壓裂液技術(shù)研發(fā)新進展

壓裂液技術(shù)研發(fā)新進展第1頁/共41頁胍膠增稠劑大幅漲價后的思考與對策2011年4季度以來，國際市場瓜爾膠片價格持續(xù)大幅上漲，漲幅超過300%（由原來的2-3萬元/噸上漲至13萬元/噸以上），可考慮采取以下應(yīng)對措施：（一）降低瓜爾膠使用濃度●應(yīng)用羧甲基胍膠(CMHPG)，代替羥丙基胍膠(HPG)，用量可降低1/3－1/2●研制低分子改性胍膠壓裂液體系●研制高效交聯(lián)劑，如雙分子或多分子型有機硼、鈦、鋯交聯(lián)劑（二）其他天然植物膠代替瓜爾膠如香豆膠、田菁膠、魔芋膠、黃原膠等作為壓裂液的增稠劑，優(yōu)化研究相應(yīng)的交聯(lián)劑及配套添加劑（三）清潔壓裂液替代胍膠壓裂液●粘彈性表面活性劑（VES）清潔壓裂液●抗溫抗鹽聚合物清潔壓裂液●納米材料締合清潔壓裂液第2頁/共41頁主要內(nèi)容1壓裂液概述2幾種新型壓裂液3壓裂液發(fā)展的幾點思考第3頁/共41頁

壓裂液壓裂過程中所用的液體由多種添加劑按一定配比形成的非均質(zhì)不穩(wěn)定化學(xué)體系性能要求：濾失小；懸砂能力強；摩阻低；穩(wěn)定性好；配伍性好；低殘渣；易返排；貨源廣、易于配制、價格便宜水基壓裂液VES壓裂液泡沫壓裂液1壓裂液概述第4頁/共41頁1壓裂液概述1947.7，美國堪薩斯州第一次水力壓裂施工，油基壓裂液50年代，水基壓裂液得以應(yīng)用，但仍以油基為主60年代，瓜爾膠改性研究及其交聯(lián)水基壓裂液體系（B、Al）70年代，成功將瓜爾膠化學(xué)改性，完善了相應(yīng)交聯(lián)體系（無機鈦和鋯），水基壓裂液迅速發(fā)展并在應(yīng)用中取得主導(dǎo)地位80年代，有機鈦、鋯交聯(lián)水基壓裂液及其泡沫壓裂液體系（N2和CO2），微觀結(jié)構(gòu)、流變學(xué)特性、傷害與保護90年代，有機硼交聯(lián)水基壓裂液體系，膠囊破膠劑技術(shù)，壓裂液技術(shù)無論是其體系本身還是應(yīng)用工藝都日趨成熟2000年，低稠化劑濃度水基壓裂液、清潔壓裂技術(shù)和其他壓裂液2011年以后，替代胍膠壓裂液體系的研發(fā)壓裂液發(fā)展歷程第5頁/共41頁前置液破裂地層并造成一定幾何形態(tài)的裂縫降溫攜砂液將支撐劑攜帶入裂縫并鋪置于預(yù)定位置頂替液將井筒中攜砂液全部替入裂縫按照泵注程序和所起作用不同，壓裂液分為三類按耐溫性不同，壓裂液分為四類低溫（20-60℃）中溫（60-120℃）高溫（120-180℃）超高溫（>180℃）1壓裂液概述傳統(tǒng)壓裂液水基壓裂液乳化壓裂液清潔壓裂液泡沫壓裂液油基壓裂液按照化學(xué)組成不同，壓裂液

分為五類第6頁/共41頁壓裂液類型優(yōu)點缺點適用范圍使用情況，%國外國內(nèi)水基壓裂液性能好，易于控制壓裂液狀態(tài)；液柱密度大，可降低泵壓；廉價、安全、可操作性強降低相對滲透率，傷害較高，不易返排，需要助排措施除了強水敏儲層外均可使用60-70≧90油基壓裂液配伍性好、低密度、易返排、傷害小流變性能差，不易控制；密度低，摩阻高，泵壓高；成本高，安全性差強水敏、低壓儲集層，加砂規(guī)模小，溫度低于110℃的儲集層≦5≦3泡沫壓裂液攜砂能力強；液體效率高；密度低、易返排，傷害小密度小，摩阻高，施工壓力高，需要特殊設(shè)備低壓、水敏儲集層或者含氣層25-30≦3乳化壓裂液殘渣少、濾失低、傷害小摩阻較高，油水比例較難控制低壓、水敏儲集層、低中溫井≦5≦2清潔壓裂液彈性好，攜砂能力強；無聚合物、無殘渣、低傷害；破膠容易控制粘度低、濾失較大、成本高低溫（≦100℃）高滲透油氣儲層≦2開始應(yīng)用常用壓裂液體系的比較1壓裂液概述第7頁/共41頁

清潔壓裂液以鹽水為分散介質(zhì)（溶劑），加入表面活性劑和助劑，配制而成的一種具有一定粘彈性的膠束流體，也稱為無聚合物壓裂液或者粘彈性表面活性劑壓裂液（VES）1壓裂液概述清潔壓裂液微觀結(jié)構(gòu)圖第8頁/共41頁C＜CMC(臨界膠束濃度)C≥10CMC時形成的Debye棒狀膠束C≥CMC時形成的Hartley球狀膠束C繼續(xù)增大：棒狀膠團六角束C繼續(xù)增大：膠束網(wǎng)絡(luò)VES形成機理示意圖1壓裂液概述第9頁/共41頁清潔壓裂液在遇油時的自動離解過程優(yōu)點：（1）粘度低，但能有效地依靠流體的塑

性和結(jié)構(gòu)輸送支撐劑（2）摩阻低（3）很容易在鹽水中溶解,不需要交聯(lián)劑、

破膠劑和其它化學(xué)添加劑,無地層傷害并能使充填層保持良好導(dǎo)流能力使用現(xiàn)狀：（1）國外：現(xiàn)場施工超過30000井次（2）國內(nèi)：克拉瑪依、長慶、大慶等油田進行

了20多次作業(yè)，效果顯著1壓裂液概述第10頁/共41頁1壓裂液概述目前，國外壓裂液體系朝著地層傷害小、環(huán)境友好型的方向發(fā)展，并不斷提高其耐溫耐剪切抗鹽能力，已形成門類齊全、適用于各種地層和環(huán)境條件下的壓裂液體系，并得到廣泛應(yīng)用。國內(nèi)在油氣田低傷害壓裂液體系和環(huán)保方面研究和應(yīng)用還處在起步階段。各個科研院所開發(fā)的成果也只是在某個油田小范圍應(yīng)用。因此，參照國外的經(jīng)驗，應(yīng)該加強低傷害壓裂液體系的系統(tǒng)研究和推廣應(yīng)用工作。第11頁/共41頁主要內(nèi)容1壓裂液概述2幾種新型壓裂液3壓裂液發(fā)展的幾點思考第12頁/共41頁主要內(nèi)容2.1泡沫——粘彈性表面活性劑乳化壓裂液2.2類交聯(lián)VES壓裂液2.3增能壓裂液2.4酸性VES壓裂液2.5纖維充填壓裂液2.6低分子可回收壓裂液2幾種新型壓裂液第13頁/共41頁VES/CO2壓裂液：多表面活性劑體系中加入CO2所形成的壓裂液體系

耐溫性：可達160℃

適用于：衰竭油氣藏、水敏地層、小油管（1）

新型CO2—粘彈性表面活性劑乳化壓裂液（VES/CO2壓裂液）2.1泡沫——粘彈性表面活性劑乳化壓裂液優(yōu)點

無剪切降解：所形成的蠕蟲狀膠束可以自動修復(fù)被破壞的結(jié)構(gòu)對于不適合聚合物壓裂液的小油管更有優(yōu)勢，相比泡沫壓裂液，其摩阻小表面活性劑遇地層油自動破膠無固相，無殘渣，對滲透率和裂縫導(dǎo)流能力傷害很小表面活性劑表界面張力低，摩阻低，返排率高現(xiàn)場應(yīng)用情況VES/CO2壓裂液在國外20多個油田被應(yīng)用，其中德克薩斯州Panhandle地區(qū)應(yīng)用最多國內(nèi)目前還沒有被報道的應(yīng)用實例第14頁/共41頁（2）CH4混合CO2—粘彈性表

面活性劑乳化壓裂液

（VES/CH4/CO2壓裂液）體系組成：

主劑為表面活性劑，添加CO2和CH4，CO2占50%適用儲層：

低壓水敏性致密氣層適合溫度135℃以內(nèi)的儲層2.1泡沫——粘彈性表面活性劑乳化壓裂液第15頁/共41頁VES膠束在高溫下不穩(wěn)定，容易受熱重排成沒有粘度的結(jié)構(gòu)，普遍耐溫60-100℃VES膠束抗高速剪切能力低約20%的VES壓裂液不能充分地流動和返排

清潔壓裂液中的表面活性劑分子量小，容易濾失；當(dāng)?shù)貙訚B透率為800-1000md時，

VES的濾失和清水相當(dāng)2.2類交聯(lián)VES壓裂液經(jīng)典的VES壓裂液缺點低分子量粘彈性表面活性劑+納米材料+內(nèi)部破膠劑類交聯(lián)VES壓裂液第16頁/共41頁2.2類交聯(lián)VES壓裂液納米材料形成機理在傳統(tǒng)VES壓裂液中加入納米材料，這些納米材料以靜電力和范德華力與VES膠束締合或“擬交聯(lián)”在一起，建立起一種動態(tài)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而保持流體高溫穩(wěn)定性第17頁/共41頁抗溫性與抗鹽性：可適用于180℃高溫儲層；可適用于高濃度鹽水造壁性：形成高粘度的VES層——稱為擬濾餅清除擬濾餅：使用破膠劑

（1）把原有的膠束結(jié)構(gòu)變成球形的非粘彈性結(jié)構(gòu)（2）分散納米粒子，使其隨流體返排擬濾餅被內(nèi)部破膠劑清除后的巖心壁面2.2類交聯(lián)VES壓裂液第18頁/共41頁VES壓裂液納米材料締合后分子結(jié)構(gòu)示意圖中石化工程院HAKKEMARSⅢ流變儀國內(nèi)研究現(xiàn)狀2.2類交聯(lián)VES壓裂液清潔壓裂液粘度隨剪切時間的變化（添加納米材料，130℃，170S-1，2h）＞60mPa·s第19頁/共41頁（1）對地層中壓裂液升溫，同時對井筒增壓，以利于壓裂液的徹底破膠和壓裂液的順利返排生熱劑+改性胍膠+交聯(lián)劑+化學(xué)破膠劑等基本原理：在現(xiàn)有胍膠壓裂液中加入延遲升溫劑，使其在20-40min后升溫到50℃以上達到最佳破膠溫度，進壓

裂液徹底破膠返排，以進一步降低對儲層的傷害2.3增能壓裂液適用性砂巖地層、泥巖地層、水敏性地層、濾失傷害較嚴(yán)重的地層、低溫低壓地層、壓裂后返排困難的地層

地質(zhì)條件越復(fù)雜、地層溫度及壓力越低，其技術(shù)經(jīng)濟優(yōu)勢越明顯第20頁/共41頁⑴破膠性能

聚合物分子鏈斷裂均勻，破膠徹底，破膠液外觀清澈透明，粘度較低（低于5mPa.s），肉眼看不見壓裂液殘渣⑵升溫性能根據(jù)施工規(guī)模不同，通過控制催化劑的濃度和生熱劑的濃度，能使壓裂液體系在施工的后期上升到最佳的破膠溫度⑶增壓助排性能壓裂液在產(chǎn)生熱量的同時，生成大量惰性氣體，具有自動增壓功能，形成類似前置“液氮/二氧化碳”的作用性能2.3增能壓裂液第21頁/共41頁進入地層自動形成的泡沫混合物抗濾失性強、攜砂性強。泡沫混合物提供的結(jié)構(gòu)粘度更適合于大砂量的壓裂施工，泡沫具有類似粉砂的降濾失效果

返排時形成的泡沫混合物在井筒中自動氣舉，返排快，對儲層傷害小成本低，僅為羥丙基胍膠壓裂液的1.5～2倍左右，比泡沫壓裂液的

成本低得多對地層的傷害率較小，明顯小于目前使用的羥丙基胍膠壓裂液優(yōu)點2.3增能壓裂液第22頁/共41頁（2）CO2增能稠化烴壓裂液稠化烴壓裂液烴類：磷酸酯類和改性的磷酸酯類交聯(lián)劑：鋁或者鐵活化劑（都與氮氣兼容）鐵活化劑交聯(lián)的稠化烴壓裂液：在酸性地層中穩(wěn)定，破膠劑為堿性材料；這種體系更適合加入CO2，形成CO2增能稠化烴壓裂液。現(xiàn)場常用CO2和N2混合應(yīng)用。適用條件：低壓致密氣井，儲層滲透率0.1mD～10D；井深超過3000m；地層溫度110℃以下2.3增能壓裂液現(xiàn)場應(yīng)用Montney、RockCreek,Ostracod、Gething、Viking、Dunvegan和Cardium等地

層都有應(yīng)用例如：在RockCreek氣田，現(xiàn)場使用體系為：12%稠化烴壓裂液中加入CO2

，18%

加入N2、70%不加入任何氣體第23頁/共41頁2.4酸性VES壓裂液酸性VES壓裂液：采用新型兩性黏彈性表面活性劑，在酸性介質(zhì)中

稠化形成酸性黏彈性流體，配制得到新型酸性清

潔壓裂液常規(guī)VES壓裂液缺點

配液難度較大

攜砂性弱

乳化傷害大

潤濕反轉(zhuǎn)傷害大濾失較大20%鹽酸VES壓裂液黏溫曲線第24頁/共41頁2.4酸性VES壓裂液（1）

低傷害自動破膠，

破膠后無殘渣，不會對地層產(chǎn)生新的傷害陰離子表面活性劑可克服陽離子表面活性劑體系因減小砂巖地

層孔隙吼道尺寸引起巖石表面潤濕反轉(zhuǎn)等副作用（2）良好的降濾和緩速性能

可與巖石發(fā)生反應(yīng)，使pH值降低和鹽濃度上升，從而使其黏度升高（可

達300mPa·s以上），降濾和緩速性能得到顯著改善在酸壓改造中，酸性VES壓裂液在裂縫壁面的濾失過程中，鮮酸易進入高滲

透段，進而產(chǎn)生較多高滲透率孔道（蚓孔），同時pH值下降,黏度上升，

增

黏后轉(zhuǎn)向酸的作用深度和強度更大，降濾能力更強，從而可有效地降低

高滲透區(qū)的濾失速率性能及優(yōu)點第25頁/共41頁2.4酸性VES壓裂液（3）良好的縫內(nèi)轉(zhuǎn)向性能對于微細裂縫發(fā)育的儲層，在縫內(nèi)形成高黏堵塞，造成其在微細裂縫中的屏蔽暫堵，從而在縫內(nèi)形成憋壓轉(zhuǎn)向，溝通其他酸壓工藝不能溝通的新油區(qū)（4）低摩阻、低施工壓力摩阻為清水的1/5、胍膠的1/2；對于深度2000m深的井，可以降低施工壓力約10MPa（5）耐剪切、有效時間長黏彈性表面活性劑的膠束是自組裝結(jié)構(gòu)體，膠束在剪切力作用下可以被剪斷；但外力撤出后，其膠束又可恢復(fù)交聯(lián)，攜砂能力好第26頁/共41頁2.4酸性VES壓裂液適用性（1）針對老井重復(fù)改造

根據(jù)老井的開采時間和結(jié)垢狀況，初步評估結(jié)垢量，該體系可調(diào)整酸液類型和酸量。針對結(jié)垢嚴(yán)重的老井，該體系可采用高酸濃度酸壓施工（2）針對新井改造

在強酸敏地層可控制pH范圍為4-6，并加入鐵離子穩(wěn)定劑，在碳酸鹽地層也可將壓裂和高濃度酸化有機結(jié)合，提高改造效果應(yīng)用現(xiàn)狀

國內(nèi)酸性清潔壓裂液成型的產(chǎn)品不多，產(chǎn)品耐溫性能稍差，酸濃度不高，施工交聯(lián)比大，目前還不易控制第27頁/共41頁纖維材料的作用促進裂縫中支撐劑均勻分布起橋接作用隨時間降解，對地層無傷害在美國Bakken地區(qū)，纖維素降解時

間少于4天；18個小時后在返排液中

無纖維成分防止出砂纖維材料剖面纖維充填纖維材料纖維充填壓裂液在常規(guī)壓裂液中加入纖維材料形成的纖維網(wǎng)狀壓裂液2.5纖維充填壓裂液纖維充填壓裂液第28頁/共41頁優(yōu)點2.5纖維充填壓裂液耐溫性好：65-204℃有利于使用低粘度壓裂液運移、懸浮和鋪置支撐劑

例如：將人造纖維混在攜砂液中尾隨注入，從而將支撐劑穩(wěn)固在原始位置，而流體可以自由通過，達到預(yù)防支撐劑回流的目的國外應(yīng)用最多的為北美德克薩斯東部低滲透CottonValley地層，最大加砂規(guī)模385t；施工超過200井次

國內(nèi)四川都遂101井，加砂規(guī)模60m3、全程加入纖維330kg；該井壓后16個月后仍保持穩(wěn)定輸氣1.2-1.3×104m3/d應(yīng)用現(xiàn)狀第29頁/共41頁新型低分子聚合物短鏈的分子聚合物，和硼離子交聯(lián)，能形成致密的、密集的聚合物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的物質(zhì)

作用機理低分子短鏈聚合物和高分子聚合物網(wǎng)絡(luò)形成的交聯(lián)液具有更好的粘性和彈性，液體鏈的體積較小，短鏈分子在剪切條件下容易排列，化學(xué)鏈連接后形成三維網(wǎng)狀穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，使壓裂液具有較高的粘彈性，提高了壓裂液的攜砂性能2.6低分子可回收壓裂液HPGF交聯(lián)示意圖低分子---硼離子交聯(lián)體系的可逆過程第30頁/共41頁50℃下HPGF與LMF的流變曲線對比圖2.6低分子可回收壓裂液LMF和HPGF壓裂液外觀不同壓裂液的破膠殘渣對比壓裂液體系殘渣含量mg/LLMF86.6-112.4長慶西峰低濃度HPGF246.3長慶西峰HPGF369.0長慶安塞HPGF385.9長慶靖安HPGF407.0第31頁/共41頁（1）性能穩(wěn)定，流變特性易控制，攜砂性能較好（2）可循環(huán)使用，節(jié)約用水及化學(xué)添加劑，減少廢液處理費用（3）濾失性能較好（4）侵入巖芯的濾餅深度較淺，濾餅由小分子量的聚合物組成，和傳統(tǒng)聚合

物形成的濾餅有較大區(qū)別，容易清除，對裂縫壁面?zhèn)^?。?）和巖石礦物接觸后，pH值降低，壓裂液恢復(fù)為清潔的“類牛頓流體”、

低粘流體對裂縫導(dǎo)流能力傷害較低

優(yōu)點長慶油田曾在杏河作業(yè)區(qū)進行了低分子可回收壓裂液現(xiàn)場試驗，后優(yōu)化液體配方，改進回收裝置和回收工藝，在西峰油田白馬區(qū)、靖安油田白于山區(qū)試驗58井次，取得較好效果應(yīng)用現(xiàn)狀2.6低分子可回收壓裂液第32頁/共41頁主要內(nèi)容1壓裂液概述2幾種新型壓裂液3壓裂液發(fā)展的幾點思考第33頁/共41頁3壓裂液發(fā)展的幾點思考壓裂液的發(fā)展是哲學(xué)的鏡子，在大量豐富的現(xiàn)象中，鏡子中的影像總是能夠激發(fā)頭腦中的智慧，使我們獲得對自然更加廣泛而深刻的認識，更深入地揭示事物的本質(zhì)。哲學(xué)能夠更加清楚地審視自己的面目，它是對實踐與認識的終極反思。第34頁/共41頁（1）矛盾與統(tǒng)一矛盾就是對立統(tǒng)一，沒有矛盾就沒有世界。人們認識世界，就是認識事物的矛盾?？茖W(xué)地認識事物，正確地解決問題，應(yīng)該對具體矛盾具體分析，防止和克服思想方法上的片面性和絕對化。

壓裂液一方面要求有較高的粘度來攜砂，另一方面又要求壓后快速破膠

返排，如何解決這一矛盾是提高壓裂液性能的關(guān)鍵

壓裂液類型中的“水基——油基”、“高溫——低溫”、“低分子——高

分子”等；壓裂液添加劑中的“陰離子表面活性劑——陽離子表面活性

劑”、“破膠劑——稠化劑”等均體現(xiàn)了對立統(tǒng)一的矛盾思想

3壓裂液發(fā)展的幾點思考第35頁/共41頁（2）系統(tǒng)與集成任何事物都是以系統(tǒng)的方式存在的。事物不論其范圍大小，在特定條件下都可以看成是一個系統(tǒng)。系統(tǒng)的集成可以產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，形成優(yōu)化的新系統(tǒng)。

整個壓裂液世界構(gòu)成一個龐大而復(fù)雜的系統(tǒng)，這一系統(tǒng)按照不同的角度又可劃分為不同的子系統(tǒng)。如從化學(xué)組成