压裂液添加剂在现场压裂中的作用与应用(李强)

压裂液的作用及应用简单介绍压裂的背景阐述现场常用的几种以水基冻胶压裂液为模板，介绍了10种常用添加剂。介绍了几类新的液体体系介绍了现场压裂液的配制目录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。一、前言介绍压裂的目的:①解除钻井完井过程在井眼附近形成的损害,改善油井产能;②在低渗透油藏内形成深穿透的高导流能力的裂缝;③提高废液处理井和注水井的吸收能力;④二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60~65%≤5%25~30%最初的压裂液为油基液；20世纪50年代末，用瓜尔胶增稠的水基液普及。1969年，首次使用了交联瓜尔胶液。目前水力压裂液有水基、油基、泡沫、乳化、液态CO2等。≤5%油基压裂液泡沫压裂液≤10%≤5%乳化液压裂液醇基压裂液水基压裂液酸基压裂液2.3各压裂液的使用现状压裂液类型优点缺点适用范围水基压裂液廉价、安全、可操作性强、综合性能好深度高，残渣、伤害高除强水敏性储层外均可用油基压裂液配伍性好、密度低、易返排伤害小成本高，安全性差，耐温较低强水敏，低压储层乳化压裂液残渣少、滤失低、伤害较小摩阻较高，油水比较难控制水敏，低压储层、低中温井泡沫压裂液密度低、易返排，伤害小、携砂性好施工压力高，需特殊设备低压、水敏地层液态CO2压裂液不会引入任何流体，对地层无伤害，有利于压后投产施工设备特殊，成本远高于其它体系，施工规模较小干气气藏，低压油藏01020304050607080901005060708090100年代所占比例（%）油基压裂液水基压裂液泡沫压裂液清洁压裂液195019601970198019902000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①、安全、环保、不易引起火灾；②、水源易得，价格便宜；③、性能优良，易控制，现场施工后易于清理；④、易于选择添加剂对体系进行优化；⑤、水溶液聚合物在环境温度下能够悬浮支撑剂的粘稠液体；⑥、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3.3.1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粘土稳定剂助排剂杀菌剂起泡剂消泡剂破乳剂助剂pH调节剂温度稳定剂低温破胶激活剂降滤失剂辅剂稠化剂交联剂破胶剂主剂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稠化剂的分类植物胶类1、胍胶类①瓜尔胶②羟丙基瓜尔胶③羧甲基羟丙基瓜尔胶2、田菁胶3、香豆子胶4、魔芋胶纤维素及其衍生物1、羧甲基纤维素CMC2、羟乙基纤维素HEC3、羧甲基羟乙基纤维素CMHEC合成聚合物1、聚丙烯酰胺PAM2、甲叉基聚丙烯酰胺MPAM3.4.1.3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30～100mPa•s（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交联剂的分类两性金属盐类有机交联剂硼酸钠、硼砂重铬酸钾四氯化钛有机钛：如三乙醇胺异丙基钛酸酯、乳酸铵钛等有机锆：如乙酰丙铜锆酸酯有机硼交联剂的分类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0.55%CJ2-6交比100:0.3020040060080010001200061218243036424854time(min)viscosity(cp)020406080100temperature(du)V-tT-t0.55%CJ2-6交比100:0.6020040060080010001200140006121824303642485460time(min)Viscosity(cp)0102030405060708090100Temperature(du)V-tT-t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。3.4.3.1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。常用的强氧化剂有过硫酸钾、过硫酸铵、重铬酸钾、高锰酸钾等。无论何种破胶剂（包括酶和酸）都可以用胶包囊。淀粉酶、α淀粉酶、β淀粉酶、果胶酶、葡萄糖氧化酶和纤维素酶等。根据体系的不同，释放出酸性离子的物质均可作破胶剂。破胶剂过氧化物胶囊类生物酶类弱有机酸破胶可控3.4.3.3破胶剂影响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