压裂相关知识

压裂相关知识石油工程学科刘燕主要内容油水井压裂的原理压裂液、压裂介质压裂设备压裂设计及参数确定压裂施工工艺其他类型的压裂方法一、油水井压裂的原理压裂是指在井筒中形成高压迫使地层形成裂缝的施工过程，通常指水力压裂。通过压裂设备向目的层高压注入压裂液使地层破裂，并加入支撑剂形成具有一定导流能力的裂缝，使井达到增产、增注的工艺措施。一、油水井压裂的原理增产机理：由于被支撑剂充填的高导流能力裂缝相当于扩大了井筒半径，增加了泄流面积，大大降低了渗流阻力，因而能大幅度提高油气井产量，提高采油速度，缩短了开采周期，降低了采油成本。水力压裂工艺中使用的液体统称压裂液。按不同阶段的作用分为：前置液、携砂液、顶替液。前置液——破裂地层，撑开一定几何尺寸的裂缝，为携砂液的进入创造条件。携砂液——将支撑剂带入裂缝中，并将支撑剂充填到预定位置上去。具有扩展、延伸裂缝和冷却地层的作用。顶替液——将井筒中全部携砂液替入裂缝，防止井筒沉砂。二、压裂液、压裂介质滴401井3630.0-3632.5m、3638.0-3643.0m压裂施工2008年4月23日31/2油管压裂，低替原液17m3，总用胍胶225.60m3（胍胶208.80m3，胶联液16.80m3）油管压裂，前置液91.00m3(段塞加0.45-0.224mm的宜兴高强陶粒3m3)，携砂液117.60m3，顶替液17.00m3，加0.9-0.45mm的中密高强陶粒20.00m3，加砂比17.00%，破裂压力38.4MPa，泵压38.4-29.8MPa，排量11.20-7m3/3min。选择压裂液应满足的条件：1、低滤失、粘度高2、彻底破胶及低残渣；3、与储层岩石和流体相配伍；4、良好的搞剪切性能和热稳定性；5、低摩阻性能；6、压裂液在现场应用应简单易行，经济有效。压裂液的种类水基压裂液油基压裂液酸基压裂液乳状或泡沫压裂液水基压裂液它是以水为分散介质，加入添加剂，特别是水溶性聚合物。添加剂：稠化剂、交联剂、破胶剂、助排剂、粘土稳定剂、ph调节剂、破乳剂、降滤失剂和其他辅助性添加剂。水基压裂液——稠化剂稠化剂类型优点缺点常用类型植物胶及其衍生物粘度大、易于交联、成本低、耐温、造缝能力强水溶性差，易造成油层伤害瓜胶、香豆胶、魔芋胶、天菁胶、羟丙基瓜胶纤维素衍生物水溶性好不易交联、耐温差、耐剪切性能差，盐敏羧甲基纤维素、羟乙基纤维素生物聚多糖水溶性好，用量少，增稠好、伤害小制备复杂，成本高黄胞胶合成聚合物聚合物性质可变化以满足施工要求，耐温，无残渣、伤害小剪切稳定性差，耐盐差、配制困难、残胶吸附堵塞严重聚丙烯酰胺、甲叉基聚丙烯酰胺水基压裂液——稠化剂其中，植物胶及其衍生物稠化剂在水力压裂中使用量达到90%以上。水基压裂液——交联剂交联剂是通过交联离子（基团）将溶解于水中的聚合物线形大分子链上的活性基团以化学键连接起来形成三维网状结构的化学剂。交联剂的选用由聚合物可交联的官能团和聚合物的ph值决定。比较常用的且形成工业化的交联剂有硼砂、有机硼、有机锆、有机钛等。水基压裂液——交联剂交联后的压裂液交联剂举例硼砂、偏氯酸钠硫酸铝、氯化铬、硫酸铜、氯化锆无机酸酯（有机钛或锆）有机硼醛类：甲醛、乙醛、乙二醛Ph范围8——124——77——13锆酸盐3——107——136——8聚合物植物胶及衍生物羧甲基植物胶所甲基纤维素植物胶及衍生物植物胶及衍生物聚丙烯酰胺及其衍生物交联特性快速交联快速交联可延迟交联可延迟交联可延迟交联优点清洁无毒，成本低易于生物聚合物等交联耐温性能好耐温好、伤害小、易破胶、应用广可与聚丙烯酰胺及其衍生物交联缺点耐温能力差应用范围窄破胶困难成本高交联度控制和破胶困难延迟交联技术简介延迟交联控制技术是目前普遍使用的获得最佳交联性能的重要技术优点：避免管道高剪切速率流动对粘度影响。可减少摩擦压降、提高注入速度，减少所需功率。使用延迟交联的液体在高温下具有较好的长期稳定性。可降低聚合物稠化剂的用量缺点：过长的延迟交联可造成井筒处脱砂（未交联，粘度下降后沙粒分离出来）。水基压裂液——交联剂水基压裂液——破胶剂其主要作用是在压裂结束后，通过破坏交联条件降解聚合物大分子，使冻胶压裂液达到破胶降粘的效果。类型：过氧化物破胶剂、胶囊破胶剂、酶破胶剂胶囊氧化破胶剂——是把过氧化物单独装在合成外壳内。水基压裂液——破胶剂类型过氧化物胶囊破胶剂酶破胶剂优点Ph范围广，成本低，破胶迅速减少了对压裂液流变性能的影响；增大破胶剂用量，改善了支撑裂缝的导流能力。破胶快速、彻底、用量少缺点温度低于60时需用还原剂进行活化，高温时过快破胶影响施工成本高应用ph范围窄，温度低于60度可使用，成本高举例过硫酸钾，过氧化氢包裹过硫酸盐淀粉酶、特种瓜胶酶水基压裂液——粘土稳定剂利用粘土表面化学离子交换的特点，改变粘土表面结合离子，从而改变粘土的物化性质，或破坏离子交换能力等方法达到防止粘土膨胀、或分散运移的效果。主要包括：无机盐（氯化钾、钠、镁、钙），表面活性剂（阴/阳离子），无机聚合物（羟基铝、氧氯化诰），有机聚合物（形成聚合物膜稳定粘土）水基压裂液——ph调节剂压裂液交联必须在一定ph环节中进行。用无机或有机酸碱等使压裂液具有一定ph值缓冲能力和范围。类型酸性ph调节剂：醋酸、柠檬酸、亚硫酸氢钠碱性ph调节剂：碳酸氢钠、碳酸钠、氢氧化钠水基压裂液——破乳剂减少压裂液在地层的油水乳化。举例：破乳剂sp169、AE型破乳剂水基压裂液——降滤失剂降低压裂液滤失量举例：柴油、油溶性树脂、粉砂水基压裂液典型配方A低温水基压裂液（小于60度）常用稠化剂——羟丙基瓜胶、香豆胶、羟乙基田菁胶常用交联剂——硼砂，有机硼破胶体系——过硫酸盐低温压裂液破胶是关键！水基压裂液典型配方B中温水基压裂液（60度——120度）即保证压裂液良好的流变特性，又要能快速破胶。中低温水基压裂液（60度——90度）稠化剂——羟丙基瓜胶、香豆胶、羟乙基田菁胶交联剂——硼砂，有机硼破胶剂——过硫酸盐,胶囊破胶剂中高温温水基压裂液（90度——120度）稠化剂——羟丙基瓜胶、香豆胶交联剂——有机锆，有机硼破胶剂——过硫酸盐,胶囊破胶剂水基压裂液典型配方C高温水基压裂液（120度——180度）稠化剂——羟丙基瓜胶或香豆胶交联剂——有机锆，有机硼破胶剂——过硫酸盐,胶囊破胶剂技术关键是在高温条件下如何获得高粘度。水基压裂特点（总结）水基压裂液成本低、使用安全，因而应用广泛。目前世界上约有70%以上压裂作业采用瓜胶和羟丙基瓜胶水基压裂液，泡沫压裂液占总量25%，而油基压裂液占5%。油基压裂液油基压裂液是以油为溶剂或分散介质，加入各种添加剂形成的压裂液。较为通用的是铝磷酸酯与碱反应产物，使油成为油冻胶。适用于低压、偏油润湿、强水敏性储集层。摩阻大于水基压裂液，滤失量大，用量大，滤失量大，成本高。现场应用较少，存在不安全因素。酸基压裂液适用:碳酸盐储层种类:常规酸稠化酸冻胶酸乳化酸泡沫压裂液液相+气相+添加剂泡沫液液相:清水、盐水、冻胶水、原油或成品油、酸液气相氮气、二氧化碳、空气、天然气等泡沫压裂液特点:在压裂时的井底压力和温度下，泡沫质量一般为６０％～８５％随着泡沫质量的增加，泡沫压裂液的粘度增加、摩阻增大、滤失减少、压裂液效率增滤失少（气体本身就是降滤剂）排液较彻底，对地层伤害小悬砂能力特别强，砂比可高达７０％二种类型：油外相和水外相优点：粘度高、悬砂能力特别强、滤失低，压裂液效率高、伤害小、在大多数情况下，易返排不足之处：高摩阻、高成本、热稳定性差，上限温度120度乳状压裂液胶束压裂液——清洁压裂液新型压裂液，其主要组分是表面活性剂。同其他相比最大区别是不会形成固相残渣，因而称为清洁压裂液。优点：无固相、无残渣、添加剂种类少、低伤害、摩阻低、携砂能力强缺点：耐温差、成本高、润湿反转有潜在伤害。压裂介质——支撑剂支撑剂种类支撑剂的性能要求支撑剂的选择支撑剂种类现有的支撑剂按其力学性质例如强度和硬度可分为两大类：一类是脆性支撑剂，如石英砂、玻璃珠等，其特点是硬度大，变形很小；另一类是韧性支撑剂，如核桃壳、铝球等，其特点是变形大，在高压下不易破碎。石英砂（砂子）石英砂货源广、价格便宜部分压裂井使用石英砂做支撑剂基本满足要求，具有一定的成功率；对于圆度较好的石英砂，在高闭合压力下仍能提供一定的或较高的渗透能力。石英砂的最大弱点是强底低砂子在筛选不好或清洗不好，含粉砂杂质时，导流能力都要明显降低与砂子相比，它具有一定的韧性，在压力的作用下，承压面积可以稍许增加，因此不致象砂子一样在闭合压力和上覆岩石重力的作用下产生显著破碎，特别是用于松软地层效果较好。但其货源受到很大限制核桃壳铝球铝球与核桃壳具有相同的优点，但这种金属支撑剂在高温盐水（地层水）中极易腐蚀密度大，不利输送，价格昂贵玻璃珠具有较高强度致命的弱点：玻璃珠在表面上一旦有外伤或划痕及擦痕时，其强度会大大降低在高温地层水中，玻璃珠的强度也要大大降低。有时用作“尾砂”以提高井底附近的导流能力。在控制缝高压裂工艺技术中，常用空心玻璃微珠作为上浮剂在裂缝上部形成人工遮挡层。陶粒主要化学成分有Ａｌ２Ｏ、ＳｉＯ２、Ｆｅ２Ｏ３以及ＴｉＯ２等陶粒的强度很高在承受高闭合压力和上覆岩石重力的作用时，陶粒的细粒结构可使颗粒变形而不致破碎，甚至在高温盐水的浸泡下也可以抵抗压碎破坏。国内现在普遍使用的支撑剂是石英砂和陶粒石英砂的产地较多，应用最多的是兰州砂、福州砂、江西砂、岳阳砂、新疆砂、荣城砂等。陶粒以唐山陶粒和成都陶粒使用的最为普遍。石英砂主要用于３０００米以内的浅井和中深井，陶粒用于３０００米以上的深井，或作为尾砂以提高缝口处的导流能力。支撑剂颗粒形状支撑剂的颗粒形状一般用圆度和球度描述。圆度是指颗粒表面光滑的程度，用ψ表示；球度则是指颗粒接近球体的程度，用φ表示。

φ、ψ越大，颗粒和圆球度越好。支撑剂强度和硬度

支撑剂强度支撑剂抵抗闭合压力和上覆岩石重力的作用而不致发生破碎的能力为支撑剂的强度；

支撑剂硬度抵抗闭合压力和上覆岩石重力的作用而不致被压实的能力为支撑剂的硬度。闭合压力——停泵后作用在裂缝壁面上欲使之闭合的力为闭合压力。支撑剂特性要求强度高、硬度适中粒径均匀圆球度好化学温度稳定性好质量高，杂质含量少密度适中货源广、价格低支撑剂的选择影响导流能力的支撑剂性质包括支撑剂的强度、硬度、圆球度、粒径以及支撑剂的质量等等支撑剂强度越高，在闭合压力和上覆岩石重力的作用下抵抗破碎的能力越强，因而提供的导流能力越高支撑剂硬度越大，越容易嵌入地层而降低支撑裂缝宽度支撑剂的选择如果地层闭合压力大，则裂缝中的支撑剂容易破碎和压实，破碎产生的粉粒将部分或全部堵塞裂缝的流动通道，压实将降低填砂裂缝的渗透率和宽度。对于脆性支撑剂，主要是破碎问题;

对于韧性支撑剂，主要是压实问题。支撑剂的选择结论低闭合压力下浅层选大颗粒支撑剂，闭合压力增大则选比较小的粒径支撑剂。选择资源丰富，经济的支撑剂。考虑加砂方式：低渗透油层裂缝先加细砂，再以粗砂或陶粒作为尾砂的加砂方法。三、压裂设备压裂设备由压裂车、混砂车、运砂