CN104948154A

CN104948154A - 一种天然水压裂施工方法

Info

Publication number: CN104948154A
Application number: CN201410124576.9A
Authority: CN
Inventors: 秦升益; 胡文进; 王中学; 胡炜
Original assignee: Beijing Rechsand Science and Technology Group Co Ltd
Current assignee: Beijing Rechsand Science and Technology Group Co Ltd
Priority date: 2014-03-28
Filing date: 2014-03-28
Publication date: 2015-09-30

Abstract

本发明属于石油、天然气、页岩气及水等流体矿产开采领域，提供一种天然水压裂方法，其是向体积份100份天然水中添加5-60份自悬浮支撑剂，形成水力压裂悬浮液，然后将所得悬浮液输送到地下岩层中。所述作为携砂液的天然水选自河水、养殖用水、湖水、海水及地下水中的一种或多种。本发明提出的方法，用天然水代替添加有机高分子的传统压裂液进行水力压裂施工，且该施工方法无需在配液站或配液池中配制压裂液，即可实现连续施工，真正实现了操作便捷，降低施工成本，减小环境污染，保护地下水，增产增效的目的。

Description

一种天然水压裂施工方法

技术领域

本发明属于石油、天然气、页岩气等流体矿产开采领域，具体涉及一种通过压裂施工进行流体矿开采的方法。

背景技术

在开采形成在地下岩层中的矿藏时，要将不同类型流体引入井眼或井眼周围的地层中。油田原油粘度大、油藏的裂缝狭小，为了提高采油量、降低成本，通常采用压裂支撑剂压裂和支撑压裂，以改善裂缝导流能力。用于压裂作业的增产措施有多种，包括氮气泡沫压裂、凝胶压裂、多级压裂、清水压裂、同步压裂、水力喷射压裂和重复压裂等。

清水压裂(Water Fracturing)是在清水中加入少量的减阻剂、稳定剂、表面活性剂等添加剂作为压裂液进行的压裂作业，又叫做减阻水压裂。实验表明，添加了支撑剂的清水压裂效果明显好于不加支撑剂时的效果，支撑剂能够让裂缝在压裂液返回后仍保持开启状态。清水压裂成本低，地层伤害小，是目前页岩气开发最主要的压裂技术。

但是，现有清水压裂技术中的清水中含有降滤失剂、增稠剂，主要是高分子化合物，随同清水进入地层，开采时、开采之后通过地层缝隙进入地下水，造成环境污染，已引起多方关注（《国外油田工程》2010年09期）。另一方面，压裂液返排的时候，消耗很大的泵功率，不利于全部返排。

因此，本领域使用的现有压裂支撑技术亟需改进，以提高生产效率、减少对环境的危害。

发明内容

针对现有技术存在的不足之处，本发明的目的是提供一种用于地下开采原油或天然气等流体矿产的天然水压裂施工方法。

为实现上述目的，具体技术方案为：

一种天然水压裂施工方法，其特征在于，是向作为携砂液的体积份100份天然水中添加5-60体积份自悬浮支撑剂，形成水力压裂悬浮液，然后将所得悬浮液输送到地下岩层中；所述作为携砂液的天然水选自河水、湖水、养殖用水、海水及地下水中的一种或多种。

所述天然水中没有添加任何助剂。

具体地，所述的压裂施工方法，包括以下步骤：

1）以冻胶、线性胶、滑溜水或者天然水中的一种作为前置液，利用高压泵车泵入前置液并压裂目标储层，形成初期的地质裂缝；

2）在混砂罐车中持续加入天然水作为携砂液，按5-60%砂比边加入自悬浮支撑剂边搅拌，形成天然水和支撑剂的悬浮液；

3)利用高压泵车把悬浮液继前置液后连续泵入初期形成的地质裂缝中，从而使所述初期地质裂缝不断延伸，形成被支撑剂支撑的地质裂缝，实现增产目的。

所述施工方法，通常还包括首先根据施工设计规模进行材料及设备准备调试的步骤。

优选地，所述自悬浮支撑剂是在骨料上粘附有水溶性高分子材料的颗粒；

所述骨料为石英砂、陶粒、金属颗粒、烧结铝土矿、烧结氧化铝、烧结氧化锆、合成树脂、覆膜砂、粉碎的果壳颗粒中的一种或多种。

所述水溶性高分子材料的用量为骨料用量的0.1～5wt%。

其中，所述自悬浮支撑剂的尺寸为6-200目（即2.8mm-0.075mm之间），形状为球形或近似球形。

其中，所述的水溶性高分子材料选自天然高分子材料、人工合成高分子材料或半天然半人工合成的高分子材料，

所述的天然高分子材料选自植物胶、动物胶或海藻胶；其中所述植物胶为阿拉伯胶、黄耆胶、槐豆胶、胍胶、田菁胶、大豆胶中的一种或多种；所述的动物胶为明胶、干酪素、壳聚糖中的一种或多种；所述的海藻胶为藻蛋白酸钠、海藻酸钠、琼胶中的一种或多种；

所述人工合成的高分子材料为聚合类高分子，选自聚马来酸酐、聚丙烯酰胺、聚丙烯酸、聚乙二醇、聚氧化乙烯、聚季铵盐中的一种或多种；

所述的半天然半人工合成高分子材料包括改性淀粉、改性纤维素和改性植物胶，选自羧甲基淀粉、羟甲基纤维素、微晶纤维素、乙基纤维素、羟乙基纤维素、羧乙基淀粉、醋酸淀粉、羧甲基胍胶、羟甲基胍胶、羟丙基胍胶、羧甲基羟丙基胍胶中的一种或多种。

进一步地，所述水溶性高分子材料通过粘结剂粘附骨料，按重量百分比计，粘结剂的用量为骨料用量0.5～15wt%，包括天然粘结剂和合成粘结剂，所述天然粘结剂选自骨胶、松脂、桐油中的一种或多种；所述合成粘结剂选自酚醛树脂、环氧树脂、不饱和聚酯树脂、杂环高分子粘结剂中的一种或多种。

优选地，所述酚醛树脂为热塑性酚醛树脂或热固性酚醛树脂；所述的环氧树脂使用环氧当量为0.09-0.14mol/100g的环氧树脂；优选为双酚A型环氧树脂，更优选环氧树脂E-55（616）、E-51(618)、E-44(6101)、E-42(634)、E-35(637)、E-20(601)、E-12(604)、E-06(607)、E-03(609)；所述的不饱和聚酯树脂为邻苯型不饱和聚酯树脂、间苯型不饱和聚酯树脂、二甲苯型不饱和聚酯树脂、双酚A型不饱和聚酯树脂、卤代不饱和聚酯树脂、乙烯基酯树脂中的一种或多种；优选所述邻苯型不饱和聚酯树脂型号为191或196；所述间苯型不饱和聚酯树脂型号为199、二甲苯型不饱和聚酯树脂树脂型号为2608、902A3、Xm-1、Xm-2中的一种或多种；双酚A型不饱和聚酯树脂型号为197、3301、323中的一种或多种。所述杂环高分子粘结剂选自聚酰亚胺、聚苯并咪唑、聚苯硫醚、聚二苯醚中的一种或多种。

进一步优选的，所述粘结剂中还包括固化剂，所述固化剂为脂肪族胺及其加成物、叔胺及其盐、芳香族胺及其改性体、咪唑、酸酐、过氧化酰、过氧化脂、多聚甲醛、六次甲基四胺、酚醛胺、二乙烯三胺、三乙烯四胺中的一种；固化剂为粘结剂重量的0.5-10%。

本发明所述的自悬浮支撑剂的制备方法，是将粘结剂分散于骨料中，加入固化剂，再加入水溶性高分子材料而得；

或，是将粘结剂分散于骨料中，加入水溶性高分子材料，再加入固化剂而得；

其中，所述固化剂为脂肪族胺及其加成物、叔胺及其盐、芳香族胺及其改性体、咪唑、酸酐、过氧化酰类、过氧化脂、过氧化酮、多聚甲醛或六次甲基四胺中的一种；固化剂为粘结剂重量的0.5-10%。

所述的制备方法，具体地，包括步骤：

1）以石英砂、陶粒、金属颗粒、球状玻璃颗粒、覆膜砂、粉碎的果壳颗粒中的一种或多种为骨料，

骨料加热至50-300℃，加入重量为骨料重量0.5～15%的粘结剂并搅拌，再加入固化剂并搅拌；

2）当步骤1）所得混合物温度降至150℃以下时，加入骨料重量的0.1～5wt%的水溶性高分子材料，并搅拌。

或，包括步骤：

以石英砂、陶粒、覆膜砂、金属颗粒、球状玻璃颗粒、烧结铝土矿、烧结氧化铝、烧结氧化锆、合成树脂、覆膜砂、粉碎的果壳颗粒中的一种或多种为骨料，加入重量为骨料重量0.5～15wt%的粘结剂并搅拌，再加入固化剂，加入骨料重量的0.1～5wt%的水溶性高分子材料，并搅拌。

或，包括步骤：

1）以石英砂、陶粒、覆膜砂、金属颗粒、球状玻璃颗粒、烧结铝土矿、烧结氧化铝、烧结氧化锆、合成树脂、覆膜砂、粉碎的果壳颗粒中的一种或多种为骨料；加热至50-300℃，降温至240℃以下，加入重量为骨料重量0.5～15wt%的粘结剂并搅拌；

2）当步骤1）所得混合物温度降至150℃以下时，加入骨料重量的0.1～5wt%的水溶性高分子材料，再加入固化剂，并搅拌。

进一步的，所述制备方法还包括冷却、筛分的步骤。

本发明的有益效果在于：

本发明提出的天然水压裂施工方法，无需使用添加了有机高分的传统压裂液作为携砂液进行压裂施工，而直接使用随处可得的天然水直接作为携砂液进行压裂即可，因此，减小了污染，降低了成本。本发明提出的自悬浮支撑剂在清水中悬浮时间长，能够更好的满足采油的需要。本发明提出的自悬浮支撑剂能降低压裂施工的摩阻，使得应用本发明的压裂体系比现有的压裂体系具有易输送，易返排的优点。

发明提出的自悬浮支撑剂可以在清水中实现压裂施工，其突出优点如下：

1）天然水直接作为携砂液，不用增稠剂，明显降低了施工用液体的成本。

2）无需配置压裂液，减少施工设备，简化施工流程，缩短施工时间，降低工人的劳动强度。

3）天然水不含增稠剂，储层伤害轻，增产作用好。

4）不污染地层水，保护环境。

5）返排液可以二次回注，不污染地表水。

6）去除了大规模多次配置压裂液性能变化可能性，压裂施工稳定。

7）摩阻小，增加压裂泵效。

8）砂比高，利于地质裂缝的充分填充。

9）使用范围广，可以应用于常规油井，气井、水井等流体矿产的压裂作业，也可以应用于页岩气、煤层气的压裂作业。

10）返排快速，可以利用破胶机，把支撑剂表面的高分子分解为小分子，实现快速返排。

11）适用范围广，无论是天然淡水还是海水，都能用于携砂液，进行压裂作业。

附图说明

图1为开采的流程图。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例1自悬浮支撑剂的制备

1）以石英砂（风积砂）为原料，经擦洗、120℃5h烘干后，砂中完全不含水，筛选20-40目的石英砂为骨料；

2）筛选的石英砂1000g，加热至200℃，加入环氧树脂E-51(618)10g，搅拌（搅拌过程中混合物温度降至170℃），加入固化剂邻苯二甲酸酐1g，搅拌均匀；

3）步骤2）混合物的温度降至140℃，加入羧甲基纤维素8g。搅拌均匀。

4）冷却、筛分，得到的支撑剂为粒径20-40目的颗粒，骨料表面包覆、或部分包覆有羧甲基纤维素高分子材料。

实施例2

1）取40-70目1kg石英砂（河砂）作为骨料，备用；

2）加入环氧树脂E-4410g，搅拌后加入固化剂二乙烯三胺1g，并搅拌；

3）步骤2）所得混合物加入聚已酸内酯8g，并搅拌。

4）筛分，得到粒径40-70目的颗粒为支撑剂，骨料表面包覆、或部分包覆有聚已酸内酯的高分子材料。

实施例3

1）以覆膜砂（专利CN1640981A，实施例2的方法制备）1000g为原料，加入环氧树脂E-4410g，搅拌后加入固化剂二乙烯三胺1g，并搅拌；

3）步骤2）加入羧甲基羟丙基胍胶5g。并搅拌。

4）筛分，得到的支撑剂为粒径20-40目的颗粒，骨料表面包覆、或部分包覆有羧甲基羟丙基胍胶高分子材料。

实施例4

1）取30-50目1kg陶粒（球形陶粒）作为骨料，备用；

2）加热至220℃，向骨料中加入双酚A型不饱和聚酯330112g，搅拌，加入过氧化苯甲酰0.2g，当温度降至140℃时，加入阴离子型聚丙烯酰胺5g，均匀混合；

3）将上述步骤2）得到的混合物冷却、筛分，即得。

实施例5

1）取40-70目1kg陶粒（球形）作为骨料，备用；

2）加热至220℃，向骨料中加入双酚A型不饱和聚酯树脂10g，搅拌，加入过氧化苯甲酰0.2g、当温度降至140℃时，加入聚乙酸乙烯醇10g，均匀混合；

3）将上述步骤2）得到的混合物冷却、筛分，即得。

实施例6

1）取30-50目1kg烧结氧化铝作为骨料，备用；

2）加热至210℃，向骨料中加入邻苯型不饱和聚酯1911g，当温度降至130℃时，加入羧甲基胍胶5g，然后加入过氧化苯甲酰0.02g、过氧化缩酮0.01g、均匀混合；

3）将上述步骤2）得到的混合物冷却、筛分，即得。

实施例7

1）取70-140目1kg烧结氧化铝和烧结铝土矿（粒径相同，体积相同）作为骨料，备用；

2）加热至210℃，向骨料中加入环氧树脂E-51(618)20g，搅拌后再加入固化剂芳香族胺3g，当温度降至140℃时，加入羧甲基羟丙基胍胶10g，

3）将上述步骤2）中的混合物冷却、筛分，即得。

同样方法可制得其他粒径的产品。

实施例8

1）取40-70目1kg不锈钢微球作为骨料，备用；

2）加热至220℃，向骨料中加入二甲苯不饱和聚酯树脂Xm-210g，当温度降至140℃时，依次加入两性聚丙烯酰胺10g、固化剂过氧化甲乙酮0.3g，均匀混合；

3）将上述步骤2）中的混合物冷却、筛分，即得。

对比例1

支撑剂：普通陶粒（体密度1.7g/cm³的陶粒）支撑剂，粒度为20-40目。

对比例2

支撑剂：石英砂，粒度20-40目。

对比例3

支撑剂：专利CN1640981A，实施例2的方法制备的20-40目覆膜砂。

试验例1

活性水：0.25g的阴离子聚丙烯酰胺（300万）、1g的OP-10、10g的氯化钾、0.1g甲醛和488.65g的水。

活性水的制备过程为：将上述特定量的聚丙烯酰胺溶于488.65g的水中，混合均匀，得到稠化水；将上述特定量的OP-10溶于获得的稠化水中，混合均匀；再加入10g氯化钾，搅拌均匀；加入0.1g甲醛，搅拌均匀。

清水：自来水

试验方法：对实施例1-10、对比例1-3的支撑剂分别在活性水中进行了液体粘度、携砂性能以及摩阻参数测试，粘度测试方法参见标准（SYT5107-2005）；沉降速度测定采用0.5m有机玻璃管，装入45cm高的活性水和砂比为30%的支撑剂，摇匀测试支撑剂的沉降速度；摩阻采用DV-III粘度计，配置30%砂比的压裂体系，固定转速和转子，测定它们的扭矩来表征。测试结果如下表1-表3：

表1加入支撑剂后活性水的粘度

表1中，支撑剂与活性水的质量比为30：100。序号1、2…表示实施例1、实施例2….,序号“对1”表示对比例1。

表2活性水中支撑剂的沉降速度

表3活性水中支撑剂的摩阻

测试结果显示，本发明提出的自悬浮支撑剂在活性水中具有优异的携砂能力和降摩阻能力。

试验方法：对实施例1-8、对比例1-3的支撑剂分别在清水中进行了液体粘度、携砂性能以及摩阻参数测试，粘度测试方法参见标准（SYT5107-2005）；沉降速度测定采用0.5m有机玻璃管，装入45cm高的活性水和砂比为30%的支撑剂，摇匀测试支撑剂的沉降速度；摩阻采用DV-III粘度计，配置30%砂比的压裂体系，固定转速和转子，测定它们的扭矩来表征。测试结果如下表4-表6：

表4加入支撑剂后清水的粘度

表5清水中支撑剂的沉降速度

本申请实施例1-10制备的支撑剂，按照砂比（支撑剂与水的重量份比例）10：100、20：100、30：100加入到清水中，搅拌后，均能悬浮二小时以上。

对比例的支撑剂，按照砂比（支撑剂与水的重量份比例）10：100、20：100、30：100加入到清水中，搅拌后，石英砂约10秒沉降0.5m，陶粒约15秒，覆膜砂约30秒。

表6清水中支撑剂的摩阻

测试结果显示，本发明所提出的支撑剂在天然水压裂体系中具有优异的携砂能力和降摩阻能力。

实验例2

参照中华人民共和国石油天然气行业标准，压裂支撑剂充填层短期导流能力评价方法，即APIRP61测试不同支撑剂填充层的渗透率、力学性能。结果见表7、表8。

表7各试验组渗透率结果（单位：μm².cm）

按照标准SY/T5108-2006进行性能检测，各实验组的组别命名同上，检测结果见表8：

表8：强度测试

测试结果显示，本发明所提出的支撑剂在天然水压裂体系中具有优异的机械强度，不会在使用中破损。

实施例9：开采试验

长庆油田，某水平老井油井，井深2000米。流程见图1。

1）把天然水作为压裂液，把天然水输入井下储层，进行重新压裂，并形成地质裂缝；

2）在混砂罐中按100体积份天然水、30体积份实施例3自悬浮支撑剂，加入并搅拌，使之形成支撑剂悬浮液，然后将所述支撑剂悬浮液输入到所述地质裂缝中，使地质裂缝进一步延伸。

原活性水压裂中，200m³/hr的泵注排量。现使用3.0×10⁶L天然水和9.0×10⁵kg的实施例3自悬浮支撑剂，同样泵注排量，压裂曲线的油压降低10%。返排后检查，全部高分子材料均被返排。

实施例10：开采试验

一种基于天然水携砂的压裂施工方法，用于天然气井，包括以下步骤：

本实施例所用天然水为地表河流里的清水，目测没有固体颗粒。本实施例所用支撑剂为20/40目、采用实施例7方法制备的自悬浮支撑剂。

步骤一、配置线性胶作为前置液，所用线性胶为0.3%羟丙基瓜胶的水溶液，经充分溶胀形成。

步骤二、连接压裂施工管线，利用前置液线性胶试压，并压开目标储层。

步骤三、在连续搅拌的状态下，以1.96m³/min的流量把清水泵入混砂车，同时以0.84m³/min的速率把自悬浮支撑剂输送入混砂车，混合均匀。

步骤四、混合均匀的悬浮液，经由压裂泵车以与混砂相同的速率泵入目标储层裂缝。

施工过程压力平稳，整个过程2.5小时，施工完毕关井1.5小时后返排。返排液3小时后清澈，5小时返排彻底。初期日产气700方/d，与临井常规瓜胶线性胶压裂相比，产量略有提高。

以上的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims

1.一种天然水压裂施工方法，其特征在于，是向作为携砂液的体积份100份天然水中添加5-60体积份自悬浮支撑剂，形成水力压裂悬浮液，然后将所得悬浮液输送到地下岩层中；所述作为携砂液的天然水选自河水、养殖用水、湖水、海水及地下水中的一种或多种。

2.根据权利要求1所述的天然水压裂施工方法，其特征在于，包括以下步骤：

3.根据权利要求1或2所述的天然水压裂施工方法，其特征在于，所述自悬浮支撑剂是在骨料上粘附有水溶性高分子材料的颗粒；

所述骨料为石英砂、陶粒、金属颗粒、烧结铝土矿、烧结氧化铝、烧结氧化锆、合成树脂、覆膜砂、粉碎的果壳颗粒中的一种或多种；

所述水溶性高分子材料的用量为骨料用量的0.1～5wt%。

4.根据权利要求1所述的天然水压裂施工方法，其特征在于，所述自悬浮支撑剂的尺寸为6-200目，形状为球形或近似球形。

5.根据权利要求3所述的天然水压裂施工方法，其特征在于，所述的水溶性高分子材料选自天然高分子材料、人工合成高分子材料或半天然半人工合成的高分子材料；

所述的半天然半人工合成高分子材料为改性淀粉、改性纤维素或改性植物胶，选自羧甲基淀粉、羟甲基纤维素、微晶纤维素、乙基纤维素、羟乙基纤维素、羧乙基淀粉、醋酸淀粉、羧甲基胍胶、羟甲基胍胶、羟丙基胍胶、羧甲基羟丙基胍胶中的一种或多种。

6.根据权利要求3所述的天然水压裂施工方法，其特征在于，所述水溶性高分子材料通过粘结剂粘附骨料，按重量百分比计，粘结剂的用量为骨料用量0.5-15wt%；所述粘结剂包括天然粘结剂和合成粘结剂，所述天然粘结剂选自骨胶、松脂、桐油中的一种或多种；所述合成粘结剂选自酚醛树脂、环氧树脂、不饱和聚酯树脂、杂环高分子粘结剂中的一种或多种。

7.根据权利要求6所述的天然水压裂施工方法，其特征在于，所述酚醛树脂为热塑性酚醛树脂或热固性酚醛树脂；所述的环氧树脂使用环氧当量为0.09-0.14mol/100g的环氧树脂；优选为双酚A型环氧树脂，更优选环氧树脂E-55、E-51、E-44、E-42(634)、E-35、E-20、E-12、E-06、E-03；所述的不饱和聚酯树脂为邻苯型不饱和聚酯树脂、间苯型不饱和聚酯树脂、二甲苯型不饱和聚酯树脂、双酚A型不饱和聚酯树脂、卤代不饱和聚酯树脂、乙烯基酯树脂中的一种或多种；优选所述邻苯型不饱和聚酯树脂型号为191或196；所述间苯型不饱和聚酯树脂型号为199、二甲苯型不饱和聚酯树脂树脂型号为2608、902A3、Xm-1、Xm-2中的一种或多种；双酚A型不饱和聚酯树脂型号为197、3301、323中的一种或多种；所述杂环高分子粘结剂选自聚酰亚胺、聚苯并咪唑、聚苯硫醚、聚二苯醚中的一种或多种。

8.根据权利要求6或7所述的天然水压裂施工方法，其特征在于，所述粘结剂中还包括固化剂，所述固化剂为脂肪族胺及其加成物、叔胺及其盐、芳香族胺及其改性体、咪唑、酸酐、过氧化酰类、过氧化脂、多聚甲醛、酚醛胺、二乙烯三胺、三乙烯四胺或六次甲基四胺中的一种；固化剂为粘结剂重量的0.5-10%。