第二节压裂液.docx

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 求缝宽W二（2—2.5） d -砂子直径）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 /V裂缝 总注入量V =V +V总 裂缝 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/而使卩；）L抗机械剪切稳定性（不因v /而使卩；）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，用来造缝的有效马力就愈多；反之，摩阻过高还会提高P h，降低排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，卩低（有利于 降低摩阻）；流速低时，卩高（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：卩高、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j内相：气体（co?、n、天然气）I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：气相体积V在一定t.p下 r=气相体积g x 100%泡沫体积# VF= g x 100%x 100%V + V ge -V 11 + _^实验表明：厂=65%—85%时，泡沫液各方面的性能均好当r <65%时，泡沫压裂液的卩太低当r >92%时，泡沫不稳定（因r >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，PJ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40一60%）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 C1 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 -P 二constantES② 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q 压裂液渗流速度为：kAP u = 5.8 x 10 -5 _ yL式中：u 滤失速度（m/min）K 垂直于裂缝面方向的渗透率（卩m 2）AP ――裂缝的内外压差（KPa）AP=PE-PSy ――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u与渗流速度u的关系：au =嚎二 5.8 x 10 - 5kAPa /0 Ml由于u a = d% （假设地层为理想岩石）dL所以—二 5.8 x 10-5dtkAPM LkAP积分得：卩LdL 二卩5.8 x 10-5 dt1.16x10-4kAP,"20 0 M从而 u 二 5.4x 10-3｛空fp.丄令 C = 5.4 x 10-3 ( kAPf 丫21 (卩丿因此 u = CJ包公式分析：① 由上述推导可知：C］与地层参数K、f以及缝内外压差AP及 流体粘度有关，但对某一具体施工井来说，K、AP、f是不变的， 所以C］仅与卩有关。

② 滤失速度u是时间t的函数，随着压裂时间的延长而变小，即 u X 1/- , t z-u 当 t=100min 时，u =0.1C，可见 U 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 1m③ 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 裂液的卩与地层流体的卩0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④ q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 C22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Ce = 4.5 X I0-4lMpa以孔隙体积为基数Cr = I.9 X *41 MPaCr = I，4 X10- 41 MPa从上可知，岩石与流体相比说为由地层流体压缩性控制压缩系数（砂岩）r（灰岩）丿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AV取一单元体（如右图），单元体体积为：Ax • A，单元体中所含 流体的体积为：V =0AAx由于压降AP使流体体积增加量可由液体压缩系数的定义得到：AV = C VAPf即: AV = -CfA0AxAP由t 一 t + At时间内所对应的压力由P + AP 一 P，所以对上式两边同除At得:AV ~At单位时间内从单元体中流出的量:Aq = A / At = _CfQ AAx 等即: AX YA畔因q（x,t）、P（x,t）均为时间和位置的函数，所以写成微分方程为:色一 C AQ空dx f dt由达西定律可得:地层流体渗流）kA dPq = —5.8 x 10-5_ pi dx卩0 地层流体粘度•Cdq kA d2 P所以有：= —5.8 x 10-5 2dx p dx 20 d2P 1 dP由①②可得：尹=—币dx2 耳 dtk其中耳=5.8 x 10—5 _ 八 卩C Q0fP(x, t)- Pe~~AP对③式进行 Laplace 变换得方程的一个解=erfc __X_12、丽丿误差函数 erfc(y )=—ef (y )+1=1 — erf (y )误差函数 erf (y )= f ye-t 2dt后0厂 y 3 y 5 y 7 y — + — + 1!3 2!5 3!7缝壁面处（x二0 ）压力梯度为:dP=AP Edxerfc二 AP -=AP 严 t缝壁面处的渗滤速度为:即:殳 q 1「k ( dP ]u =—5.8 x 10-5 1 1x=0 叮dx丿x= 0 u q [ c v k (— AP)u = —5.8 x 10- 5x=0 U 『兀丫|t(kC 0丫2 1-4.3 x 103 AP —己-L令:C =4.3x10-3kC f02 U/则:u - cj4i分析:©C主要受AP的影响，其次受K、0、Cf、卩0的影响。

② U X 1 \汀，即 t /f u Jo③ C应为地层流体与岩石的综合压缩系数，即C可用C +C代替f f f r④ 推导C?时认为滤失的外缘为无限远处3、 具有造壁性压裂液滤失系数 C33有的压裂液具。