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五大压裂液技术发展现状研究

2016-01-09浏览次数:1726   来源:石油观察
  【石油机械网】裂液主要有以下几种类型:以油溶性活性剂作为稠化剂,主要是脂 肪酸盐;以油溶性高分子物质作为稠化剂,主要有聚异丁烯、聚丁二烯、聚异戊二烯、a-烯氢聚合物,聚烷基苯乙烯,氢化聚环戊二烯、聚丙烯酸。
   20世纪50年代压裂液首次用于裂缝增产以来,发生了巨大的演变。早期的压裂液是将汽油作为分散介质,加入具有一定粘度的流体,这也是出现最早的油基压裂液;

       后来,随着井深的增加和井温的升高,对压裂液粘度及耐温的要求增加,开始采用天然植物胶压裂液、纤维素压裂液、合成聚合物压裂液,即传统的水基压裂液;

      20世纪80年代,因泡沫压裂液对地层伤害较小而得到广泛的应用;

      到 了20世纪90年代,Eni-Agip流体专家与Schlumberger工程师推荐了一种粘弹性流体压裂作业,即其所研发的粘弹性表面活性剂 (VES),其特点是压裂过程中依靠自身的结构粘度携带支撑剂,不需要添加交联剂、破胶剂和其他各种化学添加剂,对地层的伤害较小。

      1999 年Zhang和Gupta提出将清洁压裂液与泡沫压裂液相结合形成清洁泡沫压裂液,结合了清洁压裂液与泡沫压裂液的优点,具有携砂能力强、滤失低、压裂效 能高、返排能力强、地层伤害小的优势。压裂液从20世纪50年代发展到目前的清洁压裂液、清洁泡沫压裂液,仍以水基压裂液体系的应用为主。
 
1 油基压裂液
 
1.1 油基压裂液类型

       油基压裂液是以油作为溶剂或分散介质,与各种添加剂配制而成的压裂液。目前国内外使用的油基压裂液主要有以下几种类型:以油溶性活性剂作为稠化剂,主要是脂 肪酸盐;以油溶性高分子物质作为稠化剂,主要有聚异丁烯、聚丁二烯、聚异戊二烯、a-烯氢聚合物,聚烷基苯乙烯,氢化聚环戊二烯、聚丙烯酸。
 
1.2 油基压裂液携砂机理

      汽油为非极性物质,无活泼官能团,化学惰性大,难以形成交联结构,所用成胶剂是低分子量的表面活性剂,本身不增加黏度,但可以在油中形成胶束,成胶剂扩散进 入初交联剂液滴内时,其中所含的酸性磷酸酯溶解在滴中并被中和,引起铝酸根离子浓度减小,铝离子浓度增大,在适当条件下形成铝离子的八面向心配价体。初成 胶剂中所含的磷酸酯通过该配价体与铝离子形成桥架网状结构产物,与初成胶剂中的烷基磷酸酯形成长链大分子,使油的黏度大幅度升高。

     采用油基压裂液,与地层及流体的配伍性好,基本上不会产生水堵、水敏,但其成本高,改性效果不如水基压裂液,且滤失量大,摩阻也较大。适用于低压、强水敏地层。
 
2 水基压裂液
 
      水基压裂液是以水作为溶剂或者分散介质,向其中加入稠化剂、添加剂配制而成的。具有粘度高、携沙能力强、摩阻低、滤失低等优点。

      水基压裂液的命名一般以稠化剂的种类来命名。目前国内外使用的水基压裂液主要有以下几种类型:天然植物胶水基压裂液、纤维素压裂液、合成聚合物压裂液,分别以天然植物胶、纤维素、合成聚合物作为稠化剂。
 
2.1 天然植物胶水基压裂液

      天然植物胶压裂液包括胍胶及其衍生物羟丙基胍胶、羟甲基羟丙基胍胶;田箐胶及其衍生物,如甘露聚葡萄糖胶。由于天然植物胶的高分子链含有多个羟基,其吸附能力强,易形成水花膜,粘度高;但其破胶后往往产生大量的残渣,不溶物含量高,对地层伤害很大,且破乳困难。
 
2.2 纤维素水基压裂液

      纤维素压裂液包括羧甲基纤维素(CMC)冻胶压裂液,羟乙基、羟丙基纤维素压裂液和羧甲基-羧乙基纤维素(CMHEC)。纤维素是一种非离子型聚多糖,其大 分子链上的众多羧基之间的氢键作用使纤维素压裂液增稠能力强、携砂性好、滤失小、残渣少,但其摩阻偏高,且耐温稳定性也较差,因此一般不适用于深井等高温 层段。
 
2.3 合成聚合物水基压裂液

      合成聚合物压裂液,使用的聚合物包括聚丙烯酰胺(PAM)、部分水解聚丙烯酰胺(HPAM)、丙烯酰胺-丙烯酰胺共聚物、甲叉基聚丙烯酰胺等。与前两种水基 压裂液不同,这种水基压裂液的稠化剂均为人工合成的聚合物。因此,可通过控制合成条件的办法调整聚合物的性能来满足压裂液的性能指标。其优势明显,可以更 高的满足压裂液对温度和粘度的要求,破胶后,残渣也很少,对地层伤害很小。但其对环境污染较大。
 
3 泡沫压裂液
 
3.1 泡沫压裂液组成

      泡沫压裂液是由气相、液相、表面活性剂和其他化学添加剂组成。是在常规植物胶压裂液基础上混拌高浓度的液态N2或CO2等组成的以气相为内相、液相为外相的低伤害压裂液。

      气体泡沫质量分数(即在给定的压力和温度下,气体的体积占泡沫体积的百分数)一般为50%~70%,当泡沫质量小于52%,其为增能体系,一般用其作为常规 压裂后的尾随液,以帮助压后破胶液的快速返排;当气泡质量大于52%,内相气泡颗粒较小,稳定性好,半衰期(即泡沫中分离出一半液体时所需的时间)长,分 布均匀,流动过程中气泡与气泡相互接触、干扰,使得黏度大,携砂能力增强;在泡沫压裂液中液相比例较小,一般只占30%~50%,压裂过程中降低了液相在 地层中的滤失量,对地层伤害性小。
 
3.2 泡沫压裂液适应性

      泡沫压裂液进入地层后其泡沫被压缩,从而聚积能量,压裂结束后聚集的能量使气体快速膨胀,向外驱替压裂液破胶液,驱使破胶液快速而彻底返排,并将缝中残渣带 出井筒;泡沫压裂液可以在井筒中形成气流与管壁的滑流层从而处于层流状态,其摩阻小,只有常规压裂液的30%~40%。基于泡沫压裂液的这些特点,特别适 用低温、低压、水敏或水锁等敏感性强的油气井的压裂改造。

4 清洁压裂液体系

      清洁压裂液是在盐水中添加表面活性剂形成的一种粘弹性表面活性剂(VES)仅由表面活性剂与盐水相互溶解而成,无需交联剂等添加剂。主要包括:阳离子季铵盐类表面活性剂压裂液体系、甜菜碱性阳离子表面活性剂压裂液一级非离子型表面活性剂压裂液。 

4.1 清洁压裂液特点 

4.1.1 粘弹性

      粘弹性表面活性剂可在盐水(分散介质)中形成棒状胶束,随着棒状胶束的增多而发生了相互缠结,形成了类似交联聚合物大分子的空间网状结构(见下图)。即小分子的物质,通过相互缠绕从而形成大分子的结构。在宏观上小分子物质却可以表现出大分子物质的性质。

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4.1.2 剪切稀释性

      VES 压裂液的携砂原理与常规的水基、油基压裂液存在根本的不同。常规压裂液依靠压裂液的表观粘度携带支撑剂,而VES压裂液依靠流体的结构粘度携带支撑剂。其 粘度随着流体剪切的停止而恢复,具有很好的剪切稀释性(见下图)。因此,其表观粘度很小,与地层及流体之间的摩阻相当的小。美国Stin-Lab通过支撑 剂携砂实验,表明粘弹性表面活性剂溶液在粘度小于30mPa·s,剪切速率为100s-1时,同样可以将支撑剂有效的输送到目的层。

 
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4.1.3 粘温特性

      随着温度的升高,VES压裂液的粘度经历一个最大值,随后温度升高,粘度下降(见下图)。这是由于,温度的升高加快了溶液中胶束的运动,在温度较低时,这种 作用是有益的,加快了棒状胶束的缠绕;而当温度较高时,温度的升高加快了胶束的分离。因此清洁压裂液的使用对地层的温度有一定的要求。

 
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5 清洁泡沫压裂液
 
       清洁压裂液的使用改变了传统聚合物压裂液生产操作方式,大大减少了传统压裂液对地层的损害和污染。为了进一步减小清洁压裂液的成本,降低清洁压裂液的推广难 度,同时提高压裂液的返排能力,1999年Zhang和Gupta第1次提出将清洁压裂液与泡沫压裂液相结合形成清洁泡沫压裂液。清洁泡沫压裂液是在清洁 压裂液的基础上,加入起泡剂、气体,形成泡沫,从而组成以气体为内相、清洁压裂液溶液为外相的低伤害压裂液体系。

       2007 年在俄罗斯WesternSibe-rianbasin油田,使用清洁泡沫压裂液与常规的聚合物水基压裂液进行现场试验。油井4454采用0.48%交联 胍胶聚合物压裂液实施压裂。压裂返排持续了14d。压裂施工完成后油井产量为5.5t/d。油井492采用清洁泡沫压裂液,压裂后油井仅返排3d时间。压 裂后,油井产量增产至30t/d。在国内,2011年在山西沁水盆地,应用清洁泡沫压裂液对两口油井进行压裂。PH1-6油井产气量达到3000m3 /d~4000m3/d,PH1产气量达到2000m3/d~5800m3/d,是临井产量的1.5倍,增产效果明显。

      清洁泡沫压裂液结合了清洁压裂液与泡沫压裂液的优点,具有携砂能力强、滤失低、压裂效能高、返排能力强、地层伤害小等优势,成为近年来压裂液领域的研究重点。
 
6 展望
 
      目前,国内外的压裂液体系正朝着低伤害、适应强、低成本、耐高温、环保的方向发展,已形成适用于各种地层条件的压裂液体系。但国内在低伤害压裂液体系的研究 与应用还处于起步阶段。各个单位的研究结果也只是在油田小范围的应用。因此,应参照国外的经验,加强研发适用我国油藏特点的低伤害压裂液体系,如:清洁泡 沫压裂液。在此基础上开展以下研究。

    (1)针对不同储层特点,研究开发适用不同条件的低伤害压裂液体系。可通过室内实验进行评价,筛选适合不同条件的配方体系,扩大低伤害压裂液的应用前景。

    (2)加强对配套的施工设备及工艺的研究与设计,促进低伤害压裂液在现场的大规模应用推广。

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