压裂液与支撑剂

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=pQ对牛顿流体QQpp或剪切应力不同流型的和之间的关系00by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剪切应力()剪切速率()幂率模型一般描述压裂液=剪切应力,lb/ft=剪切速率,sec1/2k=稠度系数,lb-secn/ftn=流态指数,无因次2=k’n’LOG-SHEARSTRESS(LOG-SHEARRATE()k‘=Interceptn’=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onk=剪切应力,lb/ft=屈服点,lb/ftk=泡沫稠度指数,lb-secn/ft2n=泡沫流态指数,无因次o2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[]n’-1a=表观粘度,cpka’=稠度指数,lb-secn/ft2n’=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:1000-5000sec-1•裂缝中的剪切速率:10-100sec-1•测量的n’和k’通常在170到600sec-1之间•可能并不代表裂缝中液体的实际流态(40sec-1)压裂液在裂缝中粘度的估算a47880k’a40.46Qw2hn’1•裂缝中非牛顿流体的表观粘度,其中:=表观粘度,cpk’=稠度指数,lb-secn’/ft2n’=流态指数,无因次Q=注入排量,bpmw=裂缝宽度,inh=裂缝高度,ft剪切速率aa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1.00.80.50.000020.030.551.0502000压裂液类型n’k’粘度@170sec-1流变数据实例1.00.10.010.0010123456ka时间,小时DBCA.1.00.80.60.40.20123456nDBCASource:HalliburtonEnergyServices250°F50lb/1000HPGw/Titanium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Ckpvia0046912./CpkCcrrr0037412./CmAw00164.(实验室测定)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,cpkr=油藏流体的渗透率,mdCr=地层流体的压缩性,psi-1r=地层流体的粘度,cpm=体积vst曲线的斜率A=测量Cw的岩芯面积造壁滤失系数的测量(Cw)体积时间初滤失斜率=C面积/0.0164w*液体滤失添加剂(FLA)对造壁液体滤失系数Cw的影响.0.0080.0060.0040.00250150250350液体损失系数,C(ft/min)w1/2TitanateFluidWithoutFLA40lb60lb40lb60lbWith25lb/1000galSolidParticulateFLA液体温度,°F总液体损失Ct•平均•William’s方法CCCCtvcw1111CCCCCCCCCCCtcvwvwwrcvw24222221/2滤失对液体效率的影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22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GuarGuarHPGandCMHPGHEC,CMC,CMHEC&Polyacrylamides(聚丙烯酰胺)8-13%5-61-40胶凝剂%残渣聚合物的相关成本GuarHPGCMHPGHECCMHECXanthan(黄原胶)成本增加线性胍胶粘度曲线实例.304050607080901001101030507090温度,°F表观粘度@300rpm,(511sec-1)cp60504030lbs/1,000Source:DowellSchlumbergerJ-876(HPG)交联凝胶压裂液•交联剂-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+可逆的无变化的8-12Upto400持久剪切敏感变化的高温:高pH10++低温:低pH5聚合体和交联剂对粘度的影响GuarHPGCMHPG钛锆硼粘度不同温度下的粘度0204060801001201400200400600800时间，分钟粘度@170sec-1(cp)200F250F300F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-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22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)2222泡沫中所用气体的特性氮气二氧化碳输送液体@-320°F,25psig液体@0°F,300psig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@5,000psi,60°F2.8ppg8.5ppg临界温度-232°F88°F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•½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,%020406080100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,当加入砂后，氮气增加了气体砂液体内相外相忽略的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，减少粘度破胶剂•大部份或所有压裂使用破胶剂温度应该在250°F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3-7.53-7.53-143-143-143-143-143-14NA70-130°F100-250°F100-250°F130-260°F*70-120°F180-250°F100-300°F100-300°F200+°F**pH值范围温度范围*温度超过180°F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-“LockandKey”氧化破胶剂用量对粘度的影响30025020015010050004080160200120时间，分钟0.00AP0.05AP0.10AP0.20AP0.50APAP–过硫酸铵lb/1,000gal表观粘度,cp@100sec-1200ºF氧化破胶剂用量对液体粘度的影响161284000.51.01.52.0粘度,cp@511sec-1过硫酸铵,lbm/1,000galHPG/TitanateHPG200°F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-SodiumChloride(NaCl)-CalciumChloride(CaCl2)-PotassiumChloride(KCl)-AmmoniumChloride(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