新型清洁压裂液原理及应用#优质荟萃.ppt

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1、1,新型清洁压裂液原理及应用 (新型无残渣压裂液) (罗平亚) 西南石油大学 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。,

2、4,一,清洁压裂液国内、外现状,5,据报道，1997年以来,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2100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，其效果比用常规压裂液作业的油井效果好。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工中广泛应用，取得了良好效果。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。 这类清洁压裂液采用特种表面活性剂作“稠化剂”，在此表面活性剂溶液中当浓度较高时形成类似于交联聚合物一样的网络结构，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粘弹性表面活性剂，简称“VES”（Viscoelasti

3、c surfactant）。,国外发展状况:,6,由Schlumberger 公司开发的清洁压裂液，其商品名ClearFrac。就是典型的VES，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“缠结” ，形成类似于交联的聚合物网状结构，具有粘弹效应和高的有效粘度，使液体具备优良的悬砂和携带性能。 含有VES表面活性剂溶液可以具有高粘度和粘弹性，能将其用作压裂液悬浮支撑剂。当VES压裂液进入含油的岩芯或地层以后，亲油的有机物将被增溶到胶束中，使棒状胶束膨胀，最终崩解成较小的球形胶束，VES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种作用，将迅速地减少VES液体的粘度到最

4、低水平。所以，这种体系不需要另加破胶剂,7,目前研制的清洁压裂液的机理,McBain小胶团（CCMC）,Hartley的球形胶束（CCMC）,Debye的腊肠式棒状胶束（C10CMC）,棒状胶团六角束 （C继续增大）,加入表面活性剂，在水中形成棒状胶束结构,利用烃类有机物增溶到胶束中并使其分裂而破胶。,8,VES溶液无残渣(测不出),填砂管试验发现，VES压裂液携砂充填层的渗透率的保留率大于90%，比使用胍尔胶压裂液时充填层的渗透率的保留率（20 ）大得多,压裂效果也好得多 ,达到清洁压裂液要求。,9,存在问题: 1,需研制、开发专门特殊的表面活性剂; 2,用量大(3一4 % ),且很难减小;

5、 3,成本高(每方2500一4000元以上),且极难降低； 4,目前抗温能力还不够（据报道低于116 C）;且难以提高。 5,破胶不太好控制;(特别是气层) 。 6,初滤失速度大;应考虑加降滤失剂 ,10,国内研究现状： 国内长庆油田、大庆油田,克拉玛依油田和四川气田先后引进Schlumberger 公司开发的清洁压裂液技术，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 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进展:如 万庄分院研制出了VES-70型粘弹性清洁压裂液体系。 该清洁压裂液完成了20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

6、23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、减阻效果良好（减阻率达到76）、破胶彻底、无残渣、返排快，改善了增产效果。显示出清洁压裂液的巨大优势。,11,综上所述: 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VES特种表活剂在较高浓度下形成棒状、片状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，但仍然无法解决与国外清洁压裂液相同的难题。因此在 “热过”一段时间后目前处于仃滞阶段。,12,小结: 目前它己见成效;但难以有突破性进展: 清洁压裂液的材料(VES)、体系、施工技术、基本成功,应用效果也很好; 成本太高难以承受.无法推广应

7、用; 抗温能力难提高(难超过120,据报道国外实验室己有150的样品).,所以目前这项人们期待己久,又确有良好效果的革命性新技术在国外推广并不迅速;国内基本仃滞; 因此除继续沿着VES思路深入研究以尽量解决现有难题,争取有所突破外,还必须另劈溪径,探索新的思路,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用技术。,13,二,新型清洁(无残渣)压裂液 (非VES 类型)研究,14,主要研究内容: 研究出清洁压裂液的一种新原理; (2)按它设计、研制、开发出一系列适用于各类地层条件,各类压裂作业要求的清洁压裂液增稠剂及压裂液体系及应用技术。,15,新型清洁压裂液原理,清洁压裂

8、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）,它是一种不须交联的结构性水溶液。,16,1,为什么现用水基压裂液总有残渣呢? -(现用水基压裂液残渣的来源及必然性):,17,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位置，因此压裂液的悬浮和携带(压裂砂的)能力是其基本要求，这就要求它必须具有必要的”有效粘度”。,18,水基压裂液是依靠水溶性高分子(天然高分子、改性高分子、合成高分子)来建立其必要的有效粘度。 但由于其分子结构(分子量、线型分子链)决定了它在高温、高矿化度油藏条件下很难(无法)具有所需的有效粘度，因此被迫采用交联的办法

9、来提高有效粘度以达到携砂的要求。所以交联技术是压裂液技术的基础和必要条件,也是它发展的重要内容和方向。,19,常用水溶性高分子:,合成高聚物(如HPAM):其自身不溶物可以作得很低(0.2);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，进行交联所需技术复杂,所以采用不多； ,天然高分子及其改性产品(如各种改性胍胶):其组成复杂,能发生交联的官能团多、易发生交联反应故成为国内外压裂液主要增稠剂。但其本身含有较多的不溶物(8%10%)因此通过化学改性降低其不溶物含量是压裂液技术发展的另一个重要内容,20,而残渣的来源有二： 压裂液增稠剂本身的不溶物； 交联作用产生的大量不溶物; 它们

10、虽经破胶也不能消除,而对地层的堵塞损害和对支撑剂充填层的严重堵塞可使其渗透率下降80一90%以上，从而大大降低压裂的效果(甚致完全失效)，因此消除残渣及其伤害是目前压裂液技术发展的必然趋势。,21,2,解决此问题的思路之一： ,采用本身无(极少)不溶物的水溶性增稠剂,使其水溶液中无不溶物或可以忽略不计( 10ppm); ,同时,不交联就能使溶液”有效粘度”达到压裂施工的要求(关健) (这在原来作不到，但现在其它学科的发展使它己成为可能).,22,3,有助于压裂液技术(清洁压裂液)发展的其它学科的新进展,23,大幅度提高溶液有效粘度的新途陉：,由现在”溶液流变学”相关理论,溶液有效粘度的构成:

11、.聚合物分子链在溶液中的流体力学尺寸的大小。(它随温度、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。(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)。 ,而溶液有效粘度等于这两部份的和, 即：有效粘度=非结构粘度十结构粘度,24,以前增粘原理以因素 为主,没有能够作到利用因素 (天然物质也极少发现)，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，必须加大聚合物用量和采用交联。 近几年在原有基础上如何充分利用分子链间作用(即十)来建立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提高、抗温、抗盐

12、、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。,25,这种无需交联其流变性就能达到要求的流体称为“结构流体”: 常见的结构流体有: 1,固相在液相中的多级分散体系 ,钻井液是其典型; 2,具有超分子结构的水溶液。 (它们不需交联自身的有效粘度就可能达到很高，而且可以调,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（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

13、够的携带能力和其它优良性能）的超分子结构溶液。,27,根据溶液流变学理论:流体的悬浮、携带能力主要由流体的静、动屈服值(相当于结构粘度)所决定，因此屈服值比有效粘度对其携带能力的影响更大。 根据流体粘弹性理论：流体携带能力主要由其储能模量(弹性)及它与其耗能模量(粘性)之比决定。,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结构流体(溶液)中溶质分子链间缔合作用形成的超分子结构状态所决定。 因此,有效粘度己不能准确表示流体(溶液)的携带能力。而其静、动屈服值(相当于结构粘度)或储能模量(弹性)更准确,29,综合应用上述超分子化学、溶液物理化学、结构流体流变学理论及其应用

14、的新进展，结合高分子化学及溶液理论,通过研究我们己经能够设计、研制出这样的化学剂；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(即超分子聚集体)它们随速梯变化而可逆变化，由它们(随着其浓度增加)进而形成布满整个溶液空间的超分子空间纲状结构，成为典型的结构(溶液)流体。,30,根据结构流体流变学原理这类流体必然具有： 高效增粘 (有效粘度=非结构粘度十结构粘度) 抗温、抗盐； 抗剪切； 剪切稀释性： 触变性; 动、静屈服值(结构粘度)； 粘弹性； 以上各种性能都可按要求通过分子结构设计进行调控。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具有，又难以具有

15、的特长和优点。,31,4,新型清洁压裂液的新原理(理论依据):,(1)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; (2)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（溶液）的化学剂(增稠剂)及其溶液体系（压裂液）。,32,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一系列化学剂，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可逆式空间纲状结构，成为结构型流体，因而具有以下特性：良好的高效增粘、抗温、抗盐、抗剪切、静、动屈服值(结构粘度)、粘弹性、它们不需交联其携带能力也能很好满足压裂要求

16、。使用常用破胶剂就可破胶而无(极少)残渣。 SGA一130是这类新产品的一种。,33,(二),新型压裂液性能评价,34,溶液粘度-浓度关系(170S ),1,高效增粘能力:试验结果如图3.2所示: 溶液表观粘度随浓度增大而大幅度增大，0.5 时就可进到100多mps。,-1,35,2,流变特性,(1)、抗剪切性：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；而结构性流体由于其结构随剪切作用而可逆变化,则当剪切（速率）作用一定时,其结构将达到与该剪切速率平衡的状态,则其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。因此它更能适合于需要泵

17、送时间较长的压裂作业（如深井、大型压裂)。,36,压裂液的抗剪切性能,下图是清洁压裂液在110和120恒定温度下恒定剪切试验, 压裂液的粘度始终保持恒定在所需要的数字。,清洁压裂液剪切试验 （110）,清洁压裂液剪切试验 （120）,37,(2)、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携砂的前题下大幅度降低流动阻力；,达西-韦氏摩擦系数与流速的关系曲线 (91#试粉剂的质量含量0.5%),38,(3),流变参数: 由图解法求得含主剂0.50%及辅剂0.015%压裂液的K和n值，与常规高分子交联压裂液一样,也显示屈服应力, 测定其屈服应力y 为9.4 Pa。具有较高

18、的稠度系数和屈服应力及低的流动特征指数。且升高温度影响不大。,表3.1 压裂液的流变参数,【注】* KCl2%+主剂0.7%+辅剂0.018%,39,压裂液在高达120、130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。,屈服应力,(120) (130),40,压裂液粘弹性动态特征,如图3.11。从图可知，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，而损耗模量却几乎不变，整个试验过程中弹性明显地大于粘性。,41,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,即其粘弹性更强。,模量测试（110，辅剂0.02%）,42,

19、胍胶压裂液的储能模量G和复合模量G*,表观粘度Pa.S 0.011 0.021 0.030 0.056 0.108 0.200 储能模量，G3.20 12.60 20.10 26.40 29.50 31.60 复合模量，G* 3.21 2.70 20.20 26.50 29.70 31.70,清洁压裂液的储能模量G和复合模量G*,43,(4),新型压裂液流变性的抗温性与抗盐性： 超分子溶液结构性流体的流变性从本质上具有抗温和抗盐的因素，因此合理分子结构的超分子溶液就能得到抗高温压裂液，(无需交联)；同理也可用于各种盐水(加重、保护储层)压裂液(同样无需交联)。,44,3,压裂液的滤失对比,45

20、,4,新型清洁压裂液在不同时间破胶后的粘度,【注】*主剂0.6%+辅剂0.015%，其他为主剂0.5%+辅剂0.013%。,46,5,新型压裂液破胶液的表面和界面张力（25.94）,47,6,残渣与伤害 压裂液残渣对比,48,图3.20 HPG压裂液 清洁压裂液,49,清洁压裂液与胍胶压裂液的滤液对岩心伤害比较,50,图3.24聚合物压裂液破胶液 对支撑充填层的影响,3.25清洁压裂液破胶液支撑充填,51,对支撑剂充填的伤害10,图3.21支撑充填层流动伤害试验结果,图3.21支撑充填层流动伤害90图3.23清洁压裂液伤害10,52,(三)“悬浮能力和携砂能力” 评价,53,利用大型的裂缝悬砂

21、测量试验装置和高速摄像装置跟踪（锁定）支撑剂颗粒，测定了在静止和一定流动条件(模拟压裂工况)下、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砂能力: 试验表明一般情况下这类压裂液的储能模量及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: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,54,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。,55,双试验段流动测量回路实验

22、架(西安交大),56,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,58,不同粘度下砂粒的沉降过程(流速0.26米/秒),瓜胶压裂液 sag-130压裂液,时 间 (秒),沉降距离(mm),59,砂粒沉降轨迹的比较(流速0.26米/秒),平移距离（m）,沉降距离(mm),60,1,无需(没有)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(交联)压裂液: 2,随着表观粘度增加其携砂能力及悬浮能力随之增加(即降沉速度降低) 3,当表观粘度相同时,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;较低粘度的新型清洁压裂液比更高粘度的常规胍胶压裂液有相似或更

23、好的携砂能力。 4, 低有效粘度而较高粘弹性其携带能力就能达到压裂要求,试验证明该新型清洁压裂液30mPa.S的携砂能力达刭常规胍胶压裂液的携砂能力。 5,我们设计、研制的无交联压裂液完全能达到予期目的。,结论:,61,(四),现场试验,62,1、濮65-9井 2005年2月2日采用GRA压裂液，压裂沙二上71-2砂组，井段2512.9-2535.5m，8.3m/3n，加陶粒17m3，破压44.7MPa，排量3.85m3/min。压后日产液4.2m3，日产油1.1t，日产气432m3，压裂无效。 本次压裂同一层段井段：2513.3-2535m，厚度8.1m，层数3层；测井解释砂体厚度小，解释为

24、2级水淹层，地层温度: 83.5。 本次施工共泵入地层压裂液121.6方，加砂10方约17吨。施工破裂压力49.8MPa，泵注预前置液（活性水）时泵压48MPa，泵注前置液（压裂液）时，压力下降到30.5MPa，加砂压力28MPa，平均砂比20.7%，顶替（活性水）12.6方，顶替正常、顺利，施工获得圆满成功 。,63,现场试验情况：,而采用清洁压裂液现场施工表明，其摩阻仅相当于清水摩阻的49.6%，该压裂液的摩阻很低。 压后4小时后开始排液，取样分析，破胶液粘度3.5mP.S，pH值为7.0，外观为无色透明状，破胶效果良好。 初期日产液15 m3，日产油12.7t，日产气2280 m3。一直

25、稳产6-12.3t/d之间，平均日产油8.3t/d，含水10-20%。常规压裂每方砂增油0.06t/d，清洁压裂液每方砂增油0.83t/d(14倍)。,64,濮65-9井压裂液施工曲线,如果按常规压裂施工，预计施工压力40-55MPa，而采用清洁压裂液，纯胶液泵压为30.5MPa，加砂压力28MPa，如果不除去孔眼摩阻，其摩阻仅相当于清水摩阻的49.6%，该压裂液的摩阻很低。,65,图5.6a濮65-9压裂施工效果对比,66,2.文99-2井 文99块含油面积小，动用石油地质储量较低，仅为127*104t。该块油层主要分布在沙二下4砂组，沙二下5砂组只在顶部一个油层，而且含油小层厚度较小，平均

26、单层厚度只有1_2m。由于储层单一，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，含油高度较小，产量低(0,5t/d)、改造难度大。已进行的压裂无效果。,67,本次压裂层段S2下4，3-5#层，2958.62969.6m,，温度120c，已进行压裂无效果。本试验压裂液主剂0.3%，辅剂0.03%。总用液量135.2m3，破裂压力59 MPa，加砂压力39.3MPa，加粉陶1.8m3，中陶12m3约17吨，平均砂比26.4%。加粉陶1.8m3，中陶12m3约17吨，平均砂比26.4%。 加粉陶1.8m3，中陶12m3约17吨，平均砂比26.4%。 压后4小时后开始排液，取

27、样分析，破胶液粘度1.5mP.S，pH值为7.0，外观为无色透明状，破胶效果良好。 压后下泵生产，初期日产液11.5 m3，日产油7.3t(压前日产油0.5t)，目前日产油量仍稳产在6t左右，含水10%。,68,文79-22井施工曲线,69,现场试验效果:,1、现场施工正常、顺利,无任何反常及困难发生,现有装备和技术对它完全适用。 2,摩阻明显低于常规胍胶压裂液 3,压后增产原油效果明显比常规胍胶压裂液好(对原来压裂效果差的油层更为显著)。,70,结论： 1. “结构流体流变学” 及“分子间缔合超分子化学”理论及其最新成果的综合应用可以建立起新型清洁压裂液新的作用原理。以它为根据可以设计、研制

28、一系列不同的新型压裂液。它们不需交联就完全可以满足压裂液携带能力的要求，从而为能满足各类地层要求及各种压裂施工需要的各种清洁压裂液的开发开辟了一条广阔的途径。 2.现场试验证明这类型压裂液可以在不改变原有压裂装备及工艺的情况下就能收到良好的施工效果和增产效果。,71,3、这类清洁压裂液与常规胍胶压裂液相比，它有更好的抗剪切稳定性、和降低流动阻力的能力。更适用于深井及大型压裂。 4,而且由于结构流体本身的抗温、抗盐特性,为抗温、抗盐压裂液的研究提供一种新的途径(使其抗温、抗盐比现用压裂液更为容易)。 5,由于不需交联则使压裂液只需配制,而又不增加新的工艺,则大大简化了水基压裂液体系配方及施工工艺

29、技术。 6,为大幅度降低清洁压裂液成本提供了可能(新型清洁压裂液增稠剂用量不高、因为不交联,也不需防腐则其组分比常规压裂液少)。,72,综上所述, 本项研究成果: 为各类水基压裂液的完全“清洁化”提供了必要而可行的理论和实验依据。和降低成本的可能。 并为解决压裂液技术现有的一些难题:比如深井,大型压裂及抗高温、加重压裂液等提供了新的技术路线。 减少组分,简化配制工艺,降低成本。 因此,这类新型清洁压裂液不仅完全具有压裂液应有的品质; 而且具有“清洁”的特殊优点; 同时还具有解决现有压裂液体系众多技术难题的能力。 因此也改变了压裂液材料和技术的发展方向。这种改变为更有利于压裂技术的发展提供了一种可能。,73,谢 谢!,