压裂液与支撑剂.ppt

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1、压裂液和支撑剂,Taken from GRIs Advanced Stimulation Technology Deployment Program Course Notebook, GRI/96-0114,PINNACLE TECHNOLOGIES,概述,介绍 流体力学 压裂液类型 压裂液添加剂 压裂液的选择 压裂支撑剂,压裂液的要求,1) 和地层岩石和流体配伍 2) 产生足够的裂缝宽度，以便支撑剂进入 3) 能够悬浮和携带支撑剂到裂缝深部 4) 压裂和后续的停泵过程中保持粘性 5) 费用低廉,压裂液和添加剂,水基 高能 泡沫基 酸基 油基,聚合物 杀菌剂 破胶剂 调节剂 表活剂 粘土稳定剂

2、,压裂液,添加剂,起泡剂 降摩剂 热稳定剂 润湿反转剂 降滤失剂 交联剂,压裂液特性,粘度 控制裂缝宽度 (近井筒) 影响支撑剂的输送 滤失 控制裂缝中液体的量 影响裂缝的几何形状 密度 控制静水压力梯度 影响支撑剂对流,摩阻 控制井口施工压力 影响注入排量 PH值 控制交联剂性能 影响压裂液特性,什么是粘度,Q 或剪切速率 (),牛顿流体, 常量 =,p,Q,对牛顿流体,Q,Q,p,不同流型的 和 之间的关系,0,0,b,y,p,宾汉塑性流体,拟塑性流体 (剪切稀释),牛顿流体,膨胀流体 (剪切变稠),例子,钻井泥浆,压裂液,水,幂率模型一般描述压裂液,= 剪切应力, lb/ft = 剪切速

3、率, sec1/2 k = 稠度系数, lb-secn /ft n = 流态指数, 无因次,2, = k,n,LOG-SHEAR STRESS (,LOG-SHEAR RATE ( ),k = Intercept,n= Slope,泡沫模型,2,使用修改的幂率方程可以模拟泡沫流体 方程中k 和n 用来描述泡沫沿屈服点 o,o,n,k,= 剪切应力, lb/ft = 屈服点, lb/ft k = 泡沫稠度指数, lb-secn /ft2 n= 泡沫流态指数, 无因次,o,2,特定剪切速率下的视粘度,用以下方程来计算非牛顿流体的表观粘度,a,47880,k,a, a = 表观粘度, cp ka =

4、 稠度指数, lb-secn / ft2 n = 流动特性指数, 无因次 = 剪切速率, sec-1,其中:,压裂过程中典型的剪切速率,管柱中的剪切速率: 1000 - 5000 sec-1 裂缝中的剪切速率: 10 - 100 sec -1 测量的 n 和 k 通常在170到600 sec -1之间 可能并不代表裂缝中液体的实际流态 (40 sec -1),压裂液在裂缝中粘度的估算,a,47880 k,a,40,.,46,Q,w,2,h,n,1,裂缝中非牛顿流体的表观粘度,其中:, = 表观粘度, cp k = 稠度指数, lb-secn/ft 2 n = 流态指数, 无因次 Q = 注入排

5、量, bpm w = 裂缝宽度, in h = 裂缝高度, ft,剪切速率,a,a,粘度的测量,扭转弹簧,旋转杯,固定锤,测试液,常用液体的粘度值,水 线性瓜胶 交联瓜胶,1.0 0.8 0.5,0.00002 0.03 0.55,1.0 50 2000,压裂液类型,n,k,流变数据实例,1.0,0.1,0.01,0.001,0,1,2,3,4,5,6,时间, 小时,D,B,C,A,.,1.0,0.8,0.6,0.4,0.2,0,1,2,3,4,5,6,D,B,C,A,Source: Halliburton Energy Services,250F 50 lb/1000 HPG w/ Tita

6、nium,时间, 小时,液体表观粘度的测量,使用实际样品水和化学剂的混合物（施工用液) 现场取样测试(小样) 混合胍胶和化学剂 在模拟实际的温度、剪切时间和剪切速率下测试压裂液的流变性 模拟实际的剪切历史对压裂液进行测试 做多项测试，确保具有代表性,液体滤失方程,ki = 滤失层的渗透率, 达西 p = (x + pnet) - p, psi = 地层孔隙度, 分数 a = 滤失液的粘度, cp,kr = 油藏流体的渗透率, md Cr = 地层流体的压缩性, psi -1 r = 地层流体的粘度, cp,m = 体积 vs t 曲线的斜率 A = 测量Cw 的岩芯面积,造壁滤失系数的测量 (

7、C w ),体积,初滤失,斜率 = C 面积 / 0.0164,w,*,液体滤失添加剂(FLA)对造壁液体滤失系数Cw的影响,.,0.008,0.006,0.004,0.002,50,150,250,350,Titanate Fluid,Without FLA,40 lb,60 lb,40 lb,60 lb,With 25 lb/1000 gal Solid Particulate FLA,液体温度, F,总液体损失 Ct,平均 Williams 方法,C,C,C,C,C,C,C,C,C,C,C,t,c,v,w,v,w,w,r,c,v,w,2,4,2,2,2,2,2,1/2,滤失对液体效率的影

8、响,低的液体效率,短裂缝,高滤失,长裂缝,高液体效率,低滤失,液体效率,裂缝中液体的百分比 影响产生的裂缝尺寸 高漏失可导致砂堵 低漏失会延长闭合时间，影响支撑剂的铺置 对流 沉降,压裂液的类型,水基压裂液 线性胍胶压裂液 交联胍胶压裂液 泡沫基或高能压裂液 N , CO ,或混合 水，酸，油 油基压裂液 凝胶油基 交联油基 水包油乳化液 酸基压裂液 凝胶酸 交联酸 泡沫酸,2,2,线性胍胶压裂液,聚合物 胍胶 羥丙基胍胶(HPG) 羧甲基羥丙基胍胶 (CMHPG) 羥乙基纤维素 (HEC) 羧甲基羥乙基纤维素 (CMHEC) 羧甲基纤维素 (CMC),聚合物残渣 (按重量),高 中等 低 无

9、,Guar Guar HPG and CMHPG HEC, CMC, CMHEC & Polyacrylamides(聚丙烯酰胺),8-13% 5-6 1-4 0,胶凝剂,% 残渣,聚合物的相关成本,Guar HPG CMHPG HEC CMHEC Xanthan(黄原胶),成本增加,线性胍胶粘度曲线实例,.,30,40,50,60,70,80,90,100,110,10,30,50,70,90,温度, F,表观粘度, 300 rpm, (511 sec-1 )cp,30,lbs/1,000,Source: Dowell Schlumberger,J-876 (HPG),交联凝胶压裂液,交联剂

10、 硼 钛 锆 锑 铝,交联机理,线性胍胶粘度不足以输送支撑剂到裂缝深部 线性胍胶液中加入金属交联剂，将线性胍胶聚合体链连接在一起，形成很长的聚合链 随聚合链长度增加，液体粘度增加 可以通过温度和pH值控制交联,线性胍胶,交联胍胶,交联时间,交联快增加摩阻 胶联后沿管柱向下注入过程中承受剪切，降低最终粘度 硼酸盐体系具有最小的剪切敏感性 钛和锆酸盐体系对剪切特别敏感 大部分压裂液体系的交联时间可被加快或延迟,交联体系,各服务公司都有自己的体系 有些体系具有温度活性 有些体系由化学剂浓度控制 (保护剂),常用的交联剂,硼酸盐,钛，锆酸盐,温度 F 交联 剪切降解 交联速率 pH 值范围,300+

11、可逆的 无 变化的 8-12,Up to 400 持久 剪切敏感 变化的 高温: 高 pH 10,低温: 低 pH 5,聚合体和交联剂对粘度的影响,Guar HPG CMHPG,钛 锆 硼,粘度,不同温度下的粘度,0,20,40,60,80,100,120,140,0,200,400,600,800,时间，分钟,粘度 170 sec-1 (cp),200 F,250 F,300 F,增能压裂液,液体中伴入气体 体积比不超过 50% 用来帮助返排 气体不增加粘度 由基础液体粘度控制 气体并没有增加漏失控制 线性或交联胍胶作为基础液体,增能压裂液体,类型 氮气(N ) 二氧化碳 (CO ) 优点

12、减少液体体积 提高液体返排性 缺点 成本增加 静水压力损失 仅在希望在合适期间返排的部分液体中使用 计算需依据井底压力,2,2,泡沫液体-比单相液体更复杂,两相减少漏失 粘度取决于: 泡沫的质量 (液体/气体交互作用) 泡沫结构 (泡沫尺寸分布) 基液的流变特性 温度和压力 剪切历史 井底压力的测量很重要,泡沫压裂液,氮气 (N ) 水 (淡水和盐水) 水-甲醇 甲醇 烃 酸 二氧化碳 (CO ) 水 酸 变化 普通的和稳定的 变化的泡沫质量 交联 二元(N 和 CO 的混合物),2,2,2,2,泡沫中所用气体的特性,氮气,二氧化碳,输送,液体 -320 F, 25 psig,液体 0 F,

13、300 psig,泵注方法,专门的低温泵,常规的三缸泵,注入阶段,泵注液体经过热转换器,以气体注入,液体,化学反应,没有反应,碳酸泡沫,pH,惰性,3.5,操作的灵活性,仅仅是气体,可以是液体，气体或固体,密度 5,000 psi, 60 F,2.8 ppg,8.5 ppg,临界温度,-232 F,88F,泡沫压裂液,优点 注入地层的液体最少 自增能 良好的液体滤失控制 减少固相 (F.L.A. & 聚合体) 缺点 静水压力损失 (氮气) 增加了摩阻压力 (二氧化碳) 高能物质的耗费 支撑剂对流更明显 (氮) BHTP更难解释,泡沫稳定性,结构好的泡沫更稳定 聚合物增加了稳定性 压力增加了稳定

14、性 高剪切周期增加了稳定性 表活剂（起泡剂）类型和浓度影响稳定性,泡沫结构,描述泡沫尺寸分布，形状和结构 取决于压力，质量，流动条件，剪切历史，泡沫生成技术和化学成分 结构好的泡沫更稳定,泡沫半衰期,测量泡沫的稳定性 的液体从泡沫中析出的时间 未交联泡沫的半衰期一般为1 小时 交联泡沫的半衰期长一些,泡沫质量影响粘度,粘度, cp,泡沫质量, %,0,20,40,60,80,100,泡沫质量,两种方法计算质量 常规 将泡沫看作气（分散相）液（连续相）混合物 恒定内相 (CIP) 将泡沫看作气体和支撑剂（内相）液体（外相）的混合物,恒定内相泡沫的特性,恒定内相的特性,常规的特性,对于恒定内相,

15、当加入砂后，氮气增加了,气体,支撑剂,液体,内相,外相,恒定内相VS. 常规,恒定内相 (CIP) 假定支撑剂是分散相的一部分 常规仅仅考虑液相和气相 相同体积的液体, CIP泡沫质量比常规的高 CIP采用的气体少，液体多 CIP考虑了非净液，常规仅仅包含净液,常规的压裂液添加剂,聚合物 交联剂 破胶剂 缓冲剂 起泡剂 热稳定剂,杀菌剂 表活剂 粘土稳定剂 降阻剂 转向剂 降滤剂,相关的配伍性,每种情况使用最少量的添加剂 检验所有添加剂的配伍性 很多添加剂热敏和/或对pH值敏感,杀菌剂,所有水包含细菌 水基压裂液通常使用杀菌剂 需要控制喜氧菌和厌氧菌的生长 细菌会伤害有机聚合物，损害连接，减少

16、粘度,破胶剂,大部份或所有压裂使用破胶剂温度应该在250F以下 破胶剂用量和类型是以下项的函数: pH 温度 聚合物用量 胶囊破胶剂用以延迟破胶 很难获得最佳的破胶；通常不是太快就是太慢 现场破胶测试非常重要,破胶条件,常规酶 高温酶 耐pH 酶 氧化剂 催化剂 高温氧化剂 胶囊破胶剂 延迟氧化剂 弱酸,3-7.5 3-7.5 3-14 3-14 3-14 3-14 3-14 3-14 NA,70-130 F 100-250 F 100-250 F 130-260 F* 70-120 F 180-250 F 100-300 F 100-300 F 200 + F*,pH 值范围,温度范围,*

17、温度超过180F时，失效非常快，并且非常敏感 * 碳酸盐岩油藏不可用,氧化和酶破胶剂,氧化破胶剂 (过硫酸铵和钠) 和金属离子发生化学反应 酶破胶剂 (糖) 交联点酶的解裂 “Lock and Key”,氧化破胶剂用量对粘度的影响,300,250,200,150,100,50,0,0,40,80,160,200,120,时间，分钟,0.00 AP,0.05 AP,0.10 AP,0.20 AP,0.50 AP,AP 过硫酸铵 lb/1,000 gal,表观粘度, cp 100 sec,-1,200F,氧化破胶剂用量对液体粘度的影响,16,12,8,4,0,0,0.5,1.0,1.5,2.0,过

18、硫酸铵,lbm / 1,000 gal,HPG/Titanate,HPG,200F,缓冲剂,控制液体的pH pH值影响交联剂 pH值低时，大部分液体破胶很快 pH值高时，液体热稳定性高 对泵注的具体液体，工程师需要熟悉其pH要求,表面活性剂,非乳化剂 水湿 碳氟化合物 非离子表面活性剂 少的吸附 和粘土稳定剂配伍 互溶剂,粘土稳定剂,盐粒 Sodium Chloride (NaCl) Calcium Chloride (CaCl2) Potassium Chloride (KCl) Ammonium Chloride (NH4Cl) 液态KCl替代品 阳离子聚合物,液体防滤失添加剂,控制向天然

19、裂缝的漏失 桥堵剂 固体, 比如石灰粉, 100 目，等等 粘糊剂 软材料 树脂,淀粉, 胶状材料 多相 乳状烃 泡沫,转向剂,物理方法改变流向 堵球 堵球和挡板工艺 砂柱塞 (木塞) 采用封隔器和桥塞选择性压裂,转向剂,化学方法改变流动方向 岩盐 苯甲酸片 (精细的或毛料) 油溶树脂 (高低温) 球 (蜡球) 交联聚合物 泡沫 梧桐胶和油溶树脂的混合物,化学添加剂概述,杀菌剂 破胶剂 缓冲剂 粘土稳定剂 转向剂 液体滤失添加剂 降阻剂 铁控制剂 表活剂 瓜胶稳定剂,杀菌 降低液体粘度 调节 pH 防粘土膨胀 改变液体流动 提高液体效率 减少摩阻 溶解铁 降低表面张力 减少热降,Gluteri

20、dehyde Carbonates Acid, Oxidizer, Enzyme Breaker Sodium Bicarb., Fumaric Acid KCl, NH Cl, KCl Substitutes Ball Sealers, Rock Salt, Flake Boric-Acid Diesel, Particulates, Fine Sand Anionic Copolymer Acetic & Citric Acid. EDTA, NTA Fluorocarbon, Nonionic MEOH, Sodium Thiosulphate,添加剂类型,功能,特征产品,4,选择压裂类

21、型,在胶结疏松地层选择压裂-充填 解除地层伤害 中等规模的改造以增强流动 深穿透裂缝 (60% 排驱半径),压裂液及其使用条件,选择压裂液,气井,是,150F,250F,300F,2,2,2,压裂支撑剂体系,压裂支撑剂体系,支撑剂需要支撑压开的裂缝，以增加流动能力 理想的特性 高强度 抗腐蚀 低比重 容易获得，费用低廉 支撑剂类型 石英砂 烧结矾土 陶粒 树脂涂层,烧结矾土或陶粒,最重要的参数是油藏条件下的裂缝导流能力,裂缝导流能力, wkf wkf = 裂缝宽度 x 裂缝渗透率 支撑缝宽主要是支撑剂铺置浓度的函数,无因次裂缝导流能力,wk - 裂缝导流能力, md-ft k - 地层渗透率,

22、 md L - 裂缝半缝长, ft 最小化裂缝中的压降 (实际导流能力)需要C 10,r,f,f,C,wk,k,L,r,f,f,最佳导流能力,C = 10 产生无限导流裂缝 在渗透性油藏或闭合应力高的深部地层，可能很难获得C = 10 假定可以获得足够的导流能力C 采用油藏模拟来确定最佳的缝长L 选择支撑剂类型和浓度以最大化C , 直到10,r,r,r,r,f,支撑剂的有效闭合应力,p,井底流动压力,，psi,wf,p,x,wf,p,cs,P,cs,有效闭合应力, psi,当井底流压增加，支撑剂上应力增加,其中:,x,最小主应力, psi,支撑剂的有效闭合应力,压力,时间,平均油藏压力,p,w

23、f,p - 小油嘴,wf,p - 大油嘴,wf,p = - p,cs,x,wf,油藏中裂缝导流能力,油藏导流能力随下列因素降低 闭合应力 腐蚀 压碎 嵌入 压裂液成胶剂残渣 对流 支撑剂沉降,不同支撑剂的裂缝导流能力,2,000,4,000,6,000,8,000,10,000,100,1,000,10,000,裂缝导流能力, md-ft,有效闭合应力， psi,LWP,ISP 1,ISP+,Bauxite,AcFrac Black,Jordan Sand,Phenolic RCS (300 F),残余导流能力的百分比,250F,.,100,80,60,40,20,0,0,100,200,30

24、0,残余导流能力, %,时间，小时,20/40 Ottawa Sand,20/40 ISP,20/40 Bauxite,20/40 ISP+,20/40 RCS,支撑剂类型,砂的品种 Ottawa, Jordan, England, etc. Brady 树脂涂层砂 可处理 (砂的返排问题) 预处理 (提高强度) 陶粒 烧结矾土 (高强度) 中强度 (ISP) 低密度 (LWP),支撑剂选择,支撑剂用量是下列因素的函数 设计的裂缝长度 需要支撑剂浓度 预期的裂缝高度,支撑剂选择,选择支撑剂，就要选择,- 支撑剂类型,- 砂 - 树脂涂层 - 陶粒,- 支撑剂尺寸,- 12/20 - 16/30 - 20/40 - 40/70,依据闭合应力选择支撑剂,选择支撑剂尺寸,射孔直径应当是支撑剂直径的6倍 动态裂缝宽度应当是颗粒直径的3倍 闭合应力高时，采用小粒径的支撑剂,