压裂液与支撑剂

压裂液与支撑剂第一页，共八十页，编辑于2023年，星期二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第二页，共八十页，编辑于2023年，星期二压裂液的要求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) 费用低廉第三页，共八十页，编辑于2023年，星期二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第四页，共八十页，编辑于2023年，星期二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第五页，共八十页，编辑于2023年，星期二什么是粘度Q或剪切速率()牛顿流体常量=pQ对牛顿流体QQpp或剪切应力第六页，共八十页，编辑于2023年，星期二不同流型的和之间的关系00byp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()第七页，共八十页，编辑于2023年，星期二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第八页，共八十页，编辑于2023年，星期二泡沫模型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

oonk=剪切应力,lb/ft=屈服点,lb/ftk=泡沫稠度指数,lb-secn/ft2n=泡沫流态指数,无因次o2第九页，共八十页，编辑于2023年，星期二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a47880k’

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:第十页，共八十页，编辑于2023年，星期二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)第十一页，共八十页，编辑于2023年，星期二压裂液在裂缝中粘度的估算a47880k’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第十二页，共八十页，编辑于2023年，星期二粘度的测量扭转弹簧旋转杯固定锤测试液第十三页，共八十页，编辑于2023年，星期二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第十四页，共八十页，编辑于2023年，星期二流变数据实例1.00.10.010.0010123456ka时间,小时DBCA.1.00.80.60.40.20123456nDBCASource:HalliburtonEnergyServices250°F50lb/1000HPGw/Titanium时间,小时第十五页，共八十页，编辑于2023年，星期二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，确保具有代表性第十六页，共八十页，编辑于2023年，星期二液体滤失方程Ckpvia0046912./CpkCcrrr0037412./CmAw00164.(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-1r =地层流体的粘度,cpm =体积vst曲线的斜率A =测量Cw的岩芯面积第十七页，共八十页，编辑于2023年，星期二造壁滤失系数的测量(Cw)体积时间初滤失斜率=C面积/0.0164w*第十八页，共八十页，编辑于2023年，星期二液体滤失添加剂(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第十九页，共八十页，编辑于2023年，星期二总液体损失Ct平均

William’s方法

CCCCCCCCCCCtcvwvwwrcvw24222221/2第二十页，共八十页，编辑于2023年，星期二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第二十一页，共八十页，编辑于2023年，星期二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第二十二页，共八十页，编辑于2023年，星期二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第二十三页，共八十页，编辑于2023年，星期二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)第二十四页，共八十页，编辑于2023年，星期二聚合物残渣(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%残渣第二十五页，共八十页，编辑于2023年，星期二聚合物的相关成本GuarHPGCMHPGHECCMHECXanthan(黄原胶)成本增加第二十六页，共八十页，编辑于2023年，星期二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)第二十七页，共八十页，编辑于2023年，星期二交联凝胶压裂液交联剂硼钛锆锑铝第二十八页，共八十页，编辑于2023年，星期二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第二十九页，共八十页，编辑于2023年，星期二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第三十页，共八十页，编辑于2023年，星期二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)第三十一页，共八十页，编辑于2023年，星期二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第三十二页，共八十页，编辑于2023年，星期二聚合体和交联剂对粘度的影响GuarHPGCMHPG钛锆硼粘度第三十三页，共八十页，编辑于2023年，星期二不同温度下的粘度0204060801001201400200400600800时间，分钟粘度@170sec-1(cp)200F250F300F第三十四页，共八十页，编辑于2023年，星期二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第三十五页，共八十页，编辑于2023年，星期二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第三十六页，共八十页，编辑于2023年，星期二泡沫液体-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第三十七页，共八十页，编辑于2023年，星期二泡沫压裂液氮气(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第三十八页，共八十页，编辑于2023年，星期二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第三十九页，共八十页，编辑于2023年，星期二泡沫压裂液

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更难解释第四十页，共八十页，编辑于2023年，星期二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第四十一页，共八十页，编辑于2023年，星期二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第四十二页，共八十页，编辑于2023年，星期二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第四十三页，共八十页，编辑于2023年，星期二泡沫质量影响粘度粘度,cp泡沫质量,%020406080100第四十四页，共八十页，编辑于2023年，星期二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）的混合物第四十五页，共八十页，编辑于2023年，星期二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第四十六页，共八十页，编辑于2023年，星期二恒定内相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，常规仅仅包含净液第四十七页，共八十页，编辑于2023年，星期二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第四十八页，共八十页，编辑于2023年，星期二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值敏感第四十九页，共八十页，编辑于2023年，星期二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，减少粘度第五十页，共八十页，编辑于2023年，星期二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第五十一页，共八十页，编辑于2023年，星期二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第五十二页，共八十页，编辑于2023年，星期二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”第五十三页，共八十页，编辑于2023年，星期二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第五十四页，共八十页，编辑于2023年，星期二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第五十五页，共八十页，编辑于2023年，星期二缓冲剂控制液体的pHpH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要求第五十六页，共八十页，编辑于2023年，星期二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第五十七页，共八十页，编辑于2023年，星期二粘土稳定剂盐粒SodiumChloride(NaCl)CalciumChloride(CaCl2)PotassiumChloride(KCl)AmmoniumChloride(NH4Cl)液态KCl替代品阳离子聚合物第五十八页，共八十页，编辑于2023年，星期二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第五十九页，共八十页，编辑于2023年，星期二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第六十页，共八十页，编辑于2023年，星期二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第六十一页，共八十页，编辑于2023年，星期二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GluteridehydeCarbonatesAcid,Oxidizer,EnzymeBreakerSodiumBicarb.,FumaricAcidKCl,NHCl,KClSubstitutesBallSealers,RockSalt,FlakeBoric-AcidDiesel,Particulates,FineSandAnionicCopolymerAcetic&CitricAcid.EDTA,NTAFluorocarbon,NonionicMEOH,SodiumThiosulphate添加剂类型功能特征产品4第六十二页，共八十页，编辑于2023年，星期二选择压裂类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)第六十三页，共八十页，编辑于2023年，星期二压裂液及其使用条件基础液压裂液类型主要组成用于线性液体凝胶水,GUAR<HPG,HEC,CMHPG短裂缝,低温水基交联液体交联剂+GUAR,HPG,CMHPG,CMHEC长裂缝,高温水基压裂液水和起泡剂+N2orCO2低压地层泡沫基酸基压裂液酸和起泡剂+N2低压水敏地层酒精基泡沫Methanoland甲醇＋起泡剂+N2水堵问题的低压地层线性压裂液油,凝胶油水敏地层短裂缝油基交联压裂液磷酸脂瓜胶水连续相乳化液水+油+乳化剂液损控制较好l水敏地层长裂缝第六十四页，共八十页，编辑于2023年，星期二选择压裂液气井少否是225°F多少否是否是多150°F少多少多

250°F300°F线性液体BorTX-LinkedGuar/HPGwk>1000md-ftorLf>300ft低压或水敏泡沫压裂液70-75QualityOr低pHX-Linked+25%CO低压或水敏B,TorZX-LinkedGuar/HPG高pHX-Linked+25%N低pHX-Linked+25%COB,TorZX-LinkedHPG/CMHPG222第六十五页，共八十页，编辑于2023年，星期二压裂支撑剂体系第六十六页，共八十页，编辑于2023年，星期二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,烧结矾土或陶粒第六十七页，共八十页，编辑于2023年，星期二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第六十八页，共八十页，编辑于2023年，星期二无因次裂缝导流能力

wk -裂缝导流能力,md-ft k -地层渗透率,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C10rffCwkkLrff第六十九页，共八十页，编辑于2023年，星期二最佳导流能力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10rrrrf第七十页，共八十页，编辑于2023年，星期二支撑剂的有效闭合应力p井底流动压力，psiwfpxwfpcsPcs有效闭合应力,psi当井底流压增加，