压裂液

第二节压裂液一、教学目的掌握各种压裂液的类型，了解压裂液的类型，学会计算压裂液的几种滤失系数，掌握压裂液的流变性。

二、教学重点、难点教学重点1、压裂液的类型2、压裂液的流变性教学难点1、压裂液的滤失系数三、教法说明课堂讲授并辅助以多媒体课件展示相关的数据和图表四、教学内容本节主要介绍三个方面的问题：一、压裂液类型二、压裂液的滤失性三、压裂液的流变性概况：在影响压裂成败的各种因素中，除了压裂设备外，重要的是压裂液及其性能。

压裂液的类型及其性能对能否造出一条足够尺寸的、具有高的FRCD的填砂裂缝有密切的关系（压裂液类型、滤失性、流变特性）。

压裂液是一个总称。

在压裂施工过程中，注入井内的压裂液在不同施工阶段有着各自的任务，所起的作用是不同的，可分为：1、前置液（加砂前的压裂液），其作用（功能）为：①破裂地层②造成一定几何形态的裂缝，以便让其后的携砂液进入缝中（要d←砂子直径）求缝宽W≧(2～2.5)p③延伸裂缝（使裂缝在长、宽、高三个方向上延伸）④冷却地层与裂缝通常前置液的用量占总液量的20%～40%。

2、携砂液（携带砂子的压裂液），其作用：①携砂入缝，并在缝中保证布砂的要求，防止压开的裂缝闭合②延伸和扩展裂缝③冷却地层及裂缝通常携砂液的用量更大，占总液量的60%～80%。

3、顶替液（把携砂液顶替入地层的压裂液），其作用：①中间顶替液用来将携砂液送到预定位置②最后顶替液将井筒中的携砂液全部替入裂缝③也起延伸裂缝的作用一般只用清水、溶性水就行了，顶替量为（1～2）倍油管体积。

压裂液的性能要求：①造缝能力强、滤失量少：这是造长缝、宽缝的重要条件，压裂的造缝能力取决于压裂液的效率，EFF越高，造缝能力越强。

滤失性则主要取决于压裂液的粘度M和造壁性。

EFF=V裂缝/V总注入量V总=V裂缝+V滤失量通常EFF只有20%～30%，美国一些公司研制的超级压裂液（约含2/3粘性油，1/3盐水和1000mg/l表面活性剂），EFF可达80%以上。

②悬砂能力强（避免砂子沉入井底或过多地堆积在裂缝上）这是压裂后形成高FRCD填砂裂缝的前提条件。

压裂液的悬砂能力主要取决于粘度，压裂液只要有足够高的粘度，砂子即可完全悬浮，这对砂子在缝中的分布是非常有利的。

③稳定性好压裂液应具备热稳定性（不因T↗而使μ↓）抗机械剪切稳定性（不因v↗而使μ↓）④尽可能减少对地层的伤害即要求压裂液具有低残渣（以免降低地层岩石及填砂裂缝的K）与地层流体配伍性好（不引起粘土膨胀，发生沉淀）。

⑤摩阻低压裂液功率在管道中的摩阻愈小，则在设备马力一定的条件下，P，降低排用来造缝的有效马力就愈多；反之，摩阻过高还会提高wh量Q，甚至限制施工进行，因此要求压裂液在油管中的摩阻低，在地层中造缝时的摩阻高，这样有利于造成宽裂缝。

所以出现了所谓的双台阶型压裂液：即流速高时，μ低（有利于降低摩阻）；流速低时，μ高（有利于形成宽裂缝）。

在U.S配制的聚合物油水乳状液（内相是轻质油、成品油，外相是水基冻胶）就属这种双台阶型压裂液。

⑥易返排返排是压裂工艺中的重要环节，排液量的多少直接影响压裂效果，特别是低压井的排液尤为重要，可用N2、CO2助排。

⑦货源广、价廉压裂液的费用是压裂成本中的重要组成部分，随着大型压裂的发展，压裂液的耗量很大，因此要求货源广，价格便宜。

（一）压裂液类型1、水基压裂液：用水溶胀性聚合物(称为成胶剂)经交链剂交链后形成的冻胶。

施工结束后，为了使冻胶破胶还需要加入破胶剂。

不适用于水敏性地层。

冻胶是目前最常用、最有前途的一种，在国外占2/3。

特点：μ高、摩阻低、悬砂性能好，多用于高温深井、无水敏性地层。

2、油基压裂液：①矿场原油或粘性成品油②稠化油优点：与地层配伍性好，在低压极水敏性地层中用它比用水基压裂液好。

不足：成本高、易失火、安全性差、脏。

3、酸基压裂液：如稠化酸、胶化酸（冻胶酸），多用于碳酸盐岩油气层的酸压，不加砂。

4、泡沫压裂液：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。

多用于低压低渗水敏性地层的压裂改造。

水基泡沫压裂液 内相：气体（CO 2、N 2、天然气）外相：（基液）多用淡水、盐水、聚合物水溶液、原油等酸基泡沫压裂液（泡沫酸） 外相为酸（HCl ），内相为气发泡剂：多为非离子表面活性剂 泡沫压裂液性能：用泡沫干度来表示：在一定T.P 下 %100⨯=ΓF V V g 泡沫体积气相体积 %100⨯+=e g gV V V%10011⨯⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=g e V V 实验表明：Γ=65%～85%时，泡沫液各方面的性能均好。

当Γ<65%时，泡沫压裂液的μ太低当Γ>92%时，泡沫不稳定（因Γ>92%，泡沫一般成雾状，气相变成连续相）泡沫压裂液的优点：①易返排注入泡沫压裂液到缝中，增加了排液的能量，P↓时膨胀，气体助排。

②泡沫压裂液本身具有良好的防滤失性，对地层伤害小气—液两相滤失进地层后，任何一相的相渗透度都会降低，而泡沫液中的液相相对较少，二者共同作用的结果将大大减少对地层的伤害。

③具有足够的造缝能力与一定的携砂能力④摩阻低（比水的摩阻低40～60%）任何事物都是一分为二的，泡沫压裂液虽具有上述优点，但也有不足之处：①成本高②用于深井，需多台小车，设备有限③井筒气液柱压力低，压裂过程中需要较高的注入压力④使用泡沫压裂液砂比不能过5、聚合物乳状液70年代后由于水基冻胶而发展起来的，由2/3油+1/3稠化水组成。

内相：由2/3左右的原油、成本品、凝析油组成。

外相：1/3的水胀性聚合物+含有表面活性剂的淡水、盐水或酸液。

优点：①对地层伤害小（聚合物用量很少）②滤失量低，压裂液效率高（60～90%）③可配制成双台阶型压裂液（二）压裂液的滤失性压裂液滤失到地层受三种机理控制：压裂液的粘度、油藏岩石和流体的压缩性、压裂液的造壁性1、 受压裂液粘度控制的滤失系数C 1当压裂液的粘度大大超过地层油的粘度时，压裂液的滤失速度主要取决于压裂液粘度（渗流阻力取决于压裂液）。

假定：①P E -P S =constant②线性渗滤，即垂直缝面滤失③压裂液为牛顿型液体，即粘度不受剪切速率的影响 根据假设条件，我们可以应用达西定律推导出C 1。

压裂液渗流速度为： LP k μυ∆⨯=-5108.5 式中：υ——滤失速度（m/min ）K ——垂直于裂缝面方向的渗透率（2m μ）P ∆——裂缝的内外压差（KPa ）P ∆=P E -P Sμ——压裂液在缝内流动条件下的粘度（mPa ·s ） L ——由缝壁面向地层内的滤失距离（m ）真实速度a υ与渗流速度υ的关系：a υ=LP k μφφυ∆⨯=-5108.5 由于dt dL a =υ （假设地层为理想岩石）所以LP k dt dL μφ∆⨯=-5108.5 积分得：dt Pk LdL L t μφ∆⨯=⎰⎰-005108.5∴ 2/141016.1⎥⎦⎤⎢⎣⎡∆⨯=-t P k L μφ从而 tP k 1104.52/13⋅⎪⎭⎫ ⎝⎛∆⨯=-μφυ 令2/131104.5⎪⎭⎫ ⎝⎛∆⨯=-μφP k C因此 t C /1=υ公式分析：①由上述推导可知：Ｃ１与地层参数Ｋ、φ以及缝内外压差P ∆及流体粘度有关，但对某一具体施工井来说，Ｋ、P ∆、φ是不变的，所以Ｃ１仅与μ有关。

②滤失速度υ是时间t 的函数，随着压裂时间的延长而变小，即t 1∝υ，t ↗→υ↓，当t =100min 时，υ=0.1C 1，可见υ的降低是很快的，因此在裂缝面外边的滤失区不是很大，一般来说，不超过1m 。

③本公式只限于牛顿压裂液，对非牛顿压裂液要加以校正。

当压裂液的μ与地层流体的0μ相近时，控制压裂液滤失的是地层流体的压缩性。

这是因为只有地层流体受到压缩，让出一部分空间，压裂液才会滤失进去，因此滤失量的多少取决于流体的可压缩性程度。

④C 1对很多参数都敏感，因此在计算时要慎重选择参数。

2、 受储层岩石和流体压缩性控制的滤失系数C 2由于地层流体受到高压裂液的压缩，体积缩小，让出一部分空间，从而压裂液渗入此空间，所以滤失的多少就取决于流体的压缩性程度。

从理论上分析，压力变化也应引起多孔介质体积变化，由于它的压缩性与地层流体相比小得多，故人们把这种由压缩性控制的系数仅说为由地层流体压缩性控制。

MPa C e 1105.44-⨯=以孔隙体积为基数 压缩系数 MPa C r 1109.14-⨯=（砂岩） MPa C r 1104.14-⨯=（灰岩）从上可知，岩石与流体相比，流体只具有更大的压缩性（大约为岩石的3倍左右），因此只考虑流体的压缩性。

下面就讨论一下由于压力变化引起的孔隙内流体体积的变化V ∆。

取一单元体（如右图），单元体体积为：A x ⋅∆，单元体中所含流体的体积为：x A V ∆=φ。

由于压降P ∆使流体体积增加量可由液体压缩系数的定义得到： P V C V f ∆=∆即：P x A C V f ∆∆-=∆φ由t →t +t ∆时间内所对应的压力由P +P ∆→P ，所以对上式两边同除t ∆得： tP x A C t V f ∆∆⋅∆-=∆∆φ 单位时间内从单元体中流出的量： t P x A C t Vq f ∆∆∆-=∆∆=∆φ 即：tP A C x q f ∆∆-=∆∆φ 因()t x q ,、()t x P ,均为时间和位置的函数，所以写成微分方程为： tP A C x q f ∂∂-=∂∂φ ① 由达西定律可得： xP kA q ∂∂⨯-=- 108.55 μ （地层流体渗流） μ——地层流体粘度所以有：225 108.5xP kA x q ∂∂⨯-=∂∂- μ ② 由①②可得：t P xP ∂∂=∂∂ 122η ③ 其中φμηf C k 5108.5-⨯= 对③式进行Laplace 变换得方程的一个解：()⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=∆-t x erfc P Pe t x P η2, 误差函数()()1+-=y erf y erfc()y erf -=1误差函数()⎰-=y t dt e y erf 022π⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⋯-⋯+-+-=7!35!23!12753y y y y π 缝壁面处（0=x ）压力梯度为：02==⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂⋅∆=∂∂x x t x erfc x P x P η ⎪⎪⎭⎫⎝⎛⋅-⋅∆=t P ηπ212t Pπη∆=缝壁面处的渗滤速度为： 050108.5=-=⎪⎭⎫⎝⎛∂∂⨯-=x x x P k μυ即： ()tP k x πημυ∆-⨯-=-= 50108.5 t kC P f 1103.4213⋅⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∆⨯= μφ 令： C 2=4.3×10-3μφf kC则：t C /2=υ 分析：①C 2主要受P ∆的影响，其次受K 、φ、C f 、0μ的影响。