一種用于頁巖體積壓裂的纖維復合清水壓裂液的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于頁巖儲層體積壓裂的纖維復合清水壓裂液。其中清水壓裂液各組分的重量百分比為：減阻劑：0.1%；防膨劑：1%；長效粘土穩(wěn)定劑：1%；復配殺菌劑：0.06%；阻垢劑：0.005%；表面活性劑：0.3%；其余為水。纖維為納米SiO2復合纖維，具有良好的熱力學和化學穩(wěn)定性，纖維濃度（纖維與支撐劑的質量比）：0.5%-1%。本發(fā)明的清水壓裂液體系配方完整、摩阻低，具有良好的防膨和粘土穩(wěn)定效果、滅菌及抑菌效果、阻垢性能和助排效果，表、界面張力低，可有效保護頁巖儲層。纖維的加入顯著提高了清水壓裂液的懸砂性能，有效降低了清水壓裂液的管柱摩阻，并能防止支撐劑回流，特別適合于頁巖儲層的體積壓裂開發(fā)。
【專利說明】一種用于頁巖體積壓裂的纖維復合清水壓裂液
【技術領域】[0001]本發(fā)明是關于頁巖氣儲層體積壓裂增產技術，特別是關于一種用于頁巖體積壓裂的纖維復合清水壓裂液技術。
【背景技術】
[0002]目前，世界常規(guī)油氣資源可采量逐年遞減，而油氣資源需求量日益增長，非常規(guī)天然氣占據(jù)能源供應的比重越來越大，而頁巖氣在非常規(guī)天然氣資源中占據(jù)重要位置。美國在頁巖氣資源的勘探開發(fā)技術和產量方面居于世界領先地位，2012年美國頁巖氣年產量已達26 5 3X 108m3左右，占其天然氣總產量的37%，超過中國的常規(guī)天然氣年總產量。我國頁巖氣儲量非常大，但開發(fā)剛剛起步，尚未進入大規(guī)模高效開發(fā)階段，有效開發(fā)頁巖氣成為了解決國家能源困局、調整能源結構、促進節(jié)能減排、拓展低碳能源的一個重要方面。
[0003]同常規(guī)砂巖相比，頁巖氣藏為低孔低滲儲層，天然裂縫和層理發(fā)育，水力壓裂技術是獲得有效產能的必要手段，通常需要水平井分段改造加大規(guī)模清水(滑溜水)壓裂，在頁巖氣藏現(xiàn)場壓裂施工中，微震監(jiān)測結果表明壓后裂縫以大規(guī)模的網(wǎng)狀形式存在，即所謂的“體積壓裂”或“縫網(wǎng)壓裂”。
[0004]體積壓裂指在頁巖儲層中實施水力壓裂時，水力主裂縫延伸過程中，應力場的變化和流體的滲入，導致天然裂縫擴張剪切滑移，從而在脆性頁巖中形成人工裂縫和天然裂縫交織的裂縫網(wǎng)絡，增加了裂縫改造體積，裂縫形態(tài)從常規(guī)砂巖儲層簡單的雙翼平面縫轉變?yōu)榇笠?guī)模的裂縫帶，為低孔、低滲的頁巖儲層創(chuàng)造了氣體易流通的裂縫網(wǎng)，從而提高了頁巖儲層的初始產量和最終采收率。體積壓裂技術是頁巖氣實現(xiàn)商業(yè)開發(fā)的首要技術，該技術對于致密砂巖氣等其他非常規(guī)氣藏的開發(fā)同樣具有重要的借鑒意義。
[0005]目前，清水壓裂液以及清水與線性膠交替注入的混合壓裂液是頁巖氣藏壓裂改造中最主要的處理液。一般來講，清水壓裂液體系中96%~99%都是水，化學添加劑的含量一般都不超過3%，所以成本較低，由聚合物引起的地層傷害也較小，又由于這種壓裂液粘度很低(約I~IOmPa.S)，能夠高速泵入，所以能夠產生復雜縫網(wǎng)，獲得較大儲層改造體積(SRV)，實現(xiàn)體積壓裂。目前，在頁巖氣水平井多級壓裂中的施工規(guī)模都在4000m3~20000m3之間，一般都在1000Om3以上；而泵注流速也會高達19~24m3/min。
[0006]清水壓裂液中清水含量一般為98%左右，其余為一些無機鹽、小分子聚合物和微量的高分子聚合物。與常規(guī)的交聯(lián)凍膠相比，清水壓裂液體系除沒有稠化劑與交聯(lián)劑這些造成儲層傷害的主要添加劑外，其他的各種功能型添加劑一般都是需要的。清水壓裂液體系最主要的添加劑是減阻劑，除此之外還有防膨劑、粘土穩(wěn)定劑、阻垢劑、殺菌劑、助排劑以及破膠劑等。
[0007]目前，我國頁巖氣井壓裂基本使用清水壓裂液體系，但經(jīng)常出現(xiàn)傷害地層，與地層配伍性不好的問題。原因之一是，沒有針對性地直接使用國外壓裂液，我國儲層既包含豐富的海相頁巖氣，也包含大量的陸相和海陸過渡相頁巖氣區(qū)塊，不同區(qū)域頁巖物性差別較大，且通常粘土礦物含量較高(>35%)，導致出現(xiàn)不良效果。第二個原因是，由于我國頁巖氣的開發(fā)剛剛起步，對于頁巖氣藏的研究評價系統(tǒng)還沒有完全建立，許多評價常規(guī)油氣藏的指標已經(jīng)不能適用于該類氣藏，國外針對頁巖氣藏壓裂設計中的一些室內實驗與國內常用的常規(guī)評價標準有很大的差異。國內很多按照常規(guī)油氣藏評價指標或檢測方法獲得的清水壓裂液配方效果依然不理想?？傮w來說，國外的評價方式更加有針對性和實際應用價值，而國內需要積極學習這些先進思路并不斷創(chuàng)新，形成適用于國內開發(fā)現(xiàn)狀的實驗評價模式。因此，清水壓裂液的研制需要積極的引入國外先進技術經(jīng)驗和設計思路，結合目前國內的實際條件，來建立一整套適用于國內頁巖氣藏開發(fā)的技術路線，而且必須遵循區(qū)域頁巖儲層的地質特征，要保證與地層配伍、盡量減小對地層的傷害，以及具有較強的單劑作用能力和良好的配伍性。
[0008]另一個需要關注的問題是，由于清水壓裂液粘度低，因此攜砂能力弱，通常采用提高施工排量(>12m3/min)的措施來提高攜砂能力，但高排量施工不僅對地面壓裂車組提出高標準，同時也增大了管柱摩阻，造成設備功率的極大浪費，而且也影響著縫網(wǎng)擴展的體積大小。因此，提高清水壓裂液的懸砂效果也成為關注的熱點問題。
[0009]因此，需要采用更加有針對性和實際應用價值的評價方法，開發(fā)一種用于我國頁巖儲層體積壓裂，且具有良好攜砂效果的清水壓裂液體系。

【發(fā)明內容】

[0010]本發(fā)明要解決的技術問題在于，針對現(xiàn)有技術的上述缺陷，提供一種用于頁巖體積壓裂的纖維復合清水壓裂液。在清水壓裂液各添加劑評價中，都盡量采用目前國內外最常用的工藝在盡量貼近實際施工及地層環(huán)境的條件下進行評價，該體系配方完整、摩阻低，具有良好的防膨和粘土穩(wěn)定效果、滅菌及抑菌效果、阻垢性能和助排效果，表、界面張力低，可有效保護頁巖儲層，而且由于納米SiO2復合纖維的加入，顯著提高了清水壓裂液的懸砂性能，有效降低了清水壓裂液的管柱摩阻，并能防止支撐劑回流，特別適合于我國頁巖儲層的體積壓裂開發(fā)。
[0011]本發(fā)明是通過采用 下述技術方案實現(xiàn)的:
[0012]一種用于頁巖體積壓裂的纖維復合清水壓裂液，其特征在于，所述清水壓裂液，按重量百分比計包括:減阻劑，0.1% ;防膨劑，1% ;長效粘土穩(wěn)定劑，1% ;殺菌劑，0.06% ;阻垢劑，0.005% ;表面活性劑，0.3% ;余量為水。所述纖維為納米Si02復合纖維。
[0013]所述減阻劑為陰離子類聚丙烯酰胺減阻劑產品XT-65B，分子量約1000萬，有效成分35%。在高剪切速率下，具有相對穩(wěn)定的減阻能力，而且當剪切速率增加到最大值后再依次減小，重新測試減阻效果實驗中，該產品減阻效果損失最小。
[0014]所述防膨劑為KC1，根據(jù)防膨率測試結果與毛管力吸上時間測試結果綜合分析，該產品不僅防膨效果較好，而且使用更加廣泛，價格更加低廉。
[0015]所述長效粘土穩(wěn)定劑為CS-2，該產品是通過用含有不同粘土穩(wěn)定劑的溶液通入混有頁巖巖粉顆粒的填砂管，比較通入前后滲透率的變化優(yōu)選出的，具有良好的防止粘土顆粒運移造成滲透率傷害的能力，而且與防膨劑KCl的綜合效果評價中，滲透率傷害最小。
[0016]所述殺菌劑為戊二醛/ADBAC復配殺菌劑，其中戊二醛占85%，ADBAC占15%。ADBAC為十二烷基二甲基芐基氯化銨。為了評價不同殺菌劑的滅菌效果，采用了行業(yè)標準推薦的絕跡稀釋法，考察殺菌劑在不同作用時間下(I小時和4小時)的殺菌效果及殺菌速率。同時，考慮到在實際地層中，會有地層細菌不斷進入裂縫或其他流動通道中，因此較好的殺菌劑應該既能快速的滅菌，又能持久高效的抑制細菌繁殖生長。所以，在實驗中，對殺菌效果較好的配方進行抑菌能力測試，即在經(jīng)過3周的滅菌實驗后，再重新植入細菌，重新評價其殺菌效果。所有滅菌和抑菌實驗均采用二次重復法，即有一組平行實驗。最后綜合滅菌及抑菌效果，選定最優(yōu)的殺菌劑配方。優(yōu)選的配方不僅滅菌及抑菌效果好，而且與陰離子型減阻劑XT-65B配伍性良好。
[0017]所述阻垢劑為XT-97 (有機磷酸)。采用濁度曲線的方法來評價阻垢劑，50ppm的XT-97阻垢率為86.67%。
[0018]所述表面活性劑作為助排劑，為非離子型碳氟表面活性劑SF-2，助排率達到了92.87%。表面活性劑有在支撐劑層和地層吸附的可能，從而有效成分減少。因此，有必要對表活性劑的吸附性進行評價，0.3%SF-2吸附前后表面張力分別為21.18mN/m和23.43mN/m,界面張力分別為0.68mN/m和0.94mN/m。上述原料市場均有銷售。
[0019]所述納米SiO2復合纖維以PP-g-MAH為相容劑，是通過將PP、PET、納米SiO2經(jīng)熔融共混所得的母粒紡絲制得的。具有以下性能參數(shù):
[0020]①纖維抗拉強度≥800Mpa,彈性模量≥6000Mpa,斷裂延伸率為35%_40% ；
[0021]②纖維的密度為0.96g/cm3 ；
[0022]③纖維直徑為25 μ m ;
[0023]④纖維長度為6mm-12_ ；
[0024]⑤纖維親水憎油。
[0025]該纖維的熱穩(wěn)定性得到增強，熱變形溫度大幅度提高，200°C時性能基本無變化；納米粒子的加入增強了表面能，使得纖維與巖石顆粒或支撐劑間的吸附力變強，更加有利于穩(wěn)定支撐劑；此纖維具有良好的化學穩(wěn)定性，在5%的鹽酸、pH值為9的堿液、礦化度0.2g/L的鹽水中的抗溶蝕率都在99.1%以上，因而抗酸、堿、鹽腐蝕能力強，能夠滿足防砂用纖維的要求；纖維與支撐劑的復合體與單純支撐劑相比，抗壓強度提高了 32.5%，所用纖維的濃度，即纖維與支撐劑的質量比應控制在0.5%-1%之間；纖維經(jīng)表面改性后，在清水壓裂液中，不僅分散速度快，而且分散效果好。
[0026]本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比具有如下優(yōu)點:
[0027]( I)在清水壓裂液各添加劑評價中，都盡量采用目前國內外最常用的工藝在盡量貼近實際施工及地層環(huán)境的條件下進行評價。為評價高速剪切下的減阻劑性能，設計出了適合于高剪切速率下減阻劑性能評價的環(huán)流摩阻流動裝置；為了評價防膨劑，采用了國內最常用的防膨率測試以及國外最常用的毛管力吸上時間測試兩種方法，進行了分析對比；為了采用濁度法評價阻垢劑，設計出了能夠與行業(yè)標準中用滴定法測定阻垢率指標相一致的計算方法，并且將結垢后碳酸鈣顆粒的粒徑與支撐劑層孔吼尺寸做對比來判斷其傷害情況；在評價殺菌劑時，不僅考慮到了不同殺菌劑的滅菌能力，還同時評價了其抑菌能力；表面活性劑評價重點關注了其可能因為吸附在支撐劑層和地層中而導致的有效成分減少的情況。
[0028](2)清水壓裂液體系配方完整、摩阻低，具有良好的防膨和粘土穩(wěn)定效果、滅菌及抑菌效果、阻垢性能和助排效果，表、界面張力低，可有效保護頁巖儲層，也可重復利用。
[0029](3)清水壓裂液體系中，所使用的纖維為納米SiO2復合纖維，具有良好的熱力學和化學穩(wěn)定性，在清水壓裂液中，不僅分散速度快，而且分散效果好。其加入顯著提高了清水壓裂液的懸砂性能，濃度為0.7%的纖維加入后，支撐劑90min的沉降率只有47% ;有效降低了清水壓裂液的管柱摩阻，濃度為0.8%纖維的加入，將清水壓裂液的摩阻降低24%，并能有效防止支撐劑回流，特別適合于我國頁巖儲層的體積壓裂開發(fā)。
【專利附圖】

【附圖說明】 [0030]為了更清楚地說明本發(fā)明實施例，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹。在附圖中:
[0031]圖1為不同濃度纖維加入后，纖維復合清水壓裂液的摩阻曲線；
[0032]圖2為支撐劑在不同濃度纖維的清水壓裂液中的沉降率曲線。
【具體實施方式】
[0033]為使本發(fā)明實施例的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，下面結合附圖對本發(fā)明實施例做進一步詳細說明。在此，本發(fā)明的示意性實施例及其說明用于解釋本發(fā)明，但并不作為對本發(fā)明的限定。
[0034]實施例
[0035]一種用于頁巖體積壓裂的纖維復合清水壓裂液配方中，所述清水壓裂液，按重量百分比計包括:減阻劑，0.1% ;防膨劑，1% ;長效粘土穩(wěn)定劑，1% ;殺菌劑，0.06% ;阻垢劑，0.005% ;表面活性劑，0.3% ;余量為水。所述纖維為納米SiO2復合纖維。
[0036]配制工藝過程為:取975.35克水置于無菌混調器中，依次加入減阻劑(陰離子類聚丙烯酰胺減阻劑產品XT-65B，分子量約1000萬，有效成分35%) I克，長效粘土穩(wěn)定劑(CS-2) 10克，防膨劑(KCl) 10克，阻垢劑(有機磷酸XT-97) 0.05克，復配殺菌劑(戊二醛
0.51克，十二烷基二甲基芐基氯化銨0.09克)0.6克，攪拌I分鐘后，再加入表面活性劑(助排劑非離子型碳氟表面活性劑SF-2) 3克，攪拌30秒后制成清水壓裂液。測試該清水壓裂液的減阻效果，實驗以剪切速率為對比標準來模擬不同剪切速率下的減阻劑效果，測其減阻結果如圖1所示，由結果可知，清水壓裂液體系相比清水，相同剪切速率下，管線摩阻降低了 50%左右。該體系減阻效果比較穩(wěn)定，配伍性較好。
[0037]利用壓裂充填防砂模型(專利號:ZL201010610120.5)，基于纖維防支撐劑回流效果，優(yōu)化纖維的長度，在滿足防回流要求條件下，纖維長度越短越好，纖維過長，易堵塞孔眼，堆積在管線彎道處或纏繞在井下流量計上，影響施工的正常進行，優(yōu)化的最優(yōu)纖維長度為6-12_。進而基于防回流效果,優(yōu)化的最優(yōu)纖維濃度為0.5%-1%。
[0038]不同纖維對導流能力的影響規(guī)律并不一致，針對此納米復合纖維，開展不同濃度纖維對支撐劑導流能力的影響測試，實驗結果表明:低閉合壓力下(<20MPa)，納米復合纖維可提升裂縫導流能力。最優(yōu)纖維濃度大約是0.7%，超過此值，隨閉合壓力的增加，導流能力急劇下降。建議高閉合壓力下，纖維濃度控制在1%以內，使得導流能力損失不超過16%。
[0039]如果設計在1500ml量筒內，加入上述配置的清水壓裂液1000克，按照20%砂比，加入密度為1.6g/cm3的carbo-lite40/60目陶粒支撐劑320克,則纖維濃度(纖維與支撐劑的質量比)為0.5%時，應加入1.6克。因此首先在1000克的清水壓裂液中，加入1.6克的納米SiO2復合纖維，之后再加入支撐劑，測試不同時間下，支撐劑在0.5%纖維復合清水壓裂液中的沉降率，測試結果如圖2所示。由圖可知，0.5%纖維的加入，使支撐劑在清水壓裂液中的沉降率在90分鐘時，減小了 28%。
[0040]配置0.5%纖維濃度的纖維復合清水壓裂液，測試其減阻效果，如圖1所示，0.5%纖維的加入，使清水壓裂液的管流摩阻平均減小了 15%。
[0041]本發(fā)明的有益效果在于:在清水壓裂液各添加劑評價中，都盡量采用目前國內外最常用的工藝在盡量貼近實際施工及地層環(huán)境的條件下進行評價。清水壓裂液體系配方完整、摩阻低，具有良好的防膨和粘土穩(wěn)定效果、滅菌及抑菌效果、阻垢性能和助排效果，表、界面張力低，可有效保護頁巖儲層，也可重復利用。所使用的纖維為納米SiO2復合纖維，具有良好的熱力學和化學穩(wěn)定性，在清水壓裂液中，不僅分散速度快，而且分散效果好。其加入顯著提高了清水壓裂液的懸砂性能，有效降低了清水壓裂液的管柱摩阻，并能有效防止支撐劑回流，特別適合于我國頁巖儲層的體積壓裂開發(fā)。
[0042]以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限定本發(fā)明的保護范圍，凡在本發(fā)明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種用于頁巖體積壓裂的纖維復合清水壓裂液，其特征在于，所述清水壓裂液，按重量百分比計包括:減阻劑，0.1% ;防膨劑，1% ;長效粘土穩(wěn)定劑，1% ;復配殺菌劑，0.06% ;阻垢劑，0.005% ;表面活性劑，0.3% ;余量為水。所述纖維為納米SiO2復合纖維。
2.如權利要求1所述的用于頁巖體積壓裂的纖維復合清水壓裂液，其特征在于，所述減阻劑為陰離子類聚丙烯酰胺減阻劑產品XT-65B，分子量約1000萬，有效成分35%。
3.如權利要求1所述的用于頁巖體積壓裂的纖維復合清水壓裂液，其特征在于，所述防膨劑為KCl。
4.如權利要求1所述的用于頁巖體積壓裂的纖維復合清水壓裂液，其特征在于，所述長效粘土穩(wěn)定劑為CS-2。
5.如權利要求1所述的用于頁巖體積壓裂的纖維復合清水壓裂液，其特征在于，所述殺菌劑為戊二醛/ADBAC復配殺菌劑，其中戊二醛占85%，ADBAC (十二烷基二甲基芐基氯化銨)占15%。
6.如權利要求1所述的用于頁巖體積壓裂的纖維復合清水壓裂液，其特征在于，所述阻垢劑為XT-97 (有機磷酸)。
7.如權利要求1所述的用于頁巖體積壓裂的纖維復合清水壓裂液，其特征在于，所述表面活性劑作為助排劑，為非離子型碳氟表面活性劑SF-2。
8.如權利要求1所述的用于頁巖體積壓裂的纖維復合清水壓裂液，其特征在于，所述納米SiO2復合纖維以PP-g-MAH為相容劑，是通過將PP、PET、納米SiO2經(jīng)熔融共混所得的母粒紡絲制得的。具有以下性能參數(shù):①纖維抗拉強度≥800Mpa，彈性模量≥6000Mpa，斷裂延伸率為35%_40%；②纖維的密度為0.96g/cm3 ；③纖維直徑為25μ m ;④纖維長度為6mm-12mm；⑤纖維親水憎油。
9.如權利要求1-8中所述的用于頁巖體積壓裂的纖維復合清水壓裂液，其特征在于，所用纖維的濃度，即纖維與支撐劑的質量比控制在0.5%-1%之間。
【文檔編號】C09K8/68GK103602330SQ201310659844
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2013年12月9日 優(yōu)先權日:2013年12月9日
【發(fā)明者】郭天魁, 曲占慶, 龔迪光, 田宇, 楊陽, 王冰, 李小龍, 黃德勝 申請人:中國石油大學(華東)