国外低伤害压裂液体系研究进展

国外低伤害压裂液体系研究进展2014-05-30能源情报文/胡忠前马喜平何川王红杜剑，中海石油研究中心西南石油大学深圳同德化工压裂液自从1947年首次用于裂缝增产以来已经历了巨大的演变。

早期的增产处理是通过向汽油中添加形成足以压开和延伸裂缝的黏性流体;后来,现场工程师开始采用胍胶及其衍生物基工作液,随着井深的增加和井温的升高,对压裂液黏度的要求也比以前使用的线性凝胶所能提供的黏度要高。

为了在高温储层中达到足够的黏度和提高其高温稳定性能,开始采用硼、锆、钛等无机和有机金属离子交联线性凝胶。

上世纪80年代,泡沫压裂液因其对地层伤害小而受到广泛研究和应用。

20世纪90年代,人们通过使用高效化学破胶剂和降低聚合物浓度的方法来减少胍胶对地层的伤害。

选择何种压裂液时主要考虑的因素包括安全、易得,混配和使用方便,和地层的相容性,返排能力以及成本。

按照组成不同,压裂液可分为:(1)油基或水基,(2)油水混合物组成的乳状液,(3)油基或水基泡沫(氮气或二氧化碳)体系。

压裂工作流体已从20世纪50年代的油基体系,发展到20世纪90年代乃至目前仍广泛使用(超过90%)的水基体系。

氮气和二氧化碳体系约占压裂施工总数的25%。

表1列出了目前常见的压裂液体系,压裂液组成中,除了表中所列交联剂和胶凝剂外,还有杀菌剂、滤失添加剂、破胶剂、减阻剂、表面活性剂、起泡剂和黏土稳定剂。

据估计,压裂增产过程中,材料和泵注成本中组成比例为:泵注约占46%,支撑剂为25%,压裂化学剂为19%,酸液为10%。

低伤害或零伤害压裂液体系给决策人员和现场工程师提供了一个在地层下和地面环境友好的选择,另外,技术的进步可以使化学剂成本不增加或增加很少。

美国环境保护局发起的一项调查研究表明压裂施工对地下饮用水环境几乎没有危害或危害很小。

1 斯伦贝谢公司1.1 清洁压裂液1997年斯伦贝谢公司成功地将黏弹性表面活性剂应用于压裂液,这种压裂液是由EHAC、异丙醇、氯化钾和氯化铵组成。

之后,黏弹性表面活性剂因其独特的清洁性能而得到广泛研究应用。

这类压裂液与胍胶和羟乙基纤维素不同,它是由黏弹性表面活性剂和其它添加剂构成的,属于新一代压裂液,通常称之为“黏弹性表面活性剂”(VES)压裂液体系或“清洁压裂液”。

这类压裂液施工和现场混配简单,不需要聚合物预水化工序,也不需要交联剂和破胶剂,遇地层流体转变成球状胶束或乳状液;另外,相对于聚合物体系而言,对地层伤害小或无伤害。

为了解决黏弹性表面活性剂价格过高的问题,相应的黏弹性表面活性剂与疏水缔合聚合物的复合体系也被考虑用做压裂液和堵水。

而向其中添加聚合物,也可以改善其抗温和抗压性能。

为了提高黏弹性流体在高矿化度下的稳定性能。

Schlumberger技术公司的Lungwitz,Bernhard等人开发了一种由盐(有机盐或无机盐或它们的复合物)、助表面活性剂和两性离子表面活性剂组成的复合体系。

目前,黏弹性表面活性剂在油田上遇到的主要技术问题是抗温性和在高速剪切条件下,蠕虫状结构的快速恢复能力。

1.2 PrimeFRAC3压裂液体系该压裂液体系由于减少了聚合物的加量(聚合物加量减少了35%以上)从而减少了对地层和裂缝的伤害,油气层使用温度200～375υ,使用的黏土稳定剂为KCl,在较少的聚合物加量的情况下就能达到guar和CMG所能达到的流体黏度。

1.3 FiberFRAC3压裂液技术FiberFRAC3压裂液技术减弱了支撑剂输送中流体黏度所起的作用,它在压裂液中形成纤维素基网络,从而通过机械手段输送、悬浮和置放支撑剂。

由于支撑剂的输送不再依赖压裂液黏度,因此可以调节压裂液的流变性质来优化裂缝尺寸。

如果裂缝高度增长是关注的焦点,即使在高温下,也可以使用低黏度流体,同时满足支撑剂输送的要求。

另外,由于减少了聚合物的加量,保留裂缝导流能力得到显著提高。

实验室研究表明减少40%的聚合物加量可以使保留裂缝渗透率提高24%。

1.4 GreenSlurry3体系该体系适用于生态环境敏感地区,如英国北海、墨西哥湾等。

它由快速水化(80%在2～3min以内水化)、高回收率的聚合物构成,其中,水化时间与聚合物加量没有关系。

1.5 ThermaFOAM3CO2泡沫体系CO2泡沫压裂主要用于衰竭地层来提高压裂液的返排率,进而提高压后产量;也可以用于增产水敏性地层。

它的一个缺陷就是高温下不适用。

ThermaFOAM3CO2泡沫体系是一种新的化学剂体系,适用井底温度为200～300υ,泡沫质量分数为40%～70%。

该体系可以获得与guar、guar衍生物或交联标准泡沫压裂液体系相同或更好的流变性能。

同时减少了聚合物加量和添加剂的种类。

1.6 疏水缔合聚合物/黏弹性表面活性剂复合压裂液目前使用的黏弹性表面活性剂压裂液体系存在以下几个方面的缺点:(1)化学剂成本要比传统的聚合物基压裂液体系要高,这主要是由于单位成本和较高的组分浓度。

VES加量随温度而增加,成本差异变的更大。

(2)由于和地层产出烃中的某些物质不配伍，形成稳定的乳状液而伤害地层,尤其是在基质侵入区。

(3)健康、安全和环保(HSE)问题。

尤其是在近海油气田,如英国北海,VES压裂液的应用因此而受到限制。

(4)相对于聚合物体系,VES压裂液体系因其较高的滤失速率而使其应用范围局限在低渗透储层(<10×10-3μm2)。

解决方法之一就是减少表面活性剂的用量,提高其耐温性能和井底条件下胶束结构的快速恢复能力;另一种可供选择的方法就是将疏水缔合聚合物和黏弹性表面活性剂混合使用,称之为“疏水缔合聚合物/黏弹性表面活性剂复合压裂液”。

这种混合流体和黏弹性表面活性剂一样,对地层烃类也是反应性的。

即当遇到地层烃类时,聚合物和黏弹性表面活性剂的疏水缔合作用遭到破坏。

这种流体分别和纯VES压裂液和纯聚合物压裂液相比,只需在较低的表面活性剂和聚合物浓度下产生的流变性能就足以达到形成和延伸裂缝以及输送支撑剂的目的。

聚合物/表面活性剂网络与地层的烃类接触时就会自动破胶,残余物形成乳状液的倾向较低。

这样就可以提高其在地层基质侵入区的清洁能力,此外,疏水缔合聚合物和表面活性剂混合物因聚合物的存在而降低了滤失速率。

2 Halliburton服务公司2.1 Silverstim和SilverStimLT压裂液体系这两种体系是在低的聚合物加量就可以得到很高的体系黏度和支撑剂输送能力。

适用温度分别为80～180υ和175～400υ。

2.2 DeltaFrac压裂液体系该体系的聚合物加量比传统体系低30%,温度范围80～200υ,因此可实现大幅减轻对地层的伤害并获得较高的裂缝导流能力,与酶或氧化破胶剂有很好的相容性。

2.3 HMP压裂液体系低分子量压裂液技术(分子量约为HPG的1/20～1/30)是压裂液技术的一个重要里程碑,该体系使用温度达260υ,携砂性能良好,能够清洁支撑剂充填裂缝,同时得到较长的有效裂缝长度。

由于该体系形成的水凝胶网络是暂时的,如图1所示,因此不需要另加破胶剂,而且能够实现对压裂液流变性能的实时监测和调节。

由于使用的低分子量聚合物增稠剂中不含残渣,所以大幅度减轻对地层和支撑裂缝的伤害。

2.4SeaQuest压裂液体系此体系是针对温度约300υ下的近海砂岩储层(固结和非固结)而开发的一次增产液技术,同样地适用于浅滩和深水环境,是专门针对用海水混配而设计的,该体系不会产生沉淀伤害。

为施工设计和服务提供了很多便利。

2.5 DeepQuest体系该体系适用于温度在80～325υ的超深储层,这种高密度硼交联体系可以提供的密度达1.3～1.38,而常规水基体系的密度为1.0～1.04,因有高的密度提供额外的静水压力,因而减轻对地面设备压力的要求。

如果没有这种流体,许多超深井由于目前的地面设备压力的限制而无法进行压裂施工。

2.6 Sirocco压裂液体系Sirocco压裂液体系不仅实现了低聚合物加量的要求,而且对盐有很好的相容性,适用温度为275～400υ,这种体系可以达到传统的CMHPG体系一样高的支撑剂输送能力,但所加聚合物量更少,因而可获得更高的导流能力。

2.7 Pur2GelⅢ型体系该体系是一种延迟交联压裂液体系。

适用井底温度80～275υ,增稠剂为低残渣CMHPG。

用锆作为交联剂并加入缓冲试剂后,该体系与CO2有很好的相容性。

CO2主要用于提高压裂液与地层流体的相容性并起到压后助排作用。

2.8 Thermagel体系该体系是专门用于井底温度高于300υ的地层,这种延缓交联凝胶液应用CMHPG 作为胶凝剂。

2.9 Hybor体系它是一种延迟硼交联guar或HPG体系,适用温度125～300υ。

形成的滤饼在产水时得以清除。

2.10 WaterFrac体系Halliburton服务公司开发研制出一系列添加剂以优化降阻水的压裂效果。

这种体系适用于低黏和低砂浓度聚合物压裂液体系。

2.11 MistFracSM服务体系泡沫压裂是增产低渗透储层(包括页岩和煤层)的一种标准技术,泡沫在低压低渗水敏性地层能很好地起作用。

泡沫能够减少地层的水敏程度,并能提供压开裂缝和输送支撑剂所需的黏度。

在北美,泡沫压裂液占很大比例,典型气体比例为65%～80%的氮气或二氧化碳。

当气体质量分数低于65%时,则黏度优势会丧失,而高于80%,则高的井低砂浓度应用受到限制,这通常是由于低流体速率下设备限制引起的。

而MistFracSM服务体系可以解决以上这些问题。

MistFracSM服务使用一种超高质量分数的氮气泡沫压裂液,与传统的压裂液相比有以下优点:(1)降低水与地层接触程度;(2)减少因黏土、铁矿物、高起泡剂浓度和大量工作液所引起的储层敏感性问题;(3)改善了在水敏性地层条件下置放支撑剂的能力;(4)在低温储层中提高快速、清洁的破胶能力;(5)压后清洁能力提高,从而改善了裂缝导流能力;(6)减少了施工设备、现场施工人员和混配所需工作流体和化学剂,从而降低了施工成本;(7)提高了施工效率。

3 BakerHughes公司3.1 B9EmeraldFRAQTM体系B9EmeraldFRAQTM体系是BakerHughes公司开发的一种高品质、低毒、易生物降解,适用于近海的压裂液体系。

利用EPA1664,RevisionA中介绍的环己烷萃取方法确定B9EmeraldFRAQ中油和grease浓度<29mg/L,LC50>30000μl/L。

除环境友好之外,该体系还拥有优异的流体性能,剪切稳定,pH值>9,支撑剂输送能力良好,油气层适用温度超过300υ,可以间歇式混配,也可以连续混配,可以加破胶剂以减轻对地层的伤害。

3.2 Baker清洁凝胶Baker清洁凝胶是一种HEC聚合物,压后地层渗透率保持在80%以上,同传统的硼交联压裂液体系相比,减少了裂缝聚合物充填量,从而减轻了对地层的伤害。