影响压裂施工成败的诸多因素中,压裂液的性能是其中的主要因素之一。对大型压裂来说,这个因素更为突出。这是因为压裂施工的每个环节都与压裂液的类型和性能有关。目前常用的压力液有水基压裂液、酸基压裂液、油基压裂液、乳状及泡沫压裂液等。50年代初期多使用原油、清水作压裂液,近十几年来发展了水基冻胶压裂液,它具有粘度高、摩阻低及悬砂能力好等优点,已成为矿场主要使用的压裂液,约占总用量的2/3。
(1)水基压裂液
水基压裂液是用水溶胀性聚合物(称为成胶剂)经交链剂(又叫交联剂)交链后形成的冻胶。常用的成胶剂有植物胶(瓜尔胶、田菁、皂仁等)、纤维素衍生物(羟乙基纤维素、羧甲基羟乙基纤维素等)以及合成聚合物(聚丙烯酰胺、聚乙烯醇等);交链剂有硼酸盐和钛、锆等有机金属盐等。在施工结束后,为了使冻胶破胶还需要加入破胶剂,常用破胶剂有过硫酸胺、高锰酸钾和酶等。
(2)油基压裂液
对水敏性地层,使用水基压裂液会导致地层粘土膨胀影响压裂效果,对此,可使用油基压裂液。矿场原油或炼厂粘性成品油均可作油基压裂液,但其悬砂能力差,性能达不到要求。目前多用稠化油,基液为原油、汽油、柴油、煤油或凝析油,稠化剂为脂肪酸皂(如脂肪酸铝皂、磷酸酯铝盐等),矿场最高砂比可达30%(体积比)。稠化油压裂液遇地层水后自动破胶,所以无需加入破胶剂。
油基压裂液虽然适用于水敏性地层,但受价格昂贵、施工困难和易燃等问题的影响,应用受到一定的限制。
(3)泡沫压裂液
泡沫压裂液是近10年内发展起来的用于低压低渗油气层改造的新型压裂液。其最大特点是易于返排、滤失少以及摩阻低等。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。泡沫干度为65%~85%,低于65%则粘度太低,超过92%则不稳定。
泡沫压裂液也具有不利因素:
①由于井筒气液柱的压力降低,压裂过程中需要较高的注入压力,因而对深度大于2000m以上的油气层,实施泡沫压裂是困难的。
②使用泡沫压裂液的砂比不能过高,在需要注入高砂比情况下,可先用泡沫压裂液将低砂比的支撑剂带入,然后再泵入可携带高砂比支撑剂的常规压裂液。
其它应用的压裂液还有聚合物乳状液、酸基压裂液和醇基压裂液等,它们都有各自的适用条件和特点,但在矿场上应用很少。
水力压裂的目标是在油气层内形成足够长度的高导流能力填砂裂缝,所以,水力压裂工程中的各个缓解都是围绕这一目标,并以此选择支撑剂类型和携砂液性能以及施工工序进行的。
一般来说,水力压裂用支撑剂的粒径并不是单一的,而是有一定变化范围,如果支撑剂分选程度差,在生产过程中,细砂会运移到大粒径砂形成的空隙中,堵塞渗流通道。支撑剂的强度是其性能的指标。水力压裂后,支撑剂应该有足够的强度撑开地层裂缝,如果地层闭合压力大于支撑剂强度,支撑剂就被压碎,地层闭合,就失去了水力压裂的意义了。