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CN111286318A - 一种压裂用自生气泡悬浮支撑剂及其施工方法 - Google Patents

一种压裂用自生气泡悬浮支撑剂及其施工方法 Download PDF

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CN111286318A CN202010266028.5A CN202010266028A CN111286318A CN 111286318 A CN111286318 A CN 111286318A CN 202010266028 A CN202010266028 A CN 202010266028A CN 111286318 A CN111286318 A CN 111286318A
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周利华
邹瑞萍
何思源
杨海涛
钟世超
黄亮
张玉萍
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Abstract

本发明公开了一种压裂用自生气泡悬浮支撑剂，该支撑剂表面刻蚀有微孔或微缝，支撑剂表面吸附有一层改性膜；所述改性膜由表面修饰剂和生泡剂组成，所述生泡剂为在受热或酸性条件下产生气体的物质；该支撑剂的施工方法：将支撑剂与强酸性刻蚀液混合对支撑剂表面进行刻蚀，形成微孔或微缝；将刻蚀后的支撑剂浸入表面修饰剂和生泡剂的混合溶液中，使生泡剂及表面修饰剂吸附在支撑剂表面及微孔或微缝中，并在支撑剂表面形成一层改性膜；最好将得到的支撑剂与携砂液混合，通过携带液将支撑剂带入油气井中。本发明的支撑剂的悬浮能力增加，可避免支撑剂在近井裂缝沉降形成砂堵，使得支撑剂能够在裂缝中有效铺展。

Description

一种压裂用自生气泡悬浮支撑剂及其施工方法
技术领域
本发明涉及油气开采技术领域，特别是一种压裂用自生气泡悬浮支撑剂。
背景技术
随着石油的不断开采，低渗透油藏在全球所占比例越来越多，低渗致密储层完井后自然产能低或无产能，需经大规模体积压裂形成复杂网络裂缝后才具有工业产量，支撑剂作为水力压裂技术中的关键材料，对提高油气采收率有着重要的影响。
随着压裂技术的发展，在压裂过程中对使用的压裂支撑剂性能要求也就越来越高。较低的密度和较高的抗压强度是支撑剂的最重要的性能指标。一方面，选用高强度的支撑剂，能够支撑地层裂缝并使其保持长久性的张开，形成富有孔隙的油气通道，从而使油气顺利通过地层裂缝进入油气管道。即采用高强度的支撑剂能够提高地层导流能力，并最大限度地延长油气井使用寿命。另一方面，当支撑剂密度较高时，携砂液在泵送的过程中容易沉降，这将导致支撑剂难以被输送至裂缝的深部或分支裂缝网络处，无法达到理想的油气增产效果，为了确保支撑剂的输运，常需要通过提高压裂液粘度或提高压裂液排量。但提高压裂液粘度或提高压裂液排量可能导致储层损害风险，同时施工难度和费用也随之增高。而支撑剂的强度越高其密度往往也越高。因此，就很有必要在保证支撑剂强度的同时，通过其他方式降低支撑剂的密度。
目前，常用的降低支撑剂密度的方法是采用不同的材料制作低密度支撑剂，但当前的低密度支撑剂普遍存在强度不高和/或成本较高的问题。
发明内容
本发明的一个目的针对现有低密度支撑剂普遍存在的强度不高，成本较高的问题，提供一种压裂用自生气泡悬浮支撑剂，该支撑剂兼具强度高，密度低的特点。
本发明的另一个目的是提供上述压裂用自生气泡悬浮支撑剂的施工方法。
本发明提供的压裂用自生气泡悬浮支撑剂，该支撑剂表面刻蚀有微孔或微缝，支撑剂表面以及微孔或微缝内吸附有一层改性膜。所述支撑剂是石英砂、树脂覆膜砂，陶粒、铝土矿、空心陶粒中的一种。所述改性膜由表面修饰剂和生泡剂组成，所述生泡剂为在受热或酸性条件下产生气体的物质。
所述生泡剂选自有机类和无机类，如碳酸氢盐、碳酸盐、亚硝酸盐、铵盐、活泼金属、过氧化物、偶氮类化合物、轻质油、原油轻质组分、低沸点醇类、低沸点醚、低沸点酮、低沸点烷烃或氯代烃中一种或至少两种的组合。所述生泡剂特点在于该材料受热或遇酸时，可生成或释放气体。优选的是，所述生泡剂为碳酸氢盐、碳酸盐、亚硝酸盐、铵盐、活泼金属、过氧化物、偶氮类化合物中的一种或至少两种的混合物。
所述表面修饰剂为表面活性剂、硅烷偶联剂、树脂中的一种或至少两种的组合物。其特点在于该表面修饰剂材料能够与支撑剂物理吸附，或发生化学反应，改变支撑剂表面的性质，使得气体能够更稳定的吸附在支撑剂表面。
进一步优选的是，所述表面活性剂为吗啉类、吡啶类、咪唑类、咪唑啉类、哌嗪类、喹啉类、有机硅类、有机硅氧类、有机氟类、有机胺类表面活性剂中的一种。例如，十八烷基胺盐酸盐、双十八烷基胺盐酸盐、N，N-二甲基十八胺盐酸盐、十八烷基二甲基苄基氯化铵、α,ω-二(烷基吗啉鎓)烷烃、氯化十六烷基吡啶、十四烷基-二甲基吡啶溴化铵、桂基咪唑啉甜菜碱、油酸基咪唑啉、N，N'-双十二烷基-N，N'-双甲基氯化哌嗪、十四烷基-二甲基吡啶溴化铵、十四烷基-二甲基吡啶溴化铵、聚醚改性有机硅季铵盐、十二烷基溴化异喹啉、二季盐聚二甲基硅氧烷、3-全氟辛酰胺基丙基-三甲基碘化铵其中的一种。
所述硅烷偶联剂为烷基三甲氧基硅烷、烷基三乙氧基硅烷、烷基三氯硅烷、六烷基二硅氧烷等中的一种及其组合。具体如，甲基三甲氧基硅烷、十二烷基三甲氧基硅烷、正辛基三乙氧基硅烷、十二烷基三氯硅烷、六甲基二硅氧烷其中的一种。
进一步优选的是，所述树脂为双酚A型环氧树、双酚S型环氧树脂、双酚F型环氧树脂、羟基丙烯酸树脂、氰酸酯树脂、酚醛树脂、聚丙烯酸树脂中的一种。
上述的压裂用自生气泡悬浮支撑剂的施工方法，如下步骤：
S1、将支撑剂与强酸性刻蚀液混合对支撑剂表面进行刻蚀，形成微孔或微缝，增加支撑剂的表面积及负载气泡的能力；
S2、将刻蚀后的支撑剂浸入表面修饰剂和生泡剂的混合溶液中，搅拌10-60min，使生泡剂及表面修饰剂吸附在支撑剂表面及微孔或微缝中，并在支撑剂表面形成一层改性膜；
S3、将步骤S2得到的支撑剂与携砂液混合，通过携砂液将支撑剂带入油气井中。
优选的是，所述刻蚀液为盐酸、氢氟酸、氟硼酸、多氢酸、磷酸、土酸、甲酸、乙酸、氨基磺酸、氯醋酸、稠化酸、乳化酸、泡沫酸中一种或至少两种的组合。所述携砂液为压裂中使用的中性或酸性携砂液。
上述支撑剂的作用原理如下：
本发明的支撑剂随着携砂液进入油气井中，支撑剂表面温度逐渐升高，生泡剂逐渐释放出气泡，且温度越高形成的气泡越多，气泡吸附在支撑剂表面，以提高支撑剂的悬浮能力。或者，随着支撑剂被携带进入井下，支撑剂表面形成的改性膜受温度或者酸浓度的影响，通透性增强，携带液中的酸性材料渗入支撑剂表面改性膜中，与生泡剂反应生成气泡，气泡吸附在支撑剂表面，以提高支撑剂的悬浮能力。由于支撑剂的悬浮能力增加，可避免支撑剂在近井裂缝沉降形成砂堵，使得支撑剂能够在裂缝中有效铺展。
与现有技术相比，本发明的有益之处在于：
其一、本发明在常用的普通支撑剂基础上，进行支撑剂表面修饰改性，仅形成微孔/缝，不会损伤原支撑剂内部结构，基本不影响原支撑剂的高机械强度，表面的微孔/缝增加支撑剂的表面积及负载气泡的能力，有助于增加生泡剂及表面修饰剂的负载量及气润湿性，在地层温度下形成足够悬浮支撑剂的微气泡，并在支撑剂表面吸附，实现地层温度下的高悬浮性。提高了支撑剂的悬浮能力，可增加支撑剂在裂缝的铺展性，防止砂堵；支撑剂间做的相互作用，使得支撑剂相互聚集，防止返排回砂；支撑剂表面修饰后对油气具有更好的润湿性，可能增强油气导流能力。
其二、本发明的支撑剂具有良好悬浮性，可以增加单位体积压裂液携带的支撑剂量，从而降低压裂液及支撑剂的使用总量；支撑剂具有低返排，可以降低筒盘管清砂的需求，因此能够降低压裂施工的成本。改性后支撑剂颗粒通过氢键、疏水作用等加强颗粒间的相互作用，使得颗粒形成弱的聚集体，减少支撑剂随着携带液返排。同时，由于支撑剂颗粒间存在弱的聚集作用，可降低生产后期生产过程中支撑剂进入井筒砂堵及损害管线的可能。
其三、支撑剂表面改性操作工艺简单，对设备要求低，既可以在工厂完成，也可以在施工现场完成，应用性强的特点。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1、常规支撑剂示意图。
图2、支撑剂表面刻蚀效果示意图。
图3、支撑剂表面刻蚀并表面修饰后效果示意图。
图4、自悬浮支撑剂在井筒及地层下的效果示意图。
图5、自悬浮支撑剂施工操作流程示意图。
图6、支撑剂在油气井内自生气泡悬浮示意图。
图7、支撑剂在裂缝中均匀铺置示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明的压裂用自生气泡悬浮支撑剂的施工方法，如下步骤：
S1、将常规支撑剂与强酸性刻蚀液混合对支撑剂表面进行刻蚀，形成微孔或微缝，增加支撑剂的表面积及负载气泡的能力。图1是常规支撑剂示意图。图2是支撑剂表面刻蚀后示意图。
S2、将刻蚀后的支撑剂浸入表面修饰剂和生泡剂的混合溶液中，搅拌10-60min，使生泡剂及表面修饰剂吸附在支撑剂表面及微孔或微缝中，并在支撑剂表面形成一层改性膜，见图3。
S3、将步骤S2得到的支撑剂与携砂液混合，通过携砂液将支撑剂带入油气井中。自悬浮支撑剂在井筒及地层下的效果示意图如图4所示。
支撑剂随着携砂液进入油气井中，支撑剂表面温度逐渐升高，生泡剂逐渐释放出气泡，且温度越高形成的气泡越多，气泡吸附在支撑剂表面，以提高支撑剂的悬浮能力。或者，随着支撑剂被携带进入井下，支撑剂表面形成的改性膜受温度或者酸浓度的影响，通透性增强，携带液中的酸性材料渗入支撑剂表面改性膜中，与生泡剂反应生成气泡，气泡吸附在支撑剂表面，以提高支撑剂的悬浮能力。由于支撑剂的悬浮能力增加，可避免支撑剂在近井裂缝沉降形成砂堵，使得支撑剂能够在裂缝中有效铺展。自悬浮支撑剂施工操作流程如图5所示。图6和图7分别是支撑剂进入井内以后自生气泡悬浮的示意图以及在裂缝中的均匀铺置示意图。
实施例1
S1、将80-100目的石英砂放入稀HF溶液中混合均匀，室温下反应10min，过滤，得到表面刻蚀的石英砂。
S2、将刻蚀后的石英砂放入正己烷和十六烷基三甲基氯化铵水溶液混合溶液中，搅拌20min，过滤，得到表面修饰后的石英砂。
S3、将表面修饰后的石英砂与携带液混合，转入量筒，放置在水浴锅中，逐渐升高水浴锅的温度，观察支撑剂表面气泡生成量，以及支撑剂在量筒中的分布情况。
上述装有石英砂及携带液的量筒，在不同温度下恒温5min，石英砂表面的气泡量和支撑剂离开量筒底部量如表1所示。
表1正己烷-十六烷基三甲基氯化铵改性石英砂的悬浮情况
温度℃ 30℃ 40℃ 50℃ 60℃ 70℃ 80℃ 90℃
气泡量 无 无 少量 较多 大量 大量 大量
悬浮比例(％) 0 0 0 21 64 100 100
实施例2
S1、将80-100目的陶粒放入稀土酸溶液中混合均匀，室温下反应20min，过滤，得到表面刻蚀的陶粒。
S2、将刻蚀后的陶粒放入二氯甲烷和十二烷基三甲氧基硅烷的混合溶液中，搅拌20min，过滤，得到表面修饰后的陶粒。
S3、将表面修饰后的陶粒与携带液混合，转入量筒，放置在水浴锅中，逐渐升高水浴锅的温度，观察支撑剂表面气泡生成量，以及支撑剂在量筒中的分布情况。
上述装有陶粒及携带液的量筒，在不同温度下恒温5min，石英砂表面的气泡量和支撑剂离开量筒底部量如表2所示。
表2二氯甲烷-十二烷基三甲氧基硅烷改性陶粒的悬浮情况
温度 30℃ 40℃ 50℃ 60℃ 70℃ 80℃ 90℃
气泡量 无 少量 大量 大量 大量 大量 大量
悬浮比例(％) 0 23 58 92 100 100 100
实施例3
S1、将80-100目的树脂覆膜砂放入稀盐酸溶液中混合均匀，室温下反应30min，过滤，得到表面刻蚀的陶粒。
S2、向混样锅中放入E51环氧树脂、T31固化剂、2,4,6-三(二甲胺基甲基)苯酚和甲苯，搅拌混合均匀；分别加入亚硝酸钠和氯化铵粉末，分散均匀；加入刻蚀后的树脂覆膜砂，搅拌下升温至40℃；恒温60min，至到树脂全部固化并包裹在覆膜砂表面。
S3、将表面修饰后的覆膜砂与携带液混合，转入量筒，放置在水浴锅中，逐渐升高水浴锅的温度，观察支撑剂表面气泡生成量，以及支撑剂在量筒中的分布情况。
上述装有树脂覆膜砂及携带液的量筒，在不同温度下恒温5min，石英砂表面的气泡量和支撑剂离开量筒底部量如表3所示。
表3改性树脂覆膜砂的悬浮情况
温度 30℃ 50℃ 70℃ 80℃ 85℃ 90℃ 95℃
气泡量 无 无 无 少量 较多 大量 大量
悬浮比例(％) 0 0 0 3 35 100 100
实施例4
S1、将80-100目的石英砂放入稀HF溶液中混合均匀，室温下反应30min，过滤，得到表面刻蚀的石英砂。
S2、向混样锅中放入双酚A型氰酸酯树脂、二月桂酸二丁基锡和二氯甲烷，搅拌混合均匀；加入碳酸钠粉末，搅拌分散均匀；加入刻蚀后的石英砂，搅拌下升温至60℃；恒温60min，至到氰酸酯树脂全部固化并包裹在石英砂表面。
S3、将表面修饰后的石英砂与含1％HCl的携带液混合，转入量筒，放置在水浴锅中，逐渐升高水浴锅的温度，观察支撑剂表面气泡生成量，以及支撑剂在量筒中的分布情况。
上述装有石英砂及携带液的量筒，在不同温度下恒温5min，石英砂表面的气泡量和支撑剂离开量筒底部量如表4所示。
表4氰酸酯树脂改性石英砂的悬浮情况
温度 30℃ 40℃ 50℃ 60℃ 70℃ 80℃ 90℃
气泡量 无 少量 一般 一般 较多 较多 大量
悬浮比例(％) 0 0 0 0 15 53 89
综上所述，常规支撑剂压裂技术是我国较为成熟的油藏改造技术，而本发明的自悬浮支撑剂压裂技术在现有常规压裂技术的基础上发展而来的，与现有常规技术相比，该新技术仅在前期支撑剂准备环节做了增加，且增加的工艺部分较为简单实用，可操作性强。本专利所述自生气泡悬浮支撑剂制备方法，具有操作简单、可实时性强的特征，既可在工厂提前完成后运送至现场，也可在现场临时制备后直接使用。
除了前述的有益效果，还具有以下有益效果。本发明是在现有支撑剂的表面改性，改性技术操作简单、中间原料相对便宜。本发明的新型支撑剂具有高悬浮、易铺展、回砂少的特点，可有效降低支撑剂、携带液及后置液用量，可降低压裂施工的总成本。与常规支撑剂相比，表面修饰后的支撑剂具有更强的油润湿能力，可增强油相导流能力。支撑剂良好的悬浮能力能够增加单位体积压裂液携带的支撑剂量，从而减少携带液的消耗；支撑剂良好的铺展性可降低支撑剂的用量；支撑剂良好的悬浮性及不回砂性，可减少井底支撑剂堆积，降低了筒盘管清砂的需求，减少后置液的用量。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (9)

1.一种压裂用自生气泡悬浮支撑剂，其特征在于，该支撑剂表面刻蚀有微孔或微缝，支撑剂表面吸附有一层改性膜；所述改性膜由表面修饰剂和生泡剂组成，所述生泡剂为在受热或酸性条件下产生气体的物质；所述表面修饰剂为表面活性剂、硅烷偶联剂、树脂中的一种或至少两种的组合物。
2.如权利要求1所述的压裂用自生气泡悬浮支撑剂，其特征在于，所述改性膜位于支撑剂表面以及微孔或微缝内。
3.如权利要求2所述的压裂用自生气泡悬浮支撑剂，其特征在于，所述生泡剂为碳酸氢盐、碳酸盐、亚硝酸盐、铵盐、活泼金属、过氧化物、偶氮类化合物中的一种或至少两种的混合物。
4.如权利要求2所述的压裂用自生气泡悬浮支撑剂，其特征在于，所述表面活性剂为吗啉类、吡啶类、咪唑类、咪唑啉类、哌嗪类、喹啉类、有机硅类、有机硅氧类、有机氟类、有机胺类表面活性剂中的一种。
5.如权利要求2所述的压裂用自生气泡悬浮支撑剂，其特征在于，所述树脂为环氧树脂、多元醇类树脂、异氰酸酯树脂、酚醛树脂、聚丙烯酸树脂、聚甲基丙烯酸树脂中的一种。
6.如权利要求1所述的压裂用自生气泡悬浮支撑剂，其特征在于，所述支撑剂是石英砂、树脂覆膜砂，陶粒、铝土矿、空心陶粒中的一种。
7.一种如权利要求1-6任意一项所述的压裂用自生气泡悬浮支撑剂的施工方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、将支撑剂与强酸性刻蚀液混合对支撑剂表面进行刻蚀，形成微孔或微缝；
S2、将刻蚀后的支撑剂浸入表面修饰剂和生泡剂的混合溶液中，搅拌10-60min，使生泡剂及表面修饰剂吸附在支撑剂表面及微孔或微缝中，并在支撑剂表面形成一层改性膜；
S3、将步骤S2得到的支撑剂与携砂液混合，通过携砂液将支撑剂带入油气井中。
8.如权利要求7所述的压裂用自生气泡悬浮支撑剂的施工方法，其特征在于，所述刻蚀液为盐酸、氢氟酸、氟硼酸、多氢酸、磷酸、土酸、甲酸、乙酸、氨基磺酸、氯醋酸、稠化酸、乳化酸、泡沫酸中一种或至少两种的组合。
9.如权利要求7所述的压裂用自生气泡悬浮支撑剂的施工方法，其特征在于，所述携砂液为压裂中使用的中性或酸性携砂液。
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