CN101333922A - 解除压裂液污染的压裂工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种石油、天然气以及煤层气的开采技术，具体为一种解除压裂液污染的压裂工艺。解决了现有技术中存在的所有在压裂施工中使用的压裂液，其中添加的稠化剂在地层裂缝表面形成的致密滤饼而导致裂缝导流能力降低的问题。施工步骤为将前置液注入储油气地层中，当储油气地层产生裂缝时继续注入携砂液，随后注入顶替液，然后地面停泵，待裂缝闭合时刻T3后60分钟之内，在低于裂缝闭合压力P3的条件下，将二氧化氯生成物溶液或高锰酸钾或双氧水或过硫酸盐等能够降解聚合物的其它氧化剂溶液作为压裂后置液注入裂缝内，最后再注入顶替液将全部压裂后置液挤入地层裂缝中。从根本上消除压裂液的污染堵塞，充分发挥压裂技术的潜力，提高产量。

Description

解除压裂液污染的压裂工艺

技术领域

本发明涉及一种石油、天然气以及煤层气的开采技术，具体为一种解除压裂液污染的压裂工艺。

技术背景

水力压裂是提高或改造油层渗透率的主要手段，也是低渗透、特低渗透油田生产石油的主要增产手段，在天然气、煤层气开采时也广泛采用水力压裂技术。该方法理想的过程是利用地面高压泵组将高粘度液体——又称为压裂液，以大大超过地层吸收能力的排量注入到油井中，使井内的液压不断升高，当油井中压裂液压力大于地层压力和岩石抗张强度后，井底附近的含油地层就会在压力作用下产生裂缝(见附图1)，然后继续注入携带支撑剂(如石英砂、陶粒等)的压裂液——又称为携砂液，使之逐渐进入已形成的裂缝中，并随裂缝的延伸将支撑剂不断充填于裂缝内(见附图3)，当携砂液全部注入后，使裂缝达到设计要求的长度和宽度，随后继续注入顶替液将井筒内的携砂液顶入地层，裂缝内充填的支撑剂被压紧压实和均匀排列(见附图5)。此时，地面停泵撤出压力，人工裂缝在地应力作用下开始闭合，压裂液在井底生产压差作用下被返排流回井筒，然后被举升到地面。由于较长的支撑裂缝渗流表面巨大，且缝内又充填了大量高渗透率的支撑剂(和地层原始渗透率相比)，于是，在相同的生产压差下，能采出更多的油、气，这是水力压裂增产的主要机理。

由于井内情况无法直接观察，可以通过压裂施工期间及施工后实测的泵压随时间的变化来分析裂缝的动态变化(见附图6)，在图4中，0-T₁时间段内，注入压力持续升高，当达到地层破裂压力P₁时，地层开始产生裂缝，T₁-T₂时间段内是地面持续注入压裂液(包括携砂液和顶替液)的过程，在此过程中，裂缝逐渐延伸和加宽，然后地面停泵，此时的压力P₂为停泵压力，撤销压力后，随着时间的推移，裂缝逐渐闭合，压力相应下降，当压力曲线出现拐点(P₃)时，表示裂缝已基本闭合，裂缝宽度基本不再继续变窄，此时刻T₃称为闭合时刻，对应的压力P₃称为裂缝闭合压力。T3的确定是本领域技术人员所公知的。

压裂施工过程中会遇到如下的情况和问题：压裂液是水力压裂改造油层的工作液，它起着传递压力使地层产生裂缝、并携带和输送支撑剂进入裂缝的作用。按压裂施工过程的不同阶段，压裂液可分为前置液、携砂液和顶替液三种；压裂液主要由清水添加稠化剂、交联剂和其它化学添加剂混合而成，为了在地层内产生裂缝并形成足够的长度、宽度和高度，并能有效地将足够的支撑物质输送到缝内，要求压裂液具有相当高的粘度，通常是在其液中加入胍胶、田箐胶等聚合物(稠化剂)以提高压裂液粘度，而且，还要求在压裂施工结束后及时破胶，恢复到流动性良好的低粘度状态，以实现从裂缝中高效返排流回井筒，为达到这一要求，需要在压裂液中加入适当数量的破胶剂——目的是用来降解压裂液中起增稠作用的胶质，使之由原来的大分子变成小分子，改善液体的流动性，有利于压裂液返排，减少对油层的伤害。常用的破胶剂是酶或过硫酸盐等，为使压裂液彻底破胶，需要增加破胶剂用量，但用量过大又会引起压裂液粘度过早降低，使压裂液中携带的支撑剂提前快速沉降而出现“砂堵”，导致施工失败；若破胶剂用量太少，则压裂液破胶又不彻底，粘度难以彻底降低，不利于压裂液从地层中返排，使裂缝导流能力下降。所以，要求压裂液既要在施工过程中维持较高的粘度，又要在施工结束后迅速降解彻底破胶。由于压裂过程中，压裂液压力P_a始终地层压力P_b(见附图7)，压裂液沿着裂缝表面向地层孔隙的滤失是不可避免的，滤液中所包含的部分破胶剂也同时进入地层，不能发挥破胶作用，使压裂液中的大部分聚合物在裂缝表面浓缩形成致密的滤饼，同时，部分压裂液也进入裂缝表面的微小孔隙中形成浓缩液体，最终导致裂缝导流能力大大降低。压裂液一般采用胍胶交联冻胶，施工结束后其导流能力保持系数仅为10％～50％。实际操作中，因压裂液返排率低而使部分油井压裂后不出油变成“死井”。所以，如何解决压裂液的污染(或堵塞)问题，一直是国内外石油工业面临的技术难题。各国科技人员研究解决该问题的方法多是集中在筛选破胶剂种类和改进破胶剂性能上。最具代表性的是近年研制成功的一种“胶囊破胶剂”，又称为延缓释放破胶剂——它是在常规破胶剂材料表面包裹一层特殊的半渗透材料，在注入地层后利用挤压或渗透作用释放破胶活性物质，该方法能部分地改善裂缝的导流能力，可以使支撑裂缝渗透率保持率有一定程度提高，但其成本太高，投入产出比不合理，效果也难以满意。

为了解决压裂液对地层的污染问题，还试验应用了二氧化碳压裂工艺技术、高能气体压裂技术等，但由于多种原因，都具有一定的局限性，效果不明显。

已在食品、饮料、医疗等领域广泛应用的二氧化氯是一种强氧化剂。作为杀菌消毒剂，它可以快速杀灭各种微生物，包括油田常见的硫酸盐还原菌，腐生菌和铁细菌，此外，它对各种高分子聚合物也具有极强的降解能力。美国、加拿大等国家早在二十世纪八十年代后期就采用二氧化氯注入油井中，用以解决各类高聚物和微生物引起的堵塞问题，但是，终因在实际施工中存在二氧化氯爆炸的危险而未得到推广应用。专利02146452.9号记载了一种油田井下合成二氧化氯解堵剂及其解堵方法，该专利公开了一种能够在井下发生反应生成二氧化氯的物质，施工时将该物质注入到井下后才发生化学反应，生成大量二氧化氯，从而达到解除井下有机物和微生物堵塞的目的，同时避免了二氧化氯在地面生成带来的爆炸危险。

该专利对二氧化氯生成物的配方及使用方法给出了详细的介绍，并指出能很好地解决聚合物和微生物堵塞问题。二氧化氯对于前面提及的压裂液中的聚合物在裂缝表面形成的致密滤饼的降解也完全适用，但是，对于压裂施工中实际使用的时机、如何使用二氧化氯生成物以及对油气井压裂效果的重要影响，该文献并没有给出具体的实施方案。

发明内容

本发明为了解决现有技术中存在的所有在压裂施工中使用的压裂液，其中添加的稠化剂在地层裂缝表面形成的致密滤饼而导致裂缝导流能力降低的问题，提供了一种解决压裂液污染(或堵塞)的压裂工艺，为改善压裂增产效果开拓了新的有效途径。

本发明是由以下技术方案实现的一种解除压裂液污染的压裂工艺，具体施工步骤包括：将前置液注入储油气地层中，当储油气地层产生裂缝时继续注入携砂液，随后注入顶替液，然后地面停泵，待裂缝闭合时刻T3后60分钟之内，在低于裂缝闭合压力P3的条件下，将二氧化氯生成物溶液或高锰酸钾或双氧水或过硫酸盐等溶液作为压裂后置液注入裂缝内，最后再注入顶替液将全部压裂后置液挤入地层裂缝中。

技术关键：要求在裂缝闭合后尽快(60分钟之内)，在低于裂缝闭合压力的条件下将二氧化氯生成物溶液注入，并由最后注入的顶替液挤入裂缝中，利用反应生成的二氧化氯的强氧化性能，将缝内的聚合物及裂缝表面的滤饼氧化降解，使之流动性变好，易于返排出地面，达到油气井显著增产的目的。

与目前传统使用的压裂液技术相比(即破胶剂地面加入混合于携砂液内)，破胶剂不能将聚合物的残渣(不溶物)和浓缩的留在裂缝表面的聚合物滤饼彻底降解，而本发明注入的二氧化氯生成物(溶液)在井下发生反应，生成具有强烈活性的二氧化氯，二氧化氯的浓度可根据需要调整主剂与添加剂的比例得到控制，由于二氧化氯的生成反应发生在地下，所以不会有气体溢出，既不会对人体造成伤害，又没有发生爆炸的危险。因二氧化氯水溶液的比重和水接近，且能迅速氧化分解高分子聚合物，具有很强的穿透能力，使解堵半径很大，能比较彻底地消除地层裂缝中的滤饼和浓缩的压裂液(残渣)。

二氧化氯生成物注入时机选择在裂缝闭合后的理由是：如在裂缝闭合前注入，有可能出现过顶替现象——即裂缝开口处的支撑剂会被顶入裂缝深部，而当压力撤除后，因开口处已经没有支撑剂使裂缝彻底封闭，就会使油气被封堵在油气层内无法采出(如附图8所示意)；但如果在裂缝完全闭合后时间过长再注入二氧化氯生成物，则滤饼已被裂缝的闭合而压实，不容易被降解消除，也会影响压裂效果。

本技术现场操作简便，使用安全可靠，能有效地解除聚合物堵塞，显著的改善支撑裂缝的导流能力，其渗透率保持率高达90％以上。目前，为解决在开采石油、天然气、煤层气的生产过程中普遍存在的污染和堵塞问题，经常采用传统的压裂工艺，虽能获得增产，但因无法彻底解除前述的固有的聚合物污染堵塞问题而使效果难以令人满意。而采用本发明方法可从根本上消除压裂液的污染堵塞，充分发挥压裂技术的潜力，可获得以下三方面的效果：

1)由于压裂工艺新的突破，使现有油气井大幅度增产；

2)因产量过低，原来在经济上不合算的大量油气井或死井通过重复压裂能得以复活，恢复生产；

3)利用本发明技术可以对低品位石油资源加以开发动用，以改变已探明的石油储量长期积压的被动局面。

特别是在近期高油价的情况下，使用这项新技术，可使原来认为没有经济效益的低品位储量，低产油气井的石油资源得以开发利用，该技术如在各油田有效推广，不仅对缓解日益突出的石油供需矛盾具有重要的现实意义，而且对石油行业具有全局性的战略意义。

附图说明

图1：油井压裂过程中，地层开始产生裂缝时的结构示意图

图2：为图1的局部放大图

图3为地层裂缝在地层内延伸后的结构示意图

图4：为图3的局部放大图

图5为地层裂缝闭合后的局部结构示意图

图6：泵压力和时间的关系曲线示意图

图7：顶替液在顶替结束后的局部地层结构示意图

图8为顶替液在过顶替后的局部地层结构示意图

各图中，1-井筒，2-油层，3-裂缝，4-支撑剂，5-滤饼，Pa为注入压力，Pb为地层压力

具体实施方法

一种解除压裂液污染的压裂工艺，主要步骤包括：首先将前置液注入储油气地层中，由于较高的压力和排量使地层产生裂缝，继续注入携砂液保持裂缝不断延伸并将支撑剂充填铺设于已产生的裂缝内，随后继续注入顶替液，直到产生脱砂为止，然后地面停泵，在裂缝自行逐渐闭合时刻T3后尽快(60分钟内)，在注入压力低于裂缝闭合压力(附图6中所示的P₃)的条件下，开始将二氧化氯生成物溶液或高锰酸钾或双氧水或过硫酸盐等能够降解聚合物的其它氧化剂溶液作为压裂后置液注入裂缝内，最后注入顶替液，使二氧化氯生成物溶液全部进入裂缝中，此时，生成的二氧化氯将快速降解聚合物并解除裂缝表面的聚合物滤饼(堵塞物)。然后按正常工艺将已经降解的压裂液返排至地面，结束压裂施工。由于聚合物堵塞被解除，返排更彻底，使裂缝导流能力显著提高，油井投产后就会获得更好的增油效果(和不使用二氧化氯相比较)。

Claims (1)

1、一种解除压裂液污染的压裂工艺，其特征在于：具体施工步骤包括：将前置液注入储油气地层中，当储油气地层产生裂缝时继续注入携砂液，随后注入顶替液，然后地面停泵，待裂缝闭合时刻T3后60分钟之内，在低于裂缝闭合压力P3的条件下，将二氧化氯生成物溶液或高锰酸钾或双氧水或过硫酸盐等能够降解聚合物的其它氧化剂溶液作为压裂后置液注入裂缝内，最后再注入顶替液将全部压裂后置液挤入地层裂缝中。

Images