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。