壓裂液與支撐劑

1、壓裂液和支撐劑,PINNACLE TECHNOLOGIES,概述,介紹 流體力學 壓裂液類型 壓裂液添加劑 壓裂液的選擇 壓裂支撐劑,壓裂液的要求,1) 和地層巖石和流體配伍 2) 產(chǎn)生足夠的裂縫寬度，以便支撐劑進入 3) 能夠懸浮和攜帶支撐劑到裂縫深部 4) 壓裂和后續(xù)的停泵過程中保持粘性 5) 費用低廉,壓裂液和添加劑,水基 高能 泡沫基 酸基 油基,聚合物 殺菌劑 破膠劑 調(diào)節(jié)劑 表活劑 粘土穩(wěn)定劑,壓裂液,添加劑,起泡劑 降摩劑 熱穩(wěn)定劑 潤濕反轉(zhuǎn)劑 降濾失劑 交聯(lián)劑,壓裂液特性,粘度 控制裂縫寬度 (近井筒) 影響支撐劑的輸送 濾失 控制裂縫中液體的量 影響裂縫的幾何形狀 密度 控制

2、靜水壓力梯度 影響支撐劑對流,摩阻 控制井口施工壓力 影響注入排量 PH值 控制交聯(lián)劑性能 影響壓裂液特性,什么是粘度,Q 或剪切速率 (,牛頓流體,常量,p,Q,對牛頓流體,Q,Q,p,不同流型的 和 之間的關(guān)系,0,0,b,y,p,賓漢塑性流體,擬塑性流體 (剪切稀釋,牛頓流體,膨脹流體 (剪切變稠,例子,鉆井泥漿,壓裂液,水,冪率模型一般描述壓裂液,剪切應力, lb/ft = 剪切速率, sec1/2 k = 稠度系數(shù), lb-secn /ft n = 流態(tài)指數(shù), 無因次,2,= k,n,LOG-SHEAR STRESS,LOG-SHEAR RATE (,k = Intercept,n=

3、 Slope,泡沫模型,2,使用修改的冪率方程可以模擬泡沫流體 方程中k 和n 用來描述泡沫沿屈服點 o,o,n,k,剪切應力, lb/ft = 屈服點, lb/ft k = 泡沫稠度指數(shù), lb-secn /ft2 n= 泡沫流態(tài)指數(shù), 無因次,o,2,特定剪切速率下的視粘度,用以下方程來計算非牛頓流體的表觀粘度,a,47880,k,a,a = 表觀粘度, cp ka = 稠度指數(shù), lb-secn / ft2 n = 流動特性指數(shù), 無因次 = 剪切速率, sec-1,其中,壓裂過程中典型的剪切速率,管柱中的剪切速率: 1000 - 5000 sec-1 裂縫中的剪切速率: 10 - 10

4、0 sec -1 測量的 n 和 k 通常在170到600 sec -1之間 可能并不代表裂縫中液體的實際流態(tài) (40 sec -1,壓裂液在裂縫中粘度的估算,a,47880 k,a,40,46,Q,w,2,h,n,1,裂縫中非牛頓流體的表觀粘度,其中,= 表觀粘度, cp k = 稠度指數(shù), lb-secn/ft 2 n = 流態(tài)指數(shù), 無因次 Q = 注入排量, bpm w = 裂縫寬度, in h = 裂縫高度, ft,剪切速率,a,a,粘度的測量,扭轉(zhuǎn)彈簧,旋轉(zhuǎn)杯,固定錘,測試液,常用液體的粘度值,水 線性瓜膠 交聯(lián)瓜膠,1.0 0.8 0.5,0.00002 0.03 0.55,1.

5、0 50 2000,壓裂液類型,n,k,流變數(shù)據(jù)實例,1.0,0.1,0.01,0.001,0,1,2,3,4,5,6,時間, 小時,D,B,C,A,1.0,0.8,0.6,0.4,0.2,0,1,2,3,4,5,6,D,B,C,A,Source: Halliburton Energy Services,250F 50 lb/1000 HPG w/ Titanium,時間, 小時,液體表觀粘度的測量,使用實際樣品水和化學劑的混合物（施工用液) 現(xiàn)場取樣測試(小樣) 混合胍膠和化學劑 在模擬實際的溫度、剪切時間和剪切速率下測試壓裂液的流變性 模擬實際的剪切歷史對壓裂液進行測試 做多項測試，確保具

6、有代表性,液體濾失方程,ki = 濾失層的滲透率, 達西 p= (x + pnet) - p, psi = 地層孔隙度, 分數(shù) a= 濾失液的粘度, cp,kr = 油藏流體的滲透率, md Cr = 地層流體的壓縮性, psi -1 r= 地層流體的粘度, cp,m= 體積 vs t 曲線的斜率 A= 測量Cw 的巖芯面積,造壁濾失系數(shù)的測量 (C w,體積,初濾失,斜率 = C 面積 / 0.0164,w,液體濾失添加劑(FLA)對造壁液體濾失系數(shù)Cw的影響,0.008,0.006,0.004,0.002,50,150,250,350,Titanate Fluid,Without FLA,

7、40 lb,60 lb,40 lb,60 lb,With 25 lb/1000 gal Solid Particulate FLA,液體溫度, F,總液體損失 Ct,平均 Williams 方法,C,C,C,C,C,C,C,C,C,C,C,t,c,v,w,v,w,w,r,c,v,w,2,4,2,2,2,2,2,1/2,濾失對液體效率的影響,低的液體效率,短裂縫,高濾失,長裂縫,高液體效率,低濾失,液體效率,裂縫中液體的百分比 影響產(chǎn)生的裂縫尺寸 高漏失可導致砂堵 低漏失會延長閉合時間，影響支撐劑的鋪置 對流 沉降,壓裂液的類型,水基壓裂液 線性胍膠壓裂液 交聯(lián)胍膠壓裂液 泡沫基或高能壓裂液 N

8、 , CO ,或混合 水，酸，油 油基壓裂液 凝膠油基 交聯(lián)油基 水包油乳化液 酸基壓裂液 凝膠酸 交聯(lián)酸 泡沫酸,2,2,線性胍膠壓裂液,聚合物 胍膠 羥丙基胍膠(HPG) 羧甲基羥丙基胍膠 (CMHPG) 羥乙基纖維素 (HEC) 羧甲基羥乙基纖維素 (CMHEC) 羧甲基纖維素 (CMC,聚合物殘渣 (按重量,高 中等 低 無,Guar Guar HPG and CMHPG HEC, CMC, CMHEC & Polyacrylamides(聚丙烯酰胺,8-13% 5-6 1-4 0,膠凝劑, 殘渣,聚合物的相關(guān)成本,Guar HPG CMHPG HEC CMHEC Xanthan(黃原

9、膠,成本增加,線性胍膠粘度曲線實例,30,40,50,60,70,80,90,100,110,10,30,50,70,90,溫度, F,表觀粘度,300 rpm, (511 sec-1 )cp,30,lbs/1,000,Source: Dowell Schlumberger,J-876 (HPG,交聯(lián)凝膠壓裂液,交聯(lián)劑 硼 鈦 鋯 銻 鋁,交聯(lián)機理,線性胍膠粘度不足以輸送支撐劑到裂縫深部 線性胍膠液中加入金屬交聯(lián)劑，將線性胍膠聚合體鏈連接在一起，形成很長的聚合鏈 隨聚合鏈長度增加，液體粘度增加 可以通過溫度和pH值控制交聯(lián),線性胍膠,交聯(lián)胍膠,交聯(lián)時間,交聯(lián)快增加摩阻 膠聯(lián)后沿管柱向下注入過程

10、中承受剪切，降低最終粘度 硼酸鹽體系具有最小的剪切敏感性 鈦和鋯酸鹽體系對剪切特別敏感 大部分壓裂液體系的交聯(lián)時間可被加快或延遲,交聯(lián)體系,各服務公司都有自己的體系 有些體系具有溫度活性 有些體系由化學劑濃度控制 (保護劑,常用的交聯(lián)劑,硼酸鹽,鈦，鋯酸鹽,溫度 F 交聯(lián) 剪切降解 交聯(lián)速率 pH 值范圍,300+ 可逆的 無 變化的 8-12,Up to 400 持久 剪切敏感 變化的 高溫: 高 pH 10,低溫: 低 pH 5,聚合體和交聯(lián)劑對粘度的影響,Guar HPG CMHPG,鈦 鋯 硼,粘度,不同溫度下的粘度,0,20,40,60,80,100,120,140,0,200,40

11、0,600,800,時間，分鐘,粘度 170 sec-1 (cp,200 F,250 F,300 F,增能壓裂液,液體中伴入氣體 體積比不超過 50% 用來幫助返排 氣體不增加粘度 由基礎(chǔ)液體粘度控制 氣體并沒有增加漏失控制 線性或交聯(lián)胍膠作為基礎(chǔ)液體,增能壓裂液體,類型 氮氣(N ) 二氧化碳 (CO ) 優(yōu)點 減少液體體積 提高液體返排性 缺點 成本增加 靜水壓力損失 僅在希望在合適期間返排的部分液體中使用 計算需依據(jù)井底壓力,2,2,泡沫液體-比單相液體更復雜,兩相減少漏失 粘度取決于: 泡沫的質(zhì)量 (液體/氣體交互作用) 泡沫結(jié)構(gòu) (泡沫尺寸分布) 基液的流變特性 溫度和壓力 剪切歷史

12、 井底壓力的測量很重要,泡沫壓裂液,氮氣 (N ) 水 (淡水和鹽水) 水-甲醇 甲醇 烴 酸 二氧化碳 (CO ) 水 酸 變化 普通的和穩(wěn)定的 變化的泡沫質(zhì)量 交聯(lián) 二元(N 和 CO 的混合物,2,2,2,2,泡沫中所用氣體的特性,氮氣,二氧化碳,輸送,液體 -320 F, 25 psig,液體 0 F, 300 psig,泵注方法,專門的低溫泵,常規(guī)的三缸泵,注入階段,泵注液體經(jīng)過熱轉(zhuǎn)換器,以氣體注入,液體,化學反應,沒有反應,碳酸泡沫,pH,惰性,3.5,操作的靈活性,僅僅是氣體,可以是液體，氣體或固體,密度 5,000 psi, 60 F,2.8 ppg,8.5 ppg,臨界溫度,

13、232 F,88F,泡沫壓裂液,優(yōu)點 注入地層的液體最少 自增能 良好的液體濾失控制 減少固相 (F.L.A. & 聚合體) 缺點 靜水壓力損失 (氮氣) 增加了摩阻壓力 (二氧化碳) 高能物質(zhì)的耗費 支撐劑對流更明顯 (氮) BHTP更難解釋,泡沫穩(wěn)定性,結(jié)構(gòu)好的泡沫更穩(wěn)定 聚合物增加了穩(wěn)定性 壓力增加了穩(wěn)定性 高剪切周期增加了穩(wěn)定性 表活劑（起泡劑）類型和濃度影響穩(wěn)定性,泡沫結(jié)構(gòu),描述泡沫尺寸分布，形狀和結(jié)構(gòu) 取決于壓力，質(zhì)量，流動條件，剪切歷史，泡沫生成技術(shù)和化學成分 結(jié)構(gòu)好的泡沫更穩(wěn)定,泡沫半衰期,測量泡沫的穩(wěn)定性 的液體從泡沫中析出的時間 未交聯(lián)泡沫的半衰期一般為1 小時 交聯(lián)泡沫的

14、半衰期長一些,泡沫質(zhì)量影響粘度,粘度, cp,泡沫質(zhì)量, ,0,20,40,60,80,100,泡沫質(zhì)量,兩種方法計算質(zhì)量 常規(guī) 將泡沫看作氣（分散相）液（連續(xù)相）混合物 恒定內(nèi)相 (CIP) 將泡沫看作氣體和支撐劑（內(nèi)相）液體（外相）的混合物,恒定內(nèi)相泡沫的特性,恒定內(nèi)相的特性,常規(guī)的特性,對于恒定內(nèi)相, 當加入砂后，氮氣增加了,氣體,支撐劑,液體,內(nèi)相,外相,恒定內(nèi)相VS. 常規(guī),恒定內(nèi)相 (CIP) 假定支撐劑是分散相的一部分 常規(guī)僅僅考慮液相和氣相 相同體積的液體, CIP泡沫質(zhì)量比常規(guī)的高 CIP采用的氣體少，液體多 CIP考慮了非凈液，常規(guī)僅僅包含凈液,常規(guī)的壓裂液添加劑,聚合物

15、交聯(lián)劑 破膠劑 緩沖劑 起泡劑 熱穩(wěn)定劑,殺菌劑 表活劑 粘土穩(wěn)定劑 降阻劑 轉(zhuǎn)向劑 降濾劑,相關(guān)的配伍性,每種情況使用最少量的添加劑 檢驗所有添加劑的配伍性 很多添加劑熱敏和/或?qū)H值敏感,殺菌劑,所有水包含細菌 水基壓裂液通常使用殺菌劑 需要控制喜氧菌和厭氧菌的生長 細菌會傷害有機聚合物，損害連接，減少粘度,破膠劑,大部份或所有壓裂使用破膠劑溫度應該在250F以下 破膠劑用量和類型是以下項的函數(shù): pH 溫度 聚合物用量 膠囊破膠劑用以延遲破膠 很難獲得最佳的破膠；通常不是太快就是太慢 現(xiàn)場破膠測試非常重要,破膠條件,常規(guī)酶 高溫酶 耐pH 酶 氧化劑 催化劑 高溫氧化劑 膠囊破膠劑 延

16、遲氧化劑 弱酸,3-7.5 3-7.5 3-14 3-14 3-14 3-14 3-14 3-14 NA,70-130 F 100-250 F 100-250 F 130-260 F* 70-120 F 180-250 F 100-300 F 100-300 F 200 + F,pH 值范圍,溫度范圍,溫度超過180F時，失效非常快，并且非常敏感 * 碳酸鹽巖油藏不可用,氧化和酶破膠劑,氧化破膠劑 (過硫酸銨和鈉) 和金屬離子發(fā)生化學反應 酶破膠劑 (糖) 交聯(lián)點酶的解裂 “Lock and Key,氧化破膠劑用量對粘度的影響,300,250,200,150,100,50,0,0,40,80,

17、160,200,120,時間，分鐘,0.00 AP,0.05 AP,0.10 AP,0.20 AP,0.50 AP,AP 過硫酸銨 lb/1,000 gal,表觀粘度, cp 100 sec,1,200F,氧化破膠劑用量對液體粘度的影響,16,12,8,4,0,0,0.5,1.0,1.5,2.0,過硫酸銨,lbm / 1,000 gal,HPG/Titanate,HPG,200F,緩沖劑,控制液體的pH pH值影響交聯(lián)劑 pH值低時，大部分液體破膠很快 pH值高時，液體熱穩(wěn)定性高 對泵注的具體液體，工程師需要熟悉其pH要求,表面活性劑,非乳化劑 水濕 碳氟化合物 非離子表面活性劑 少的吸附 和

18、粘土穩(wěn)定劑配伍 互溶劑,粘土穩(wěn)定劑,鹽粒 Sodium Chloride (NaCl) Calcium Chloride (CaCl2) Potassium Chloride (KCl) Ammonium Chloride (NH4Cl) 液態(tài)KCl替代品 陽離子聚合物,液體防濾失添加劑,控制向天然裂縫的漏失 橋堵劑 固體, 比如石灰粉, 100 目，等等 粘糊劑 軟材料 樹脂,淀粉, 膠狀材料 多相 乳狀烴 泡沫,轉(zhuǎn)向劑,物理方法改變流向 堵球 堵球和擋板工藝 砂柱塞 (木塞) 采用封隔器和橋塞選擇性壓裂,轉(zhuǎn)向劑,化學方法改變流動方向 巖鹽 苯甲酸片 (精細的或毛料) 油溶樹脂 (高低溫)

19、球 (蠟球) 交聯(lián)聚合物 泡沫 梧桐膠和油溶樹脂的混合物,化學添加劑概述,殺菌劑 破膠劑 緩沖劑 粘土穩(wěn)定劑 轉(zhuǎn)向劑 液體濾失添加劑 降阻劑 鐵控制劑 表活劑 瓜膠穩(wěn)定劑,殺菌 降低液體粘度 調(diào)節(jié) pH 防粘土膨脹 改變液體流動 提高液體效率 減少摩阻 溶解鐵 降低表面張力 減少熱降,Gluteridehyde Carbonates Acid, Oxidizer, Enzyme Breaker Sodium Bicarb., Fumaric Acid KCl, NH Cl, KCl Substitutes Ball Sealers, Rock Salt, Flake Boric-Acid Di

20、esel, Particulates, Fine Sand Anionic Copolymer Acetic & Citric Acid. EDTA, NTA Fluorocarbon, Nonionic MEOH, Sodium Thiosulphate,添加劑類型,功能,特征產(chǎn)品,4,選擇壓裂類型,在膠結(jié)疏松地層選擇壓裂-充填 解除地層傷害 中等規(guī)模的改造以增強流動 深穿透裂縫 (60% 排驅(qū)半徑,壓裂液及其使用條件,選擇壓裂液,氣井,是,150F,250F,300F,2,2,2,壓裂支撐劑體系,壓裂支撐劑體系,支撐劑需要支撐壓開的裂縫，以增加流動能力 理想的特性 高強度 抗腐蝕 低比重

21、容易獲得，費用低廉 支撐劑類型 石英砂 燒結(jié)礬土 陶粒 樹脂涂層,燒結(jié)礬土或陶粒,最重要的參數(shù)是油藏條件下的裂縫導流能力,裂縫導流能力, wkf wkf = 裂縫寬度 x 裂縫滲透率 支撐縫寬主要是支撐劑鋪置濃度的函數(shù),無因次裂縫導流能力,wk - 裂縫導流能力, md-ft k - 地層滲透率, md L - 裂縫半縫長, ft 最小化裂縫中的壓降 (實際導流能力)需要C 10,r,f,f,C,wk,k,L,r,f,f,最佳導流能力,C = 10 產(chǎn)生無限導流裂縫 在滲透性油藏或閉合應力高的深部地層，可能很難獲得C = 10 假定可以獲得足夠的導流能力C 采用油藏模擬來確定最佳的縫長L 選擇支撐劑類型和濃度以最大化C , 直到10,r,r,r,r,f,支撐劑的有效閉合應力,p,井底流動壓力,psi,wf,p,x,wf,p,cs,P,cs,有效閉合應力, psi,當井底流壓增加，支撐劑上應力增加,其中,