高效节能、桥接通道全耦合纤维支撑剂体系及其应用方法与流程

本发明涉及油气增产改造
技术领域：
，特别是一种用于压裂领域的提高支撑剂有效铺置的携砂体系及应用方法。
背景技术：
：随着常规油气资源的不断开采和挖掘，非常规油气藏(页岩油气、致密油气、煤层气等)的增产改造显得尤为关键和迫在眉睫。但由于非常规油气储层的渗透率较低，传统的工艺开采方法并不能有效的开发此类储层。因此，水力压裂技术对于此类储层的有效开发也就显得尤为重要。水力压裂技术主要分为以下几个步骤：1)注入高压流体，破裂储层并产生裂缝通道；2)注入携砂液充填裂缝通道，防止裂缝由于受到地层围压而闭合；3)反排压裂液，油气通过支撑剂充填的渗流通道。在以上的施工步骤中，携砂液高效充填裂缝通道一直是国内外学者和专家研究的热点。其研究热点主要包括以下几方面：1)携砂液粘度的提高；2)支撑剂密度的减小；3)较低密度的支撑剂有较高的抗压强度。但以上几方面也存在着不足：1)由于我国非常规储层富集于山高丘陵等地带，水资源较为匮乏，改进流体的性能虽能提高支撑剂的有效铺置，但有限的水资源也并未能满足多口井的水力压裂需求；其次，高粘度的压裂液对于地层的伤害问题也尤为突出，特别是对于页岩气、致密气等微小孔隙和裂缝宽度的堵塞。2)支撑剂密度的减小主要是采用支撑剂表面覆膜(主要是水凝胶类聚合物)；通过支撑剂表面覆膜的溶胀，实现压裂液与支撑剂相互作用及内部结构的改变，从而实现支撑剂的有效悬浮。采用空气吸附支撑剂覆膜的表面(空气自悬浮支撑剂))；通过空气的支撑实现支撑剂的悬浮、或者是通过陶粒的内部结构(空心支撑剂)改造实现密度的降低。但其覆膜支撑剂价格过于高昂、覆膜的聚合物也会对地层裂缝和孔隙带来一定的伤害并且空气吸附支撑剂虽在地面试验评价有较好的悬浮效果，但在储层中由于温度和高压的限制，储层中的气体大多以临界相态存在，从而也就导致了覆膜支撑剂在现场的应用较少。3)支撑剂由于密度的减小如空气支撑剂，其抗压强度也大打折扣。因此，基于以上的不足，如何有效的研发一种新型的、低伤害、节能高效的纤维支撑剂也就显得尤为重要。技术实现要素：本发明的一个目的是提供一种提高支撑剂有效铺置的耦合携砂体系。本发明的一个目的是提供一种上述的耦合携砂体系的应用方法。本发明的另一个目的是实现耦合砂体系的节能高效以及自桥接形成高速通道。本发明的另一个目的是实现耦合砂体系的与清水或高矿化度反配液的组合情况下，也能实现高效悬浮及架桥高速通道。本发明提供的压裂用耦合携砂支撑剂体系包括压裂液、特种纤维和覆膜支撑剂。该携砂体系能够实现支撑剂的自悬浮，提高支撑剂的有效铺置。所述覆膜支撑剂具有核壳结构，包含有核心、接连层和壳层3部分。覆膜支撑剂是以常规支撑剂为核心，在常规支撑剂的表面先后设置连接层和壳层。常规支撑剂为石英砂、陶粒、铝土矿、空心陶粒中的一种。所述连接层为含氮的硅烷偶联剂和交联剂，其中，含氮硅烷偶联剂可以选自n-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三乙氧基硅烷、二(3-三甲氧基甲硅烷基丙基)胺、3-氨基丙基三甲氧基硅烷、3-氨基丙基三乙氧基硅烷、3-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷、n-氨乙基-3-氨丙基甲基二甲氧基硅烷、n-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷、γ-脲丙基三乙氧基硅烷、3-氨丙基甲基二乙氧基硅烷中的一种。含氮的硅烷偶联剂用量为核心常规支撑剂重量的0.1-5％，优选为1wt％。使用时，将含氮的硅烷偶联剂先配置成质量百分浓度为0.5-5％的溶液，优选浓度为2％。配制含氮的硅烷偶联剂溶液采用的溶剂可以为甲醇、乙醇、异丙醇、叔丁醇、正丁醇、水的一种或多种复合，优选为乙醇。所述交联剂可以选自甲醛、戊二醛、3-氯-1,2-环氧丙烷、乌洛托品中的一种。交联剂用量为核心支撑剂重量的0.05-2％，优选为0.5％。使用时，将交联剂配制成质量百分浓度为0.5-5％的溶液，优选浓度为1％。配制交联剂溶液采用的溶剂可以为甲醇、乙醇、异丙醇、叔丁醇、水的一种或多种复合，优选为水。所述壳层材料选自小分子表面活性剂或油溶性低分子量聚合物。所述小分子表面活性剂是椰油酰胺丙基羟磺基甜菜碱、月桂酰胺丙基甜菜碱、十二烷基糖苷、α-烯烃磺酸钠(十二碳)中的一种或至少两种的复合。所述小分子表面活性剂用量为核心常规支撑剂材料重量的0.5-10％，优先用量为2％。使用时，将小分子表面活性剂配制成质量百分浓度为0.5-10％的溶液，优选浓度为5％。配制表面活性剂溶液的溶剂可以为甲醇、乙醇、异丙醇、叔丁醇、正丁醇、水等的一种或多种复合，优选的是水。所述油溶性低分子量聚合物为阴离子型聚丙烯酰胺及其衍生物的一种或至少两种的复合。所述油溶性低分子量聚合物的分子量为5000-100000，其结构式如下：式中，x为h或na，r为c12-c22的饱和或不饱和烷氧基，x、y、z的取值范围为0.05-0.2、0.1-0.3、0.1-0.2。油溶性低分子量聚合物使用时可配制成质量百分浓度为0.5-10％的溶液，优选浓度为5％。溶剂选用石油醚、正己烷、环己烷、煤油、白油、正辛醇的一种，优选的是正己烷。所述覆膜支撑剂的制备方法如下：将含氮的硅烷偶联剂溶于醇类溶剂或水中，得到溶液a，然后将常规支撑剂加入溶液a中搅拌混合均匀，加热升温使醇类溶剂或水全部挥发除去，进一步干燥；在搅拌锅内配制交联剂溶液b，然后将上一步制得的支撑剂共同加入搅拌锅，升温使交联剂与支撑剂反应；最后搅拌锅升温至60-100℃，然后将预先配制好的壳层材料溶液c滴加到搅拌锅内，滴加完毕后升温至110℃恒温30min，得到覆膜支撑剂。所述特种纤维是经过表面修饰剂处理的常规纤维，常规纤维选自粘胶纤维、醋酸纤维、铜氨纤维、聚乙烯纤维、聚丙烯纤维、聚乙烯醇缩醛纤维、聚酯纤维、聚乳酸纤维、聚酰胺纤维、纤维素纤维中的一种或至少两种的复合物。常规纤维的长度为3-19mm，优选长度为12mm。所述表面修饰材剂为吐温40和α-烯烃磺酸钠(十二碳)的复合物。所述特种纤维的制备方法是：将常规纤维平铺于容器中，100℃恒温预热10min，然后将表面修饰剂的水溶液均匀喷洒在常规纤维表面，100℃干燥处理，得到特种纤维。经过表面修饰剂处理后的纤维能够更好的在清水或低粘度压裂液中均匀分散，同时纤维能够与覆膜支撑剂有很好的亲和力，能够减缓支撑剂在清水或低粘度常规压裂液中的沉降，甚至实现支撑剂在清水或低粘度常规压裂液中的悬浮。所述压裂液可以采用滑溜水溶液、减阻剂溶液、羟丙基瓜胶溶液、阴离子丙烯酰胺溶液、活性水的一种。压裂液可用湖水、河水、海水、地层采出水、去离子水等配制。压裂液中不需要加入交联剂，压裂液粘度可以低至10mpa.s以下，最低粘度可为活性水，压裂液可与其他组分配合实现支撑剂良好携带。本发明的携砂支撑剂体系除了上述的覆膜支撑剂、特种纤维、压裂液外，还包括其他压裂液中常见的添加剂。常见添加剂包括黏土稳定剂、杀菌剂、起泡剂、消泡剂、助排剂、ph调节剂等，皆为本领域工作人员熟知，可根据施工要求任意选择。覆膜支撑剂、特种压裂常用纤维、压裂液与其他压裂液体中常见添加剂之间有很好的相容性。本发明的携砂支撑剂体系在现场应用时，可以选取如下三种工艺方法之一进行操作：方法一：步骤(1)在混砂罐中将覆膜支撑剂、特种纤维及滑溜水压裂液混合形成携砂液；(2)将携砂液泵入储层；(3)将清水或低粘度滑溜水泵入储层；重复交替进行步骤(2)和(3)；方法二：步骤(1)在混砂罐中将覆膜支撑剂和滑溜水压裂液混合；(2)将特种纤维和滑溜水压裂液混合；(3)滑溜水携带覆膜支撑剂以脉冲的方式泵入储层；(4)滑溜水携带纤维以脉冲的方式注入储层；方法三、在混砂罐中将覆膜支撑剂、纤维及滑溜水压裂液混合形成携砂液；然后连续注入地层。与现有技术相比，本发明的有益之处在于：(1)本发明的携砂体系可以多次循环利用；(2)覆膜支撑剂壳层材料采用小分子表面活性剂或低分子量聚合物，极大的降低了聚合物对于环境的污染；(3)特种纤维与覆膜支撑剂相互配合作用，实现支撑剂的高效悬浮；(4)本发明的覆膜支撑剂具有较高的抗压强度；(5)覆膜支撑剂具有较好的反排能力；(6)覆膜支撑剂由于只需较低粘度压裂液(1.5mpa·s)的携带，其抗摩阻能力提升；(7)覆膜支撑剂具有较好的降滤失性能；(8)本发明的携砂体系应用时具有操作简单、价格低廉、环境伤害小、应用范围广等优点。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常规支撑剂的示意图。图2本发明的覆膜支撑剂的核壳结构示意图。图3实施例7中压裂体系携砂情况图。图4实施例8中压裂液体系携砂对比图。图5常规压裂液携带常规支撑剂示意图。图6本发明的压裂液携带核壳结构覆膜支撑剂示意图。图7本发明中特种纤维和覆膜支撑剂耦合后，形成的高效悬浮及自桥接通道图与未改性原砂+未改性纤维的对比图。图8本发明的全耦合纤维支撑剂在高矿化度返排液情况下形成的砂堤铺置图。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。实施例1如图1和2所示，图1是常规支撑剂的结构示意图。图2是本发明的覆膜支撑剂的结构示意图。可以看出，本发明的覆膜支撑剂具有核壳结构，其核心为常规支撑剂，在常规支撑剂的表面依次包裹设置有连接层和壳层。连接层位于核心与壳层之间，用于固定连接核心和壳层。实施例2一种覆膜支撑剂的制备：覆膜支撑剂选取石英砂为核心，3-氨基丙基三乙氧基硅烷和3-氯-1,2-环氧丙烷为连接层，椰油酰胺基羟磺基甜菜碱为壳层。所有原料配方如表1所示：表1覆膜支撑剂所用原料制备方法步骤：(1)选取20/40目的石英砂加入到反应容器中，用1wt％的hcl溶液浸泡30min除去石英砂表面的污渍；将液体过滤除去，用清水洗涤除去残余酸至中性；在105℃下干燥2h后，待用。(2)取3-氨基丙基三乙氧基硅烷加入反应容器中，加入乙醇作为溶剂，室温下搅拌10mim；然后向反应容器中加入步骤(1)洗净干燥的石英砂，室温下搅拌10mim混合均匀；将反应器温度升至80℃，反应3h直到溶剂全部挥发；继续升温到105℃保持1h。(3)称取3-氯-1,2-环氧丙烷加入搅拌锅，加入纯水，室温下搅拌20mim得到溶液；将步骤(2)制得的石英砂加入到搅拌锅中，控制搅拌速度为300rpm，升温至45℃，继续反应30min。(4)称取椰油酰胺丙基羟磺基甜菜碱加入中间容器，加入纯水，室温下搅拌20mim得到溶液；将步骤(3)制得的石英砂，升温至100℃，维持搅拌速度为300rpm；将中间容器的椰油酰胺丙基羟磺基甜菜碱溶液缓慢滴加到搅拌锅中；滴加完成后，升温至110℃继续加热30min，得到覆膜支撑剂。实施例3一种覆膜支撑剂的制备方法：覆膜支撑剂选取40/70目陶粒为核心，n-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三乙氧基硅烷和戊二醛为连接层，10000分子量油溶性聚合物为壳层。所有原料配方如表2所示：表2覆膜支撑剂所用原料制备方法步骤：(1)选取40/70目的陶粒加入到反应容器中，用1wt％的hcl溶液浸泡30min除去石英砂表面的污渍；将液体过滤除去，用清水洗涤除去残余酸至中性；在105℃下干燥2h后，待用。(2)取n-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三乙氧基硅烷加入反应容器中，加入乙醇作为溶剂，室温下搅拌10mim；然后向反应容器中加入步骤(1)洗净干燥的石英砂，室温下搅拌10mim混合均匀；将反应器温度升至75℃，反应3h直到溶剂全部挥发；继续升温到105℃保持1h，得到含有连接层的陶粒。(3)称取戊二醛加入搅拌锅，加入纯水，室温下搅拌20mim得到溶液；将步骤(2)制得的陶粒加入到搅拌锅中，控制搅拌速度为300rpm，升温至70℃，继续反应30min；然后维持搅拌速度为300rpm，升温至100℃保持1h，得到干燥的陶粒。(4)称取油溶性聚合物加入中间容器，加入正己烷，室温下搅拌20mim得到溶液；将步骤(3)制得的陶粒加入到搅拌锅中，控制搅拌速度为300rpm，升温至60℃；将中间容器的油溶性聚合物溶液缓慢滴加到搅拌锅中；滴加完成后，升温至110℃继续加热30min，得到覆膜支撑剂。实施例4一种覆膜支撑剂的制备方法：覆膜支撑剂选取20/40目空心陶粒为核心，γ-脲丙基三乙氧基硅烷和乌洛托品为连接层，5000分子量油溶性聚合物为壳层。所有原料配方如表3所示：表3覆膜支撑剂所用原料制备方法步骤：(1)选取20/40目的空心陶粒加入到反应容器中，用1wt％的hcl溶液浸泡30min除去石英砂表面的污渍；将液体过滤除去，用清水洗涤除去残余酸至中性；在105℃下干燥2h后，待用。(2)取γ-脲丙基三乙氧基硅烷加入反应容器中，加入乙醇作为溶剂，室温下搅拌10mim；然后向反应容器中加入步骤(1)洗净干燥的石英砂，室温下搅拌10mim混合均匀；将反应器温度升至75℃，反应3h直到溶剂全部挥发；继续升温到105℃保持1h，得到含有连接层的空心陶粒。(3)称取乌洛托品加入搅拌锅，加入乙醇，室温下搅拌20mim得到溶液；将步骤(2)制得的空心陶粒加入到搅拌锅中，控制搅拌速度为300rpm，升温至75℃，继续反应30min；然后维持搅拌速度为300rpm，升温至80℃保持1h，得到干燥的陶粒。(4)称取油溶性聚合物加入中间容器，加入正己烷，室温下搅拌20mim得到溶液；将步骤(3)制得的陶粒加入到搅拌锅中，控制搅拌速度为300rpm，升温至80℃；将中间容器的油溶性聚合物溶液缓慢滴加到搅拌锅中；滴加完成后，升温至110℃继续加热30min，得到覆膜支撑剂。实施例5一种特种纤维的制备：以聚乙烯醇缩醛纤维为例，说明特种纤维的制备方法。该方法处理后，可增加纤维与支撑剂的亲和力，增强压裂液携带支撑剂的能力。所用原料配方如表4所示：表4制备特种纤维所用原料原料加量/份聚乙烯醇缩醛纤维100吐温401.5α-烯烃磺酸钠(十二碳)0.5出离子水20特种纤维的制备方法如下。(1)称取吐温40和α-烯烃磺酸钠(十二碳)于中间容器，加入去离子水，室温下搅拌20min，得到改性溶液。(2)将聚乙烯醇缩醛纤维平铺于容器中，在100℃下恒温预热10min。(3)将步骤(1)制备的改性溶液装入到喷壶中，慢慢均匀喷洒在聚乙烯醇缩醛纤维上，100℃环境下干燥，得到特种纤维。实施例6另一种特种纤维的制备：以纤维素纤维为例，说明特种纤维的制备方法。该方法处理后，可增加纤维与支撑剂的亲和力，增强压裂液携带支撑剂的能力。所用原料配方如表5所示：表5制备特种纤维所用原料原料加量/份纤维素纤维100吐温401α-烯烃磺酸钠(十二碳)1.5出离子水25特种纤维的制备方法如下。(1)称取吐温40和α-烯烃磺酸钠(十二碳)于中间容器，加入去离子水，室温下搅拌20min，得到改性溶液。(2)将纤维素纤维平铺于容器中，在100℃下恒温预热10min。(3)将改性溶液装入到喷壶中，逐渐将改性溶液全部均匀喷洒在纤维素纤维上，100℃环境下干燥，得到特种纤维。实施例7压裂体系携砂性能评价实验：选取300ppm的减阻剂溶液，该溶液粘度为1.5mpa.s，并加入压裂液其他添加剂，到对实施例2制备的覆膜支撑剂和实施例5制备的特种纤维性能评价。压裂液体系各组分配方如表6所示。表6制备特种纤维所用原料原料加量/重量份减阻剂溶液250覆膜支撑剂7.5特种纤维0.5kcl2.5戊二醛0.25含硅消泡剂0.5氟碳助排剂0.5naco30.5评价方法如下。(1)称取减阻剂溶液于烧杯中，加入kcl、naco3、戊二醛、含硅消泡剂、氟碳助排剂和特种纤维，在1000rpm下搅拌10min，至体系均匀。(2)在搅拌条件下，向烧杯中加入20/40目覆膜支撑剂，支撑剂加完后继续搅拌1min，关闭搅拌器，观察支撑剂沉降速度。停止搅拌5min后，支撑剂的沉降情况如图3所示。图3(左)为添加同样质量比例的普通支撑剂和普通纤维，在同等实验条件下的静置结果，图3(右)为添加了等量覆膜支撑剂和特种纤维，在同等实验条件下的实验结果。通过实验比对，证明了覆膜支撑剂与特种纤维系配合使用性能远远高于普通支撑剂与纤维的组合，覆膜支撑剂与特种纤维在纤维分散性，支撑剂悬浮性方面的性能明显高于普通纤维和支撑剂。实施例8压裂体系铺置效果评价实验：选取300ppm的减阻剂溶液，该溶液粘度为1.5mpa.s，并加入压裂液其他添加剂，到对实施例2所制备的覆膜支撑剂和实施例5所制备的特种纤维性能评价。压裂液体系各原料组分配比同实施例7的表3，配制1.5l压裂液。评价方法如下：(1)装配并测试动态携砂评价装置，在混砂筒中加入1.5l压裂液并开始搅拌。(2)打开射孔通道并开启注入泵，注入0.5l压裂液(前置液)后关闭射孔通道。(3)以先纤维后支撑剂的顺序在混砂筒中依次加入特种纤维和支撑剂，待混砂均匀后打开射孔通道和裂缝出口阀门。观察实验现象。动态携砂实验结果如图4所示。图4(左)为等量普通支撑剂和普通纤维在同等条件下的动态携砂结果，图4(右)为覆膜支撑剂和特种纤维在同等实验条件下的实验结果，可以明显看出，覆膜支撑剂与特种纤维组合在支撑剂铺置高度和携砂浓度以及悬浮性能上都有较为明显的优势，效果突出。通过研究分析可知，常规压裂液携带常规支撑剂的作用示意图如图5所示。而本发明的新型纤维压裂液携带核壳结构支撑剂示意图如图6所示。因此，本发明的覆膜支撑剂与特种纤维配合使用形成的携砂体系在支撑剂铺置高度和携砂浓度以及悬浮性能上都由于常规压裂液携砂体系。实施例9压裂体系清水铺置效果评价实验：选用民用自来水加入压裂液其他添加剂，对实施例2所制备的覆膜支撑剂和实施例5所制备的特种纤维进行性能评价。压裂液体系各原料组分配比同实施例7的表3，配制1.5l压裂液。评价方法如下：(1)装配并测试动态携砂评价装置，在混砂筒中加入1.5l压裂液并开始搅拌。(2)打开射孔通道并开启注入泵，注入0.5l压裂液(前置液)后关闭射孔通道。(3)以先纤维后支撑剂的顺序在混砂筒中依次加入特种纤维和支撑剂，待混砂均匀后打开射孔通道和裂缝出口阀门。观察实验现象。动态携砂实验结果如图7所示。图7(左)为等量普通支撑剂和普通纤维在同等条件下的动态携砂结果，图7(右)为覆膜支撑剂和特种纤维在同等实验条件下的实验结果，该实施例通过清水泵注对比了本发明产品和未经处理原产品的携砂性能，通过对比可以看出，本发明性能在支撑剂铺置高度和压裂液对支撑剂的携带能力上都具有绝对的优势。实施例10压裂液体系返排液铺置效果评价实验：采用实施例9所展示的评价方法，从清水压裂液体系改变为返排液压裂液体系。选用油田压裂施工现场所收集的返排液，添加其他添加剂，对实施例2所制备的覆膜支撑剂和实施例5所制备的特种纤维进行性能评价。压裂液体系各原料组分配比同实施例7的表3，配制1.5l压裂液。评价方法如下：(1)装配并测试动态携砂评价装置，在混砂筒中加入1.5l压裂液并开始搅拌。(2)打开射孔通道并开启注入泵，注入0.5l压裂液(前置液)后关闭射孔通道。(3)以先纤维后支撑剂的顺序在混砂筒中依次加入特种纤维和支撑剂，待混砂均匀后打开射孔通道和裂缝出口阀门。观察实验现象。动态携砂实验结果如图8所示。通过观察可以得出，在返排液体系中，本发明不仅铺置效果极佳，而且出现了纤维支撑剂体系在裂缝中上部聚集的现象，非常适合支撑剂的铺置，明显加大了通道率和裂缝的导流能力。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。当前第1页1 2 3 

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