CN103013486B - 提高压裂裂缝中支撑剂铺置效率的压裂液和压裂方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于提高压裂裂缝中支撑剂铺置效率的压裂液和压裂方法，所述压裂液为水基压裂液，包含悬砂纤维和增稠剂，所述悬砂纤维选自亲水性高强度弯曲状有机纤维或无机纤维。所述压裂方法使用了该压裂液作为携砂液注入地层裂缝。携砂液的注入参数为：用量为40～3000立方米，注入速度为2.0～15.0立方米/分钟。本发明利用悬砂纤维形成三维网状结构来悬浮支撑剂，该方法可以减少携砂液中瓜尔胶的含量，并提高支撑剂在纵向的铺置效率，因而能够保证支撑剂在压开的人工裂缝纵向上较均匀地分布，从而改善裂缝整个纵向剖面上的导流性能，提高压裂改造的经济效益。
Description
技术领域
本发明涉及石油天然气开采技术领域中的一种压裂液和油气井压裂方法，特别涉及在低渗透储层的油气藏压裂过程中，利用纤维辅助悬浮支撑剂以改善支撑剂在裂缝中的铺置效率，从而提高压裂效果的新型压裂液和压裂方法。
背景技术
我国低渗透油气资源量巨大，占已探明总储量的70％以上，是我国未来增储上产的主要潜力工区。这类油气资源具有三低的特点，即探明率低、自然投产率低、采收率低。已经证实，水力压裂改造是提高低渗透油气藏的产能和开发效果与效益的重要技术手段，因而水力压裂技术是用于低渗透油气资源开采的有效手段。
简单的说，水力压裂技术的原理如下：其利用地面高压泵组，将高粘液体以大大超过地层吸收能力的排量注入井中，在井底产生高压，当此压力大于井壁附近的地应力和地层岩石抗张强度时，将在井底附近地层产生裂缝；继续注入含有支撑剂的携砂液，裂缝向前延伸并填以支撑剂，从而在井底附近地层内形成具有一定几何尺寸和导流能力的填砂裂缝，以达到增产增注的目的。
水力压裂过程中向地层注入的液体称为压裂液，按照压裂液在压裂过程中不同阶段的作用，可分为前置液、携砂液和顶替液。其中，前置液的作用是破裂地层，造成一定几何尺寸的裂缝，以便随后的携砂液进入；携砂液的作用是用来将支撑剂携带进入裂缝至预定位置，其中支撑剂是指在压裂液带入裂缝后，在压力释放后支撑裂缝的物质，常用的支撑剂例如陶粒、石英砂等；顶替液的作用是将携砂液送至预定位置，并将井筒中的全部携砂液替入裂缝中。
现有的携砂液一般使用瓜尔胶作为增稠剂来增大携砂液的粘度，从而使支撑剂悬浮于携砂液中进入裂缝。由于瓜尔胶在地层裂缝中可能对地层产生不利作用，因而现有的研究主要集中在对瓜尔胶和交联剂的本身的改进。例如，CN101747886A公开了一种压裂液原液和交联液，其中压裂液原液包含瓜尔胶、粘土稳定剂、助排剂、pH调节剂、降滤失剂等。
然而，由于现有压裂液对支撑剂悬浮能力有限，压裂支撑剂在裂缝中的沉降导致支撑效率低等问题，严重影响了压裂改造的效果。另一方面，瓜尔胶冻胶压裂液通过射孔炮眼高速剪切，将导致冻胶结构剪切破坏(油气藏增产措施，2002.4，石油工业出版社，第三版P249)，悬砂能力下降，支撑剂在裂缝中沉降。近年来国外为了减少聚合物对储层和支撑带的损害，使用低聚合物滑溜水压裂，但滑溜水悬砂性能差，其携带支撑剂浓度低，导致裂缝中支撑剂布置浓度低，影响裂缝导流能力；另外支撑剂在裂缝中向下沉降，使裂缝上部无支撑剂支撑，导致裂缝闭合后上部无导流能力，压裂效果差。
具体而言，由于现有压裂液是主要是使用瓜尔胶聚合物冻胶携砂，支撑剂沉降过程遵循斯托克斯定律，支撑剂的沉降速率与压裂液粘度呈反比，要保证支撑剂在裂缝中均匀铺置，压裂携砂液在裂缝中要有较高的粘度，一般大于200mPa.s，甚至更高。即使这样支撑剂在裂缝中也会沉降，使裂缝的上部无支撑剂。当压裂施工结束后，裂缝闭合，上部裂缝没有支撑剂，导致压裂效果差；另外使用过高粘度的压裂液，就势必要加大聚合物(瓜尔胶)浓度，这将导致聚合物的残渣和压裂液残胶(没有彻底破胶)对裂缝支撑带和裂缝面的伤害，破坏压裂效果。
US2006054324A1中公开了一种水基压裂液，其包含气体成分、纤维和增稠剂，其中作为增稠剂的瓜尔胶在该水基压裂液中的含量仍高达15重量％，其中的气体成分和纤维起到的是辅助压裂的效果。由于该水基压裂液仍然以粘度悬砂为主，虽然其在一定程度上起到了提高支撑剂铺置效率的作用，但是粘度过高的压裂液将对裂缝支撑带和裂缝面造成伤害，且使压裂效果不佳；并且由于存在的气体容易吸附在纤维上，这在很大程度上减弱了纤维本身的强度，实际上造成悬砂性能不佳。
因此，需要发明一种粘度低且能够提供支撑剂在裂缝中纵向均匀分布的新型压裂液和压裂方法，以在提高压裂效果的同时改善支撑剂在裂缝中的铺置效率。
发明内容
有鉴于此而作出本发明，因此，本发明的一个目的在于提供一种用于有利于支撑剂在裂缝中纵向均匀分布，以改善水力压裂裂缝中支撑剂铺置效率的新型携砂压裂液和压裂方法。
为了实现这一目的，本发明的一个方面提供了一种水基压裂液，所述压裂液用于在压裂过程中将支撑剂携带进入地层裂缝中，所述压裂液中包含悬砂纤维和增稠剂，所述悬砂纤维选自亲水性高强度有机纤维或无机纤维，且所述悬砂纤维的形状是弯曲状的。本发明利用悬砂纤维形成三维网状结构来悬浮支撑剂，该方法可以减少携砂液中瓜尔胶的含量，并提高支撑剂在纵向的铺置效率；并且，本发明的压裂液中不包含气体组分，从而减轻了气体对纤维强度的弱化作用，保证了悬砂性能。另外，本发明中所述的增稠剂可以包含瓜尔胶、聚丙烯酰胺等水溶性聚合物。
为了更好地阻止支撑剂在裂缝中沉降，提高支撑剂铺置效率，优选的是，上述悬砂纤维具有以下的性能参数：
①纤维抗拉强度为：20MPa～4000MPa；
②纤维真实密度：1.10g/cm3～2.78g/cm3；
③纤维长度：3mm～15mm；
④纤维直径：8μm～500μm。
满足上述性能参数的亲水性纤维选自，作为无机纤维，可以是玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维、陶瓷纤维和聚磷酸钙纤维中的至少一种；作为有机纤维，可以是聚丙烯纤维、聚丙烯腈纤维、聚氨基甲酸酯纤维、聚酰胺、聚乙烯醇纤维、聚乙烯纤维、聚酯纤维、聚乳酸纤维和聚对苯撑苯并双噁唑纤维中的至少一种。
在一个实施方式中，基于100重量份的淡水，本发明的水基压裂液含有悬砂纤维0.1～1.0重量份，增稠剂0.2～0.5重量份，其中，由于悬砂纤维是弯曲状的上述无机纤维或有机纤维，悬砂纤维的含量进一步优选为0.1～0.5重量份。
另外，本发明的水基压裂液中还可以包含常用的成分，如降滤失剂、pH调节剂、破乳剂、助排剂和交联剂等。在一个实施方式中，基于100重量份的淡水，本发明的水基压裂液含有降滤失剂0.1～3.0重量份，pH调节剂0.02～0.04重量份，破乳剂0.5～1.0重量份，助排剂0.5～1.0重量份，交联剂0.2～0.5重量份。
本发明的另一方面提供了一种提高水力压裂裂缝中支撑剂铺置效率的压裂方法，所述压裂方法使用了包含上述悬砂纤维的压裂液作为携砂液，利用悬砂纤维形成三维网状结构来悬浮支撑剂，该方法可以减少携砂液中增稠剂的含量，有效阻止支撑剂在裂缝中沉降，改善支撑剂在裂缝中纵向剖面上的均匀铺置程度。
其中，所述悬砂纤维具有亲水性，容易分散在压裂液中，且易形成三维网状结构，防止支撑剂沉降，并且由于选用了弯曲状的上述悬砂纤维，与传统的高粘度压裂液相比，可以在降低压裂液粘度的情况下实现相同或更佳的悬砂效果。
本发明所述方法中使用的压裂液的性质如上所述。本发明的压裂方法包括注入前置液、注入携砂液和用滑溜水顶替三个阶段。
在一个实施方式中，本发明的压裂方法注入携砂液的参数如下：使用40～3000立方米的携砂液，且注入速度为2.0～15.0立方米/分钟。
在另一实施方式中，本发明的压裂方法注入前置液的参数如下：使用20～2000立方米的前置液，以1.5～15.0立方米/分钟的排量注入地层裂缝。
在又一实施方式中，本发明的压裂方法中滑溜水的用量相当于施工管柱的容积。
如下文所揭示的那样，本发明提供的用于提高支撑剂在压裂裂缝中铺置效率的压裂液和压裂方法具有以下的有益效果：与常规压裂高粘度悬砂相比，通过特殊纤维在压裂液中形成三维网状结构悬砂，支撑剂的沉降速率大大降低，当裂缝闭合时，裂缝内的支撑剂向下沉降很少，能够保证支撑剂在压开的人工裂缝纵向上较均匀地分布，尤其保证裂缝上部也有支撑剂支撑，改善裂缝整个纵向剖面上的导流性能，提高压裂改造的经济效益。
附图说明
图1是示出了支撑剂在常规瓜尔胶压裂液和本发明的纤维压裂液中的沉降情况的实验图。
具体实施方式
以下将结合附图和实施例具体描述本发明。本领域技术人员通过下述描述将了解的是，本发明所述的实施方式只是实施本发明的示例性实例，其不能用来限制本发明的目的。除非另有说明，下文中提及的单位“份”均指代“重量份”，百分数均为重量百分数；本文所述的压裂液中各个成分的重量百分数(或百分数)均是以压裂液的总重量为基准的。
本文中所提及的术语“增稠剂”是指天然的或人工合成的水溶性聚合物，如瓜尔胶(如羟丙基瓜尔胶、羧甲基瓜尔胶或羟丙基羧甲基瓜尔胶)或聚丙烯酰胺等物质。
首先说明本发明的压裂液。如上所述，本发明的目的是提供一种包含悬砂纤维和增稠剂的压裂液，所述压裂液在压裂工艺中用作携砂液，从而可以在地层裂缝中形成三维网状结构来悬浮支撑剂，从而改善支撑剂在裂缝中纵向剖面上的均匀铺置程度。
本发明的压裂液通常为水基压裂液，换言之，其基液可以是常规水基瓜尔胶压裂液、表面活性剂基压裂液或水基聚丙烯酰胺类压裂液。
携砂液中的悬砂纤维是可以在水基压裂液中均匀分散的亲水性高强度有机纤维或无机纤维，并且所述悬砂纤维是弯曲状的。其中，纤维的亲水性没有特别的限制，只要其性质能够满足“表面易于水润湿，且纤维本身容易在水中分散”的要求即可。由此，本领域技术人员通过上述描述可以选择对于本发明合适的亲水性纤维。
另外，本发明的一个显著性特点为，选用表观形状为弯曲状的有机纤维或无机纤维来作为悬砂纤维。本发明人发现，与本领域中常用的直线型纤维相比，本发明的弯曲状纤维更容易彼此勾连形成网状结构，因而当纤维均匀地分散在水基压裂液中时，其能够在压裂液各处形成稳定的整体型悬砂网络来悬浮支撑剂。
另一方面，为了保证悬砂网络的力学性能，悬砂纤维的强度以抗拉强度计，认为20MPa～4000MPa的抗拉强度能够满足本发明的要求。
其中，该悬砂纤维性能指标：
①纤维抗拉强度为：20MPa～4000MPa；
②纤维真实密度：1.10g/cm3～2.78g/cm3；
③纤维长度：3mm～15mm；
④纤维直径：8μm～500μm。
此处，纤维长度是指纤维在拉直后其最大长度上量取的直线长度，整体型悬砂网络是指均匀分散的悬砂纤维通过彼此勾连而在全部压裂液中形成的一体化网状结构体。
本发明人通过研究发现，通过选择具有上述性能的纤维，首先，由于其亲水性，在分散中水基压裂液中时能够均匀地分散在压裂液各处，形成整体型三维网络；其次，由于其形状为弯曲状，该纤维能够彼此勾连保证三维网络的稳定性，再次，由于纤维具有特定的强度，因而其形成的三维网络能够经受支撑剂下沉的压力，从而减缓或抑制支撑剂沉降的速率；同时，本发明可以使用较少量的纤维，在减少了增稠剂的用量的条件下，本发明的压裂液具有较低的粘度，并且不会形成太致密的纤维网络，影响压裂效果，保证了压裂液的经济效益。
其中，无机纤维可以是玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维、陶瓷纤维和聚磷酸钙纤维中的至少一种；有机纤维可以是聚丙烯纤维、聚丙烯腈纤维、聚氨基甲酸酯纤维、聚酰胺、聚乙烯醇纤维、聚乙烯纤维、聚酯纤维、聚乳酸纤维和聚对苯撑苯并双噁唑纤维中的至少一种。
作为天然的水溶性聚合物，本发明的瓜尔胶可以选用本领域中常用的瓜尔胶，例如可以采用羟丙基瓜尔胶、羧甲基瓜尔胶或羟丙基羧甲基瓜尔胶等。作为人工合成的水溶性聚合物，可以采用聚丙烯酰胺等本领域中公知的聚合物。
其中，瓜尔胶和聚丙烯酰胺等聚合物在压裂过程的不同阶段中，还可以用作改善粘度的减阻剂。例如，在滑溜水顶替液中，可以采用聚丙烯酰胺来作为减阻剂。
在一个实施方式中，作为携砂剂的压裂液具有以下组分：淡水为100份；悬砂纤维0.1～1.0份；降滤失剂0.1～3.0份；增稠剂0.2～0.5份；pH值调节剂0.02～0.04份；破乳剂0.5～1份；助排剂0.5～1份；交联剂0.2～0.5份。其中，降滤失剂的细度可以为60～200目。
其中，由于选用了上述弯曲状悬砂纤维，本发明中悬砂纤维的量可大为减小，在一个实施方式中，相对于100份的淡水，悬砂纤维的含量为0.1～0.5份。
其中，压裂液可以以本领域中常用的比例携带支撑剂，例如支撑剂以5体积％～50体积％(又计60kg/m3～780kg/m3)的携砂比与压裂液混合。本发明的支撑剂可以为本领域的常用支撑剂形式，例如各种粒径的陶粒、压裂用石英砂等；支撑剂的细度可以是20～40目、30～50目、40～60目或50目/70目。
另外，上述降滤失剂可以为碳酸钙粉末、淀粉、粉陶、细粉砂、树脂中的一种或几种的混合物；破乳剂可以是烷基酚与环氧乙烷缩合物和阳离子表面活性剂；助排剂可以是含氟表面活性剂，如全氟辛基磺酸盐、氟壬氧基苯磺酸盐等。pH调节剂可以选用本领域中常用的试剂。
以下将具体说明本发明的压裂方法。如上文所述，本发明的压裂方法主要在于，使用包含悬砂纤维和瓜尔胶的上述压裂液作为携砂液，在地层裂缝中形成三维网状结构来悬浮支撑剂，从而改善支撑剂在裂缝中纵向剖面上的均匀铺置程度。
本发明的水力压裂方法可以用于碎屑岩、碳酸盐岩、火成岩或页岩等储层的水力压裂改造。而且，本发明的压裂方法不仅可以用于直井的压裂，还可以用于斜井、水平井压裂改造。
本发明的压裂方法主要包括三个阶段。第一阶段是使用酸液解除近井带的堵塞，降低岩石的破裂压力，进而有利于压裂施工。第二阶段使用前置液压开地层，形成具有一定规模的裂缝。第三阶段使用携砂液携带支撑剂填充，支撑裂缝。
另外，本发明的压裂方法还可以在将支撑剂填充到裂缝中后，使用滑溜水顶替液进行顶替。
在一个实施方式中，本发明的压裂方法包括以下步骤：
(1)使用20～2000立方米前置液，以1.5～15.0立方米/分钟排量注入地层开缝；
(2)使用40～3000立方米，以2.0～15.0立方米/分钟的排量泵注携砂液入地层，将支撑剂携带入压开裂缝中支撑裂缝，在储层形成具有一定导流能力的人工裂缝；
(3)使用滑溜水顶替，其中，滑溜水顶替液的用量相当于施工管柱容积。
更进一步的说，本发明的前置液和滑溜水顶替液可以具有本领域中的常见组成。例如，作为实例，前置液可具有以下组分：淡水100份；60～200目降滤失剂0.1～3.0份；瓜尔胶0.2～0.5份；pH值调节剂0.02～0.04份，破乳剂0.5～1.0份；助排剂0.5～1.0份。交联剂0.2～0.5份。
另外，作为实例，滑溜水顶替液各组分重量比为：淡水为100份；助排剂0.5～1份；减阻剂0.01～1.0份。
此外，应当理解的是，上述压裂液和压裂方法的说明中未详细描述的内容，均是本领域技术人员容易想到的常用参数，因此可以省略对其的详细说明。
实施例
实施例1：室温下悬砂纤维的效果实验
在室温条件下，依次加入量取2000ml自来水，在搅拌条件下依次加入8g羟丙基瓜尔胶(京昆油田化学科技开发公司)、0.5g柠檬酸(市售品)，搅拌完全溶解，放置4小时。使用氢氧化钠溶液将pH值调整到约10～11，量取600ml胶液分成三份，一份加2.25g纤维FBR-8(弯曲状，最大长度10mm，直径15μm，平均抗拉强度2400MPa；北京科麦仕油田化学剂技术有限公司)，搅拌使其分散均匀；一份不加入纤维、另一份加入常用的直线型纤维(用作对照)。然后在三份溶液中分别加入有机硼交联剂YP-150(北京科麦仕油田化学剂技术有限公司)2.5ml，使其交联；最后分别加入240g CARBOPROP中强度陶粒(细度20/40目；卡博陶粒(中国)有限公司；12500psi压力下破碎率为5.1％)，搅拌均匀。将三份含砂溶液分别倒入量筒中，计时观察陶粒的沉降速率见表1；并将含本发明的弯曲状纤维和不含纤维的压裂液的沉降情况示出于图1中。
表1瓜尔胶-纤维压裂液悬砂性能
由表1和图1的结果可以看出，在瓜尔胶压裂液中加入悬砂纤维能够有效地防止陶粒沉降，而通过比较直线型纤维和弯曲状纤维的实验，可以看出，通过将悬砂纤维选用为弯曲状的纤维，其悬砂效果大为改善，取得了预料不到的优异效果。
比较例1：常规压裂增产
本发明的压裂液和压裂方法在华北油田A井进行试验性重复压裂实施。压裂井段：3057.0m～3103.0m，首先，该段于2009年9月进行常规瓜尔胶压裂，施工排量3.2～3.4m3/分钟，加砂16.14m3，压裂后日产油5.9吨，到2010年10月，日产液4.2吨，日产油2.9吨，含水32.31％。
实施例2：本发明的压裂增产
2010年11月对该井A进行纤维悬砂压裂施工，压裂方法和压裂液的组成如下。
压裂方法可概括为：以4.0m3/分钟排量注入前置液180m3造缝，再以3.5～4.0m3/分钟排量注入纤维携砂液150m3，纤维浓度为0.3重量％，纤维长度8mm，纤维直径15μm，加入陶粒(40～60目中强度陶粒)32.1m3，结果表明，获得较好的压裂增产效果。具体实施步骤为(其中，在未具体说明的情况下，本实施例中使用的试剂等物质的来源与实施例1相同)：
(1)使用前置液180m3，以4.0m3/分钟排量注入地层造缝；
(2)使用150m3(含0.3重量％纤维)，以3.5～4.0m3/分钟排量泵注，砂比5％～35％进行压裂施工，加32.1m3(40～60目)中强度陶粒；
(3)使用8.1m3滑溜水顶替液，以3.0m3/分钟排量顶替。
(4)停泵，测压降。
其中，前置液各组分重量比为：淡水100份；羟丙基瓜尔胶0.4份；柠檬酸0.025份；氯化钾(市售，粘土稳定剂)3.0份；含氟表面活性剂(助排剂，FC203，绍武华新化工)0.5份；泵注过程中伴注0.5份有机硼交联剂。
携砂液各组分重量比为：淡水100份；羟丙基瓜尔胶0.3份；柠檬酸0.025份；0.35份纤维；氯化钾(粘土稳定剂)3.0份；含氟表面活性剂(助排剂，同上)0.5份；泵注过程中伴注0.5份有机硼交联剂。
滑溜水顶替液各组分重量比为：淡水100份；含氟表面活性剂(助排剂，同上)0.5～1.0份；羟丙基瓜尔胶(减阻剂)0.2份；柠檬酸0.025份。
重复压裂前，日产液4.2吨，日产油2.9吨，含水32.31％；改造后，日产液26吨，日产油20吨，含水23.07％。
油井试验表明，本发明的压裂液和压裂方法可以明显地提高油液的日产量，实现了预料不到的油气井增产改造效果，且由于减少了压裂液原料的用量，取得了良好的经济效益。
Claims (6)
1.一种水力压裂用水基压裂液，所述压裂液用于携带支撑剂，其特征在于，所述压裂液具有以下组分：淡水为100重量份、悬砂纤维0.1～0.5重量份、降滤失剂0.1～3.0重量份、增稠剂0.2～0.5重量份、pH值调节剂0.02～0.04重量份、破乳剂0.5～1重量份、助排剂0.5～1重量份、交联剂0.2～0.5重量份，所述悬砂纤维选自亲水性高强度有机纤维或无机纤维，其中，所述悬砂纤维是弯曲状的，具有以下性能参数：
①纤维抗拉强度为：20MPa～4000MPa；
②纤维真实密度：1.10g/cm3～2.78g/cm3；
③纤维长度：3mm～15mm；
④纤维直径：8μm～500μm，
其中，排除压裂液含有0.5重量份悬砂纤维的情况。
2.如权利要求1所述的压裂液，其中，所述增稠剂包括瓜尔胶。
3.如权利要求1或2所述的压裂液，其中，所述无机纤维选自玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维、陶瓷纤维和聚磷酸钙纤维中的至少一种；所述有机纤维选自聚丙烯纤维、聚丙烯腈纤维、聚氨基甲酸酯纤维、聚酰胺、聚乙烯醇纤维、聚乙烯纤维、聚酯纤维、聚乳酸纤维和聚对苯撑苯并双噁唑纤维中的至少一种。
4.一种水力压裂方法，其特征在于，所述压裂方法使用权利要求1～3中任一项所述的压裂液作为携砂液，从而将支撑剂携带入压开裂缝中。
5.如权利要求4所述的方法，其中，携砂液的注入参数为：40～3000立方米，速度为2.0～15.0立方米/分钟。
6.如权利要求4或5所述的方法，其中，所述方法还包括，在注入携砂液前，使用20～2000立方米的前置液，以1.5～15.0立方米/分钟的排量注入地层裂缝。
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