水力压裂力学-5.pptx
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水力压裂力学-5.pptx
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中国石油勘探开发研究院廊坊分院中国石油勘探开发研究院廊坊分院中国石油勘探开发研究院廊坊分院中国石油勘探开发研究院廊坊分院压裂液基本原理和评价技术中国石油勘探开发研究院廊坊分院中国石油勘探开发研究院廊坊分院中国石油勘探开发研究院廊坊分院中国石油勘探开发研究院廊坊分院前置液前置液携砂液携砂液支撑剂支撑剂支撑裂支撑裂缝缝动态裂缝动态裂缝压裂酸化施工流程示意图压裂酸化施工流程示意图岩岩石石流体流体顶替液顶替液n工艺设计n压裂(酸化)流体n支撑剂中国石油勘探开发研究院廊坊分院中国石油勘探开发研究院廊坊分院中国石油勘探开发研究院廊坊分院中国石油勘探开发研究院廊坊分院压裂场景图片压裂场景图片中国石油勘探开发研究院廊坊分院中国石油勘探开发研究院廊坊分院中国石油勘探开发研究院廊坊分院中国石油勘探开发研究院廊坊分院压裂场景图片压裂场景图片n立式和卧式配立式和卧式配液罐液罐中国石油勘探开发研究院廊坊分院中国石油勘探开发研究院廊坊分院中国石油勘探开发研究院廊坊分院中国石油勘探开发研究院廊坊分院压裂场景图片压裂场景图片n液罐车和混砂车液罐车和混砂车中国石油勘探开发研究院廊坊分院中国石油勘探开发研究院廊坊分院中国石油勘探开发研究院廊坊分院中国石油勘探开发研究院廊坊分院压裂场景图片压裂场景图片n压裂泵车和压裂泵车和施工压力曲施工压力曲线线中国石油勘探开发研究院廊坊分院中国石油勘探开发研究院廊坊分院中国石油勘探开发研究院廊坊分院中国石油勘探开发研究院廊坊分院压裂场景图片压裂场景图片支撑剂罐车支撑剂罐车中国石油勘探开发研究院廊坊分院中国石油勘探开发研究院廊坊分院中国石油勘探开发研究院廊坊分院中国石油勘探开发研究院廊坊分院压裂液技术发展回顾v1948年水力压裂开始用于油井增产,使用油基压裂液(原油、凝固汽油、皂化凝胶油体系);v50年代末期,发现了瓜尔胶可作为水基压裂液的稠化剂,产生了现代压裂液化学;v60年代开展了瓜尔胶改性研究及其交联水基压裂液体系(B、Al);v70年代提高水基压裂液体系(无机钛和锆)、泡沫液;v80年代有机钛、锆交联水基压裂液体系及其泡沫压裂液体系(N2和CO2),微观结构、流变学特性、伤害与保护;v90年代有机硼交联水基压裂液新体系,胶囊破胶剂技术v2000年以后低稠化剂浓度水基压裂液和清洁压裂技术。
中国石油勘探开发研究院廊坊分院中国石油勘探开发研究院廊坊分院中国石油勘探开发研究院廊坊分院中国石油勘探开发研究院廊坊分院v压裂液描述预前置液、前置液、携砂液、顶替液稠化剂(可以是水或其它分散介质粘度增加的聚合物)交联剂(能够使线性聚合物通过分子间化学键形成体形聚合物的化学剂)破胶剂、降滤失剂、温度稳定剂、pH调节剂、杀菌剂粘土稳定剂、破乳剂、助排剂、滤饼溶解剂乳化剂、起泡剂、消泡剂、减阻剂中国石油勘探开发研究院廊坊分院中国石油勘探开发研究院廊坊分院中国石油勘探开发研究院廊坊分院中国石油勘探开发研究院廊坊分院v对压裂液的基本要求与储层配伍易于注入摩阻低低滤失耐温、耐剪切破胶迅速彻底、易清除对地层、支撑剂带低伤害易于控制、安全经济实用中国石油勘探开发研究院廊坊分院中国石油勘探开发研究院廊坊分院中国石油勘探开发研究院廊坊分院中国石油勘探开发研究院廊坊分院v压裂液的类型与基本性质按不同工艺作用分类预前置液、顶替液一般完井作业液可代替前置液、携砂液特殊的完井液按不同化学性状分类(分散介质)水基-交联冻胶、线性胶油基稠化柴油(原油)、油冻胶乳化水包油、油包水乳化(水基-线性、交联)泡沫氮气、二氧化碳、双元清洁胶束表面活性剂醇基甲醇气体纯液态二氧化碳中国石油勘探开发研究院廊坊分院中国石油勘探开发研究院廊坊分院中国石油勘探开发研究院廊坊分院中国石油勘探开发研究院廊坊分院v压裂液是由多种添加剂按一定配比形成的非均质不稳定化学体系,它可概括的分为水基、油基、乳化、泡沫、醇基、胶束、酸基、气体等。
v水基压裂液水基压裂液v油基压裂液油基压裂液v乳化压裂液乳化压裂液v泡沫压裂液泡沫压裂液v醇基压裂液醇基压裂液v清洁胶束压裂液清洁胶束压裂液v酸基压裂液酸基压裂液中国石油勘探开发研究院廊坊分院中国石油勘探开发研究院廊坊分院中国石油勘探开发研究院廊坊分院中国石油勘探开发研究院廊坊分院使用状况%压裂液类型优点缺点适用范围国外国内水基压裂液廉价、安全、可操作性强、性能好降低相对渗透率,伤害较高除强水敏性储层外均可使用606590油基压裂液配伍性好、密度低,易返排伤害小成本高,安全性差,耐温较低强水敏、低压储层53泡沫压裂液密度低、易返排,伤害小、携砂性好施工压力高,需特殊设备低压、水敏储层25303乳化压裂液残渣少、滤失低、伤害较小摩阻较高,油水比例较难控制水敏、低压储层、低中温井52清洁压裂液无聚合物、无残渣、低伤害粘度低、滤失较大、成本高高渗透油气储层2试验中国石油勘探开发研究院廊坊分院中国石油勘探开发研究院廊坊分院中国石油勘探开发研究院廊坊分院中国石油勘探开发研究院廊坊分院一、水基压裂液体系一、水基压裂液体系水基压裂液以水为分散介质,添加各种处理剂,形成水基压裂液以水为分散介质,添加各种处理剂,形成具有压裂工艺所需的较强综合性能的工作液。
具有压裂工艺所需的较强综合性能的工作液。
它分为线性胶压裂液与交联冻胶压裂液。
它分为线性胶压裂液与交联冻胶压裂液。
一般含有水溶性聚合物及其它添加剂具有可流动状态一般含有水溶性聚合物及其它添加剂具有可流动状态的水溶液被称为线性胶压裂液(有时也称稠化水)的水溶液被称为线性胶压裂液(有时也称稠化水)。
在线性胶中加入交联剂及其它添加剂形成具有粘弹性在线性胶中加入交联剂及其它添加剂形成具有粘弹性的交联冻胶被称为交联冻胶压裂液。
的交联冻胶被称为交联冻胶压裂液。
清水中含有少量减阻剂用作压裂液称为清水压裂液。
清水中含有少量减阻剂用作压裂液称为清水压裂液。
中国石油勘探开发研究院廊坊分院中国石油勘探开发研究院廊坊分院中国石油勘探开发研究院廊坊分院中国石油勘探开发研究院廊坊分院二、油基压裂液系统二、油基压裂液系统油基压裂液是以油为溶剂或分散介质,加入各种添加油基压裂液是以油为溶剂或分散介质,加入各种添加剂满足压裂工艺性能要求而形成的压裂液。
剂满足压裂工艺性能要求而形成的压裂液。
在强水敏性储层,使用油基压裂液有利于避免由水基在强水敏性储层,使用油基压裂液有利于避免由水基液而引起的地层损害。
液而引起的地层损害。
中国石油勘探开发研究院廊坊分院中国石油勘探开发研究院廊坊分院中国石油勘探开发研究院廊坊分院中国石油勘探开发研究院廊坊分院使用油基压裂液的首要缺点是易燃性,施工安全性差;使用油基压裂液的首要缺点是易燃性,施工安全性差;大多数情况下,泵送摩阻明显高于水基压裂液体系;大多数情况下,泵送摩阻明显高于水基压裂液体系;与水相比,静水压头小,相同条件下要求压裂的泵压也较高与水相比,静水压头小,相同条件下要求压裂的泵压也较高;由于以油为介质,添加剂用量大,成本高;由于以油为介质,添加剂用量大,成本高;现场配制及质量控制也较水基压裂液系统难。
现场配制及质量控制也较水基压裂液系统难。
一般油基压裂液于现场应用较少。
一般油基压裂液于现场应用较少。
中国石油勘探开发研究院廊坊分院中国石油勘探开发研究院廊坊分院中国石油勘探开发研究院廊坊分院中国石油勘探开发研究院廊坊分院油基压裂液系统油基压裂液系统1稠化剂和交联剂稠化剂和交联剂现今最普遍采用的油基压裂液是铝磷酸脂与碱的反应产物。
现今最普遍采用的油基压裂液是铝磷酸脂与碱的反应产物。
典型的稠化剂为有机脂肪醇与无机非金属氧化物五氧化二磷生典型的稠化剂为有机脂肪醇与无机非金属氧化物五氧化二磷生成的磷酸酯成的磷酸酯用铝酸钠进行交联,可形成磷酸酯铝盐的网状结构,而成为高用铝酸钠进行交联,可形成磷酸酯铝盐的网状结构,而成为高粘度油冻胶,并提高了温度稳定性。
粘度油冻胶,并提高了温度稳定性。
2破胶剂破胶剂典型的破胶剂是无水乙酸钠、碳酸氢盐、氧化钙和典型的破胶剂是无水乙酸钠、碳酸氢盐、氧化钙和/或氨水溶或氨水溶液。
液。
中国石油勘探开发研究院廊坊分院中国石油勘探开发研究院廊坊分院中国石油勘探开发研究院廊坊分院中国石油勘探开发研究院廊坊分院三、乳化压裂液三、乳化压裂液两相:
水和油(加表面活性剂),分散相为内相。
两相:
水和油(加表面活性剂),分散相为内相。
水相由线性胶或交联冻胶压裂液即聚合物稠化剂和含水相由线性胶或交联冻胶压裂液即聚合物稠化剂和含有表面活性剂的淡水或盐水配制而成有表面活性剂的淡水或盐水配制而成油相可以是原油或柴油。
油相可以是原油或柴油。
油外相乳化液的粘性与基油十分相似,所以油外相乳油外相乳化液的粘性与基油十分相似,所以油外相乳化液产生与油的高粘度相联系的高摩擦阻力。
化液产生与油的高粘度相联系的高摩擦阻力。
水的粘度低,且水相中加入聚合物可以降低摩阻,因水的粘度低,且水相中加入聚合物可以降低摩阻,因此水外相乳化液具有较低的摩擦阻力。
此水外相乳化液具有较低的摩擦阻力。
中国石油勘探开发研究院廊坊分院中国石油勘探开发研究院廊坊分院中国石油勘探开发研究院廊坊分院中国石油勘探开发研究院廊坊分院三、乳化压裂液三、乳化压裂液乳化压裂液粘度随着水相中聚合物浓度及油相体积比乳化压裂液粘度随着水相中聚合物浓度及油相体积比例增加而增大。
例增加而增大。
由于乳化压裂液含水量少、稠化剂用量低,同时在地由于乳化压裂液含水量少、稠化剂用量低,同时在地层中乳化剂被地层吸附而自动破乳,具有低损害、层中乳化剂被地层吸附而自动破乳,具有低损害、易返排的特点。
易返排的特点。
乳化压裂液不足之处在于较高摩阻、高成本乳化压裂液不足之处在于较高摩阻、高成本(除非原除非原油能回收油能回收),同时热稳定性较差,上限温度,同时热稳定性较差,上限温度120。
中国石油勘探开发研究院廊坊分院中国石油勘探开发研究院廊坊分院中国石油勘探开发研究院廊坊分院中国石油勘探开发研究院廊坊分院泡沫压裂液及其技术的发展v第一代泡沫压裂液:
70年代,水+起泡剂,N2,砂液比12lbgal,利于压后返排,解决低压气井;v第二代泡沫压裂液:
80年代,水+起泡剂+聚合物,N2、CO2,提高流体粘度,增加稳定性,砂液比45lbgal,高压油气藏;v第三代泡沫压裂液:
80年代末90年代初,水+起泡剂+聚合物+交联剂,以N2泡沫压裂液为主,粘度和稳定性进一步提高,造缝和携砂能力增强,适合于高温深井大型水力压裂,砂液比达5lbgal;v第四代泡沫压裂技术:
恒定内相技术,控制内相体积,降低施工摩阻,满足大型泡沫压裂施工。
泡沫压裂液泡沫压裂液中国石油勘探开发研究院廊坊分院中国石油勘探开发研究院廊坊分院中国石油勘探开发研究院廊坊分院中国石油勘探开发研究院廊坊分院CO2泡沫压裂液的特点vCO2泡沫压裂液适用性应用范围广:
油气井,高温、低温油气藏,深井;特别应用于低压、水敏性油气藏。
vCO2泡沫压裂液的特点密度高:
接近水的密度,适合深井施工;浮力大,携砂能力强;水溶性较好,压后缓慢释放,提供了良好的溶解气驱,利于返排;水溶液pH值低(35),降低了压裂液对基质的伤害;水溶液具有低的表面张力,有利于压裂液返排。
v不足酸性影响流变性能,提高稳定剂和起泡剂的用量;与高沥青质、高含蜡原油混合,形成酸渣和蜡析出。
泡沫压裂液泡沫压裂液中国石油勘探开发研究院廊坊分院中国石油勘探开发研究院廊坊分院中国石油勘探开发研究院廊坊分院中国石油勘探开发研究院廊坊分院泡沫压裂液流变学特性v泡沫压裂液为同时具有剪切变稀、粘弹性和触变性的非牛顿流体;v泡沫压裂液的流动曲线,可分别用幂率模型、Ellis模型、Cross模型和Carreau模型,以及修正共转Jeffreys模型进行表征,但仅就描述粘度曲线而言,幂率模型更为简捷实用;v采用5参数粘弹触变性本构方程可描述典型的泡沫压裂液流体的触变环,模型计算值与实验值吻合良好;v用广义Maxwell粘弹性本构方程可描述泡沫压裂液流体的粘弹性,证明泡沫压裂液流体具有松弛时间谱。
中国石油勘探开发研究院廊坊分院中国石油勘探开发研究院廊坊分院中国石油勘探开发研究院廊坊分院中国石油勘探开发研究院廊坊分院常规聚合物压裂液滞留残渣将破坏裂缝和常规聚合物压裂液滞留残渣将破坏裂缝和堵塞支撑剂。
此测试结果是用堵塞支撑剂。
此测试结果是用30-lbm30-lbm硼酸盐作交联硼酸盐作交联剂,用酶作破胶剂在剂,用酶作破胶剂在20/4020/40目支撑剂、目支撑剂、3838度和度和10001000psipsi。
瓜胶用甲基蓝染色。
瓜胶用甲基蓝染色n无聚合物压裂液无残渣滞留堵塞裂缝。
无聚合物压裂液无残渣滞留堵塞裂缝。
20/4020/40目支目支撑剂、撑剂、3838度和度和1000psi1000psi清洁压裂液无残渣,对裂缝渗透率清洁压裂液无残渣,对裂缝渗透率保持高,主要缺点是成本高,国外保持高,主要缺点是成本高,国外现场施工超过现场施工超过2000020000井次,仅井次,仅20022002年就超过年就超过60006000井次井次清洁压裂液体系清洁压裂液体系中国石油勘探开发研究院廊坊分院中国石油勘探开发研究院廊坊分院中国石油勘探开发研究院廊坊分院中国石油勘探开发研究院廊坊分院理论基础-化学成因v粘弹性表活剂viscoelasticsurfactantmoleculesv形成虫形的胶束formlong,wormlikemicellesv胶束缠绕Entanglementofthemicellesv形成网状结构anetworkstructurev破胶机理:
有机物或亲油性物质清洁压裂液体系清洁压裂液体系中国石油勘探开发研究院廊坊分院中国石油勘探开发研究院廊坊分院中国石油勘探开发研究院廊坊分院中国石油勘探开发研究院廊坊分院水基与清洁压裂液组成对比v稠化剂稠化剂v交联剂交联剂v杀菌剂杀菌剂v粘土稳定剂粘土稳定剂vpH值调节剂值调节剂v助排剂助排剂v破乳剂破乳剂v其它其它vVES表面活性剂表面活性剂(2%5%)v热稳定剂热稳定剂v粘土稳定剂粘土稳定剂v其它其它清洁压裂液清洁压裂液CLEARFRACCLEARFRAC瓜尔胶压裂液瓜尔胶压裂液GUARFRACGUARFRAC清洁压裂液体系清洁压裂液体系中国石油勘探开发研究院廊坊分院中国石油勘探开发研究院廊坊分院中国石油勘探开发研究院廊坊分院中国石油勘探开发研究院廊坊分院清洁压裂液与聚合物压裂液对比聚合物压裂清洁压裂液压裂页岩砂砂体体页岩水基压裂液与清洁压裂液造缝特性对比水基压裂液与清洁压裂液造缝特性对比清洁压裂液体系清洁压裂液体系中国石油勘探开发研究院廊坊分院中国石油勘探开发研究院廊坊分院中国石油勘探开发研究院廊坊分院中国石油勘探开发研究院廊坊分院清洁压裂液流变特性v流体具有剪切变稀特性,即随着剪切速率的增加,流体粘度降低,同时随着剪切速率的降低,粘度增加;v流变特性符合幂律模型,即=Kn,其中,n为0.40.6,K为1.502.50Pasn;v目前,胶束流体最高耐温能力可达100v80配方粘度:
70100mPa.s(60min,170s-1)v具有粘弹特性,以弹性为主(GG),储能模量G为32.5Pa,损耗模量G为2.8Pa;v支撑剂沉降:
成都陶粒20目,0.51.510-3m/min清洁压裂液体系清洁压裂液体系中国石油勘探开发研究院廊坊分院中国石油勘探开发研究院廊坊分院中国石油勘探开发研究院廊坊分院中国石油勘探开发研究院廊坊分院清水压裂液v清水压裂摩阻很高,相对于常规水基压裂液的23倍。
v清水压裂液结构表现为彼此间有空隙并在进行复杂的微观运动的大量水分子所组成的聚集态。
v流体表现为易流动特征,在静止时不能承受切力抵抗剪切形变,但在流动状态下,流体就具有抵抗剪切形变的能力,即粘滞性。
这是水力压裂流体发生机械能量损失的根源。
v水力压裂过程中,高排量导致流速大于临界流速,流态表现为紊流状态,产生高的施工摩阻。
v减小摩阻的途径防止边界层分离和在边界层中保持层流状态,在水溶液中添加适量的长链聚合物,可降低摩阻。
中国石油勘探开发研究院廊坊分院中国石油勘探开发研究院廊坊分院中国石油勘探开发研究院廊坊分院中国石油勘探开发研究院廊坊分院压裂液添加剂压裂液添加剂v水基压裂液添加剂水基压裂液添加剂包括:
稠化剂、交联剂、破胶剂、助排剂、粘土稳定剂、pH值调节剂、杀菌剂、破乳剂、降滤失剂和其它辅助性添加剂v油基压裂液添加剂目前国内外常用的磷酸酯铝盐油冻胶压裂液主要由稠化剂、交联剂和破胶剂组成。
v泡沫压裂液添加剂气体(空气、氮气和二氧化碳)、液体、起泡剂、稳泡剂清洁胶束压裂液添加剂v清洁胶束压裂液主要由稠化剂、盐和破胶剂组成。
中国石油勘探开发研究院廊坊分院中国石油勘探开发研究院廊坊分院中国石油勘探开发研究院廊坊分院中国石油勘探开发研究院廊坊分院压裂液添加剂分类及作用压裂液添加剂分类及作用添添加加剂剂种种类类作作用用举举例例稠化剂稠化剂增粘溶剂,并提供可交联基团增粘溶剂,并提供可交联基团植物胶及其衍生物植物胶及其衍生物交联(螯合剂)交联(螯合剂)提供交联离子,交联稠化剂提供交联离子,交联稠化剂无机硼、有机硼、钛、锆无机硼、有机硼、钛、锆杀菌剂(细菌抑制剂)杀菌剂(细菌抑制剂)杀灭压裂液基液中的细菌杀灭压裂液基液中的细菌季铵盐或醛类季铵盐或醛类消泡剂消泡剂抑制压裂液配制过程中的泡沫形成抑制压裂液配制过程中的泡沫形成降滤失剂降滤失剂降低压裂液滤失量降低压裂液滤失量柴油、油溶性树脂、粉砂(陶)柴油、油溶性树脂、粉砂(陶)分散剂分散剂改善烃降滤失剂的分散稳定性改善烃降滤失剂的分散稳定性表面活性剂表面活性剂PHPH调节剂调节剂调节溶液调节溶液pHpH值值NaOHNaOH、NaNa22COCO33缓冲体系缓冲体系缓冲调节缓冲调节pHpH值变化值变化NaNa22COCO33-NaHCONaHCO33温度温度稳定剂稳定剂提高压裂液耐温能力提高压裂液耐温能力硫代硫酸钠硫代硫酸钠降阻剂降阻剂降低摩察阻力降低摩察阻力聚丙烯酰胺类聚丙烯酰胺类起泡剂起泡剂泡沫压裂液形成泡沫泡沫压裂液形成泡沫表面活性剂(表面活性剂(ABSABS、甜菜碱)、甜菜碱)乳化剂乳化剂乳化压裂液的油水乳化乳化压裂液的油水乳化表面活性剂表面活性剂破胶剂破胶剂破胶降解,降低分子量破胶降解,降低分子量过氧化物、酶过氧化物、酶粘土稳定剂粘土稳定剂稳定粘土矿物,防止分散运移堵塞稳定粘土矿物,防止分散运移堵塞KCLKCL、聚季铵盐、聚季铵盐助排剂助排剂降低表面降低表面/界面张力界面张力表面活性剂表面活性剂破乳剂破乳剂减少压裂液在地层的油水乳化减少压裂液在地层的油水乳化SP169SP169、AEAE系列系列阻垢剂阻垢剂防止压裂液在地层的垢形成防止压裂液在地层的垢形成滤饼溶解剂滤饼溶解剂溶解在压裂过程中形成的滤饼溶解在压裂过程中形成的滤饼FCSFCS-66低温破胶活化剂低温破胶活化剂活化低温活化低温破胶活性物质破胶活性物质LTBLTB-66胶束剂胶束剂胶束压裂液中形成胶束胶束压裂液中形成胶束表面活性剂表面活性剂中国石油勘探开发研究院廊坊分院中国石油勘探开发研究院廊坊分院中国石油勘探开发研究院廊坊分院中国石油勘探开发研究院廊坊分院交联冻胶压裂液添加剂交联冻胶压裂液添加剂构成水基冻胶压裂液体系的组分主要包括稠化剂、构成水基冻胶压裂液体系的组分主要包括稠化剂、交联剂、降滤失剂、温度稳定剂、交联剂、降滤失剂、温度稳定剂、pH调节剂、调节剂、杀菌剂等保证施工要求的添加剂和破胶剂、粘土杀菌剂等保证施工要求的添加剂
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