CN103265938B

CN103265938B - 类泡沫压裂体系及其配制方法和加注方法

Info

Publication number: CN103265938B
Application number: CN201310162909.2A
Authority: CN
Inventors: 张绍斌; 康毅; 唐朝均; 杨延波
Original assignee: Sichuan Brand Petroleum Science & Technology Co Ltd
Current assignee: Sichuan Brand Petroleum Science & Technology Co Ltd
Priority date: 2013-05-07
Filing date: 2013-05-07
Publication date: 2015-07-22
Anticipated expiration: 2033-05-07
Also published as: CN103265938A

Abstract

本发明公开了类泡沫压裂体系，它包括基液、酸性液和破胶剂，且基液：酸性液：破胶剂的重量比为10：0.8～1.5：0.002～0.006；还公开了类泡沫压裂液的配制方法，它包括以下步骤：S1、制备交联剂，S2、制备基液；S3、制备酸性液；还公布了类泡沫压裂液的加注方法。本发明的有益效果是：具有常规泡沫压裂液类似的功能，能在地层条件下自动生热、自动生气，实现了自动生气、酸性交联、类泡沫结构的一体化，较稳定的结构粘度，能进一步增强压裂液的携砂能力。抗滤失性强，能有效降低对地层的侵入伤害，有效降低水锁效应；有效降低了胍胶的使用量和压裂液基液配制难度；具有优良的携砂、破胶、低伤害以及助排效果。

Description

类泡沫压裂体系及其配制方法和加注方法

技术领域

本发明涉及压裂液技术领域，特别是类泡沫压裂体系及其配制方法和加注方法。

背景技术

压裂液提供了水力压裂施工作业的手段，但在影响压裂成败的诸因素中，压裂液及其性能极为重要。对大型压裂来说，这个因素就更为突出。使用压裂液的目的有两方面：一是提供足够的粘度，使用水力尖劈作用形成裂缝使之延伸，并在裂缝沿程输送及铺设压裂支撑剂；再者压裂完成后，压裂液迅速化学分解破胶到低粘度，保证大部分压裂液返排到地面以净化裂缝。

目前国内外使用的压裂液有很多种，主要有油基压裂液、水基压裂液、酸基压裂液，乳化压裂液和泡沫压裂液。其中水基压裂液和油基压裂液应用比较广泛。

水基压裂液是以水作溶剂或分散介质，向其中加入稠化剂、添加剂配制而成的。稠化剂在水中溶胀成溶胶，交联后形成粘度极高的冻胶。具有粘度高、悬砂能力强、滤失低、摩阻低等优点。

在对低压低渗透地层的压裂改造过程中，压裂液返排能量不足，在水力加砂压裂过程中，向地层中注入大量的压裂液，现有的压裂液由于地层压力低（压力系数0.93～0.97），压裂液返排能量不足造成施工后大量液体留在地层中，从而对地层造成一定程度的伤害，影响压裂增产效果。研究表明，即便压裂液本身伤害性低，但如果压裂液返排速度慢、返排率低，滞留在地层中通过增大储层含水饱和度、增加两相渗流阻力、产生水敏、水锁等伤害，会大幅度降低地层孔渗性，甚至封死气层，严重影响压裂增产效果甚至压后没有产能。为解决返排问题，采用全程液氮伴注，平均每井次液氮量5-10m³左右，但是液氮伴注给现场施工带来较大的麻烦，而且液氮存放也存在较大问题也增加了液氮车和液氮泵车地使用费用，也出现过因液氮泵车和液氮管汇漏而加砂中途停泵的现象，严重影响了压裂效果。尤其是液氮拌注并不能解决侵入地层基质的滤液的返排难题，很多低压油气井液氮拌注加砂压裂后的返排效果也比较差。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种能自动生热、自动生气、增强压裂液的携砂能力、抗滤失性强、能有效降低对地层的侵入伤害、有效降低水锁效应的类泡沫压裂体系及其配制方法和加注方法。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：类泡沫压裂体系，它包括基液、酸性液和破胶剂，且基液：酸性液：破胶剂的重量比为10：0.8～1.5：0.002～0.006，所述的基液包括水和以下组分，且各组分占水的重量百分比为：

亚硝酸钠 2.0～4.9%，

氯化铵 2.5～6.3%，

羟丙基胍胶 0.25～0.5%，

交联剂 0.04～0.2%，

碳酸钠 0.06～0.12%，

粘土稳定剂 0.2～0.5%，

助排剂 0.5%，

杀菌剂 0.1～0.3%。

所述的酸性液包括水和以下组分，且组分占水的重量百分比为：

稳泡剂 0.05～0.15%，

酸性催化剂 2～6%，

缓蚀剂 0.2～0.4%。

所述的破胶剂为碘酸盐和溴酸盐中的一种或多种混合物。

所述的交联剂，它由以下重量比的原料制成：丙三醇12.5～20，硼砂10～15，葡萄糖酸钠4～6，氢氧化钠1.5～2，无机锆盐0～4，三乙醇胺0～4，水49～68，无机锆盐为四氯化锆、氧氯化锆、硫酸锆、醋酸锆中的一种或者多种的混合物。

所述的酸性催化剂为有机酸。

所述的碘酸盐为高碘酸钾、高碘酸钠、碘酸钾、碘酸钠中的一种或多种混合物，所述的溴酸盐为溴酸钾、溴酸钠中的一种或多种混合物。

所述的有机酸为乙酸、柠檬酸、酒石酸、乳酸中的一种或多种混合物。

类泡沫压裂体系的配制方法，它包括以下步骤：

S1、制备交联剂，它包括以下子步骤：

S11、按上述重量比称取各原料组分，然后将水全部加入反应釜中，开启釜内搅动装置；

S12、将丙三醇加入反应釜中，搅拌10～20分钟，同时对反应釜加热，使反应釜内温度保持在70～75℃；

S13、缓慢逐渐加入硼砂，搅拌15～25分钟，使硼砂溶解80%以上；

S14、缓慢加入葡萄糖酸钠、无机锆盐和三乙醇胺，搅拌5～15分钟；

S15、缓慢逐渐加入氢氧化钠，待PH值调整至7.5～8.5时停止加入；

S16、关闭反应釜投料口，保持温度在70～75℃，反应5～7小时，得成品，装样；

S2、制备基液，将按上述重量比称取的水、亚硝酸钠、氯化铵、羟丙基胍胶、交联剂、碳酸钠、粘土稳定剂、助排剂、杀菌剂依次加入混合罐，混合均匀后得到基液；

S3、制备酸性液，将按上述重量比称取的水、稳泡剂、酸性催化剂、缓蚀剂、依次加入混合罐，混合均匀后得到酸性液。

类泡沫压裂体系的加注方法，它包括以下步骤：

S1、基液依次通过混砂车和泵车，在混砂车内，向基液中加入砂和破胶剂，并混合均匀，加砂和破胶剂后的混合液由泵车泵入钻井高压管汇；

S2、在混合液由泵车泵入钻井高压管汇的同时，酸性液也由泵车泵入钻井高压管汇，混合液和酸性液在钻井高压管汇内混合，类泡沫压裂体系在管汇中随着高速泵送而混合均匀产生均匀泡沫。

本发明具有以下优点：本发明在常规水基压裂液体系中引入地层条件下自动生热、自动生气体系，筛选/研制与之匹配的增稠剂、添加剂；控制压裂液体系的pH值在弱酸性范围；实现了自动生气、酸性交联、类泡沫结构的一体化。形成类似“泡沫压裂液”的混合物，使体系保持较稳定的结构粘度，能进一步增强压裂液的携砂能力。抗滤失性强，能有效降低对地层的侵入伤害，有效降低水锁效应。使用能将普通羟丙基胍胶在弱酸性条件下交联的新型交联剂。根据地层情况可以将胍胶加量由0.45%～0.69%降到0.28%～0.45%，有效降低了胍胶的使用量和压裂液基液配制难度。

将亚硝酸钠和氯化铵引入到常规胍胶压裂液体系中，可以显著增加压裂液温度从而达到破胶剂的活性温度以提高体系的破胶能力，同时伴随着大量惰性气体的生成，侵入地层的压裂液破胶液的返排压力也大大增加，从根本上解决了低温低压给压裂液返排带来的不利影响，本发明成本高于普通水基压裂液，与液氮拌注成本持平或略低，具有在地层中自动放出热量、生成气体的特点，有利于压裂液迅速破胶，且具有类似泡沫压裂液的降滤失和“增压助排”特性。本发明可降低对储层的伤害，进一步提高压裂井增产效果，为解决压裂改造过程中的低温、低压及低伤害问题开辟了一条新路。

通过对类泡沫压裂液的粘度特征、pH值、密度、微观结构、滤失性能、悬砂性能、流变性能、破胶性能、助排效果以及岩心伤害评价，结果表明，该压裂液体系自动增压、自动降低密度、自动气举、表面张力低、破胶彻底、破胶液的粘度低等综合因素的共同作用，使该压裂液体系具有优良的携砂、破胶、低伤害以及助排效果，它在解决低压低渗透储层的压裂改造中具有明显的技术优势。

附图说明

图1为本发明的类泡沫压裂液在室温条件下的增压能力图

图2为本发明的类泡沫压裂液的流变曲线图。

图3为本发明的类泡沫压裂液的微观结构图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明做进一步的描述，本发明的保护范围不局限于以下所述：

实施例1：

类泡沫压裂液，它包括基液、酸性液和破胶剂，且基液：酸性液：破胶剂的重量比为10：0.8：0.006，所述的基液包括水和以下组分，且各组分占水的重量百分比为：

亚硝酸钠 2.0%，

氯化铵 3%，

羟丙基胍胶 0.5%，

交联剂 0.1%，

碳酸钠 0.06%；

粘土稳定剂 0.5%；

助排剂 0.5%；

杀菌剂 0.2。

稳泡剂 0.05%，

酸性催化剂 4%，

缓蚀剂 0.2%。

所述的破胶剂为碘酸盐和溴酸盐中的一种或多种混合物。

所述的交联剂，它由以下重量比的原料制成：丙三醇12.5，硼砂12，葡萄糖酸钠4，氢氧化钠2，无机锆盐4，三乙醇胺2，水49，无机锆盐为四氯化锆、氧氯化锆、硫酸锆、醋酸锆中的一种或者多种的混合物。

所述的碘酸盐为高碘酸钾、高碘酸钠、碘酸钾、碘酸钠中的一种或多种混合物，所述的溴酸盐为溴酸钾、溴酸钠中的一种或两种混合物。

所述的酸性催化剂为有机酸。所述的有机酸为乙酸、柠檬酸、酒石酸、乳酸中的一种或多种混合物。

本发明破胶剂具有用量少、破胶快速彻底的优点，在低温条件下加入少量该破胶剂即可实现压裂液快速彻底破胶，破胶时间短，且破胶效果好，解决了类泡沫压裂液破胶难题。

类泡沫压裂体系的配制方法，它包括以下步骤：

S1、制备交联剂，它包括以下子步骤：

所述的步骤S2中，当配制的基液pH值低于6时，向基液中添加碳酸钠直至pH值达到6.0～7.0。

类泡沫压裂液的加注方法，它包括以下步骤：

实施例2：

类泡沫压裂液，它包括基液、酸性液和破胶剂，且基液：酸性液：破胶剂的重量比为10：1：0.004，所述的基液包括水和以下组分，且各组分占水的重量百分比为：

亚硝酸钠 3%，

氯化铵 2.5%，

羟丙基胍胶 0.4%，

交联剂 0.04%，

碳酸钠 0.1%；

粘土稳定剂 0.3%；

助排剂 0.5%；

杀菌剂 0.1%。

稳泡剂 0.1%，

酸性催化剂 2%，

缓蚀剂 0.3%。

所述的破胶剂为碘酸盐和溴酸盐中的一种或多种混合物。

所述的交联剂，它由以下重量比的原料制成：丙三醇15，硼砂10，葡萄糖酸钠5，氢氧化钠1.8，三乙醇胺4，水60，无机锆盐为四氯化锆、氧氯化锆、硫酸锆、醋酸锆中的一种或者多种的混合物。

类泡沫压裂体系的配制方法，它包括以下步骤：

S1、制备交联剂，它包括以下子步骤：

类泡沫压裂液的加注方法，它包括以下步骤：

实施例3：

类泡沫压裂液，它包括基液、酸性液和破胶剂，且基液：酸性液：破胶剂的重量比为10：1.5：0.002，所述的基液包括水和以下组分，且各组分占水的重量百分比为：

亚硝酸钠 4.9%，

氯化铵 6.3%，

羟丙基胍胶 0.25%，

交联剂 0.2%，

碳酸钠 0.12%；

粘土稳定剂 0.2%；

助排剂 0.5%；

杀菌剂 0.3%。

稳泡剂 0.15%，

酸性催化剂 6%，

缓蚀剂 0.4%。

所述的破胶剂为碘酸盐和溴酸盐中的一种或多种混合物。

所述的交联剂，它由以下重量比的原料制成：丙三醇20，硼砂15，葡萄糖酸钠6，氢氧化钠1.5，无机锆盐2，水68，无机锆盐为四氯化锆、氧氯化锆、硫酸锆、醋酸锆中的一种或者多种的混合物。

类泡沫压裂体系的配制方法，它包括以下步骤：

S1、制备交联剂，它包括以下子步骤：

类泡沫压裂液的加注方法，它包括以下步骤：

下面通过实验对本发明作进一步描述：

基液放置稳定性：

取实施例小样，放置3天后观察没有发现分层、生热等现象，基液粘度基本无变化，基液放置稳定性好。

基液小样放置稳定性评价

酸液腐蚀性能

对配制后的酸性液的评价采用SY/T5405-1996标准，进行了系统的腐蚀实验。实验中采用的评价材料为N80油管材料挂片，腐蚀时间均为4小时，腐蚀速率由下式计算：

V_{i} = \frac{10^{6} Δ m_{i}}{A_{i} \times Δt}

式中：V_i——单片腐蚀速率，g/(m²·h)；

Δt——反应时间，h；

Δm_i——试片腐蚀量，g；

A_i——试片表面积，mm²。

同时根据类泡沫压裂液体系特点，优化配置体系的工艺从而不但可以使配液简单也可通过与优选的缓蚀剂相互配合达到降低体系腐蚀效果的目的。

因此根据类泡沫压裂液体系特点，实验室中测定了酸性液的腐蚀速率，实验温度70℃，实验结果如下表所示。

酸液腐蚀结果

酸性液	钢片号	2小时腐蚀速度g/(m².h)	4小时腐蚀速度g/(m².h)
				实施例1酸性液	102	1.90	1.78
实施例2酸性液	103	1.38	1.37
				实施例3酸性液	104	1.51	1.48

由上表可以看出，配制后的酸性液由于溶液均匀，酸液在溶液中的平均含量较低，所以腐蚀速率极低，一般条件下对配液、压裂设备不会产生较大腐蚀作用。

伤害性

模拟施工过程，将基液与酸性液混合，加入破胶剂后立即放入流动实验装置中评价压裂液对岩心的伤害性。在40℃下按相关标准对该压裂液对岩心的伤害性进行了评价，压裂液平均伤害率12.6%，较常规压裂液的伤害性弱。

压裂破胶液对岩心伤害实验数据

滤失性

与泡沫压裂液类似，类泡沫压裂液反应生成的微泡沫具有类似粉砂的降滤失效果，但不会造成裂缝壁面伤害和裂缝导流能力伤害，实验测量其滤失系数小于1.75×10^-4m/min^0.5，压裂液抗滤失性强，能有效降低对地层的侵入伤害。同时其滤液也能自动生热增压、产生气泡降低静液柱压力自动返排到地面，能起到比液氮拌注更好的增能助排效果。

滤失特征参数

增压能力

压裂液增压是该类泡沫压裂液重要最重要特征之一。该类泡沫压裂液增压原因在于该生热反应生成大量气体、气泡受环境条件限制，体积膨胀受压缩，从而对外形成高压状态。

该增压能力评价装置密封性良好，如图1所示，从实验结果图可见，该压裂液配方在室温密封条件下增压幅度可达40MPa，增压能力极为突出，并且总的增压时间可达10h以上，对压裂液返排具有非常好的增能助排作用。如果考虑地层条件下储层具有较高的温度，而温度越高气体体积膨胀越大，不考虑裂缝延伸及压裂液滤失的影响，地层中增压能力肯定超过40MPa。

微观结构

类泡沫压裂液在放出热量的同时能将压裂液体系的压力有效提高，有助于压裂液在地层和井筒中的返排，为了更好的了解该压裂液的性能和原理，以及观察该压裂液在模拟地层条件下的特征。实验中通过一个带观察窗的高压容器来对类泡沫压裂液的微观结构进行研究。

将类泡沫压裂液体系混合均匀后装入高压容器中，升压到15MPa（体积不变），静置后，通过显微摄像可以观察到在高压下压裂液中均匀分布着大量的微泡沫，如图3所示。打开高压容器的放喷阀，观察到在排液过程中有大量泡沫生成，将容器中的液体以泡沫形式全部排出。

从类泡沫压裂液性能测试可以看出，在不改变类泡沫压裂液发泡机理的情况下，引入普通羟丙基胍胶作为稠化剂，通过引入研发的酸性交联剂使之交联。从而大幅度降低稠化剂用量，进一步降低了对地层的伤害。由于体系发泡机理与以前相同，因此其膨胀、携砂、滤失等性能与改进前的类泡沫压裂液类似。同时从流变曲线可以看出，如图2所示，类泡沫压裂液适用温度范围可进一步扩展，在中低温条件下胍胶浓度也可进一步降低。

根据实验结果看，采用常规胍胶的交联状类泡沫压裂液的耐温性最高达70-120℃，能够用于中浅层气井、深层气井加砂压裂改造。本发明的类泡沫压裂液体系，可较大幅度降低胍胶用量，由于胍胶浓度较低，因此降低了破胶液残渣含量，相应也减轻了对地层的伤害；从各种络合剂中筛选出了含有顺式邻位多羟基醇和羟基羧酸盐有机复合体系，对硼酸根离子有更强的亲合力，确保在低浓度胍胶的条件下能有效起到交联的作用，尽量将胍胶的交联基团利用交联最大化，在高温条件下成键稳定化，从而能显著提高胍胶的使用效率，因此胍胶使用浓度可以下降30～50%，瓜胶残渣含量下降30％以上，岩心伤害率相应降低20%以上；在合成有机硼的过程中引入稀有高价金属做催化剂，确保交联剂产品性能的稳定；采用本发明制备的压裂液体系与现有体系机理类似，因此现场施工方便。

为使此体系达到地层压后快速、彻底破胶的要求，通过改进后类泡沫压裂液特性、交联情况、破胶机理分析，引入配套的破胶剂具有较好的破胶效果。小样实验评价显示，使用少量破胶剂就可以使压裂液快速、彻底破胶（实验为破胶液在70℃下不同时间剪切速率为511s-1下压裂液的粘度值）。

类泡沫压裂液破胶实验情况(mPa·s)

破胶mg/l	3h	4h	5h	6h	8h
						100	16	15	14.5	12.5	12
200	14	12.5	11.5	9	8.5
						400	11	9.5	9	6.5	5.5
600	7.5	6	5.5	5	4.5
						800	7	5	4.5	4	3.5

Claims

1.类泡沫压裂体系，其特征在于：它包括基液、酸性液和破胶剂，且基液：酸性液：破胶剂的重量比为10：0.8～1.5：0.002～0.006，所述的基液包括水和以下组分，且各组分占水的重量百分比为：

亚硝酸钠 2.0～4.9%，

氯化铵 2.5～6.3%，

羟丙基胍胶 0.25～0.5%，

交联剂 0.04～0.2%，

碳酸钠 0.06～0.12%，

粘土稳定剂 0.2～0.5%，

助排剂 0.5%，

杀菌剂 0.1～0.3%；

其中，所述的交联剂，它由以下重量比的原料制成：丙三醇12.5～20，硼砂10～15，葡萄糖酸钠4～6，氢氧化钠1.5～2，无机锆盐0～4，三乙醇胺0～4，水49～68，无机锆盐为四氯化锆、氧氯化锆、硫酸锆、醋酸锆中的一种或者多种的混合物；

稳泡剂 0.05～0.15%，

酸性催化剂 2～6%，

缓蚀剂 0.2～0.4%。

2.根据权利要求1所述的类泡沫压裂体系，其特征在于：所述的破胶剂为碘酸盐和溴酸盐中的一种或多种混合物。

3.根据权利要求1所述的类泡沫压裂体系，其特征在于：所述的酸性催化剂为有机酸。

4.根据权利要求2所述的类泡沫压裂体系，其特征在于：所述的碘酸盐为高碘酸钾、高碘酸钠、碘酸钾、碘酸钠中的一种或多种混合物，所述的溴酸盐为溴酸钾、溴酸钠中的一种或两种混合物。

5.根据权利要求3所述的类泡沫压裂体系，其特征在于：所述的有机酸为乙酸、柠檬酸、酒石酸、乳酸中的一种或多种混合物。

6.根据权利要求1所述的类泡沫压裂体系的配制方法，其特征在于：它包括以下步骤：

S1、制备交联剂，它包括以下子步骤：

S3、制备酸性液，将按上述重量比称取的水、稳泡剂、酸性催化剂、缓蚀剂依次加入混合罐，混合均匀后得到酸性液。

7.根据权利要求1所述的类泡沫压裂体系的加注方法，其特征在于：它包括以下步骤：