china新型清洁压裂液原理及应用

18
常用水溶性高分子:
⑴,合成高聚物(如HPAM):Leabharlann Baidu自身不溶物可以作
得很低(≤0.2％);但其分子结构比较简单，能发 生交联的官能团少，不易发生交联，进行交联所 需技术复杂,所以采用不多；
⑵,天然高分子及其改性产品(如各种改性胍
胶):其组成复杂,能发生交联的官能团多、易发生 交联反应故成为国内外压裂液主要增稠剂。但其 本身含有较多的不溶物(8%—10%)因此通过化学改 性降低其不溶物含量是压裂液技术发展的另一个 重要内容
11
小结: 目前它己见成效;但难以有突破性进展: ①清洁压裂液的材料(VES)、体系、施工技术、 基本成功,应用效果也很好; ②成本太高难以承受.无法推广应用; ③抗温能力难提高(难超过120℃,据报道国外实 验室己有150℃的样品).

所以目前这项人们期待己久,又确有良好效果的革 命性新技术在国外推广并不迅速;国内基本仃滞;
32
(二),新型压裂液性能评价
33
1,高效增粘能力:试验结果如图3.2所示:
溶液表观粘度随浓度增大而大幅度增大，0.5 时 就可进到100多mps。
250 200
粘度，mPa.S
150 100 50 0 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 浓度，%
溶液粘度--浓度关系(170S )
新型清洁压裂液原理及应用
(新型无残渣压裂液)
(罗平亚)
西南石油大学
油气藏地质与开发工程国家重点实验室
1
清洁压裂液： 水基压裂液破胶后无不溶物 （残渣）或不溶物极低（测不出） 的压裂液 (又称无残渣压裂 液） 。
2
目前所有的水基压裂液毫无例外的都有残渣, 这些残渣必然会对地层及充填层造成严重堵 塞使其渗透率大幅度下降(其累计损害可达 90%以上),从而大大降低压裂的效果,(对于低 压、低渗油气层尤其突出,常常会造成压裂完 全失效) 因此在目前油气田开发对压裂效果要来愈 来愈高的形势下,消除残渣及其伤害成为当今 压裂界共同关心的急待解决的重大技术难题。 也是本行业的前沿课题一清洁压裂液及其应 用术。
盐能力差、抗剪切能力差，必须加大聚合物用量和采用交联。
近几年在原有基础上如何充分利用分子链间作用(即①十②)
来建立溶液粘度的理论和实践问题己经解决。故利用这些成果完
全有可能使体系的有效粘度因此而大大提高、抗温、抗盐、抗剪 切能力也因此而大大增强。
所以完全有可能不
交联也能达到要求。
24

这种无需交联其流变性就能达到要求的流 体称为“结构流体”:
体(溶液)中溶质分子链间缔合作用形成的超分 子结构状态所决定。 因此,有效粘度己不能准确表示流体(溶液)的 携带能力。而其静、动屈服值(相当于结构粘 度)或储能模量(弹性)更准确

28
⑷,综合应用上述超分子化学、溶液物理化学、
结构流体流变学理论及其应用的新进展，结合高分
子化学及溶液理论,通过研究我们己经能够设计、
-1
34
2,流变特性
(1)、抗剪切性：常规交联压裂液由于其交联 作用的不可逆性则其有效粘度必然随剪切 时间增长而不断下降；而结构性流体由于 其结构随剪切作用而可逆变化,则当剪切 （速率）作用一定时,其结构将达到与该剪 切速率平衡的状态,则其有效粘度不再随剪 切时间增长而下降,长期保持恒定，故表现 出优良的抗剪切性。因此它更能适合于需 要泵送时间较长的压裂作业（如深井、大 型压裂………)。
26
⑶,关于流体的悬浮和携带能力:

根据溶液流变学理论:流体的悬浮、携带能力主要由
流体的静、动屈服值(相当于结构粘度)所决定，因 此屈服值比有效粘度对其携带能力的影响更大。 根据流体粘弹性理论：流体携带能力主要由其储能 模量(弹性)及它与其耗能模量(粘性)之比决定。

27

而从其微观作用机理本质上讲这都是由结构流
⑴,采用本身无(极少)不溶物的水溶
性增稠剂,使其水溶液中无不溶物或可以忽 略不计(≤ 10ppm); ⑵,同时,不交联就能使溶液”有效粘 度”达到压裂施工的要求(关健)
(这在原来作不到，但现在其它学科 的发展使它己成为可能).
21
3,有助于压裂液技术(清洁压裂 液)发展的其它学科的新进展
22
由现在”溶液流变学”相关理论,溶液有效粘度的构成: ①.聚合物分子链在溶液中的流体力学尺寸的大小。(它随温度、
19
而残渣的来源有二： ⑴压裂液增稠剂本身的不溶物； ⑵交联作用产生的大量不溶物; 它们虽经破胶也不能消除,而对地层的堵塞损 害和对支撑剂充填层的严重堵塞可使其渗透率 下降80一90%以上，从而大大降低压裂的效果 (甚致完全失效)，因此消除残渣及其伤害是目 前压裂液技术发展的必然趋势。
20
2,解决此问题的思路之一：
国内研究现状：
国内长庆油田、大庆油田,克拉玛依油田和四川气田…先后引进 Schlumberger 公司开发的清洁压裂液技术，进行了数十井次的现场应
用，均取得了工艺上的成功和很好的增油效果
在国内自行研制与研究也在很多油田普遍开展并取得一定的进展:如 万庄分院研制出了VES-70型粘弹性清洁压裂液体系。 该清洁压裂液完成了20多井次现场试验效果良好例如在某油田是邻井 高弹性和良好的剪切稳定性、携砂能力强、减阻效果良好（减阻率达到 76％）、破胶彻底、无残渣、返排快，改善了增产效果。显示出清洁压 裂液的巨大优势。
研制出这样的化学剂；它们在溶液中分子链能自动
缔合而形成多个分子的结合体(即超分子聚集体)它
们随速梯变化而可逆变化，由它们(随着其浓度增 加)进而形成布满整个溶液空间的超分子空间纲状 结构，成为典型的结构(溶液)流体。
29
根据结构流体流变学原理这类流体必然具有： 高效增粘 (有效粘度=非结构粘度十结构粘度) 抗温、抗盐； 抗剪切； 剪切稀释性： 触变性; 动、静屈服值(结构粘度)； 粘弹性； ………… 以上各种性能都可按要求通过分子结构设计进行调 控。因此无需交联这类溶液的携带能力就可能完全解决。 而且还具有现在惯用的交联压裂液希望具有，又难以具 有的特长和优点。
8
存在问题:
1,需研制、开发专门特殊的表面活性剂; 2,用量大(3一4 % ),且很难减小; 3,成本高(每方2500一4000元以上),且极难降低； 4,目前抗温能力还不够（据报道低于116 C）;且难以提高。 5,破胶不太好控制;(特别是气层) 。 6,初滤失速度大;应考虑加降滤失剂 ……
9
类地层条件,各类压裂作业要求的清洁压裂液增 稠剂及压裂液体系及应用技术。
14
㈠,新型清洁压裂液原理
清洁压裂液： 水基压裂液破胶后无不溶物 （残渣）或不溶物极低（测不出） 的压裂液 (又称无残渣压裂液）, 它是一种不须交联的结构性水溶 液。
15
1,为什么现用水基压裂液总有
残渣呢? --(现用水基压裂液残渣的 来源及必然性):
3
一,清洁压裂液国内、外现状
4
国外发展状况:
据报道，1997年以来,目前国外在全球范围内采用清洁压裂 液进行的压裂作业已经超过2100多井次。该压裂液体系最早在美 国的墨西哥湾的压裂充填作业中使用，其效果比用常规压裂液作 业的油井效果好。后来，加拿大、美国、意大利、墨西哥湾的众 多油田的常规压裂施工中广泛应用，取得了良好效果。该压裂液 配制容易，施工简单，摩阻小，携砂能力强，施工效果良好。 这类清洁压裂液采用特种表面活性剂作“稠化剂”，在此表 面活性剂溶液中当浓度较高时形成类似于交联聚合物一样的网络 结构，使溶液具有必要的粘度和粘弹性。将这些特种表面活性剂 称为粘弹性表面活性剂，简称“VES”（Viscoelastic surfactant）。
16

压裂液的基本功能之一是将支撑剂由 井筒经孔眼携带到裂缝前沿指定位置， 因此压裂液的悬浮和携带(压裂砂的)能 力是其基本要求，这就要求它必须具 有必要的”有效粘度”。
17

水基压裂液是依靠水溶性高分子(天然高分子、改性 高分子、合成高分子)来建立其必要的有效粘度。 但由于其分子结构(分子量、线型分子链…)决定了它 在高温、高矿化度油藏条件下很难(无法)具有所需的 有效粘度，因此被迫采用交联的办法来提高有效粘 度以达到携砂的要求。所以交联技术是压裂液技术 的基础和必要条件,也是它发展的重要内容和方向。
因此我们应用分子缔合形成结构流体的理论设 计和研制出一系列化学剂，它们在溶液中利用分子 链间缔合作用形成超分子聚集体进而发展成可逆式 空间纲状结构，成为结构型流体，因而具有以下特
性：良好的高效增粘、抗温、抗盐、抗剪切、静、
动屈服值(结构粘度)、粘弹性………、它们不需交 联其携带能力也能很好满足压裂要求。使用常用破 胶剂就可破胶而无(极少)残渣。 SGA一130是这类新产品的一种。

常见的结构流体有: 1,固相在液相中的多级分散体系 ,钻
井液是其典型; 2,具有超分子结构的水溶液。 (它们 不需交联自身的有效粘度就可能达到很高， 而且可以调,控) ………
………
25
⑵,新兴的超分子化学与超分子结 构溶液理论与实践：


超分子化学是研究多个分子通过非共价键作用（缔合） 而形成（超分子）聚集体并具有其特定结构（超分子 结构）和功能的科学。是近十多年发展起来的一个新 兴交叉学科。 我们工作的关键是如何利用这新兴的超分子化学相关 理论和实践来获得具有我们所需要功能（不交联就具 有足够的携带能力和其它优良性能）的超分子结构溶 液。
使用常规水基压裂液压裂井产量的2～3倍。证实了它配制简便、低粘度、
10
综上所述:
目前国内研究起步不久，正在沿着国外 的技术思路进行；而国外主要仍以VES特种 表活剂在较高浓度下形成棒状、片状…胶 束进而形成结构的原理为主。即以研制开 发这类特种表活剂为主，但仍然无法解决 与国外清洁压裂液相同的难题。因此在 “热过”一段时间后目前处于仃滞阶段。
含有VES表面活性剂溶液可以具有高粘度和粘弹性，能将其 用作压裂液悬浮支撑剂。当VES压裂液进入含油的岩芯或地层以 后，亲油的有机物将被增溶到胶束中，使棒状胶束膨胀，最终崩 解成较小的球形胶束，VES凝胶破解，变成粘度很低的水溶液。 碳氢化合物如油和气有这种作用，将迅速地减少VES液体的粘度 到最低水平。所以，这种体系不需要另加破胶剂
矿化度的提高而急剧下降)；
②.高分子链间非共价健力相互作用的强弱及其状态。(它随温度、
矿化度上升或下降或下降不多或不下降或反而上升，可以调、 控)。
③,而溶液有效粘度等于这两部份的和, 即：有效粘度=非结构粘度十结构粘度
23
以前增粘原理以因素 ① 为主,没有能够作到利用因素 ②
(天然物质也极少发现)，故其体系增粘能力差、抗温能力差、抗
5
由 Schlumberger 公 司 开 发 的 清 洁 压 裂 液 ， 其 商 品 名 ClearFrac。就是典型的VES，其分子在水中一定条件下形成棒状 结构的胶束，长棒状胶束之间高度“缠结” ，形成类似于交联 的聚合物网状结构，具有粘弹效应和高的有效粘度，使液体具备 优良的悬砂和携带性能。
30
4,新型清洁压裂液的新原理(理论依 据):
(1)利用结构流体流变学的相关理论及其 流体悬浮与携带原理解决无需交联的压裂液 就能具有足够的携砂能力和其它优良性能的 理论问题; (2)利用超分子化学理论设计、研制出 能形成具有以上功能的结构流体（溶液）的 化学剂(增稠剂)及其溶液体系（压裂液）。
31
6
目前研制的清洁压裂液的机理
▲加入表面活性剂，在水中形成棒状胶束结构
McBain小胶团（C≺CMC）
Hartley的球形胶束（C≻CMC）
Debye的腊肠式棒状胶束（C≻10CMC）
▲利用烃类有机物增溶到胶束中并使其分裂而破胶。
棒状胶团六角束 （C继续增大）
7
VES溶液无残渣(测不出),填砂管试验发 现，VES压裂液携砂充填层的渗透率的保留率 大于90%，比使用胍尔胶压裂液时充填层的渗 透率的保留率（20 ）大得多,压裂效果 也好得多 ,达到清洁压裂液要求。

因此除继续沿着VES思路深入研究以尽量解决现有 难题,争取有所突破外,还必须另劈溪径,探索新的 思路,建立新的理论、研制开发出新的增稠剂、研 究出新的清洁压裂液体系及其应用技术。
12
二,新型清洁(无残渣)压裂液 (非VES 类型)研究
13
主要研究内容:
⑴ 研究出清洁压裂液的一种新原理;
(2)按它设计、研制、开发出一系列适用于各