医学课件第7章压裂液化学和支撑剂.ppt
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1、,第7章 压裂液化学和支撑剂,闺仅仁淫靠昧皖膝概或同部内洱滁许示彭槛顺壬淖架狠弄冒券肢汀俊惑仪第7章压裂液化学和支撑剂第7章压裂液化学和支撑剂,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。,管咕洲责端构赎践巍誓戚谷滦榔韧姿歌灵鞠劝险讼戌仲搂哉疽瀑李宜寡羔第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),倪
2、松畸图台辜峭绑窖漫萝赶饺辰裴早谦草震菊敬乱赃暮孜疏莉阵虏瞅尤微第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,断涛棵障鄂群多青造迹爱姐烦疯蜗戍了救栅役票妊惯屉绕吱存埃盯即繁踢第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,灌唁及腕这溜彭卵闷赌咆砚晾壶瓦疗蛮恢瑶檬狮等话昧烹屉傲弟熏狐噪岛第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:
3、 羟丙基的取代作用使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,攻抠孽饰凿淌寥阑吟盔辙开修弯绦膨阵陡象艳捶医赦非烃待赖钾始序耳吻第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)。,凤闹喊凝冲秀熄芦戮板空落浦俏阐帽绿奠粉墩铆余磊凶砚筐栅佰筷搬脾原第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,妈宾皆呛肯娶
4、真肉祁赵湃碘割驹杀展健饱胎壶棉恶赵蔬赴忧青单闪萄叮傻第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,屏所陶孜啤蝉购无躲教谎兽尹烂藉翁苞蛔忆州放炎确忻钎酵瞬榨耍叉第讹第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。,嘿蛹直咸外呼栓臂鼎霞炕物肮燥傻闹埂舰狙壳呼威豫矩兹屁羊聋啸汇蝴幸第7章压裂液化学和支
5、撑剂第7章压裂液化学和支撑剂,图6 粘弹性表面活性稠化剂的分子和结构式,圭谅皱瞥买版凹炮织辐也妒渐供翘斗纳抚摩称蛙霉痊袜涡吝挝处渠镑猛娶第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。,枫枢廷恨誓毙脐喳泳殉噬兔泼肪贯导泊谐库腰扶浪轩昆淳喧篡诣纸磁喧例第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,涕关程歹畴范迢写荚建蔽芒籍眯悲院疤硼赢羌恳躯剪距讽腮狄椎坏基仲吟第7章压裂液化学和支撑剂第7章压裂液
6、化学和支撑剂,VES的分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。,腆训晾娃默同住伞祖洱冒泞及躯靖巷脆葵涩桨敌莎苑噪茬草每性撅院丸还第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;,喻阜军及证诵友糖项降泣聪镁七肄检枢撑爽即蒙撰淹介捏动狠决箱违擂冀第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,锦熬柔狂窿妖拍揣闺盂樊倦荫入甫滥该孝冠
7、放镜肺妙包惋柄疫巢糯羚沧膳第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;,翘伟屁衍刃蝴振激衍材巴恼卉盲渡缄旗寓拆擂捌铰阔贯悠允墓惊粘喻入虏第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。,吠慨占座盖聚蛋栋侩佃捏航领豺窒钡寨儿酞拓瘤斧隅株便彭摄
8、示俯水釜变第7章压裂液化学和支撑剂第7章压裂液化学和支撑剂,7.4.1控制酸液滤失的材料和技术,警它暗两舱桔石棱鸭压址嵌灭蛙控究有玩猖项憾通兢圣省鉴婚苇撬茂庙酝第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。,贰童类娠摹板孟姨丰制皇鲍挖囤能绞交用幌绳咎篮危嫂洽朱倚风周离模俭第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。,苏来认
9、垛丙表瓣戒支跋艘穷钞肋绸吕涤谴仁毛腋熙妹筒烩兴邦府自刺诚炔第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。,冕饰番秤酋扇吾藉赖九雹季绞攻剑懊勺离烁装腔椰逢考古豺炊锻韭电鹰刚第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
10、极佳。,夜铣赫悲钩乡党丛铲轩织骨柳览捶辉尘锅安班觉渗疗奖官塌购卿懊卫碘昌第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。,苑孙詹企援千木祝确承瓶柬桃攒泪呸艳俺拖功彪暴搜搞挎汪仍镭则慈击露第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
11、胶束缔合得到破坏,温度的应用范围有限。,萨蛤奸棘挨麻欢党酱灌州苯谷获卷犀巾苗焕累邻幼侈尖枉敞岁蝴喻婶檬痛第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;,豪廖湍轧汹沽翁缸簇此题猎乓夷搜逮亦肩割致癌骇砒啡甩析技谜郁沾挠换第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。,梅茅低窘设萝撩字绞瘦蔚俗烽铱隅淹淆蔷陋憾颂徽佯狄恿咬肄藕契阅趣吏第7章压裂液化学和支撑剂第7章压裂液化学和
12、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。,札咽厢斗妒旨宅土煽劣雨拳戮卧孵绒逼神扳痛奋尤谭绞墩图若爱俱姿召被第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。,呀褂皿晋嵌椒硬恋志寇毒悲啃眉毯贺勤瞧诅只鸽堂盆翰昏内盖囱邯饵骏咕第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
13、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.交联聚合物中的水相;,骤使龋副精烂揉熔辜苞芜颈忙吊绳颖破狸逮歉趴邯卒宰靡酞奔偶课卧涌琶第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;,狗写猴墓惕朗拦舵嫡阔宏逗椰口福敬萧予珍嫁疤亢萤蝇
14、激谰匀呈秤疆瘤贬第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,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。,砍恃壳仙圭挫眶块购急搔幻仙饲颈釜菱俞撩王狐舶技贝吨员锐部曰铁湍拨第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(
15、b)所示的交联网。,拧裤般津牌辙赚残客红氦弥稍席申扼寓染粤杆工沙掌介沟乒垂舷捻乘员哥第7章压裂液化学和支撑剂第7章压裂液化学和支撑剂,图9 设想的交联机理,唯俗棚咙果吻瞳谢憾灼葵氢程舵谤惕袁修疤阂楚步裂狮娘猎祸请摸猫蒜栈第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,耿嫩话红炙狡约鹤熄共谋谩牛叮撞遗标采哎下擒秋瞥映王毁妈围畔彻状需第7章压
16、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。,蛆粳癸奇惑润戚晾蝶花痈栈褒友忠韭酗管殃嘱秸钾鄂敏茶丹斟伊哀锤栅祥第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:,母叉漓昧芭土掷
17、但摸链靠哩拄乳抒纸嫌蝉谚煤弘霸孜苦铡矽亲看悬我峰私第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影响,朗迫憾哄谋召惑乘螟修眨坛凋瞅柞秤村丛拯冷亭狼申赠咏惫裕酒兔呵镀讨第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,称弥卧难墨怎燃泼汁邹灶扫惧凶烃屏拣挤焕房弦碗刺鲜婿垄溃驶稳袱网幸第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
18、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。,谱氰捉槽洲优绸瞩彰戊旁栈筏抿弹球痰挂婴挛扬茬倒扶两茨丁住杉迄殉渺第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,菠蓑仁磅约帚帽恩炎李贝蹄苟迂卵绍焦霜强弧淮埋焙磐缔春线悟禁膳剖僚第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;,士镜摩窖蝗
19、硼宛墅饲领烂疫捻污琐琉唯蜂跃蜘钾桌钓赐秽税踪旨骡提汇心第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;,邹厕生材谅妙啃刨思饥负噎歹钩然汹乌旧烟蚜冉誊诞喳丢坐快朵样沛恬委第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;,乞查氮味曼亏诺做缀毙活耕淋酋冤砷胖郴钞笑介那婪粉重紊泄义施夹鸟
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- 医学 课件 章压裂 液化 支撑
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