壓裂相關知識

壓裂相關知識石油工程學科劉燕主要內容油水井壓裂的原理壓裂液、壓裂介質壓裂設備壓裂設計及參數(shù)確定壓裂施工工藝其他類型的壓裂方法一、油水井壓裂的原理壓裂是指在井筒中形成高壓迫使地層形成裂縫的施工過程，通常指水力壓裂。通過壓裂設備向目的層高壓注入壓裂液使地層破裂，并加入支撐劑形成具有一定導流能力的裂縫，使井達到增產、增注的工藝措施。一、油水井壓裂的原理增產機理：由于被支撐劑充填的高導流能力裂縫相當于擴大了井筒半徑，增加了泄流面積，大大降低了滲流阻力，因而能大幅度提高油氣井產量，提高采油速度，縮短了開采周期，降低了采油成本。水力壓裂工藝中使用的液體統(tǒng)稱壓裂液。按不同階段的作用分為：前置液、攜砂液、頂替液。前置液——破裂地層，撐開一定幾何尺寸的裂縫，為攜砂液的進入創(chuàng)造條件。攜砂液——將支撐劑帶入裂縫中，并將支撐劑充填到預定位置上去。具有擴展、延伸裂縫和冷卻地層的作用。頂替液——將井筒中全部攜砂液替入裂縫，防止井筒沉砂。二、壓裂液、壓裂介質滴401井3630.0-3632.5m、3638.0-3643.0m壓裂施工2008年4月23日31/2油管壓裂，低替原液17m3，總用胍膠225.60m3（胍膠208.80m3，膠聯(lián)液16.80m3）油管壓裂，前置液91.00m3(段塞加0.45-0.224mm的宜興高強陶粒3m3)，攜砂液117.60m3，頂替液17.00m3，加0.9-0.45mm的中密高強陶粒20.00m3，加砂比17.00%，破裂壓力38.4MPa，泵壓38.4-29.8MPa，排量11.20-7m3/3min。選擇壓裂液應滿足的條件：1、低濾失、粘度高2、徹底破膠及低殘渣；3、與儲層巖石和流體相配伍；4、良好的搞剪切性能和熱穩(wěn)定性；5、低摩阻性能；6、壓裂液在現(xiàn)場應用應簡單易行，經濟有效。壓裂液的種類水基壓裂液油基壓裂液酸基壓裂液乳狀或泡沫壓裂液水基壓裂液它是以水為分散介質，加入添加劑，特別是水溶性聚合物。添加劑：稠化劑、交聯(lián)劑、破膠劑、助排劑、粘土穩(wěn)定劑、ph調節(jié)劑、破乳劑、降濾失劑和其他輔助性添加劑。水基壓裂液——稠化劑稠化劑類型優(yōu)點缺點常用類型植物膠及其衍生物粘度大、易于交聯(lián)、成本低、耐溫、造縫能力強水溶性差，易造成油層傷害瓜膠、香豆膠、魔芋膠、天菁膠、羥丙基瓜膠纖維素衍生物水溶性好不易交聯(lián)、耐溫差、耐剪切性能差，鹽敏羧甲基纖維素、羥乙基纖維素生物聚多糖水溶性好，用量少，增稠好、傷害小制備復雜，成本高黃胞膠合成聚合物聚合物性質可變化以滿足施工要求，耐溫，無殘渣、傷害小剪切穩(wěn)定性差，耐鹽差、配制困難、殘膠吸附堵塞嚴重聚丙烯酰胺、甲叉基聚丙烯酰胺水基壓裂液——稠化劑其中，植物膠及其衍生物稠化劑在水力壓裂中使用量達到90%以上。水基壓裂液——交聯(lián)劑交聯(lián)劑是通過交聯(lián)離子（基團）將溶解于水中的聚合物線形大分子鏈上的活性基團以化學鍵連接起來形成三維網(wǎng)狀結構的化學劑。交聯(lián)劑的選用由聚合物可交聯(lián)的官能團和聚合物的ph值決定。比較常用的且形成工業(yè)化的交聯(lián)劑有硼砂、有機硼、有機鋯、有機鈦等。水基壓裂液——交聯(lián)劑交聯(lián)后的壓裂液交聯(lián)劑舉例硼砂、偏氯酸鈉硫酸鋁、氯化鉻、硫酸銅、氯化鋯無機酸酯（有機鈦或鋯）有機硼醛類：甲醛、乙醛、乙二醛Ph范圍8——124——77——13鋯酸鹽3——107——136——8聚合物植物膠及衍生物羧甲基植物膠所甲基纖維素植物膠及衍生物植物膠及衍生物聚丙烯酰胺及其衍生物交聯(lián)特性快速交聯(lián)快速交聯(lián)可延遲交聯(lián)可延遲交聯(lián)可延遲交聯(lián)優(yōu)點清潔無毒，成本低易于生物聚合物等交聯(lián)耐溫性能好耐溫好、傷害小、易破膠、應用廣可與聚丙烯酰胺及其衍生物交聯(lián)缺點耐溫能力差應用范圍窄破膠困難成本高交聯(lián)度控制和破膠困難延遲交聯(lián)技術簡介延遲交聯(lián)控制技術是目前普遍使用的獲得最佳交聯(lián)性能的重要技術優(yōu)點：避免管道高剪切速率流動對粘度影響?？蓽p少摩擦壓降、提高注入速度，減少所需功率。使用延遲交聯(lián)的液體在高溫下具有較好的長期穩(wěn)定性?？山档途酆衔锍砘瘎┑挠昧咳秉c：過長的延遲交聯(lián)可造成井筒處脫砂（未交聯(lián)，粘度下降后沙粒分離出來）。水基壓裂液——交聯(lián)劑水基壓裂液——破膠劑其主要作用是在壓裂結束后，通過破壞交聯(lián)條件降解聚合物大分子，使凍膠壓裂液達到破膠降粘的效果。類型：過氧化物破膠劑、膠囊破膠劑、酶破膠劑膠囊氧化破膠劑——是把過氧化物單獨裝在合成外殼內。水基壓裂液——破膠劑類型過氧化物膠囊破膠劑酶破膠劑優(yōu)點Ph范圍廣，成本低，破膠迅速減少了對壓裂液流變性能的影響；增大破膠劑用量，改善了支撐裂縫的導流能力。破膠快速、徹底、用量少缺點溫度低于60時需用還原劑進行活化，高溫時過快破膠影響施工成本高應用ph范圍窄，溫度低于60度可使用，成本高舉例過硫酸鉀，過氧化氫包裹過硫酸鹽淀粉酶、特種瓜膠酶水基壓裂液——粘土穩(wěn)定劑利用粘土表面化學離子交換的特點，改變粘土表面結合離子，從而改變粘土的物化性質，或破壞離子交換能力等方法達到防止粘土膨脹、或分散運移的效果。主要包括：無機鹽（氯化鉀、鈉、鎂、鈣），表面活性劑（陰/陽離子），無機聚合物（羥基鋁、氧氯化誥），有機聚合物（形成聚合物膜穩(wěn)定粘土）水基壓裂液——ph調節(jié)劑壓裂液交聯(lián)必須在一定ph環(huán)節(jié)中進行。用無機或有機酸堿等使壓裂液具有一定ph值緩沖能力和范圍。類型酸性ph調節(jié)劑：醋酸、檸檬酸、亞硫酸氫鈉堿性ph調節(jié)劑：碳酸氫鈉、碳酸鈉、氫氧化鈉水基壓裂液——破乳劑減少壓裂液在地層的油水乳化。舉例：破乳劑sp169、AE型破乳劑水基壓裂液——降濾失劑降低壓裂液濾失量舉例：柴油、油溶性樹脂、粉砂水基壓裂液典型配方A低溫水基壓裂液（小于60度）常用稠化劑——羥丙基瓜膠、香豆膠、羥乙基田菁膠常用交聯(lián)劑——硼砂，有機硼破膠體系——過硫酸鹽低溫壓裂液破膠是關鍵！水基壓裂液典型配方B中溫水基壓裂液（60度——120度）即保證壓裂液良好的流變特性，又要能快速破膠。中低溫水基壓裂液（60度——90度）稠化劑——羥丙基瓜膠、香豆膠、羥乙基田菁膠交聯(lián)劑——硼砂，有機硼破膠劑——過硫酸鹽,膠囊破膠劑中高溫溫水基壓裂液（90度——120度）稠化劑——羥丙基瓜膠、香豆膠交聯(lián)劑——有機鋯，有機硼破膠劑——過硫酸鹽,膠囊破膠劑水基壓裂液典型配方C高溫水基壓裂液（120度——180度）稠化劑——羥丙基瓜膠或香豆膠交聯(lián)劑——有機鋯，有機硼破膠劑——過硫酸鹽,膠囊破膠劑技術關鍵是在高溫條件下如何獲得高粘度。水基壓裂特點（總結）水基壓裂液成本低、使用安全，因而應用廣泛。目前世界上約有70%以上壓裂作業(yè)采用瓜膠和羥丙基瓜膠水基壓裂液，泡沫壓裂液占總量25%，而油基壓裂液占5%。油基壓裂液油基壓裂液是以油為溶劑或分散介質，加入各種添加劑形成的壓裂液。較為通用的是鋁磷酸酯與堿反應產物，使油成為油凍膠。適用于低壓、偏油潤濕、強水敏性儲集層。摩阻大于水基壓裂液，濾失量大，用量大，濾失量大，成本高?，F(xiàn)場應用較少，存在不安全因素。酸基壓裂液適用:碳酸鹽儲層種類:常規(guī)酸稠化酸凍膠酸乳化酸泡沫壓裂液液相+氣相+添加劑泡沫液液相:清水、鹽水、凍膠水、原油或成品油、酸液氣相氮氣、二氧化碳、空氣、天然氣等泡沫壓裂液特點:在壓裂時的井底壓力和溫度下，泡沫質量一般為６０％～８５％隨著泡沫質量的增加，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，砂比可高達７０％二種類型：油外相和水外相優(yōu)點：粘度高、懸砂能力特別強、濾失低，壓裂液效率高、傷害小、在大多數(shù)情況下，易返排不足之處：高摩阻、高成本、熱穩(wěn)定性差，上限溫度120度乳狀壓裂液膠束壓裂液——清潔壓裂液新型壓裂液，其主要組分是表面活性劑。同其他相比最大區(qū)別是不會形成固相殘渣，因而稱為清潔壓裂液。優(yōu)點：無固相、無殘渣、添加劑種類少、低傷害、摩阻低、攜砂能力強缺點：耐溫差、成本高、潤濕反轉有潛在傷害。壓裂介質——支撐劑支撐劑種類支撐劑的性能要求支撐劑的選擇支撐劑種類現(xiàn)有的支撐劑按其力學性質例如強度和硬度可分為兩大類：一類是脆性支撐劑，如石英砂、玻璃珠等，其特點是硬度大，變形很小；另一類是韌性支撐劑，如核桃殼、鋁球等，其特點是變形大，在高壓下不易破碎。石英砂（砂子）石英砂貨源廣、價格便宜部分壓裂井使用石英砂做支撐劑基本滿足要求，具有一定的成功率；對于圓度較好的石英砂，在高閉合壓力下仍能提供一定的或較高的滲透能力。石英砂的最大弱點是強底低砂子在篩選不好或清洗不好，含粉砂雜質時，導流能力都要明顯降低與砂子相比，它具有一定的韌性，在壓力的作用下，承壓面積可以稍許增加，因此不致象砂子一樣在閉合壓力和上覆巖石重力的作用下產生顯著破碎，特別是用于松軟地層效果較好。但其貨源受到很大限制核桃殼鋁球鋁球與核桃殼具有相同的優(yōu)點，但這種金屬支撐劑在高溫鹽水（地層水）中極易腐蝕密度大，不利輸送，價格昂貴玻璃珠具有較高強度致命的弱點：玻璃珠在表面上一旦有外傷或劃痕及擦痕時，其強度會大大降低在高溫地層水中，玻璃珠的強度也要大大降低。有時用作“尾砂”以提高井底附近的導流能力。在控制縫高壓裂工藝技術中，常用空心玻璃微珠作為上浮劑在裂縫上部形成人工遮擋層。陶粒主要化學成分有Ａｌ２Ｏ、ＳｉＯ２、Ｆｅ２Ｏ３以及ＴｉＯ２等陶粒的強度很高在承受高閉合壓力和上覆巖石重力的作用時，陶粒的細粒結構可使顆粒變形而不致破碎，甚至在高溫鹽水的浸泡下也可以抵抗壓碎破壞。國內現(xiàn)在普遍使用的支撐劑是石英砂和陶粒石英砂的產地較多，應用最多的是蘭州砂、福州砂、江西砂、岳陽砂、新疆砂、榮城砂等。陶粒以唐山陶粒和成都陶粒使用的最為普遍。石英砂主要用于３０００米以內的淺井和中深井，陶粒用于３０００米以上的深井，或作為尾砂以提高縫口處的導流能力。支撐劑顆粒形狀支撐劑的顆粒形狀一般用圓度和球度描述。圓度是指顆粒表面光滑的程度，用ψ表示；球度則是指顆粒接近球體的程度，用φ表示。

φ、ψ越大，顆粒和圓球度越好。支撐劑強度和硬度

支撐劑強度支撐劑抵抗閉合壓力和上覆巖石重力的作用而不致發(fā)生破碎的能力為支撐劑的強度；

支撐劑硬度抵抗閉合壓力和上覆巖石重力的作用而不致被壓實的能力為支撐劑的硬度。閉合壓力——停泵后作用在裂縫壁面上欲使之閉合的力為閉合壓力。支撐劑特性要求強度高、硬度適中粒徑均勻圓球度好化學溫度穩(wěn)定性好質量高，雜質含量少密度適中貨源廣、價格低支撐劑的選擇影響導流能力的支撐劑性質包括支撐劑的強度、硬度、圓球度、粒徑以及支撐劑的質量等等支撐劑強度越高，在閉合壓力和上覆巖石重力的作用下抵抗破碎的能力越強，因而提供的導流能力越高支撐劑硬度越大，越容易嵌入地層而降低支撐裂縫寬度支撐劑的選擇如果地層閉合壓力大，則裂縫中的支撐劑容易破碎和壓實，破碎產生的粉粒將部分或全部堵塞裂縫的流動通道，壓實將降低填砂裂縫的滲透率和寬度。對于脆性支撐劑，主要是破碎問題;

對于韌性支撐劑，主要是壓實問題。支撐劑的選擇結論低閉合壓力下淺層選大顆粒支撐劑，閉合壓力增大則選比較小的粒徑支撐劑。選擇資源豐富，經濟的支撐劑?？紤]加砂方式：低滲透油層裂縫先加細砂，再以粗砂或陶粒作為尾砂的加砂方法。三、壓裂設備壓裂設備由壓裂車、混砂車、運砂