胶剂作用时间的重要因素。对氧化剂类破胶剂而言，温度越高，越有利于破胶。如常用过硫酸铵在43以下氧化降解能力较差。而生物酶类破胶剂则对热具有敏感性和一定的稳定性，低于酶活性温度范围的，酶活性低，生物降解缓慢，而高于酶适应温度范围的，则酶彻底失去活性。,破胶剂使用浓度的影响：一般而言，破胶剂使用的浓度越高，破胶越彻底，破胶时间越短，对
15、地层损害越小。但同时也会造成压裂液粘度的提前损失，影响压裂液的造缝能力。如果不采取任何措施，过分的增加破胶剂浓度，不然会引起压裂液粘度的大幅下降，甚至提前脱砂，导致施工失败。,3.4.4降滤失剂,在压裂施工作业中，控制液体滤失是有效压裂作业的关键。,3.4.4.1降滤失剂的主要作用,降滤失剂可以减少压裂液向地层的滤失，提高液体效率，降低伤害。,3.4.4.2降滤失剂的分类,文字内容,文字内容,液态滤失剂：这类降滤失剂的主要作用机理是在水中形成水包油(微)乳状液，乳状液透过滤饼的滤失为两相流动,阻力较大，因而使滤饼的水渗透率降低。,固态滤失剂：这类降滤失剂的主要作用机理是颗粒物质或颗粒连同聚合物
16、在岩心表面沉积而形成滤饼,降低液体流入岩心的速度。,3.4.5 辅剂,在压裂液中加入一些辅剂，可以起到更好的控制特定交联剂和交联时间所要求的pH值，或者提高聚合物的稳定性，更有效的控制破胶性能等作用。,3.4.5.1 pH调节剂,水基压裂液在溶胀水合、交联过程中，为了使其性能更加稳定和便于控制，往往需要使溶液处于一定的酸碱性环境（如常见的所谓“酸”性溶胀、碱性交联），这就需要在配置和使用的某一环节中加入pH调节剂。,配液后,配液前,3.4.5.2温度稳定剂,在对高温井进行压裂施工时，有时需要加入高温稳定剂来提高压裂液的耐温能力，当然，压裂液的耐温性能主要取决于成胶剂及交联剂，高温稳定剂只能起辅
17、助作用。,3.4.5.3低温活化剂（破胶激活剂）,在储层温度较低的浅气层施工时，常用的破胶剂（主要是过硫酸盐类）因反应活性降低而使破胶困难，这时需要在液体中加入低温活化剂使压裂液能在规定的时间内快速彻底破胶。合适的还原剂可作为低温破胶激活剂与过硫酸盐组合，其用量应适当，还原剂过量会导致破胶剂消耗而影响破胶。,3.4.6粘土稳定剂,在含有粘土矿物的地层进行水力压裂时，随着压裂液体的注入，压裂液使地层岩石结构表面性质发生变化，水相与粘土矿物接触，或地层水相与压裂液水相的化学位差引起粘土矿物发生各种形式的水化，膨胀、分散和运移，对储集层的渗透率造成伤害，甚至堵塞孔隙吼道，对压裂处理效果产生极大的影响
18、。,3.4.6.1粘土稳定剂的主要作用,粘土稳定剂作用是通过改变粘土的结合离子，从而破坏双电层离子间的斥力或破坏离子交换能力达到稳定粘土矿物的作用。,3.4.6.2粘土稳定剂的应用,3.4.6.3防膨机理,粘土防膨剂主要通过三个机理起防膨作用： 1.减少粘土表面的负电性； 2.与粘土表面的羟基作用，使它变成亲油表面或将晶层连接起来； 3.通过矿物类型的变化，将膨胀型粘土矿物转变为非膨胀性矿物。,3.4.6.4氯化钾的防膨,盐是通过增加其浓度，从而减小粘土表面扩散双电层厚度和zeta电位而起作用。其中钾盐防彭效果最好，这是由于钾离子的直径（0.266nm）与粘土表面由六个氧原子围成的内切直径为0
19、.280 nm的空间相匹配，使它易于进入此空间而不易从此空间释出，有效的减少粘土表面的负电性。,3.4.7杀菌剂,压裂液（尤其是以多聚糖为主要成份的植物胶压裂液）中，特别容易滋生细菌，用来稠化水的多糖聚合物类（蔗糖聚合物）是细菌的极佳食物源。细菌的大量繁殖形成的菌体粘液和腐蚀产物，一是引起地层伤害，二是使植物胶产生生物降解破坏压裂液性能。,3.4.7.1杀菌剂的主要作用,在一定的温度下，这些细菌的迅速繁衍将使压裂液腐败变质而失去应有的功能。在水基聚合物压裂液中加人杀菌剂是为了防止因聚合物细菌降解而导致粘度下降。,3.4.7.2杀菌剂的应用,常用戊二醛、氯苯氧化物、季氨化合物等一类物质控制细菌。
20、这些化学剂可以杀菌，但也许会激活它们自身产生的、可使多糖聚合物降解的生物酶。 通常的做法是在加水前把杀菌剂加人压裂罐中，从而抑制细菌生物酶的活性（使细菌生物酶保持较低水平）。酸基或油基压裂液中无需杀菌剂。,3.4.8助排剂,压裂施工结束后，尽快将已完成压裂并延伸水力裂缝并携带支撑剂的大量液体从裂缝及气层中排出地面，是影响压裂效果的关键工序之一，一直被研究者和现场工程师们关注。,3.4.8.1助排剂的主要作用,助排剂的主要作用是为了降低压裂液的表面张力或油水界面张力，增大与岩石的接触角，降低压裂液返排时遇到的毛管阻力。使用助排剂可将压裂液返排率从30%提高至6090%，排液时间一般可缩短1015
21、天，并可大大减少气举、抽汲等作业次数。,3.4.8.2助排剂的分类,氟碳类表面活性剂：氟碳类表面活性剂降低水和盐酸表面张力的能力远大于碳氢链表面活性剂，热稳定性好，被广泛应用于气井压裂液助排剂。,碳氢类表面活性剂：油水间界面张力更多取决于油的性质，对油藏应选用有针对性的助排剂。一般认为氟碳链与碳氢链之间存在“互憎”作用，氟表面活性剂与油的界面张力不会很低，加之氟碳类表面活性剂的价格高于碳氢类表面活性剂很多，油井压裂液助排剂往往是使用复配的，使用碳氢类表面活性剂的比例往往大很多。,3.4.9破乳剂,在水基压裂施工过程中，当压裂液与地层液体（油）接触后，由于两相的不相溶性，很容易形成水包油或者油包
22、水的乳化液。乳化液的形成会造成比孔喉尺寸大的乳化液滴堵塞孔隙即乳堵，其次形成乳化液使残液粘度增加，导致排液困难，储层损害，产能降低。,3.4.9.1破乳剂的主要作用,破乳剂在压裂液中的主要作用就是防止或破坏因压裂液与地层液体（油）接触形成水包油或者油包水乳化液。破乳剂对压裂效果的影响，主要通过其本身的防乳破乳作用效果体现出来，破乳效率越高，破乳时间越短，由乳化带来的负面影响就越小。防止乳化液生成或使已生成的乳化液破乳，可避免乳化带来的地层伤害。,3.4.9.2破乳剂的选择,破乳剂的选择应根据压裂液及添加剂与地层油的配伍性来选择。 1）应防止压裂液中各种添加剂（特别是活性物质）起乳化作用。 2）
23、应针对形成的乳化液类型选择破乳剂，有的活化剂针对形成的O/W乳化液是破乳剂，反过来针对W/O乳化液可能就是乳化剂。,3.4.10起泡剂和消泡剂,在压裂施工中由于地层没有足够的动力，为了给地层提供一定的动力，助液体易从底层中返起排出来，往往会在压裂液中加入起泡剂。消泡剂用于配置压裂液时防止泡沫溢出储罐，造成物料浪费，或者泡沫造成液量计量误差。在压裂现场应用过程中，起泡剂的用量远远大于消泡剂。,3.4.10.1起泡剂的分类,3.4.10.2评价指标,评价起泡剂时，主用通过“起泡力”和“泡沫稳定性”这两个方面进行。起泡力是指表面活性剂溶液在外界条件下泡沫形成的难易程度和生成泡沫量的多少。表面活性剂降
24、低水的表面张力的能力越强，则越有利于产生泡沫。泡沫的稳定性是指生成泡沫的持久性，消泡的难易，也就是泡沫存在寿命的长短，这与液膜的性质有密切的关系。,四、水基冻胶压裂液配制工艺,压裂液和酸化液是压裂的血液，施工前必须备好压裂酸化液体，而目前常用的配液方式有：批量混配和连续混配，批量混配有现场批量混配和配液站等固定场所批量混配两种方式。,4.1.1长庆井下目前现状,长庆油田这几种配液模式均存在。目前我们现场用漏斗进行配液的模式为现场批量混配。连续混配一般均要采用专用的设备。,4.1.2配液模式的优缺点,现场批量混配：配液工艺简单，灵活方便，但浪费大，储罐中的液体不能完全使用干净，施工成本高。液体均
25、一性差，往往存在质量问题。连续混配：需专用设备，对操作人员和稠化剂的性能要求高，但连续混配工艺具有更大的灵活性，可根据压裂施工过程中具体情况修改配方以满足施工要求，不存在液体和添加剂的浪费，施工成本低，环境污染小，作业周期短。,4.1.3现场配液操作规程及要求,（1）连接配液漏斗 （2）试泵 （3）加料 （4）循环,4.2压裂液体腐败的判断方法,（1）看大罐顶部液体上是否有漂浮物，如果有，则液体还没有变质，如果没有则可能变质腐败。 （2）检测液体的PH值是否发生比较明显的变化，如果变化较大即PH值显著下降，则液体可能变质腐败.,4.3推荐液体PH值与交联比,压裂液正常配制，液体的PH值一般都会
26、在固定的 范围内，交联比也相对固定。油井压裂液正常PH值范围是PH8-9，推荐交联比:硼砂为100:10；JL-2为100:0.50.6气井压裂液正常PH值范围是PH9-10，推荐交联比：JL-1为100:0.50.6 ， JL-3为100:1.0 JL-4为100:0.50.6,五、主要的液体新技术,压裂液现场实施,5.1.1低分子环保型压裂液体系,作用机理是：将短链分子单元与可逆向链接的组份相结合，就地形成瞬时交联聚合物，形成网状的体型结构。这种交联的聚合物显示出了与常用胍胶基聚合物类似的流变性和液体滤失性能，通过控制pH值很容易使短分子单元链接反应发生逆向作用。,5.1.2低分子压裂液的
27、性能特点,（1）稠化剂分子量小，粘度低，相同浓度下，原胶液的粘度为羟丙基瓜尔胶的三分之一。（2）、稠化剂亲水性好，可快速溶解分散；（3）、压裂液流变性能受温度影响小 ；（4）、液体滤失低、残渣少，填砂裂缝导流能力高；（5）、环保节能。,5.2酸性泡沫压裂液体系,酸性环境能有效地抑制粘土矿物的膨胀和运移，入井液体与地层形成沉淀的潜在伤害也大大减小，酸性的CO2泡沫压裂可大幅度减少入地液量，减少储层伤害；并能利用CO2气体膨胀增能助排，减少入井液体在地层内的滞留及滞留时间，提高液体返排率，提高改造效果。,5.3酸基冻胶压裂液体系,酸基交联冻胶压裂液是采用一种能在20%-30%的酸液中快速溶胀起粘的稠化剂，和与其具有良好配伍性的添加剂，实现助排和缓蚀等性能，并与交联剂在一定的交联范围和交联时间内形成可挑挂的交联冻胶，在特定的地层条件下实现加砂压裂和酸化施工，以达到更为有效的改造效果。,
