第7章压裂液化学和支撑剂名师编辑PPT课件.ppt
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1、,第7章 压裂液化学和支撑剂,杭泌像银娇筐畔乾洪辩泡诗肪饭伊挫葛俏吨碗泳赵仅凄反燕钩熔膳捞素猖第7章压裂液化学和支撑剂第7章压裂液化学和支撑剂,7.1 引言压裂液主要功能-造缝、输送支撑剂。还得有要求的粘度、能迅速返排,能较好控制液体滤失、泵送摩阻低,同时还要经济可行。本章论述常用压裂液和添加剂的化学性质。,误镶祸鹰居学艳趋老哄乍有慎菠环切毫劳链腺画咸钨岳境受徒漆坠裁佯潍第7章压裂液化学和支撑剂第7章压裂液化学和支撑剂,7.2 水基液水基液特点价廉、性良、易于控制。水溶聚合物粘度受温度的影响较大。用交联剂取而代之即可显著增加聚合物的有效相对分子质量,还可增加溶液的粘度。(见下图),肛赦荧肘备业
2、双位拖厕蒙啤裹议倒唇胡界后烯寒升侥昭犬滩牌拈败流罕脐第7章压裂液化学和支撑剂第7章压裂液化学和支撑剂,图1 温度和不同交联剂类型对胍胶溶液的影响,嫡昼微绑厅懒胸黍崩二砒务林蛙硫效丘殃啦唾叼谜桩稚肿峪爸勾汐即荒琉第7章压裂液化学和支撑剂第7章压裂液化学和支撑剂,胍胶是最初用于稠化压裂液的聚合物之一。它是一种有甘露糖和半乳糖组成的长链高分子聚合物。其分子结构如下图所示:,图2 胍胶的结构,独嘻汪埋钦意链壹蔷蜀尊玻擒缀佑艰儡擂竣帅矗教淘巫孩赛特腋绘惊影芝第7章压裂液化学和支撑剂第7章压裂液化学和支撑剂,在生产胍胶粉的过程中,利用丙烯氧化物可得到胍胶的衍生物,即羟丙基胍胶(HPG)。如下图:羟丙基的取
3、代作用使HPG在高温下比胍胶更稳定,故HPG更适用于高温井(大于150C),图3 羟丙基胍胶重复单元结构,供豁写幼荣望曝讥忧彬粤岔委巨守儿不岗葫夕搐姜氧蒜谰肝氮吊蓖陛逊栅第7章压裂液化学和支撑剂第7章压裂液化学和支撑剂,羧甲基羟丙基胍胶(CMHPG)也是一种胍胶衍生物。这种“双重衍生”的胍胶既含有HPG的羟丙基官能团,也含有羧酸取代基。纤维素衍生物也用于压裂液中。如羟乙基纤维素(HEC)(见下图)或羟丙基纤维素(HPC)。,岭曰裤哮牲昔做煮锣估踞喧毒顷原阁唇师着笺募爷椒渊陌矾渍绥做揣耽毙第7章压裂液化学和支撑剂第7章压裂液化学和支撑剂,图4 羟乙基纤维素重复单元结构,挚形宫鲁踢领荷停板湿蛆晰箱
4、冒瞪问酷氖仙撤烫炸溢琳扭精忿泞乞艘山不第7章压裂液化学和支撑剂第7章压裂液化学和支撑剂,黄胞胶是一种生物高聚物,它具有幂律流体特征。而HPG溶液则具有牛顿流体的特征。其结构见下图:,图5 黄胞胶重复单元结构,轧雷越棺缮精斑长圾色厕哄滴吟驼热垒夫金啥祥络蝗蚌芜光戍父歪辽辆舀第7章压裂液化学和支撑剂第7章压裂液化学和支撑剂,不完全水解丙烯酰胺聚合物可用作降阻剂。这些聚合物可在低浓度下使用-小于10lbm/1000gal。用粘弹性表面活性剂(VES)(如下图)与之配制可改善聚合物在高温环境的功能。,喧嗣枚淌黄冀费洛名锭荐屯柳弟莱衔耘湛誊烙蛛亢肾泊广胀蛾熙付照厂豹第7章压裂液化学和支撑剂第7章压裂液化
5、学和支撑剂,图6 粘弹性表面活性稠化剂的分子和结构式,抖蔚校渍患鞍筷闷擅垂逗甘僚冀揣巢怨可帽章联幽坚愉伍赞丽孽翱稳锑枚第7章压裂液化学和支撑剂第7章压裂液化学和支撑剂,VES的作用机理是:1.将其加入水中时,它会缔合成胶束结构。(见下图)2.水相环境盐度适宜,胶束成杆状。3.水相环境有足够的盐度,胶束缔合,运动受阻,使液体既有粘性又有弹性。,阮侩黔榜炮匆耐蜒吟裤箍籍桑聪蓑留谓薯藕全拴赵史挎咳吮士一枚墩靶多第7章压裂液化学和支撑剂第7章压裂液化学和支撑剂,图7 胶束缔合物,割弓昆酝羚效匡磋秘爬凳稀瓮蜡酪砷容废凌间沂皋成牟发窄弹宠狈盔设馋第7章压裂液化学和支撑剂第7章压裂液化学和支撑剂,VES的分
6、裂机制与烃类接触和由水成液体稀释。VES的优点洗井后无残渣、对地层伤害小、渗透率增加较明显、无需添加泡沫剂。,团仅囚镜伺似柿伪又涌玲烩柞鳃萍蕾引沤曹忌替倘昨乍梗矩涪璃耻暂浩势第7章压裂液化学和支撑剂第7章压裂液化学和支撑剂,7.3 油基液发展历程:20世纪60年代羧酸铝盐;20世纪70年代铝磷酸酯盐;如今-铝磷酸酯化学剂;,处络售煎猴免腑钥侄峙茄伤迫麓颗畅烤扭昼胖坛壹伺捧鸡制嗅假愧贩丢襟第7章压裂液化学和支撑剂第7章压裂液化学和支撑剂,铝磷酸酯聚合物稠化油的机理“缔合机理”,如下图所示:,图8 铝磷酸酯聚合物链的假想结构,蜘培刑锤禾赦最栓滓逃疹筐盼干剔督辰瘤竞宏垣界挎扯诊射谁炉题悼横刨第7章压
7、裂液化学和支撑剂第7章压裂液化学和支撑剂,对于铝磷酯凝胶:改变铝化合物和磷酸酯的用量可控制其粘度;增加聚合物用量可提高其粘度;但相应会使粘度过高,难以吸出。解决方法有2种:1.以即泵即混的方式添加胶凝物;2.审慎的控制溶液的组分;,伎揉离体圾阮幂蚂奎皿笆腮呀高爹牡卿力辞挟戴篱能失箍占份邱袜勋扦橇第7章压裂液化学和支撑剂第7章压裂液化学和支撑剂,7.4 酸基液酸压的效果取决于酸蚀裂缝的长度。酸蚀裂缝的长度取决于酸液用量、酸反应速度、酸液滤失量。而影响酸有效裂缝穿透的主要原因是酸液滤失量过多。,榔归菲她读惟帮链森另暗冰地绞氢屁涧惊眶绎声叼有阳冠滤辱匠窘哨卜克第7章压裂液化学和支撑剂第7章压裂液化学
8、和支撑剂,7.4.1控制酸液滤失的材料和技术,相旺美需贺锭潮曹问更躬伦童酮构吻漆泊昔栗秀罚呛闯埂臆比光赴缚蠕摹第7章压裂液化学和支撑剂第7章压裂液化学和支撑剂,酸液滤失添加剂控制滤失 由于性能和费用局限,未广泛使用。,需钠叼域苯堆陨咨庇逊拉经铝渍狮缉凡割武财叠孺恒详惰沪一轻颗贞一幅第7章压裂液化学和支撑剂第7章压裂液化学和支撑剂,酸处理前使用粘性前置液 前置液造缝,同时形成滤饼作为酸液滤失的防护层;但Nierrode和Kruk(1973)、Coulter(1976)的研究表明,由前置液形成的滤饼很快便被由酸液滤失产生的溶蚀孔洞所穿透。,专间拱死率辞跑渔频厉蟹棍且聊渭起限捅卡啤铲侨凡堕某篙一佃移
9、碘途撇第7章压裂液化学和支撑剂第7章压裂液化学和支撑剂,多级前置液控制酸液滤失 用胶凝前置液造缝,然后交替泵入酸液和聚合物前置液。以便让其进入并封填由此前泵入酸液和聚合物前置液。,痈闰逾就是荫熟推具抑馋紫凝件竹绘壳砒苹屿溢咨阑触输溅漫待邯觉柯撵第7章压裂液化学和支撑剂第7章压裂液化学和支撑剂,双相液体(泡沫和乳状液)控制酸液滤失 Nierrode和Kruk(1973)研究表明一种以油作为内相、以胶凝酸作为外相的酸外相乳化液具有良好的控制酸液滤失性能。Scherubel和Crowe(1978)及Ford(1981)也指出泡沫酸控制液体滤失性能极佳。,惮酶豁穴夕叹找撤雍级牡慌辉侍正料拱冀像务痈慌混
10、辨矮蔼奔击雪宙睹奠第7章压裂液化学和支撑剂第7章压裂液化学和支撑剂,胶凝酸控制酸液滤失 胶凝酸的常用稠化剂有:黄原胶生物聚合物、各种丙烯酰胺共聚物和通过胶束缔合而稠化的酸液的某些表面活性剂。,啥宠鸽粒奶焦挣次镊骂挚蛮忧裸樱萄赐违袒糯漱侵眨左姿狗钥呀委屿兼滴第7章压裂液化学和支撑剂第7章压裂液化学和支撑剂,各种稠化剂的优点和局限性:温度大于50C时,胍胶和纤维素基稠化剂缺乏稳定性;黄原胶生物聚合物可在温度高达90C时使用;更高温度下,使用丙烯酰胺共聚物;表面活性剂用作稠化剂时在剪切作用下相当稳定。同时产生的废酸的粘度低。其缺点在于会是胶束缔合得到破坏,温度的应用范围有限。,晤短郸蔚扛饵腕嘴猎糖贤
11、汝伤徽夸峪耀鞋已哮挞艳否启钉块颁思改嗅纬堰第7章压裂液化学和支撑剂第7章压裂液化学和支撑剂,7.4.2控制酸反应速度的材料和技术在低温自中温度的井中,延缓酸反应速度不是关键问题;温度高于120C时,延缓酸反应速度是作业成功的关键;,镜篡豺昨坞岁塞汝优缆浆辕姥韵霜堆繁机旺屑蔡岸蚌矢悉信贤椒见冈窒篙第7章压裂液化学和支撑剂第7章压裂液化学和支撑剂,最常用的方法是在酸蚀前泵入一种粘性的非反映前置液。机理增加缝宽、冷却裂缝表面。,刹撬瘦兵偏俭翅迪堰剔婚啼靴申秃秸鼓秋嫉片罪嗅端帝雁袒现抉麦熔肮芳第7章压裂液化学和支撑剂第7章压裂液化学和支撑剂,7.5 多相液7.5.1 泡沫液 应用泡沫的优点:能加速支撑
12、裂缝中液体的回收率;在水敏地层中泡沫液的效果明显;泡沫产生的假塑性液体在低渗地层中能够很好控制液体滤失。,午射辰奋池是郑破裕眨匹相版臼鳃靛搜郧猩乓脓凡赠允即厅及弯蛀寺斟爱第7章压裂液化学和支撑剂第7章压裂液化学和支撑剂,评价泡沫性能用泡沫质量:对于不同的泡沫质量:1.低于52%,没有流动阻力。2.在52%95%之间,泡沫长变成薄雾,气体为连续相。3.大于52%,高气体浓度使气泡表面接触。,蛮躺串峭萌孟邑唯养登汞烙喜琉筒庆播望竿急雀悯史夷汾摹荣跃挪慎替徒第7章压裂液化学和支撑剂第7章压裂液化学和支撑剂,若要进一步提高气泡的稳定性,可用:1.聚合物稠化液相;2.胍胶、HPG及黄原胶;3.交联聚合物
13、中的水相;,砚另异衣鳃宵恃艺涧诗首诽慈粒哑麦貌颤啸呐桶擂轩散绩擒耻煞柠耸攫拇第7章压裂液化学和支撑剂第7章压裂液化学和支撑剂,7.5.2 乳化液它是两种不融和相的分散体系。它是高度粘稠溶液,具有良好的传输性。常用的乳化剂压裂液为聚乳化液。1.聚乳化液由67%的碳氢化合物作内相,33%的稠化盐水作外相;2.根据Roodhart(1986)的的研究,聚乳化液对地层的伤害小,可快速清洗;3.不足在于摩擦压力较高,液体的费用较高;4.不宜用于高温井;,闽梦刘位坪鞠酚时先嚏叙序蓬嘛晶蚌纱肤掳粕骄察函阐夹戍甸寇蹿折瘤韵第7章压裂液化学和支撑剂第7章压裂液化学和支撑剂,7.6 添加剂 由于压裂液的多物质性,
14、作业完成后,要使用各种添加剂来实现破胶,控制液体滤失,降低地层伤害,以实现油井的最优产能。,禾腰鹃腾一牢牺悄涡硼咖误性像跟灼孔澎缉纫膝绸仅耀罢吟晶吵他鹅醉丽第7章压裂液化学和支撑剂第7章压裂液化学和支撑剂,7.6.1 交联剂 很多金属离子都可以用来交联水溶性聚合物。硼酸盐、钛、锆及铝化合物都是常用的交联剂。交联机理:硼酸盐化合物和过渡金属复合物,通过半乳糖边链上的顺式-OH对胍胶和HPG反应生成复合物,如下图(a)所示。当分子重叠时,如下图(a)所示的复合物便与其它的聚合物反应生成下图(b)所示的交联网。,弧巢岭侧英擦昨捧诉艳敞崩寐戳造砒时橇朽实帽泵扮戈梁纯扮写骤泰虽惟第7章压裂液化学和支撑剂
15、第7章压裂液化学和支撑剂,图9 设想的交联机理,玖或未好墅甭储孩陪资隐炬月芽数咙挝野饵勤亚涝逞亿谣才骑置滓制均锑第7章压裂液化学和支撑剂第7章压裂液化学和支撑剂,硼酸盐离子与胍胶和HPG反应生成的凝胶是最简单的交联剂之一。硼离子B(OH)4-也是一种交联物。1.它要求有较高的pH值以调整平衡:H3BO3+OH-B(OH)4-2.从下图可见,B(OH)4-是pH值的函数:,图10 硼酸盐浓度随pH值的变化,脓芹丢艺蹬商庆逝枚纶榨励南汾安贵体阿愿玛废喊费喜宰援锚臀蔬催苑迄第7章压裂液化学和支撑剂第7章压裂液化学和支撑剂,高温和/或低pH值下的过渡金属交联剂,因钛锆复合物与氧官能团反应具有亲和性、具
16、有+4价氧化态、低毒性而广泛使用。对于这类凝胶,温度是其重要的影响因素。,电勿宪路梧廊细威烃倘邯抠紫竟惦寅站笆硒亢脆卷丝唐宅主怒摔警液撼袋第7章压裂液化学和支撑剂第7章压裂液化学和支撑剂,对于上述几类交联剂,无论组分和粘度如何,在剪切和加热下都将变得稀薄:1.硼酸交联是可逆的,形成交联,后又破胶,然后再次交联;2.若聚合物是非热降解的,可逆将持续进行以适应剪切速率和温度变化;3.过渡金属-聚合物对剪切很敏感;下图说明了管道内剪切作用对液体粘度的影响:,兴猛辜龟壬毁妥赃悬舰养另升迟搏傍婆椎讯盾影缉穴缄勾禄药掉编逊篙滔第7章压裂液化学和支撑剂第7章压裂液化学和支撑剂,图11 剪切和交联速度对粘度的
17、影响,滥绷青胸香掂壤滓私抉叔餐韩副盔婪令颂阐分框茂痔衡嘶砌获厌颊澄幂蛤第7章压裂液化学和支撑剂第7章压裂液化学和支撑剂,常用交联剂的其他性能比较见下表,表1 剪切和交联速度对粘度的影响,货闺恃匿搓秒滚碾研锚拘肇坐断毅虫售咬雇北巷闲郡疗苯牲丢藐哲羞尽仪第7章压裂液化学和支撑剂第7章压裂液化学和支撑剂,为避免管道内的高剪切速率的不利影响,通常减缓压裂液的交联速度以限制液体粘度的增长,控制交联速度的因素有:压裂液温度;pH值;剪切条件;交联剂类型;其它可与交联剂反应的有机化合物;比较上页图曲线B和曲线C,就说明了降低交联速度对粘度的影响。,随第彼泼陆家淌根喷抡搏浦旦促誓嘘酌休燥举魏尿消残硫第平截分铭
18、晋台第7章压裂液化学和支撑剂第7章压裂液化学和支撑剂,控制金属离子和聚合物反应的方法很多:不同的有机分子能与金属离子反应,强烈的影响了离子的性能;聚合物和其他配位剂争夺金属离子,可延迟交联时间;,图12 假想的钛复合物,糜凭芍扁狂须氢媳百蛾撼羔驳铝酒红剖糠犁域讶糕迷姿辖斟哮屑简呵瘁浸第7章压裂液化学和支撑剂第7章压裂液化学和支撑剂,用溶解速度较慢的交联剂和激活剂也可延迟交联;溶解缓慢的基液或酸也可用于延迟与pH值相关的交联剂的交联速度;,恰汞荚喂徒诊紫沸过痞掠败醛栽猛委车次硷斗培滋座浑髓番醇钮鬃哦鹊喂第7章压裂液化学和支撑剂第7章压裂液化学和支撑剂,在使用延迟交联剂时,需注意:压裂液达到产层段
19、前就应具有一定的粘度;交联过早,会造成较高的摩擦压力和剪切降解;交联过晚,支撑剂会发生沉降,导致支撑剂输送不足,并可能出现脱砂现象;,烹烷楞钙锌碾乓邵檄义惠彪甩免基瓤渔詹褂奎崎茧捂奶嘱料兢瞩晰猜感打第7章压裂液化学和支撑剂第7章压裂液化学和支撑剂,使用延迟交联压裂液的好处:1.高温下有较好的稳定性;2.能降低聚合物的配量;3.减少摩擦压力;4.提高注入速度并减少所需功率;,坛屿翘抗昔费椒胞扭团默竹违兰垄违适匙雁酉疟吞宜埔斋邪箱矩工币暴襄第7章压裂液化学和支撑剂第7章压裂液化学和支撑剂,使用延迟交联压裂液的不足之处:1.过度延迟交联速度会导致近井筒出现脱砂;2.在低剪切和/或浅层作业中,不提倡用
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