壓裂液與支撐劑第1頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五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第2頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五壓裂液的要求1) 和地層巖石和流體配伍2) 產生足夠的裂縫寬度，以便支撐劑進入3) 能夠懸浮和攜帶支撐劑到裂縫深部4) 壓裂和后續的停泵過程中保持粘性5) 費用低廉第3頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五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節劑表活劑粘土穩定劑壓裂液添加劑起泡劑降摩劑熱穩定劑潤濕反轉劑降濾失劑交聯劑第4頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五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

控制交聯劑性能影響壓裂液特性第5頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五什么是粘度Q或剪切速率()牛頓流體常量=pQ對牛頓流體QQpp或剪切應力第6頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五不同流型的和之間的關系00byp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剪切應力()剪切速率()第7頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五冪率模型一般描述壓裂液=剪切應力,lb/ft=剪切速率,sec1/2k=稠度系數,lb-secn/ftn=流態指數,無因次2

=k’n’LOG-SHEARSTRESS(LOG-SHEARRATE()k‘=Interceptn’=Slope第8頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五泡沫模型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

oonk=剪切應力,lb/ft=屈服點,lb/ftk=泡沫稠度指數,lb-secn/ft2n=泡沫流態指數,無因次o2第9頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五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a47880k’

a[]n’-1

a=表觀粘度,cpka’=稠度指數,lb-secn/ft2n’=流動特性指數,無因次`=剪切速率,sec-1其中:第10頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五壓裂過程中典型的剪切速率管柱中的剪切速率:1000-5000sec-1裂縫中的剪切速率:10-100sec-1測量的n’

和k’

通常在170到600sec-1之間可能并不代表裂縫中液體的實際流態(40sec-1)第11頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五壓裂液在裂縫中粘度的估算a47880k’a40.46Qw2hn’1裂縫中非牛頓流體的表觀粘度,其中:

=表觀粘度,cpk’ =稠度指數,lb-secn’/ft2n’ =流態指數,無因次Q =注入排量,bpmw =裂縫寬度,inh =裂縫高度,ft剪切速率aa第12頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五粘度的測量扭轉彈簧旋轉杯固定錘測試液第13頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五常用液體的粘度值水線性瓜膠交聯瓜膠1.00.80.50.000020.030.551.0502000壓裂液類型n’k’粘度@170sec-1第14頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五流變數據實例1.00.10.010.0010123456ka時間,小時DBCA.1.00.80.60.40.20123456nDBCASource:HalliburtonEnergyServices250°F50lb/1000HPGw/Titanium時間,小時第15頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五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，確保具有代表性第16頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五液體濾失方程Ckpvia0046912./CpkCcrrr0037412./CmAw00164.(實驗室測定)ki=濾失層的滲透率,達西p =(x+pnet)-p,psi =地層孔隙度,分數a =濾失液的粘度,cpkr =油藏流體的滲透率,mdCr =地層流體的壓縮性,psi-1r =地層流體的粘度,cpm =體積vst曲線的斜率A =測量Cw的巖芯面積第17頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五造壁濾失系數的測量(Cw)體積時間初濾失斜率=C面積/0.0164w*第18頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五液體濾失添加劑(FLA)對造壁液體濾失系數Cw的影響.0.0080.0060.0040.00250150250350液體損失系數,C(ft/min)w1/2TitanateFluidWithoutFLA40lb60lb40lb60lbWith25lb/1000galSolidParticulateFLA液體溫度,°F第19頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五總液體損失Ct平均

William’s方法

CCCCCCCCCCCtcvwvwwrcvw24222221/2第20頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五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第21頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五液體效率裂縫中液體的百分比影響產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第22頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五壓裂液的類型水基壓裂液線性胍膠壓裂液交聯胍膠壓裂液泡沫基或高能壓裂液N,CO,或混合水，酸，油油基壓裂液凝膠油基交聯油基水包油乳化液酸基壓裂液凝膠酸交聯酸泡沫酸22第23頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五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)第24頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五聚合物殘渣(按重量)高中等低無GuarGuarHPGandCMHPGHEC,CMC,CMHEC&Polyacrylamides(聚丙烯酰胺)8-13%5-61-40膠凝劑%殘渣第25頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五聚合物的相關成本GuarHPGCMHPGHECCMHECXanthan(黃原膠)成本增加第26頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五線性胍膠粘度曲線實例.304050607080901001101030507090溫度,°F表觀粘度@300rpm,(511sec-1)cp60504030lbs/1,000Source:DowellSchlumbergerJ-876(HPG)第27頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五交聯凝膠壓裂液交聯劑硼鈦鋯銻鋁第28頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五交聯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值控制交聯線性胍膠交聯胍膠第29頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五交聯時間交聯快增加摩阻膠聯后沿管柱向下注入過程中承受剪切，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時間可被加快或延遲第30頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五交聯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)第31頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五常用的交聯劑硼酸鹽鈦，鋯酸鹽溫度°F交聯剪切降解交聯速率pH值范圍300+可逆的無變化的8-12Upto400持久剪切敏感變化的高溫:高pH10++低溫:低pH5第32頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五聚合體和交聯劑對粘度的影響GuarHPGCMHPG鈦鋯硼粘度第33頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五不同溫度下的粘度0204060801001201400200400600800時間，分鐘粘度@170sec-1(cp)200F250F300F第34頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五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液體粘度控制氣體并沒有增加漏失控制線性或交聯胍膠作為基礎液體第35頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五增能壓裂液體類型氮氣(N)二氧化碳(CO)

優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井底壓力22第36頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五泡沫液體-比單相液體更復雜兩相減少漏失粘度取決于:泡沫的質量(液體/氣體交互作用)泡沫結構(泡沫尺寸分布)基液的流變特性溫度和壓力剪切歷史井底壓力的測量很重要第37頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五泡沫壓裂液氮氣(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定的變化的泡沫質量交聯二元(N和CO的混合物)2222第38頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五泡沫中所用氣體的特性氮氣二氧化碳輸送液體@-320°F,25psig液體@0°F,300psig泵注方法專門的低溫泵常規的三缸泵注入階段泵注液體經過熱轉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@5,000psi,60°F2.8ppg8.5ppg臨界溫度-232°F88°F第39頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五泡沫壓裂液

優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)高能物質的耗費支撐劑對流更明顯(氮)BHTP更難解釋第40頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五泡沫穩定性結構好的泡沫更穩定聚合物增加了穩定性壓力增加了穩定性高剪切周期增加了穩定性表活劑（起泡劑）類型和濃度影響穩定性第41頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五泡沫結構描述泡沫尺寸分布，形狀和結構取決于壓力，質量，流動條件，剪切歷史，泡沫生成技術和化學成分結構好的泡沫更穩定第42頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五泡沫半衰期測量泡沫的穩定性?的液體從泡沫中析出的時間未交聯泡沫的半衰期一般為1小時交聯泡沫的半衰期長一些第43頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五泡沫質量影響粘度粘度,cp泡沫質量,%020406080100第44頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五泡沫質量兩種方法計算質量常規將泡沫看作氣（分散相）液（連續相）混合物恒定內相(CIP)將泡沫看作氣體和支撐劑（內相）液體（外相）的混合物第45頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五恒定內相泡沫的特性恒定內相的特性常規的特性對于恒定內相,當加入砂后，氮氣增加了氣體砂液體內相外相忽略的氣體支撐劑液體內相外相第46頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五恒定內相VS.常規恒定內相(CIP)假定支撐劑是分散相的一部分常規僅僅考慮液相和氣相相同體積的液體,CIP泡沫質量比常規的高CIP采用的氣體少，液體多CIP考慮了非凈液，常規僅僅包含凈液第47頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五常規的壓裂液添加劑聚合物交聯劑破膠劑緩沖劑起泡劑熱穩定劑殺菌劑表活劑粘土穩定劑降阻劑轉向劑降濾劑第48頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五相關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/或對pH值敏感第49頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五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，減少粘度第50頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五破膠劑大部份或所有壓裂使用破膠劑溫度應該在250°F以下破膠劑用量和類型是以下項的函數: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場破膠測試非常重要第51頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五破膠條件常規酶高溫酶耐pH酶氧化劑催化劑高溫氧化劑膠囊破膠劑延遲氧化劑弱酸3-7.53-7.53-143-143-143-143-143-14NA70-130°F100-250°F100-250°F130-260°F*70-120°F180-250°F100-300°F100-300°F200+°F**pH值范圍溫度范圍*溫度超過180°F時，失效非常快，并且非常敏感**碳酸鹽巖油藏不可用第52頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五氧化和酶破膠劑氧化破膠劑(過硫酸銨和鈉)和金屬離子發生化學反應酶破膠劑(糖)交聯點酶的解裂“LockandKey”第53頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五氧化破膠劑用量對粘度的影響30025020015010050004080160200120時間，分鐘0.00AP0.05AP0.10AP0.20AP0.50APAP–過硫酸銨lb/1,000gal表觀粘度,cp@100sec-1200oF第54頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五氧化破膠劑用量對液體粘度的影響161284000.51.01.52.0粘度,cp@511sec-1過硫酸銨,lbm/1,000galHPG/TitanateHPG200°F第55頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五緩沖劑控制液體的pHpH值影響交聯劑pH值低時，大部分液體破膠很快pH值高時，液體熱穩定性高對泵注的具體液體，工程師需要熟悉其pH要求第56頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五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粘土穩定劑配伍互溶劑第57頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五粘土穩定劑鹽粒SodiumChloride(NaCl)CalciumChloride(CaCl2)PotassiumChloride(KCl)AmmoniumChloride(NH4Cl)液態KCl替代品陽離子聚合物第58頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五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第59頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五轉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第60頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五轉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)球(蠟球)交聯聚合物泡沫梧桐膠和油溶樹脂的混合物第61頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五化學添加劑概述殺菌劑破膠劑緩沖劑粘土穩定劑轉向劑液體濾失添加劑降阻劑鐵控制劑表活劑瓜膠穩定劑殺菌降低液體粘度調節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GluteridehydeCarbonatesAcid,Oxidizer,EnzymeBreakerSodiumBicarb.,FumaricAcidKCl,NHCl,KClSubstitutesBallSealers,RockSalt,FlakeBoric-AcidDiesel,Particulates,FineSandAnionicCopolymerAcetic&CitricAcid.EDTA,NTAFluorocarbon,NonionicMEOH,SodiumThiosulphate添加劑類型功能特征產品4第62頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五選擇壓裂類型在膠結疏松地層選擇壓裂-充填解除地層傷害中等規模的改造以增強流動深穿透裂縫(60%排驅半徑)第63頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五壓裂液及其使用條件基礎液壓裂液類型主要組成用于線性液體凝膠水,GUAR<HPG,HEC,CMHPG短裂縫,低溫水基交聯液體交聯劑+GUAR,HPG,CMHPG,CMHEC長裂縫,高溫水基壓裂液水和起泡劑+N2orCO2低壓地層泡沫基酸基壓裂液酸和起泡劑+N2低壓水敏地層酒精基泡沫Methanoland甲醇＋起泡劑+N2水堵問題的低壓地層線性壓裂液油,凝膠油水敏地層短裂縫油基交聯壓裂液磷酸脂瓜膠水連續相乳化液水+油+乳化劑液損控制較好l水敏地層長裂縫第64頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五選擇壓裂液氣井少否是225°F多少否是否是多150°F少多少多

250°F300°F線性液體BorTX-LinkedGuar/HPGwk>1000md-ftorLf>300ft低壓或水敏泡沫壓裂液70-75QualityOr低pHX-Linked+25%CO低壓或水敏B,TorZX-LinkedGuar/HPG高pHX-Linked+25%N低pHX-Linked+25%COB,TorZX-LinkedHPG/CMHPG222第65頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五壓裂支撐劑體系第66頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五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容易獲得，費用低廉支撐劑類型石英砂燒結礬土陶粒樹脂涂層,燒結礬土或陶粒第67頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五最重要的參數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第68頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五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C10rffCwkkLrff第69頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五最佳導流能力C=10產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10rrrrf第70頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五支撐劑的有效閉合應力p井底流動壓力，psiwfpxwfpcsPcs有效閉合應力,psi當井底流壓增加，支撐