压裂液添加剂在现场压裂中的作用与应用(李强)

它可使稠化剂水溶液的粘度由30～100mPa•s
（170s-1），上升到上千毫帕秒，达到携带支撑剂的
目的，所以交联剂是压裂液中最重要的添加剂之一。
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3.4.2.1交联剂的主要作用
交联剂是决定压裂液粘度性质的主要因素之一。
交联剂与稠化剂发生交联反应，使体系进一步增稠
形成冻胶，成为典型的粘弹流体，粘弹性能的好坏
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2.1压裂液的主要功能
主要功能：造缝并沿张开的裂缝输送支撑剂，因此
液体的粘性至关重要。
成功的压裂作业还要求液体具备其他的特殊性
能，除在裂缝中具有要求的粘度外，还要能够破胶
，作业后能够迅速返排，能够很好地控制液体的滤
失，泵送期间摩阻较低，同时还要经济可行。
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2.2压裂液的主要分类
交联剂对体系的成胶速度、热稳定性和剪切稳
定性以及对地层及填砂裂缝的渗透率都有较大的影
响。
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成胶速度（交联延时性）：
压裂液体系的成胶速度和压裂液冻胶粘度的大小，
影响在地层温度下支撑剂的携带、分布和造缝效果。
成胶速度快，如硼砂能与植物胶类产生瞬时交联形
成冻胶，压裂液的起始粘度高，泵送摩阻大，粘度损失
而后泵注混有支撑剂的携砂液，携砂液继续延伸裂缝
，并携带支撑剂深入裂缝内，然后使压裂液破胶降解
为低粘度流体流向井底，留下一条高导流能力通道，
以利油气由地层远处流向井底。
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压裂的目的:
①解除钻井完井过程在井眼附近形成的损害,改善油
井产能;
②在低渗透油藏内形成深穿透的高导流能力的裂缝;
③提高废液处理井和注水井的吸收能力;
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三、水基压裂液
水基压裂液是以水做溶剂或分散介质，与各种添 加剂配制而成的工作液体，因使用条件和性能要求的
区别，添加剂的加入种类和浓度是可变化的。
乳化压裂液
泡沫压裂液
不会引入任何流体，对 液态CO2压裂液 地层无伤害，有利于压 后投产 长庆油田化工集团
施工设备特殊，成 干气气藏，低 本远高于其它体系， 压油藏 施工规模较小
各类压裂液应用的变化曲线
100 90 80
ù ¼ È ý ¨ © Ë Õ ± À £ %£
70 60 50 40 30 20 10 0 50 1950 60 1960 70 1970 ê ú Ä ´ 80 1980 90 1990 100 2000
除少数低压、油润湿、强水敏地层外，水基压裂
液适用于大多数油气层和不同规模的压裂改造。
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3.1水基压裂液的特点
①、安全、环保、不易引起火灾； ②、水源易得，价格便宜；
③、性能优良，易控制，现场施工后易于清理；
④、易于选择添加剂对体系进行优化；
⑤、水溶液聚合物在环境温度下能够悬浮支撑剂的粘稠
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3.4.1.1稠化剂的主要作用
稠化剂的主要作用是增粘，次要作用是降低滤失
和减少压裂液摩阻等作用。
它的水溶液通过与交联剂的交联作用，形成高分
子网架结构的高粘弹冻胶，使其达到悬浮支撑剂和
高裂缝粘度的要求。
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3.4.1.2稠化剂的分类
植物胶类
1、胍胶类 ①瓜尔胶 ②羟丙基瓜尔胶 ③羧甲基羟丙基瓜 尔胶 2、田菁胶 3、香豆子胶 4、魔芋胶
直接影响压裂液的造缝能力，与形成的裂缝长度密
切相关。
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3.4.2.2交联剂的分类
盐两 类性 金 属 硼酸钠、硼砂
重铬酸钾 四氯化钛 有机钛：如三乙醇胺异丙基钛酸酯、乳酸铵钛等 有机锆：如乙酰丙铜锆酸酯
类交 联 剂 的 剂有 机 分 交
联 有机硼
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3.4.2.3评价指标
6、压裂液现场应用应简单易行，经济有效。
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3.3水基压裂液的分类
3.3.1活性水压裂液
活性水压裂液是表面活性剂的稀的水溶液。
特点：配制简单、成本低廉、粘度低、摩阻小、携砂性能差。 适用性：用于浅井低砂量、低砂比的小型解堵压裂和煤层气压裂。
3.3.2稠化水压裂液
稠化水压裂液是以稠化剂及表面活性剂配制的粘稠水溶液，稠化 水压裂液是增稠了的活性水压裂液。
将变为残渣，容易在填砂裂缝中沉淀，造成二次伤
害，使填砂裂缝的导流能力降低。
因此，选取水化性能好，稠化能力强，水不溶
物含量低且易于与多种交联剂交联成冻胶的稠化剂
是保证压裂液理想性能和压裂效果的先决条件。
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3.4.2交联剂
交联剂是一种能与稠化剂线性大分子链形成新的
化学键，使其联结成网状体型结构分子团的化学剂。
液。 交联剂用于压裂液时不应仅考察交联和耐温程度， 注重保护油藏、按温度和油藏条件选用适应的交联剂 成为必须遵守的原则。
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3.4.3破胶剂
把高粘度压裂液留在裂缝中将降低支撑剂充填层 对油和气的渗透性，从而影响了压裂作业的效果。因 此压裂施工结束后，为了让施工液体能尽快的从井下
裂缝中通过井筒排出地面，必须使用破胶剂。
水基压裂液 泡沫压裂液
25~30% ≤10% 60~65%
酸基压裂液
标题文字
乳化液压裂液 ≤5%
标题文字 油基压裂液 油基压裂液 ≤5%
醇基压裂液 ≤5%
标题文字
最初的压裂液为油基液； 20世纪50年代末，用瓜尔胶 增稠的水基液普及。1969年， 首次使用了交联瓜尔胶液。 目前水力压裂液有水基、油基、 泡沫、乳化、液态CO2等。
续剪切后，平衡粘度明显高于无机硼（硼砂体系）。
一般而言，硼砂交联羟丙基瓜胶体系可用于80℃
以下的地层，而有机硼、有机钛及有机锆交联的羟丙
基胍胶体系可抗160℃。
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交比对压裂液的影响
压裂施工过程中，交比的变化对于施工的影响
0.55%CJ2-6 交比100:0.3
1200 1000
viscosity(cp)
2、彻底破胶及低残渣。
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3、与储层岩石和流体相配伍。 4、低滤失。
配伍性是压裂液关键的特 性，防止压裂液滤液引起储 层粘土矿物水化、分散、运 移和与储层流体形成沉淀， 堵塞油气层孔道。
控制滤失量是确保超深井压裂施工成功、 减少储层损害和降低压裂液成本的重要内容。
5、低摩阻性能。
低摩阻可以提高造缝能力和 降低地面泵压及设备损耗。
液体；
⑥、随着温度的增加，液体粘度也降低；
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3.2 水基压裂液满足的条件
水基压裂液应满足的条件： 尤其是气井等深井，储层温度高，高
剪切时间和施工时间长，压裂液要 有足够的粘度，以确保携砂和造缝。
1、良好的抗剪切性能和热稳定性。
压裂液破胶水化程度直接影响支撑裂缝导流能力 的大小。彻底水化破胶后易返排，压裂液返排越 快，对油气层造成的损害越小。残渣多易堵塞 油气层孔道，并严重损害支撑带渗透率。
压裂液添加剂在现场 压裂中的作用及应用
西安长庆化工集团 主讲人：李强 二零零九年十二月
目录
简单介绍压裂的背景 阐述现场常用的几种压裂液
以水基冻胶压裂液为模板， 介绍了10种常用添加剂。
介绍了现场压裂液的配制 介绍了几类新的液体体系
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一、前言介绍
开采低渗层离不开压裂。
压裂是指对目的层泵注前臵液以形成裂缝并延伸，
稠化剂的热稳定性与剪切稳定性真实的反映了压
裂液体系粘度的稳定性。
普通胍胶压裂液可用于80℃以下的地层，而羟丙
基瓜胶与有机钛、锆、硼交联，因其独特的延缓交联
作用，可减少温度和剪切作用对压裂液粘度的影响。
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水溶性及不溶物： 两者对压裂液破胶后的残渣率影响比较大，当
压裂完成，压裂液破胶后，稠化剂中的不溶物质都
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
Temperature(du)
V-t T-t
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渗透率：
采用同一稠化剂而交联剂不同的压裂液体系，对
地层及填砂裂缝渗透率的伤害是不同的。经研究发现，
有机钛、锆等金属螯合物交联压裂液对支撑裂缝导流
能力有严重的伤害，清洁返排能力远低于硼交联压裂
100
temperature(du)
80 60 40 20 0 0 6 12 18 24 30 time(min) 36 42 48 54
800 600 400 200 0
V-t T-t
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0.55%CJ2-6 交比100:0.6 1400 1200
Viscosity(cp)
1000 800 600 400 200 0 0 6 12 18 24 30 time(min) 36 42 48 54 60
变成线型和网状体型结构混存的高分子水冻胶，其中 应添加必要的添加剂。水基冻胶压裂液是交联了的稠 化水压裂液。
特点：粘度高，造缝性能好，携砂性能强，粘度的可调和可控性好。
滤失系数低，液体效率高，高速流动时摩阻低于清水。
适用性：普遍适用于油气井增产、水井增注的作业。特别可以完成 高砂比、大砂量、宽造缝、深穿透的高的主要添加剂
粘土 起泡剂 助排剂 杀菌剂 破乳剂 稳定剂 消泡剂
助剂
交联剂
稠 化 剂
降滤失剂 低温 pH 温度 破胶 调节剂 稳定剂 激活剂
破胶剂
主 剂
辅剂
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3.4.1稠化剂
水需要稠化以便输送支撑剂、降滤失剂、增大
裂缝宽度。
增稠剂是水基冻胶压裂液的主剂，用以提高水 溶液的粘度，以便输送支撑剂、降低滤失、增大裂 缝宽度，是使液体具备压裂液功能的主要材料。
特点：与活性水压裂液相比，稠化水压裂液粘度高，携砂性能稍强，降滤 失性能略好，高速流动时有一定的减阻效果。 适用性：用于低温(60℃)、浅井(＜1000m)和低砂比(＜15%)的小型压裂。
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3.3.3水冻胶压裂液
水基冻胶压裂液是用交联剂将溶于水的稠化剂高分
子进行不完全交联，使具有线性结构的高分子水溶液
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纤维素及其衍生物
合成聚合物
1、羧甲基纤维素 CMC 2、羟乙基纤维素 HEC 3、羧甲基羟乙基 纤维素CMHEC
1、聚丙烯酰 胺PAM 2、甲叉基聚 丙烯酰胺 MPAM
3.4.1.3评价指标
稠化剂的增稠能力及热稳定性和剪切稳定性 是评价其质量性能的主要指标，也是影响压裂液 性能和压裂效果的最主要因素之一。 此外，稠化剂的水溶性和不溶物含量也会影 响压裂液的综合性能。
也较大。 有机硼、有机钛及有机锆交联剂，具有明显的缓交 联特征，有利于压裂液粘度时效性控制，获得较高的裂 缝粘度，提高压裂处理效果。
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热稳定性与剪切稳定性：
由于不同类的交联剂的交联反应速度不同，而反
映出的压裂液体系的抗温和抗剪切能力不同。
有机硼、有机钛及有机锆交联剂，具有明显的缓
交联特征，使得体系初始粘度不高，而经过高温和连
④二次采油及三次采油如注水、火烧、气驱以提高
井的吸收能力及驱替中的扫油效率。
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二、压裂液现状
压裂液是压裂工艺技术的一个重要组成部分。
压裂液的选择、施工设计及整套操作步骤都有助于
确定油气井水力压裂后的产量。
从历史上来看, 压裂液研制主要侧重两个方面,
即提供充足的支撑剂运移, 减少砂粒充填的伤害。
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稠化能力： 稠化剂的稠化能力越强，达到同一粘度要求的 稠化剂用量就越小，破胶的负荷减小，也就最大限 度地较少了由稠化剂本身产生残渣对储层及填砂裂 缝渗透率的影响。
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热稳定性与剪切稳定性： 两者是衡量稠化剂分子在井底温度和高速搅拌及 泵送的机械剪切作用下是否容易产生分子链断裂降解 减粘的性质。
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3.4.3.1破胶剂的主要作用
破胶剂的作用是压裂造缝和填砂裂缝形成后，在地 层压力温度的条件下，使联结成网状结构的高分子团 的化学键断裂，降解成较小的分子团，从而降低粘度， 使高粘压裂液迅速彻底破胶降粘水化，以便破胶水化 残液尽快返排。
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3.4.3.2破胶剂的分类
不同的压裂液体系可采用不同的破胶方法，主要 有通过改变压裂液体系的pH值破坏交联环境，高温热
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2.3各压裂液的使用现状
压裂液类型 优点 廉价、安全、可操作性 强、综合性能好 配伍性好、密度低、易 返排伤害小 残渣少、滤失低、伤害 较小 密度低、易返排，伤害 小、携砂性好 缺点 深度高，残渣、伤 害高 适用范围 除强水敏性储 层外均可用
水基压裂液 油基压裂液
成本高，安全性差， 强水敏，低压 耐温较低 储层 摩阻较高，油水比 较难控制 施工压力高，需特 殊设备 水敏，低压储 层、低中温井 低压、水敏地 层