油田化學(xué)20115課件

第四章壓裂液（FractureFluid）第一節(jié)概述壓裂工藝是油氣井增產(chǎn)的一項(xiàng)主要措施。它利用地面高壓泵組將高粘液體以大大超過地層吸收能力的排量注入井中，隨即在井底附近形成高壓。此壓力在超過井底附近地應(yīng)力及巖石的抗張強(qiáng)度后在地層形成裂縫。繼續(xù)將帶有支撐劑的壓裂液注入縫中，使裂縫向前延伸并在縫中填以支撐劑，這樣，在停泵后即可在地層中形成足夠長的具有一定寬度及高度的填砂裂縫。它具有很高的滲透能力，從而顯著地改善了油氣層的導(dǎo)流能力，使油氣暢流入生產(chǎn)井從而達(dá)到增產(chǎn)目的。一、壓裂理論和工藝技術(shù)的發(fā)展歷程：水力壓裂(HydraulicFracturing)自1947年在美國堪薩斯州試驗(yàn)成功后，至今已有50多年的歷史。在此期間，在壓裂理論和工藝技術(shù)等方面均取得很大進(jìn)展。其發(fā)展過程可分為三個(gè)階段：第一階段是60年代，以研究適應(yīng)淺層的水平裂縫和較深部油層的垂直裂縫為主，壓裂目的是解堵和增產(chǎn)，稱之為常規(guī)壓裂；第二階段是70年代，進(jìn)入改造致密油氣層的大型水力壓裂；第三階段是80年代，進(jìn)入對低滲透油藏改造的時(shí)期。二、壓裂技術(shù)近年來，壓裂技術(shù)在新工藝、測試技術(shù)、施工工具等方面均取得很大進(jìn)展，它包括：水力壓裂、水力化學(xué)壓裂、酸壓裂、泡沫壓裂、高能氣體壓裂、無支撐劑水力壓裂和聲波壓裂技術(shù)等。二、壓裂技術(shù)水力化學(xué)壓裂：通過壓裂時(shí)壓開的裂縫對低滲透油氣層施以物理化學(xué)作用。在酸液中加有表面活性劑，注入地層后與含原油、石灰、白土、碳酸鈉和PAM的堿性溶液反應(yīng)形成油酸泡沫混合液。此種混合液擠入地層深處可增加裂縫長度，并由于周期性改變壓力而有利于擴(kuò)大已有裂縫和新壓開的裂縫。此外，由于鹽酸和堿液Na2CO3反應(yīng)生成CO2使微裂縫中壓力增加，在基巖中產(chǎn)生微裂縫，從而大大提高基巖的滲透率。在壓開裂縫同時(shí)在含油巖面發(fā)生化學(xué)淋濾作用，這樣可使全部被攜帶的砂子有可能擠入地層深部，避免在井底形成砂堵。二、壓裂技術(shù)泡沫壓裂：成功用于低壓和水敏性地層，可用于油井和氣井。目前泡沫壓裂技術(shù)的使用深度可達(dá)3700m。它具有攜砂和懸砂性能好、液體自然濾失少、地層傷害小、摩阻小，壓裂液返排迅速、徹底，裂縫穿透深、延伸好、成本與常規(guī)壓裂相近等優(yōu)點(diǎn)。但不足之處在于可得到的支撐劑的最大深度低，在高溫儲層中進(jìn)行大型壓裂時(shí)，穩(wěn)定性稍差。二、壓裂技術(shù)高能氣體壓裂：始于70年代，通過推進(jìn)劑燃燒建立可控的增壓速度而進(jìn)行壓裂的。適用于滲透率極低、又相當(dāng)硬，用水力壓裂可能無效的油、氣層，或者是不宜于采用水力壓裂的超低滲透性、塑性水敏性油氣層。水力壓裂的作用在勘探階段增加工業(yè)可采儲量在開發(fā)階段油氣井增產(chǎn)水井增注調(diào)整層間矛盾改善吸水剖面二次和三次采油中應(yīng)用控制井噴其它煤層氣開采工業(yè)排污中原油田應(yīng)用裂縫強(qiáng)制閉合技術(shù)壓裂成功

2008年8月28日中午，中原油田井下特種作業(yè)處應(yīng)用裂縫強(qiáng)制閉合技術(shù)，對部1-12井實(shí)施壓裂獲得成功。此次施工共注入壓裂液251.3立方米，平均砂比24.7%，破裂壓力48.6兆帕，施工泵壓48.8兆帕，一般排量4.6立方米/分鐘，整個(gè)施工一氣呵成。

部1-12是2002年完鉆的一口開發(fā)井，在沙四3、4井段壓裂投產(chǎn)至今，已累計(jì)生產(chǎn)天然氣1.3億立方米。為進(jìn)一步精細(xì)開發(fā)，天然氣產(chǎn)銷廠決定對沙四1、2井段實(shí)施壓裂改造，改善其滲透條件，探求小薄氣層的天然氣產(chǎn)能。中原油田應(yīng)用裂縫強(qiáng)制閉合技術(shù)壓裂成功

承攬?jiān)O(shè)計(jì)和施工的井下特種作業(yè)處針對該井地層情況，考慮該井井斜達(dá)54.3度，設(shè)計(jì)出加小陶粒砂段塞和最佳砂比工藝，有效消除近井彎曲磨阻，確保最佳裂縫。此次合層壓裂的11個(gè)層位，氣層最大厚度只有2米，最小層厚僅有0.8米，施工難度大，技術(shù)要求高。為確保壓裂措施的有效率，中原井下在施工中應(yīng)用裂縫強(qiáng)制閉合技術(shù)，最大限度減少微裂縫的產(chǎn)生。在施工中，該處壓裂工程部提前做好設(shè)備維護(hù)，更換全新的泵頭、高壓件等部件，確保壓裂設(shè)備的安全運(yùn)行。參戰(zhàn)的壓裂隊(duì)將士，在現(xiàn)場冒著高溫，歷經(jīng)一個(gè)小時(shí)的精心施工，圓滿完成此次壓裂施工成功。

(一)壓裂液組成前置液攜砂液頂替液第二節(jié)壓裂液攜砂液作用將支撐劑代入裂縫繼續(xù)擴(kuò)張裂縫冷卻地層要求粘度高攜砂能力強(qiáng)頂替液作用中間頂替液尾注頂替液要求用量適當(dāng)，避免過量頂替（二）壓裂液性能要求濾失低攜砂能力強(qiáng)摩阻低、比重大穩(wěn)定性好配伍性好殘?jiān)僖子诜蹬咆浽磸V、價(jià)格便宜、便于配制攜砂能力強(qiáng)深穿透、飽填砂防止井筒沉積防砂卡摩阻低、比重大降低能耗穩(wěn)定性好熱穩(wěn)定性抗剪切穩(wěn)定性第三節(jié)壓裂液的種類

壓裂液類型主要有：水基壓裂液、油基壓裂液、乳狀壓裂液、泡沫壓裂液和酸基壓裂液等體系。此外還有醇基壓裂液和其它壓裂液體系。其中最常用的是水基壓裂液，具有高粘度、低摩阻、懸砂性好、對地層傷害小等優(yōu)點(diǎn)，因此發(fā)展很快，已成為主要壓裂液類型。一、水基壓裂液（Hydraulicfracturefluid）目前國內(nèi)外使用的水基壓裂液大致可分為以下幾種類型：1.天然植物膠及其衍生物：如瓜膠（GUAR）及其衍生物羥丙基瓜膠（HPG）、羥丙基羧甲基瓜膠（CMHPG）、延遲水合羥丙基瓜膠；多糖類有半乳甘露糖膠，如田菁及其衍生物、甘露聚葡萄糖膠。2.纖維素衍生物：如羧甲基纖維素（CMC）、羥乙基纖維素（HEC）、羥乙基羧甲基纖維素（CMHEC）等。3.合成聚合物：如PAM、HPAM、甲叉基聚丙烯酰胺及其共聚物、聚氧化乙烯及其共聚物等。1.天然植物膠及其衍生物：①田菁及其衍生物田菁膠屬半乳甘露糖植物膠，分子中半乳糖和甘露糖的比例為1:2。由于聚糖中含有較多的半乳糖側(cè)鏈，故在常溫下易溶于水，可與交聯(lián)劑反應(yīng)形成凍膠，在現(xiàn)場使用時(shí)非常方便。結(jié)構(gòu)單元如下：在田菁的衍生物中，以羧甲基田菁的水溶性最好，殘?jiān)钌?，但其增稠能力還不夠理想，從綜合性能考慮，以羧甲基-羥丙基田菁最好。表2-2為羧甲基-羥丙基田菁硼壓裂液的組成，已在大慶、勝利、中原等油田應(yīng)用。

表2-2羧甲基-羥丙基田菁硼凍膠壓裂液的組成羥乙基田菁壓裂液的組成②瓜膠及其衍生物瓜膠與田菁相似，也是一種半乳-甘露聚糖膠，瓜膠分子中半乳糖和甘露糖的比例大致為1:2，易溶于水。瓜膠及其衍生物是目前國外使用最多的水基壓裂液的增稠劑、減阻劑和濾失控制劑。一般常用濃度為0.6~6.0g/L，具有懸砂能力強(qiáng)、低摩阻、膠體穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。瓜膠與多價(jià)金屬離子絡(luò)合可形成高粘彈性的凍膠。常用的交聯(lián)劑有：硼、銻、鈦、鋯、鉻等金屬鹽類。

例如與硼酸或硼砂的交聯(lián)反應(yīng)：勝利油田利用進(jìn)口瓜膠原粉研制出瓜膠壓裂液，其性能和羥丙基羧甲基田菁硼交聯(lián)的水基壓裂液相當(dāng)，其70℃配方如下：溶液膠：0.4%~0.6%瓜膠+0.2%A-25防膨劑+0.2%D-50助排劑+0.2%KCl+0.1%~0.3%甲醛+（NaHCO3+Na2CO3)調(diào)節(jié)pH值到8~9.5。交聯(lián)液：0.4%~1.0%硼砂+0.25%(NH4)2S2O8交聯(lián)比為溶液膠:交聯(lián)液=100:7~12

MHF技術(shù)：通常將溫度高于120℃，深度3000m以上的油層稱作高溫深部油氣層。由于大多數(shù)高溫、深部油層自然流動(dòng)能力差，滲透率低至0.01×10-12~9.8×10-12

cm2，因此，為使其達(dá)到滿意的生產(chǎn)速率，這些油藏一般采用MHF處理來產(chǎn)生進(jìn)入深部油藏的通道。MHF技術(shù)對壓裂液要求十分苛刻。最主要的是壓裂液要具有優(yōu)良的高溫穩(wěn)定性和攜砂能力。MHF地層溫度一般在120℃，閉合壓力超過82MPa，壓裂液的注入量高達(dá)3000多米3，注入時(shí)間可長達(dá)10小時(shí)以上，壓裂液要攜帶高密度的支撐劑到達(dá)深部地層。MHF采用最多的是瓜膠衍生物，其中以HPG穩(wěn)定性最好，見下圖。

延遲水化羥丙基瓜膠壓裂液體系：該體系由兩種瓜膠組成：經(jīng)化學(xué)處理過的具有化學(xué)惰性的羥丙基瓜膠（具有延遲水化的特性）和作為基礎(chǔ)稠化劑的一般的羥丙基瓜膠。該體系具有良好的粘溫特性、低濾失、低摩阻以及良好的攜砂性能及流變性。此體系已成功地用于141~206℃的施工。其壓裂效果見表2-3。該體系中，延遲水化羥丙基瓜膠的水化速度受pH值的影響，因而可調(diào)整體系的pH值來控制其水化時(shí)間，以使體系有不同的粘度發(fā)展進(jìn)程。當(dāng)pH大于6時(shí)，延遲水化羥丙基瓜膠的水化速度甚慢，體系粘度隨之緩慢增長。此體系被注入井下后，隨著井下溫度的升高基礎(chǔ)羥丙基瓜膠粘度下降，而體系中的另一組分延遲水化羥丙基瓜膠的水化反應(yīng)使體系粘度增長，體系的粘度得到補(bǔ)償，使壓裂液在整個(gè)施工過程保持較為穩(wěn)定的粘度水平。G③槐豆膠：槐豆膠是一種與瓜膠十分類似的植物膠，其主鏈也是由甘露糖構(gòu)成，側(cè)基為一半乳糖?；倍鼓z及其醚化、酯化衍生物的性質(zhì)與瓜膠類似，它和多價(jià)離子交聯(lián)如和硼酸鈉等反應(yīng)生成凍膠，故常用槐豆膠作為壓裂液的稠化劑（或膠凝劑）。④香豆膠：香豆膠壓裂液是中國石油天然氣總公司石油勘探開發(fā)科學(xué)研究院廊坊分院研制的，該壓裂液已在玉門、新疆、中原、吉林、大慶、勝利等油田推廣應(yīng)用，取得了很好的效果。配方：0.8%香豆膠+0.5%有機(jī)鈦+0.24%溫度穩(wěn)定劑+KCl+殺菌劑+pH值控制劑。⑤魔芋膠：魔芋膠是結(jié)構(gòu)上與田菁相似的一種天然植物膠。魔芋分子中引入親水基團(tuán)后可改善其水溶性，降低殘?jiān)?。由改性魔芋膠配制的水基壓裂液增稠能力強(qiáng)、濾失少、熱穩(wěn)定性好、耐剪切、摩阻低而且鹽容性好，目前沿存在殘?jiān)叩娜秉c(diǎn)，待進(jìn)一步完善。四川、華北油田研究應(yīng)用的魔芋膠壓裂液配方為：0.5%改性魔芋膠+0.15%有機(jī)鈦或硼砂+0.012%pH控制劑+0.25%甲醛+2.5%KCl+0.25%AS+0.15%K2S2O8，適用溫度90℃。我國天然植物膠資源豐富，除上述常用的幾種外，尚有香豆子、決明子、龍膠、皂仁膠、海藻膠等。它們的改性產(chǎn)品均可用于水基壓裂液。2.纖維素及其衍生物：纖維素是一種非離子型聚多糖，大分子鏈上的眾多羥基之間的氫鍵作用使纖維素在水中僅能溶脹而不溶解，當(dāng)在其分子中引入羧甲基、羥乙基或羧甲基羥乙基時(shí)，其水溶性得到改善。纖維素的衍生物：CMC、HEC、HPC、CMHEC?；脽羝?5①羧甲基纖維素（CMC）凍膠壓裂液CMC凍膠熱穩(wěn)定性好，可用于140℃井下施工,其剪切穩(wěn)定性和濾失性能均良好，故常用于高溫深井壓裂。其主要問題是摩阻偏高，不能滿足大型壓裂施工要求，尚有待進(jìn)一步改進(jìn)。CMC鉻凍膠壓裂液110℃配方：0.7%CMC+0.18%KCr(SO4)2+0.01%K2S2O8；CMC有機(jī)鈦凍膠壓裂液配方：0.4%~0.6%CMC+0.01%~0.02%PEO(聚氧乙烯聚氧丙烯醚)+0.1%防乳化劑+0.08%~0.12%有機(jī)鈦+12~24mg/L破膠劑。②羥乙基纖維素、羥丙基纖維素羥乙基或羥丙基纖維素與CMC相比有更好的鹽容性，但水溶性增稠能力不如CMC，是優(yōu)良的水基壓裂液系列。③羧甲基-羥乙基纖維素：CMHEC與CMC、HEC相比，它兼有兩者的優(yōu)點(diǎn)，即增稠能力強(qiáng)、懸砂性好、低濾失、殘?jiān)俸蜔岱€(wěn)定性高，是一種頗受歡迎的水基壓裂液。3.合成聚合物壓裂液：通常用于水基壓裂液的聚合物有聚丙烯酰胺（PAM）、部分水解聚丙烯酰胺（HPAM）、丙烯酰胺-丙烯酸共聚物、甲叉基聚丙烯酰胺（MPAM）、羥甲基甲叉基聚丙烯酰胺或者是丙烯酰胺-甲叉基二丙烯酰胺共聚物等。PAM、HPAM可作為水基壓裂液的增稠劑和減阻劑。這種壓裂液除具有一般天然植物膠壓裂液粘度高、摩阻小、攜砂能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)外，還具有較好的熱穩(wěn)定性、剪切安定性和無殘?jiān)皩Φ貙觽π〉葍?yōu)點(diǎn)。HMPAM與多價(jià)金屬離子交聯(lián)形成的水基凍膠比HPAM凍膠有更好的增稠能力和高溫穩(wěn)定性及剪切安定性，而且摩阻低、耐鹽性好。HMPAM凍膠壓裂液可用于140℃、井深3400米的高溫深井壓裂。對低滲透油層壓裂效果好。HMPAM的最佳水解度為30%，交聯(lián)劑常用鋁離子，破膠劑為過硫酸鹽、過硼酸鹽及肼類等。丙烯酰胺和N,N-甲叉基二丙烯酰胺共聚物可用作水基壓裂液的增稠劑和減阻劑。此共聚物增稠能力強(qiáng)，有更好的鹽容性、剪切安定性和熱穩(wěn)定性。在壓裂施工后易于破膠返排，無殘?jiān)?，不傷害地層。此共聚物為支鏈型大分子，呈半網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。即保持良好的水溶性，又可提供高效增稠能力和良好的剪切安定性。聚氧化乙烯（PEO）是由環(huán)氧乙烷合成而得，相對分子量為300萬左右，為線型聚合物，是良好的增稠劑和減阻劑。大分子鏈間借助于氫鍵或交聯(lián)劑作用形成三維空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。PEO水基凍膠壓裂液具有殘?jiān)?，增稠能力?qiáng)，對地層傷害小等優(yōu)點(diǎn)，且配制方便，利于現(xiàn)場施工。缺點(diǎn)是熱穩(wěn)定性及耐鹽性稍差，使應(yīng)用范圍受到限制。由PEO和HPAM交聯(lián)而得的一種新型凍膠壓裂液克服了上述缺點(diǎn)，是一種性能優(yōu)良的水基凍膠壓裂液。此體系既保持了PEO和HPAM的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又克服了原來PEO熱穩(wěn)定性差和剪切穩(wěn)定性差的缺點(diǎn)，為水基凍膠壓裂液提供了一個(gè)性能良好的新體系。4.生物聚合物壓裂液：近年來發(fā)展起來的生物聚合物壓裂液，其突出特點(diǎn)是增粘能力強(qiáng)、流變性好、對鹽不敏感、對地層無損害。幾種水基壓裂液性能對比見表2-4。表2-4四種水基壓裂液性能對比二、油基壓裂液：油基壓裂液適用于水敏地層的壓裂施工。這類壓裂液包括原油、粘性成品油及油基凍膠壓裂液。前者是早期使用的壓裂液，雖對地層無損害，但摩阻高、粘溫性能差，壓裂效果不太好，現(xiàn)已基本不用。對水敏性地層的壓裂需用油基凍膠壓裂液即由原油或煤油、柴油中加入適當(dāng)?shù)某砘瘎┲瞥?。目前我國使用的油基壓裂液主要是西安石油學(xué)院與吐哈石油勘探開發(fā)會戰(zhàn)指揮部聯(lián)合研制的油基凍膠壓裂液，該壓裂液是由原油或成品油（柴油、煤油、汽油等）加入適當(dāng)?shù)哪z凝劑、活化劑、破膠劑等配制而成的。它具有抗溫抗剪切性能好、攜砂能力強(qiáng)、摩阻低、濾失小和對油氣層損害小等特點(diǎn)，它在吐哈油田水敏性的油氣層應(yīng)用取得了很好的效果，其不足之處是易著火不安全。1.油基凍膠壓裂液的組成：50年代，國外利用二次世界大戰(zhàn)剩余的凝固汽油彈原料來增稠原油用以攜砂，而國內(nèi)先是用環(huán)烷酸鋁稠化原油作壓裂液，后因環(huán)烷酸鋁不足，就采用普通原油作壓裂液。80~90年代，美國、加拿大及我國研究和開始應(yīng)用磷酸酯鋁油基凍膠壓裂液。它是在原油或成品油中加入0.6~1.5%有機(jī)磷酸酯膠凝劑、0.06~0.15%NaAlO2活化劑、0.2~0.9%NaAc或NaHCO3破膠劑等配制而成的，適用溫度為50~100℃。2.油基凍膠壓裂液中所用稠化劑：環(huán)烷酸皂類、脂肪酸皂類（C原子數(shù)大于8脂肪酸鹽）、磷酸酯鋁鹽及油溶性高分子（聚丁二烯、聚異丁烯、聚異戊二烯、α-烯烴聚合物、聚烷基苯乙烯、氫化聚環(huán)戊二烯、聚丙烯酯等）。其中油溶性高分子又可做油基壓裂液的減阻劑。油基凍膠壓裂液中所用稠化劑的降阻效果：皂類稠化的油基壓裂液遇地層水后，由于皂類被水溶解，可自行破膠，也可加鹽酸破膠；脂肪族磷酸脂鋁鹽稠化的油基壓裂液，可用NH4Ac、Na(K)Ac、苯甲酸、丙酸或水楊酸破膠。三、乳化壓裂液：乳化壓裂液是指水包油型（O/W）乳化液，它基本上綜合了水基壓裂液和油基壓裂液的優(yōu)點(diǎn)。由于外相是水基凍膠，所以乳化液的摩阻低、粘度高、熱穩(wěn)定性好、攜砂能力強(qiáng)、濾失量低、壓裂效率高。由于乳化壓裂液含水比較少，進(jìn)入油氣層的水就少，因此加入粘土穩(wěn)定劑可以更好地防止粘土礦物膨脹和運(yùn)移。聚合物乳化壓裂液：聚合物乳化壓裂液是指水外相是用聚合物溶膠或交聯(lián)的凍膠配制成的乳化液。它具有：粘度大、耐溫性好；紊流流動(dòng)時(shí)有良好的降阻效果，比清水的摩阻小得多，但進(jìn)入裂縫后，其裂縫摩阻一般比清水大10~100倍，有利于形成更寬的裂縫；濾失量低，壓裂效率高。田菁凍膠原油乳化壓裂液新疆油田針對油層能量低，泥質(zhì)含量高的油層特點(diǎn)，研制與應(yīng)用了田菁凍膠原油乳化壓裂液。該壓裂液具有粘度高、摩阻低、濾失量低、含水少，對油層損害小等特點(diǎn)。配方如下：溶膠液：0.53%田菁膠+0.33%甲醛+0.44%ABS（烷基苯磺酸鈉）；交聯(lián)液：0.17%硼砂+0.12%過硫酸銨+0.05%2070；乳化比：原油∶凍膠=1∶1四、泡沫壓裂液：泡沫壓裂工藝是低壓、低滲、水敏性地層增產(chǎn)增注以及完井投產(chǎn)的重要而有效的措施。泡沫壓裂始于1968年。首次泡沫壓裂施工在美國的西弗吉尼亞州，處理對象為褐色頁巖地層，泡沫質(zhì)量為80~85%，用12~20目的玻璃球作為支撐劑，用量達(dá)2040kg。1973年，泡沫壓裂技術(shù)進(jìn)入開發(fā)應(yīng)用階段。80年代，國內(nèi)各單位如西南石油學(xué)院、北京石油勘探開發(fā)研究院、四川、新疆、長慶、遼河、大慶、華北等油田對泡沫壓裂和泡沫酸酸壓技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)研究，并在生產(chǎn)上獲得良好效果。目前美國每年泡沫壓裂施工井次約4000~5000次，其注氮?dú)庠O(shè)備工作能力超過100MPa，施工壓力近80MPa，處理井深超過3550米。近年來，隨著大型壓裂工藝的興起，泡沫壓裂更加引起人們的重視。目前泡沫壓裂技術(shù)從基礎(chǔ)研究到設(shè)計(jì)、施工、排液、現(xiàn)場壓裂效果評價(jià)等均已發(fā)展到成熟階段。1.泡沫壓裂液的組成及分類：泡沫壓裂液是一個(gè)大量氣體分散于少量液體中的均勻分散體系。由兩相組成：氣體為內(nèi)相，約占70%，液體為外相，約占30%。液相中含有足夠的增粘劑、表面活性劑（脂肪酰胺磺酸鈉、脂肪醇醚磺酸鈉、烷基苯磺酸鈉）和泡沫穩(wěn)定劑（CMC、CMS、HEC、TQ）等以形成穩(wěn)定的泡沫體系。泡沫壓裂液可根據(jù)體系的基液類型或氣體類型進(jìn)行分類。按基液類型分類可分為用于碳酸鹽巖地層的基液（鹽酸；鹽酸和有機(jī)酸的混合酸）、用于砂巖、頁巖地層的基液（水、鹽水、所有水基壓裂液、油類；甲醇、乙醇水溶液）。按氣體類型分類可分為N2泡沫體系、CO2泡沫體系及其它氣體如空氣、烴氣等。2.泡沫壓裂液的性能及表征：①泡沫質(zhì)量：氣體體積占泡沫總體積的百分?jǐn)?shù)，以Г（%）表示。②泡沫半衰期：泡沫基液析出一半時(shí)所需的時(shí)間，以t1/2（min）表示，表征泡沫的穩(wěn)定性。③泡沫粘度：泡沫在一定溫度和一定剪切速率下流動(dòng)時(shí)的內(nèi)摩擦力，以ηa（mPa.s）表示。④濾失和濾失系數(shù)C：通常用貝羅依高溫高壓儀測定泡沫壓裂液的濾失并計(jì)算出濾失系數(shù)C。濾失系數(shù)表示泡沫壓裂液濾失性的大小，單位為m/(min)1/2。⑤泡沫沉砂速度V：一定粒度的石英砂粒在一定溫度下于泡沫沉降時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)沉降的高度。單位是m/min。⑥密度：指泡沫體系的密度，泡沫壓裂液為低密度壓裂液體系。⑦流變性：由于泡沫體系的復(fù)雜性，因而可表現(xiàn)出多種流變特性。依據(jù)基液和泡沫質(zhì)量、結(jié)構(gòu)的不同，它們可能表現(xiàn)出賓漢塑性、假塑性、粘塑性流體的流變特性。特點(diǎn):在壓裂時(shí)的井底壓力和溫度下，泡沫質(zhì)量一般為６０％～８５％隨著泡沫質(zhì)量的增加，泡沫壓裂液的粘度增加、摩阻增大、濾失減少、壓裂液效率增大濾失少（氣體本身就是降濾劑）排液較徹底，對地層傷害小懸砂能力特別強(qiáng)，砂比可高達(dá)７０％3.發(fā)泡劑與穩(wěn)定劑：泡沫壓裂液中發(fā)泡劑的選擇原則：發(fā)泡能力強(qiáng)；與基液各組分相容性好；當(dāng)壓力消除后，泡沫迅速破壞；用量低；進(jìn)入地層后不引起滲透率下降，即不形成地層傷害；價(jià)格合理。常用的發(fā)泡劑：脂肪酰胺磺酸鈉、脂肪醇醚磺酸鈉、烷基苯磺酸鈉等表面活性劑。其中脂肪酰胺磺酸鈉及其脂肪醇醚磺酸鈉混合物具有良好的抗鹽、抗鈣、抗油能力；脂肪醇醚磺酸鈉和烷基苯磺酸鈉在淡水中發(fā)泡能力最強(qiáng)。以上發(fā)泡劑分子中碳鏈長度以C12~C14為最佳。常用的穩(wěn)定劑：泡沫穩(wěn)定劑多為高分子化合物。一類是增粘型穩(wěn)定劑。主要通過提高基液的粘度來減緩泡沫的排液速率，延長半衰期，從而提高泡沫的穩(wěn)定性，如CMC、CMS等；一類是通過提高氣泡薄膜的質(zhì)量，增加薄膜的粘彈性，減小泡沫的透氣性從而提高泡沫的穩(wěn)定性，如HEC、TQ等。發(fā)泡劑和穩(wěn)定劑加量的選擇：兼顧泡沫體系的發(fā)泡能力和泡沫穩(wěn)定性，發(fā)泡劑的加量一般以稍大于臨界膠束濃度為最佳；在確定穩(wěn)定劑加量時(shí)應(yīng)根據(jù)施工條件，在滿足泡沫體系穩(wěn)定性的前提下盡量少加穩(wěn)定劑。4.影響泡沫壓裂液性能的因素：①液相粘度對發(fā)泡性能的影響發(fā)泡過程是外力克服發(fā)泡體系的粘滯阻力而做功的過程，基液粘度越大，泡沫粘度也越大，發(fā)泡時(shí)需要克服的粘滯阻力也隨之增大，體系的發(fā)泡能力下降。②液相粘度與泡沫穩(wěn)定性的關(guān)系泡沫破壞的機(jī)理：一是液膜的排液，二是氣體透過液膜而擴(kuò)散。液相粘度越大，排液速率越小，泡沫體系穩(wěn)定性越好。③出液半衰期與體積半衰期兩者均能反映泡沫的穩(wěn)定性，但用出液量變化來表示泡沫穩(wěn)定性比泡沫體積變化靈敏。④溫度由于泡沫是熱力學(xué)不穩(wěn)定體系，溫度升高對泡沫穩(wěn)定性不利。⑤無機(jī)鹽無機(jī)鹽的存在對不同類型發(fā)泡劑的發(fā)泡性能有不同程度的影響，尤其是其中的二價(jià)離子可能會使某些發(fā)泡劑失效。5.泡沫壓裂液現(xiàn)場應(yīng)用1988年4月，我國與加拿大合作對遼河歡2-18-9井進(jìn)行氮?dú)馀菽瓑毫眩瑝毫丫?152.1m，泡沫質(zhì)量75%，用液28.56m3，用0.8~1.2mm石英砂10t。這次壓裂在工藝上取得了成功，為我國開展泡沫壓裂改造低滲透油氣層開辟了新途徑。1989年大慶油田成功地對自然生產(chǎn)能力很低的朝92井、朝50井進(jìn)行泡沫壓裂。壓裂后朝92井用18mm擋板測氣，日產(chǎn)氣5764m3，比壓裂前（109m3/d）增產(chǎn)52倍；朝50井壓裂后產(chǎn)氣4059m3/d，產(chǎn)油3.36t/d，達(dá)到了預(yù)期的目的。五、其它類型壓裂液1.酸基壓裂液包括稠化酸、膠化酸、乳化酸等，主要用于碳酸鹽巖油氣層或灰質(zhì)含量較多的砂巖油氣層的酸化壓裂。2.醇基壓裂液以醇作溶劑或分散介質(zhì)，適用于水敏性地層和低壓油氣層。因?yàn)槌杀靖撸苌偈褂谩?.液化氣壓裂液用液化石油氣和二氧化碳混合作為壓裂液。美國、加拿大、前蘇聯(lián)對滲透率小于1md的特低滲透性氣層使用液化氣壓裂液取得一定成效。由于其成本高，施工條件要求嚴(yán)格，目前在現(xiàn)場的應(yīng)用受到一些限制。4.凝膠炸藥是一種將炸藥和水力壓裂結(jié)合在一起的壓裂方式。凝膠組分由水溶性聚合物和某些金屬離子交聯(lián)而成。炸藥有硝化甘油、TNT、硝基石蠟，還可溶入硝基甲烷型炸藥（內(nèi)含TNT）。把這種炸藥擠入地層后，在預(yù)定的時(shí)間起爆，可以在近井地帶形成裂縫網(wǎng)，從而大大提高產(chǎn)量。5.膠態(tài)硅壓裂液將無定形的細(xì)硅粉（粒度為7~15um）加入到基液（淡水或礦化水、芳烴、礦場原油）中稠化而成，屬物理稠化法，并加入表面活性劑。適用于石灰?guī)r地層。第四節(jié)壓裂液添加劑壓裂液添加劑對壓裂液的性能影響非常大。水基壓裂液的添加劑包括：稠化劑、交聯(lián)劑、破膠劑、pH控制劑、穩(wěn)定劑、潤濕劑、助排劑、破乳劑、降濾失劑、降阻劑和殺菌劑等。1.水基凍膠的交聯(lián)劑通過化學(xué)鍵或配位鍵能與稠化劑發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)生成凍膠的試劑---交聯(lián)劑。交聯(lián)劑對凍膠的形成及其性能起著關(guān)鍵性的作用。同一種增稠劑，使用不同的交聯(lián)劑和交聯(lián)條件不同，可得到性能完全不同的凍膠。常用的水基壓裂液交聯(lián)劑見表2-5。在以上體系中，過去常用硼凍膠，它具有無毒、易交聯(lián)、形成的凍膠粘彈性好、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。但它破膠后殘?jiān)^多易堵塞地層，且由于堿性條件交聯(lián)，破膠后會引起凍膠膨脹而降低壓裂效果。鉻凍膠、鋁凍膠和錳凍膠在酸性條件下交聯(lián)，對地層傷害小，但凍膠的粘彈性不如硼凍膠，而且Cr3+對環(huán)境污染嚴(yán)重不宜使用。自70年代以來，國外推出鈦凍膠和鋯凍膠等新的凍膠體系，以適應(yīng)高溫深部地層的壓裂。有機(jī)鈦交聯(lián)劑：正鈦酸四異丙基酯、正鈦酸雙乳酸雙異丙基酯、正鈦酸雙乙酰丙酮雙異丙基酯等，較常用的是正鈦酸雙三乙醇胺雙異丙基酯。有機(jī)鈦交聯(lián)劑可分為速交聯(lián)型和緩交聯(lián)型，以適應(yīng)不同地層壓裂的要求。與硼砂相比，有機(jī)鈦交聯(lián)劑的優(yōu)點(diǎn)是用量少，交聯(lián)速度易控制，交聯(lián)后凍膠高溫剪切穩(wěn)定性好，適用范圍較寬。其缺點(diǎn)是價(jià)格昂貴且在使用中可能發(fā)生水解而降低活性。無機(jī)鈦交聯(lián)劑：TiCl4、TiOSO4、Ti(SO4)2、Ti2(SO4)2等。它們即可在堿性條件下（pH9~12）交聯(lián)半乳-甘露糖或它的改性產(chǎn)物，又可在酸性條件下交聯(lián)PAM和HPAM，生成粘彈性良好的凍膠。破膠后的殘?jiān)勺鳛檎惩练琅騽?。有機(jī)鋯交聯(lián)劑：由四烷基鋯酸酯與羥乙基三羥丙基乙烯二胺合成。無機(jī)鋯交聯(lián)劑:常用的是ZrOCl2。鋯凍膠壓裂液具有高溫下膠體穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，可用于200~210℃地層壓裂。具有高粘度、低摩阻、無殘?jiān)⑵颇z殘?jiān)蟹勒惩僚蛎涀饔玫葍?yōu)點(diǎn)。在酸性條件下作PAM交聯(lián)劑，破膠后可用作粘土防膨劑；在堿性條件下可與半乳-甘露糖交聯(lián)。它是優(yōu)秀的高溫深井大規(guī)模壓裂液新體系。2.水基凍膠壓裂液破膠劑：使凍膠壓裂液破膠水化的試劑---破膠劑。水基壓裂液中常用的破膠劑有：①酶（淀粉酶、纖維素酶）。淀粉酶使植物膠及其衍生物降解，纖維素酶使纖維素及其衍生物降解。適用于60℃以下油氣層，pH＝６。②氧化劑如過硫酸銨（鉀）、高錳酸鉀（鈉）、叔丁基過氧化氫、過氧化氫、重鉻酸鉀等化合物可產(chǎn)生[O]，使植物膠及其衍生物的縮醛鍵氧化降解，使纖維素及其衍生物在堿性條件下發(fā)生氧化降解反應(yīng)。適用溫度為130℃以下，pH=8～9。③潛在酸如甲酸甲酯、乙酸乙酯、磷酸三乙酯等有機(jī)酯及三氯甲苯、二氯甲苯、氯化芐等化合物。它們在較高的溫度條件下能放出酸，使植物膠及其衍生物、纖維素及其衍生物的縮醛鍵在酸催化下水解斷鍵。④肼及其衍生物⑤復(fù)合破膠劑如H2O2:K2Cr2O7＝2:1在高溫、低溫下均能使甲叉基聚丙烯酰胺破膠水化，同時(shí)它對其它類型的高分子也有良好的破膠作用。水基凍膠壓裂液中的破膠劑非常重要，如果凍膠破膠不徹底，勢必返排困難或者滯留在喉道中，降低油氣層滲透率，影響壓裂效果。3.pH控制劑調(diào)節(jié)和控制溶膠液、交聯(lián)液和凍膠酸堿度的試劑。pH控制劑有：pH1.5~3.5氨基磺酸、pH3.5~4.5富馬酸、pH2.5~6.0HAc、pH〈3鹽酸、pH5.0~6.0二乙酸鈉、pH6.5~7.5亞硫酸氫鈉、pH10~14碳酸氫鈉。4.粘土穩(wěn)定劑防止油氣層中粘土礦物水化膨脹和分散運(yùn)移的試劑。目前國內(nèi)外在水基凍膠壓裂液中使用的粘土穩(wěn)定劑有兩類：一類是無機(jī)鹽如KCl、NH4Cl等；另一類是有機(jī)陽離子聚合物如TDC、A-25等。5.助排劑理想的助排劑應(yīng)具有對油氣層的良好潤濕性和減小油氣層毛細(xì)管壓力的特性。常用的助排劑有：非離子含氟表面活性劑、非離子聚乙氧基胺、非離子烴類表面活性劑、非離子乙氧基酚醛樹脂、乙二醇含氟酰胺復(fù)配物。壓裂液中助排劑的加量一般為0.1%~0.15%。第四節(jié)壓裂設(shè)計(jì)一、裂縫幾何尺寸的確定二、增產(chǎn)倍比預(yù)測三、砂子在裂縫中的運(yùn)移分布四、設(shè)計(jì)步驟五、壓裂設(shè)計(jì)一、裂縫幾何尺寸的確定(一)幾何模型及計(jì)算方法簡介1.二維模型2.三維模型3.計(jì)算方法1.二維模型卡特模型

Carter，1957年GDK模型

Christianovich、Geertsma、Deklerk

PKN模型

Perkins和Kern提出,Norgren完善

2.三維模型擬三維模型三維擴(kuò)展，一維流體流動(dòng)真三維模型三維擴(kuò)展，二維流體流動(dòng)典型的擬三維模型1982年,VanEekelen模型1978年～1982年，Advani模型1980年，Cleary,Settari模型1982年～1985年,Palmer模型

典型的真三維模型Abe的“便士形”模型Mastrojannis的模型Clifton、Abou-sayed模型Cleary模型3.計(jì)算方法解析方法僅用于二維模型數(shù)值計(jì)算方法用于二維、三維模型二、增產(chǎn)倍比預(yù)測圖