压裂常用药剂
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压裂工艺基础知识介绍目录一、压裂工艺概述 (2)1. 压裂工艺定义及重要性 (3)2. 压裂工艺发展历程 (3)3. 压裂工艺应用领域 (4)二、压裂原理与基本流程 (5)1. 压裂原理简介 (6)(1)岩石破裂理论 (7)(2)水力压裂基本原理 (8)2. 压裂基本流程 (9)(1)前期准备 (10)(2)压裂施工 (11)(3)后期评估 (13)三、压裂设备与技术参数 (14)1. 压裂设备组成 (15)(1)压裂泵 (15)(2)高压管汇 (17)(3)地面设备 (18)(4)井下工具 (19)2. 技术参数介绍 (20)(1)压力参数 (22)(2)流量参数 (23)(3)化学药剂参数 (24)四、压裂液与支撑剂 (25)1. 压裂液介绍 (27)(1)压裂液种类与特性 (28)(2)压裂液性能要求 (30)2. 支撑剂介绍 (31)(1)支撑剂种类与特性 (32)(2)支撑剂作用及选择要求 (33)五、压裂工艺优化与新技术发展 (34)一、压裂工艺概述压裂工艺是一种用于开采石油和天然气资源的地质工程技术,它通过在地层中注入高压水,使岩石发生裂缝和破碎,从而释放出地下的石油和天然气资源。
压裂工艺在全球范围内得到了广泛的应用,尤其是在美国、加拿大、中国等国家的油气田开发中发挥了重要作用。
压裂工艺的主要目的是提高油气井的产量,延长油气井的使用寿命,降低生产成本。
随着科技的发展,压裂工艺也在不断地改进和完善,以适应不同类型的油气藏和地层条件。
压裂工艺主要包括水力压裂、化学压裂和生物压裂等多种类型。
水力压裂是最早的一种压裂方法,主要利用高压水流产生的压力差来破碎岩石。
随着技术的进步,化学压裂逐渐成为主流技术,它通过向地层中注入特殊的化学剂,使岩石发生化学反应,从而产生裂缝和破碎。
生物压裂则是近年来发展起来的一种新型压裂技术,它利用微生物降解有机物的过程来产生裂缝和破碎。
压裂工艺作为一种重要的地质工程技术,为石油和天然气资源的开发提供了有效的手段。
压裂液根据基液不同,大致可分为水基压裂液、油基压裂液、乳状压裂液、泡沫压裂液及酸基压裂液5种基本类型。
压裂的实质是利用高压泵组,将具有一定粘度的液体高速注入地层。
当泵的注入速度大于地层的吸收速度时,地层就会产生破裂或使原来的微小缝隙张开,形成较大的裂缝。
随着液体的不断注入,已形成的裂缝向内延伸。
为了防止停泵以后,裂缝在上部岩层的饿重力下重新闭和,要在注入的液体中加入支撑剂,使支撑剂充填在压开的饿裂缝中,以支撑缝面。
根据压裂液在压裂过程中不同阶段的作用,可分为前置液,携砂液和顶替液。
1. 前置液:前置液的作用是破裂地层,造成一定几何尺寸的裂缝,以备后面的携砂液进入。
在温度较高的地层里,还可以起到一定的降温作用。
2. 携砂液:携砂液的作用是用来将地面的支撑剂带入裂缝,并携至裂缝中的预定位置,同时还有延伸裂缝、冷却地层的作用。
3. 顶替液:顶替液的作用是将携砂液送到预定位置,将井筒中的全部携砂液替入裂缝中。
4.支撑剂:支撑剂是指用压裂液带入裂缝,在压力释放后用以支撑裂缝的物质。
5.破坏剂:破坏剂包括破胶剂、破乳剂、降粘剂等。
破胶剂是用来破坏冻胶交联结构的。
破乳剂用于破坏乳状液的稳定性,降粘剂用于减少稠化液的粘度。
6.减阻剂:减阻剂是通过减少紊流,减少流动时的能量损失来减少压裂液的流动摩阻。
7.降滤失剂:用于减少压裂液从裂缝中向地层滤失,从而减少压裂液对地层的污染并使压裂时压力迅速提高。
8.防乳化剂:防止原油与压裂液形成乳状液。
可分为表面活性剂和互溶剂。
、9.粘土稳定剂:起到稳定粘土的作用。
10.助排剂:分为表面活性剂和增能剂两种。
前者能有效降低界面张力,使残液易从地层排出。
后者在注酸前向地层注入一个段塞的增能剂,提高近井地带的压力,使残液易从地层排出。
11.润湿反转剂:分为表面活性剂和互溶剂两类。
表面活性剂可在地层表面按极性相近规则吸附第二吸附层而起润湿反转作用。
互溶剂可将吸附在地层表面的缓蚀剂脱吸下来,恢复地层表面的亲水性。
压裂用稠化剂
压裂用稠化剂是一种用于油气井增产作业的重要化学添加剂,其主要作用是增加压裂液的黏度和稠度,提高压裂效果。
稠化剂通常由聚合物、交联剂、稳定剂等多种化学物质组成,通过化学反应形成网状结构,使液体变得粘稠。
在压裂过程中,稠化剂能够有效地控制压裂液的流动速度和压力,防止井壁坍塌和地层污染等问题的发生。
同时,稠化剂还能够改善压裂液的滤失性能和储层保护能力,提高油气井的产量和采收率。
目前市场上常见的稠化剂包括聚丙烯酰胺类、多糖类、纤维素类等。
这些稠化剂具有不同的特性和应用范围,可以根据具体的地质条件和作业需求进行选择和调配。
在使用稠化剂时需要注意其浓度、pH值、温度等因素的控制,以确保其稳定性和安全性。
它们通过对聚糖水解降解起催化作用,破坏冻胶结构。
酶的活性与温度有关,在高温下活性降低,适用于温度低于65摄氏度的油气层,pH值在~8的范围,最正确pH为5。
pH值低于2或高于时酶破胶剂根本上不起作用。
该类破胶剂破胶彻底,残渣少。
酶在适用温度下,可以将半乳甘露聚糖的水基冻胶压裂液完全破胶,并且能大大降低压裂液的残渣。
但是针对性强。
淀粉酶可使植物胶及其衍生物降解,纤维素酶可使纤维及其衍生物降解。
而且杀菌剂会影响酶的活性,降低酶的破胶作用。
目前人们也对各种压裂液在较宽使用温度范围内的聚合物专用酶的开展研究。
据报道:辽河油田开发出一种广谱性β-酶,适用温度为20210℃,pH范围在~。
③潜在酸:潜在酸是指在一定条件下能转变为酸的物质。
如甲酸甲酯、乙酸乙酯、磷酸三乙酯等有机酯,如下图:以及三氯甲苯、二氯甲苯、氯化苯等化合物。
在较高温度条件下能放出酸,通过改变压裂液pH值,使冻胶交联结构破坏而起作用,即可以使植物胶及其衍生物、纤维素及其衍生物的缩醛键在酸催化下水解断键。
适用温度为93℃的油气层。
④潜在螯合剂破坏剂,潜在螯合剂破坏剂指在一定条件下能转变为可螯合交联剂的物质。
常用的有草酸二甲酯、丙二酸二甲酯、丙二酰胺等,结构如下图:该类破坏剂通过水解产生草酸或丙二酸,螯合作为交联剂的金属离子,破坏冻胶的交联结构。
分别适用于温度低于60℃、 60℃、高于60℃的条件下。
⑤胶囊破胶剂,也称为延迟破胶技术,该技术是破胶剂应用的最新开展技术,是将氧化剂包裹在胶囊中制备而成的。
胶囊破胶剂利用保护膜的物理屏障作用阻止和控制破胶剂释放,施工完后,在压裂裂缝闭合时产生的巨大应力下,使包覆层变形破裂而导致破胶剂释放,此时破胶剂起破坏作用,破坏冻胶结构。
研究说明,这种技术大大地提高了过氧化物破胶剂的适用性和有效性,有以下几个显著特点:第一,它与时间、温度无关。
地层裂缝闭合之前不会出现“逐渐破胶〞过程而影响压裂液粘度;第二,破胶效率高。
油田压裂助剂的分类及应用油田压裂助剂是指在油田开采过程中用来增强岩石裂缝带宽度和长度的一类化学品。
根据其化学成分和用途的不同,可以将油田压裂助剂分为多种分类。
以下将从化学分类和应用分类两个方面详细介绍油田压裂助剂的分类及应用。
一、化学分类:1. 化学溶解剂:主要包括水溶液和酸类等。
水溶液常用于增加流动性,改善液体在岩石中的渗透性。
酸类可用于溶解岩石中的水灰岩、碳酸盐矿物等,使岩石裂缝更容易形成。
2. 粘度调节剂:它可以改变废液的流变性质,使废液具有一定的粘度,提高液体运送和压裂效果。
常用的粘度调节剂有羟丙基甲基纤维素、羟乙基纤维素等。
3. 悬浮剂:主要用于调整岩石中固体颗粒的悬浮状态,防止颗粒的沉积和堵塞。
常用的悬浮剂有硬脂酸盐类、胶体硅酸盐等。
4. 防窜剂:主要用于控制液体在岩石中的窜漏现象,防止液体从裂缝中逸出而导致压裂效果不佳。
常用的防窜剂有颗粒类防窜剂、高分子防窜剂等。
5. 封堵剂:主要用于堵塞岩石中的目的地或降低岩石中的渗透性,以保持压裂效果。
常用的封堵剂有颗粒类封堵剂、树脂类封堵剂等。
6. 化学增溶剂:主要用于溶解油藏中的油膜,提高油田开采效果。
常用的化学增溶剂有表面活性剂、溶剂类化合物等。
二、应用分类:1. 增斜剂:用于增加液体在压裂过程中对岩石的侵蚀作用,从而使岩石裂缝宽度增大。
增斜剂的主要成分有有机酸盐类、表面活性剂等。
2. 扩张剂:用于使岩石中已有的微裂缝进一步扩大,增加岩石的可压裂性。
常用的扩张剂有可达特类化合物、超高分子量聚合物等。
3. 封堵剂:用于在压裂过程中堵塞未被压裂的岩石裂缝,防止裂缝扩展,保持压裂效果。
常用的封堵剂有砂类颗粒、膨润土、纤维素等。
4. 渗透剂:用于改善裂缝间的相互渗透性,使压裂液能更加均匀地分布在裂缝中,提高压裂效果。
常用的渗透剂有有机硅类化合物、聚酰胺类化合物等。
5. 调水剂:用于调整压裂液的极性及表面张力,使压裂液在水相和油相之间有较好的亲和力,提高压裂效果。
按化学性质分类常用的压裂液有水基压裂液、油基压裂液、泡沫压裂液、乳状压裂液、醇基压裂液以及酸基压裂液等六种类型。
1.水基压裂液是以清水做溶剂或分散介质,向其中加入稠化剂、添加剂配制而成的。
主要采用三种水溶性聚合物作为稠化剂,即植物胶及衍生物(脈尔胶、田菁胶、香豆胶等)、纤维素衍生物和合成聚合物。
这几种高分子聚合物在水中溶胀成溶胶,经交联剂交联后形成黏度极高的冻胶,在施工结束后,为了使冻胶破胶还需要加入破胶剂。
2.油基压裂液是矿场原油或炼厂粘性成品油均可作油基压裂液,但其黏度较低、热稳定性差、携砂能力不好、压裂液效率低。
目前多用稠化油,基液为原油、汽油、柴油、煤油或凝析油。
稠化剂为脂肪酸皂(如脂肪酸铝皂,磷酸酯铝盐等),矿场最高砂比可达30% (体积比)。
稠化油压裂液遇地层水后会自动破乳,所以无需加入破胶剂。
3.泡沫压裂液是一种新型水基压裂液,它是液体、气体及添加剂的混合物。
基液多用淡水、盐水、聚合物水溶液,气相为二氧化碳、氮气、天然气,发泡剂用非离子型活性剂。
其最大特点是易于返排、滤失少以及摩阻低等,它具有弱酸性,可溶解近井地带及地层中的无机垢和部分岩石中的碳酸盐矿物,抑制粘土膨胀,改善或保护了油气层。
缺点是砂比不能过高、井深不能过大。
适用于低渗透、易水敏、高压油层和下部受水层威胁的油井以及气井的压裂,是一种综合性能较理想的压裂液体系。
4.乳状压裂液是指水包油型乳化液,基本上综合水基压裂液和油基压裂液的优点。
由于外相为水冻胶,所以乳状液的摩阻低、黏度高、热稳定,性好,其悬砂能力强,滤失低。
由于乳状液所含的水比较少,进入地层的水不多,因此可以较好的防止粘土膨胀和运移。
主要有聚合物乳化压裂液和植物胶冻胶原油乳化压裂液。
5.醇基压裂液由彳氐碳醇、稠化剂、水、PH调节剂、粘土稳定剂、助排剂等构成醇基压裂液。
醇基压裂液对砂岩储层无水敏、水锁伤害,而且还有解水锁的能力。
能有效降低水相滞留伤害,补充地层能量,具有返排能力强、低伤害等特点,能有效改善裂缝导流能力,提高压裂效果。
由于甲醇可以与水形成任何比例的混合物,在甲醇压裂液进入水锁地层后,可以最大限度将地层所束缚的水吸收,并随着压裂液排出地面,解除地层的水锁,有助于液体的返排。
主要优点是表面张力低,对粘土防膨稳定效果好,主要缺点是成本高、易燃、黏度低,很少应用。
6.酸基压裂液是以酸液为基液,可以用植物胶及衍生物作为稠化剂配成稠化酸。
由于稠化酸的成本高,并且在高温下不稳定,目前已很少应用。
酸基压裂液适用于碳酸盐类油气层和各种高溶解岩石的地层。
3.1.3水基压裂液的组成3.1.3.1主添加剂水溶性聚合物稠化剂是水基压裂液的主要成分,其主要作用是提高水溶液的黏度,降低液体滤失率,悬砂和携带支撑剂。
1・稠化剂的种类(1)天然植物胶及其衍生物类:如脈尔胶及系列改性产品,是最常用的压裂液增稠剂。
(2)纤维素衍生物类:如竣甲基纤维素、轻乙基纤维素等。
(3)合成聚合物:如聚丙烯酰胺、部分水解聚丙烯酰胺等。
2•植物胶类稠化剂植物胶主要成分是多糖天然高分子化合物即半乳甘露聚糖。
不同植物胶的高分子链中半乳糖支链与甘露糖主链的比例不同。
(1)脈尔胶及其衍生物月瓜尔胶是由瓜尔豆种子的内胚乳加工而成,是一种甘露糖和半乳糖组成的长链聚合物,瓜尔豆主要生长在印度和巴基斯坦,美国西南部也有生产。
脈尔胶对水有很强的亲合力,不溶于有机溶剂5加量为0.4%〜0.7%。
未改性的脈尔胶在80C下可保持良好的稳定性,但由于水不溶物含量较高,易造成支撑裂缝堵塞。
轻丙基月瓜胶(HPG)是脈尔胶的一种非离子衍生物,用环氧丙烷为分散剂,在碱性条件下进行醵化反应的产物,使脈尔胶的分子结构中引入疑丙基。
由于再加工及洗涤除去了聚合物中的植物纤维,因此轻丙基孤胶一般水不溶物含量较低,对地层和支撑剂充填层的伤害较小,只是基液黏度略微降低。
疑丙基孤胶是淡黄色自由流动粉末,无结块,其特点是无毒、无味、安全可靠,水溶性好,使用方便,配制容易,水不溶物少,不污染环境,流变性易于控制,适用于45〜200C的各种油气井o起丙基弧胶是当前各个油田应用最广泛的植物胶稠化剂,加量为0.4% -0.6%(2)田菁胶及衍生物田菁胶来自草本植物田菁豆的内胚乳。
将胚乳从种子中分离出来粉碎,便制成田菁粉。
胚乳占种子重量的30%〜33%。
田菁产于江苏、浙江、福建、广东和华北、台湾等地。
田菁胶对水有很强的亲合力,当粉末加入水中时,田菁胶的微粒便“溶胀、水合”,也就是聚合物分子与许多水分子形成缔合体,然后在溶液中展开、伸长,从而引起溶液黏度增加。
田菁胶是用天然田菁豆加工而成的植物胶。
它的水不溶物含量很高,一般在27%〜35%之间,因此对地层及支撑剂充填层的伤害很大。
为进一步提高增稠能力和改善交联条件,在此基础上开发出疑乙基田菁、起丙基田菁、竣甲基起乙基田菁、竣甲基疑丙基田菁、疑乙基田菁和疑丙基田菁在田菁的衍生物中,以竣甲基田菁的水溶性最好,水不溶物最少。
但其增稠能力还不够理想,从综合性能考虑以竣甲基轻丙基田菁最好。
(3)香豆胶香豆胶是用一年生草本植物香豆子种子的内胚乳粉碎、研磨、过筛制成。
香豆胶粉为无结块的淡黄色粉末,有特殊的草药香味,在25C时,1%的香豆胶水溶液的黏度达到150mPa.s以上。
其性能略低于羟丙基脈胶,但在价格上处于优势。
水基压裂液添加剂对压裂液的性能影响非常大,不同添加剂的作用不同。
主要包括:稠化剂、杀菌剂、粘土稳定剂、助排剂、破乳剂、PH值控制剂、温度度稳定剂、消泡剂等。
掌握各种添加剂的作用原理,正确选用添加剂,可以配制出物理化学性能优良的压裂液,保证顺利施工,减少对油气层的损害,达到既改造好油气层,又保护好油层气的目的。
1•粘土稳定剂能防止油气层中粘土矿物水化膨胀和分散运移的试剂叫作粘土稳定剂。
在油气层中一般都含有粘土矿物,有的油气层粘土含量较高,水敏性较快,遇水后水化膨胀和分散运移,堵塞油气层,降低油气层的渗透率。
因此,在水基冻胶压裂中加入粘土稳定剂,可有效吸附在粘土表面,抑制因压裂液对地层冲刷而引起的粘土膨胀和运移,防止粘土膨胀和运移引起的井壁失稳,抑制粘土矿物的水化膨胀和分散运移引起的油气层的伤害o 氯化钾在压裂液中的加量一般在1%〜3%之间。
有机阳离子聚合物粘土稳定剂其外观一般为淡黄色均匀的粘稠液体,加量般为0.2%〜0.3%之间。
2•助排剂助排剂是一种能显著降低表面张力的物质。
添加助排剂的压裂液施工后易返排,能提高压裂液返排率,减少压裂液对油气层伤害。
压裂液助排剂的加量一般为0.2%〜0.3%较好。
压裂用助排剂其外观一般为浅黄均匀的低粘液体,具有较小的表面张力及界面张力,密度约为1.00 >10kg/m3, PH为6.0- 8.0 °与水及酸液互溶,与其它压裂用添加剂一般不发生化学反应,有良好的配伍性,高温情况下仍有效,加入样品后不会有分层、沉淀、乳化或悬浮等现象。
3.pH调节剂通常压裂液中使用pH调节剂是起调节压裂液的pH值,提供碱性环境,为了控制特定交联剂和交联时间所要求的pH值,能加速或延缓某些聚合物的水合作用,同时能提高压裂冻胶的耐温性能。
pH调节剂另一个更重要的功能是保证压裂液处于破胶剂和降解剂的作用范围内。
通常配制压裂液调节碱性pH值的物质主要有碳酸钠、氢氧化钠等。
碳酸钠又名纯碱,工业用的为白色无水粉末,容易吸收空气中的水分和二氧化碳,生成碳酸氢钠,故保管时应放于干燥处,与酸类物质分别存放。
氢氧化钠又名烧碱,纯品为无色透明晶体,密度 2.13 XO3kg/m3,熔点3184C,沸点1390E。
市售烧碱有固态和液态两种:纯固体烧碱呈白色,有块装、片状,质脆,有较强的吸水性;纯液体烧碱为无色透明液体。
极易溶于水,溶解时放热,水溶液呈强碱性,有滑腻感,暴露在空气中的烧碱极易吸收空气中的水分而潮解;也溶于乙醇和甘油;腐蚀性极强,对纤维、皮肤、玻璃、陶瓷等有腐蚀作用,因此使用时必须十分小心°4.杀菌剂杀菌剂是防治由各种病原微生物引起的压裂液变质的一类化学添加剂,可延长压裂液的储存时间。
微生物的种类很多,分布极广,繁殖生长速度很快,具有较强的合成和分解能力,能引起多种物质变质,最终导致压裂液变质。
泵入地下的水基压裂液都应加入一些杀菌剂,杀菌剂可以消除贮罐里聚合物的表面降解,延长压裂液的储存时间。
更重要的,所选定的合适的杀菌剂可以中止地层里厌氧菌的生长。
杀菌剂加到压裂液中,既可保持胶液表面的稳定性,又能防止地层内细菌的繁殖。
杀菌剂主要有重金属盐类、有机化合物类、氧化剂类、阳离子表面活性剂类等四类,低温处不宜久贮。
贮于阴凉干燥处,远离火种、热源,与氧化剂、酸碱类等分储分运。
5 •温度稳定剂温度稳定剂用来增溶水溶性高分子的胶束的耐温能力,以满足不同地层温度、不同施工时间对压裂的黏度与温度、黏度与时间稳定性的要求。
冻胶压裂液的耐温性主要取决于交联剂、稠化剂剂品种以及体系中的各添加剂的合理搭配,温度稳定剂仅为辅助剂。
常用的有:硫代硫酸钠、亚硫酸氢钠、三乙醇胺等。
6•暂堵剂(转向剂)暂堵剂是能暂时降低地层渗透性或暂时封堵高渗透油层的物质。
与水溶性聚合物混合后注入井内,在压差的作用下能够迅速形成薄而致密的油层暂堵带,经过一定时间后可自行或人工解堵。
根据其可溶性和作用原理不同,可分为以下四类:(1)酸溶1生暂堵剂;(2)油溶性暂堵剂;(3)水溶性暂堵剂;(4)单向压力暂堵剂。
例如在压裂时,通常在压裂液前置液中加入暂堵剂;当前置液向高渗透段渗入时,固体颗粒即从前置液中滤出,把高渗透层的孔眼堵住,使压裂液大部进入中、低渗透层段。
压裂后,暂堵剂自行溶解,随压裂液返排到地面。
7 •消泡剂消泡剂在压裂液中的作用是降彳氐液体表面张力,减少气泡生成;减少稠化剂、表面活性剂等产生的气泡给配液带来的困难;提高拉液罐车的效率,便于施工时准确控制砂比。
常用消泡剂的类型有:醇类、脂肪酸脂类、磷酸酯类、有机硅油类和非离子表面活性剂类。
其中醇类消泡剂有异丙醇、异戊醇和异丁基甲醇o非离子表面活性剂类消泡剂有聚氧乙烯十二烷基讎和聚氧乙烯聚氧丙烯二醇讎。
1・交联剂(1)交联反应是金属或金属络合物交联剂将聚合物的各种分子联结成一种结构,使原来的聚合物分子量明显地增加。
通过化学键或配位键与压裂液基液中稠化剂发生交联反应的试剂称为交联剂O交联剂的作用是与压裂液中植物胶高分子形成高聚物,网状结构,把水束缚于网络之中,使植物胶的黏度升高,成为表面光滑而富有弹性的冻胶。
常用交联剂常用交联剂一般分为无机硼交联剂和有机重金属交联剂两类。
无机硼交联剂无机硼交联剂常用的有硼砂(Na2B407)、硼酸(H3B03)。
交联条件:&以PH值9〜10最佳。
适用于温度低于80C油气层压裂。
硼酸盐交联的压裂液以较^^的成本得到广泛的应用。