CN104498019A - 纳米涂层纤维活性水压裂液 - Google Patents

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Abstract

本发明属于页岩气井压裂增产技术领域，具体涉及一种纳米涂层纤维活性水压裂液。本发明要解决的技术问题是提供一种具有防膨、降阻和高携砂性的综合作用的压裂液体系，有利于页岩气藏的压裂改造施工。本发明的技术方案一种纳米涂层纤维活性水压裂液，它由防膨剂、降阻剂、纳米涂层纤维及水配制而成。本发明还提供了纳米涂层纤维活性水压裂液的配制方法。本发明的压裂液具有防膨降阻作用，提高了压裂液的携砂性能，并且改变了沉降方式，减慢了支撑剂的沉降速率；有效降低滤失率，对页岩储层的伤害率低。其配置工艺简单易行，对页岩储层伤害小，易返排。

Description

纳米涂层纤维活性水压裂液
技术领域
本发明属于页岩气井压裂增产技术领域，具体涉及一种页岩气井压裂施工用的具有防膨、降阻和携砂性能优越的纳米涂层纤维活性水压裂液。
背景技术
根据北美和国内的页岩气井水力压裂经验，在压裂施工过程中，液体用量最大的是活性水，其它的液体包括清洁压裂液、纤维压裂液等也有一定的应用。选择活性水液体体系而不是常用的交联压裂液，主要是为了降低页岩储层伤害，增加压裂缝网的复杂程度和改造体积，尽可能的提高页岩气井的产量。活性水压裂液体系主要有以下优点：(1)减少聚合物对裂缝的伤害。使用的交联冻胶压裂液中一般有20ppt～40ppt的聚合物；而活性水中加入的降阻剂的含量仅0.25gpt～0.5gpt；(2)降低施工费用。活性水压裂施工需要很少量添加剂，并且对返排液经过简单过滤处理后，即可回收再利用；(3)比常规交联冻胶压裂施工更容易形成复杂的裂缝形态。在应力状态和岩石结构都满足形成复杂裂缝形态时，低粘度液体和更高施工排量有利于形成复杂裂缝形态；(4)相对简单的施工组织和实施，对大规模施工尤其重要。
常用的活性水压裂液一般由清水、防膨剂(常用氯化钾)和助排剂(通常是表面活性剂的复配物，油田常用助排剂有D-60和HP-8等)按一定比例配制而成，该活性水压裂液在压裂施工时表现出以下缺陷：(1)摩阻高，限制了施工排量，进而限制了施工规模，影响压裂效果；(2)携砂性能差，往往不能很好的支撑裂缝，达不到预期的压裂效果。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种具有防膨、降阻和高携砂性的综合作用的压裂液体系，有利于页岩气藏的压裂改造施工。
本发明的技术方案一种纳米涂层纤维活性水压裂液，其制备原料各成份的质量百分比如下：防膨剂1％～2％，降阻剂0.02～0.06％，纳米涂层纤维0.05％～0.1％，水97.84％～98.93％；所述的防膨剂为氯化钾、氯化铵、三氯化铝、氯化锆、季铵盐、甲酰胺阳离子表面活性剂或甲酰胺阳离子聚合物；所述的降阻剂为丙烯酰胺、聚丙烯酰胺、腺醛树脂、石膏、水玻璃或炭素粉；所述的纳米涂层纤维为聚合物/无机离子纳米复合纤维、聚合物/碳纳米管复合纤维或聚合物/层状填料复合纤维。
优选的，所述的防膨剂为氯化钾。
优选的，所述的降阻剂为聚丙烯酰胺。
具体的，将阴离子聚丙烯酰胺或非离子聚丙烯酰胺配制为质量百分比1.0％～2.0％的水溶液。
优选的，所述纳米涂层纤维的纤维表面和端面颗粒以40nm～50nm均匀分散。
优选的，所述纳米涂层纤维的长度为0.3cm～0.6cm。
优选的，所述的纳米涂层纤维为聚合物/蒙脱土纳米复合纤维或聚合物/石墨纳米复合纤维。
优选的，所述聚合物/蒙脱土纳米复合纤维的制备方法如下：
将蒙脱土水溶液与十六烷基三甲基氯化铵在硅烷偶联剂作用下反应，得到有机蒙脱土；将所述有机蒙脱土与聚丙烯共混挤出，得到粒料；将所述粒料经纺丝，得到聚合物/蒙脱土纳米复合纤维。
优选的，所述蒙脱土为2︰1型层状结晶体。
优选的，所述蒙脱土水溶液的质量百分浓度为8～15％。
更优选的，所述蒙脱土水溶液的质量百分浓度为10～12％。
优选的，将蒙脱土水溶液搅拌升温至70～90℃后，再依次添加十六烷基三甲基氯化铵水溶液和硅烷偶联剂，所述蒙脱土水溶液与十六烷基三甲基氯化铵反应的时间为2～4小时。
具体的，有机蒙脱土与聚丙烯的质量比为1︰7～15。
优选的，有机蒙脱土与聚丙烯的质量比为1︰9～10。
具体的，所述共混挤出的温度为180～220℃。
优选的，选用纺丝机进行纺丝。
具体的，使用熔体纺丝机进行纺丝，调整1区～7区纺丝温度定为160℃～210℃，泵速为14r/min～24r/min，卷绕速度为250m/min～1000m/min，使纺丝处于稳态，经牵伸后卷曲成丝。
在制备聚合物/蒙脱土纳米复合纤维的过程中，以熔融插层法使聚丙烯与蒙脱土熔融共混形成纳米纤维复合材料，蒙脱土起到增强和结晶成核的作用，使纤维具有优良的热稳定性、表面活性及抗降解性能。
首先蒙脱土水溶液与十六烷基三甲基氯化铵在硅烷偶联剂作用下反应，得到有机蒙脱土。得到有机蒙脱土后，将所述有机蒙脱土与聚丙烯共混挤出，得到粒料。得到粒料后，将其进行纺丝即可得到聚合物/蒙脱土纳米复合纤维。本发明对于纺丝的装置没有特殊限制，选用本领域技术人员熟知的纺丝机即可，优选使用熔体纺丝机进行纺丝。
本发明还提供了纳米涂层纤维活性水压裂液的配制方法采用如下步骤：
按照如下质量百分比准备原料：防膨剂1％～2％，降阻剂0.02～0.06％，纳米涂层纤维0.05％～0.1％，水97.84％～98.93％，加入清水中，搅拌15～20min，使其防膨剂、降阻剂完全溶解，纤维分散均匀，配制成纳米涂层纤维活性水压裂液；所述的防膨剂为氯化钾、氯化铵、三氯化铝、氯化锆、季铵盐、甲酰胺阳离子表面活性剂或甲酰胺阳离子聚合物；所述的降阻剂为丙烯酰胺、聚丙烯酰胺、腺醛树脂、石膏、水玻璃或炭素粉；所述的纳米涂层纤维为聚合物/蒙脱土纳米复合纤维。
氯化钾是重要的防膨剂。钾离子的直径(0.266nm)与粘土表面由六个氧原子围成的内切直径0.28nm的空间相匹配，使它容易进入此空间而不易从此间释出，有效地减少粘土表面的负电性。合适浓度的KCl氯化钾可提供充分的阳离子浓度进行离子交换，压缩使粘土表面的扩散双电层，防止粘土膨胀、分散、运移。普遍认为，水基压裂液中加入2％的氯化钾可以暂时控制粘土膨胀。
降阻剂在水基压裂液中降阻的原理是抑制紊流。水中加入少量高分子直链聚合物(聚丙烯酰胺)能减轻和减少液流中的漩涡和涡流，因而抑制紊流，降低摩阻。
本发明的有益效果：
(1)具有防膨作用，其防膨效果与常用的活性水压裂液相同；
(2)具有降阻作用，其降阻率是常用活性水压裂液的50％～80％；
(3)由于纳米涂层纤维均匀分散在压裂液中，能够形成纤维网络，因此提高了压裂液的携砂性能，并且改变了沉降方式，减慢了支撑剂的沉降速率；其次，所述纳米涂层纤维与防膨剂和降阻剂相互配合作用形成的压裂液还可以与支撑剂形成空间网络，有效预防支撑剂回流；同时纳米纤维可以封堵不同尺寸的微裂缝，有效降低滤失率，对页岩储层的伤害率低；
(4)配置工艺简单易行，对页岩储层伤害小，易返排。
附图说明
图1为实施例1～7及比较例1制备的压裂液的摩阻随剪切速率的变化图；
图2为实施例1制备的压裂液不同排量下的降阻率曲线图；
图3为实施例1与比较例1制备的压裂液动态滤失曲线图。图3(a)曲线为实施例1制备的本发明的压裂液的动态滤失曲线图；图3(b)曲线为比较例1制备的常规的活性水压裂液的动态滤失曲线图。
具体实施方式
聚合物/蒙脱土纳米复合纤维的制备中，所使用的为硅烷偶联剂KH-570(北京市申达精细化工有限公司生产)；所用的聚合物为聚丙烯71735(中石油辽阳石化公司)；聚丙烯PTS0450E(中石化燕山石化公司)。
实施例1本发明压裂液的制备
将10％(质量分数,下同)蒙脱土水溶液加入反应釜中,搅拌升温至80℃,滴加适量十六烷基三甲基氯化铵水溶液,强烈搅拌反应12h,再加入2％硅烷偶联剂反应2h,产品置于烘箱中一定温度干燥至恒量,粉碎机粉碎过200目筛,得有机蒙脱土。
有机蒙脱土(MMT)与聚丙烯(PP)以1：9比例在双螺杆200℃挤出制得PP/MMT复合材料,然后二次添加PP共混制得MMT含量为5％的试样粒料。
将得到的纳米复合粒料放入熔体纺丝机，调整1区～7区温度为160℃～210℃，泵速为14r/min～24r/min，卷绕速度为250m/min～1000m/min，使纺丝处于稳态，经牵伸后卷曲成丝。得到纳米涂层纤维。
在1000ml清水中加入20g氯化钾、1g前述制备的聚合物/蒙脱土纳米复合纤维和0.4g阴离子聚丙烯酰胺固体粉末，搅拌，使之充分溶解，形成纳米涂层纤维活性水压裂液。形成的纳米涂层纤维活性水压裂液中，氯化钾占清水质量的2％，纳米复合纤维占清水质量的0.1％，阴离子聚丙烯酰胺固体粉末占清水质量的0.04％。所配的纳米涂层纤维活性水压裂液可用于天然裂缝较发育的页岩气藏压裂改造中。压裂改造时，可按照前置液、携砂液、顶替液的顺序全程使用。
实施例2本发明压裂液的制备
将11％(质量分数,下同)蒙脱土水溶液加入反应釜中,搅拌升温至70℃,滴加适量十六烷基三甲基氯化铵水溶液,强烈搅拌反应12h,再加入2％硅烷偶联剂反应3h,产品置于烘箱中一定温度干燥至恒量,粉碎机粉碎过200mesh筛,得有机蒙脱土。
有机蒙脱土(MMT)与聚丙烯(PP)以1：9比例在双螺杆210℃挤出制得PP/MMT复合材料,然后二次添加PP共混制得MMT含量为6％的试样粒料。
将得到的纳米复合粒料放入熔体纺丝机,调整1区～7区温度为160℃～210℃，泵速为14r/min～24r/min，卷绕速度为250m/min～1000m/min，使纺丝处于稳态，经牵伸后卷曲成丝。得到纳米涂层纤维。
在1000ml清水中加入20g季铵盐、0.5g前述制备的聚合物/蒙脱土纳米复合纤维和0.4g阴离子聚丙烯酰胺固体粉末，搅拌，使之充分溶解，形成纳米涂层纤维活性水压裂液。形成的纳米涂层纤维活性水压裂液中，氯化钾占清水质量的2％，纳米涂层纤维占清水质量的0.05％，阴离子聚丙烯酰胺固体粉末占清水质量的0.04％。压裂改造时，可按照前置液、携砂液、顶替液的顺序全程使用。
实施例3本发明压裂液的制备
将12％(质量分数,下同)蒙脱土水溶液加入反应釜中,搅拌升温至90℃,滴加适量十六烷基三甲基氯化铵水溶液,强烈搅拌反应12h,再加入2％硅烷偶联剂反应4h,产品置于烘箱中一定温度干燥至恒量,粉碎机粉碎过200mesh筛,得有机蒙脱土。
有机蒙脱土(MMT)与聚丙烯(PP)以1：11比例在双螺杆180℃挤出制得PP/MMT复合材料,然后二次添加PP共混制得MMT含量为7％的试样粒料。
将得到的纳米复合粒料放入熔体纺丝机,调整1区～7区温度为160℃～210℃，泵速为14r/min～24r/min，卷绕速度为250m/min～1000m/min，使纺丝处于稳态，经牵伸后卷曲成丝。得到纳米涂层纤维。
在1000ml清水中加入20g氯化铵、0.6g前述制备的聚合物/蒙脱土纳米复合纤维和0.4g丙烯酰胺固体粉末，搅拌，使之充分溶解，形成纳米涂层纤维活性水压裂液。形成的纳米涂层纤维活性水压裂液中，氯化钾占清水质量的2％，纳米涂层纤维占清水质量的0.06％，阴离子聚丙烯酰胺固体粉末占清水质量的0.04％。压裂改造时，可按照前置液、携砂液、顶替液的顺序全程使用。
实施例4本发明压裂液的制备
将13％(质量分数,下同)蒙脱土水溶液加入反应釜中,搅拌升温至80℃,滴加适量十六烷基三甲基氯化铵水溶液,强烈搅拌反应12h,再加入2％硅烷偶联剂反应2h,产品置于烘箱中一定温度干燥至恒量,粉碎机粉碎过200mesh筛,得有机蒙脱土。
有机蒙脱土(MMT)与聚丙烯(PP)以1：12比例在双螺杆190℃挤出制得PP/MMT复合材料,然后二次添加PP共混制得MMT含量为4％的试样粒料。
将得到的纳米复合粒料放入熔体纺丝机，调整1区～7区温度为160℃～210℃，泵速为14r/min～24r/min，卷绕速度为250m/min～1000m/min，使纺丝处于稳态，经牵伸后卷曲成丝。得到纳米涂层纤维。
在1000ml清水中加入20g三氯化铝、0.8g前述制备的聚合物/蒙脱土纳米复合纤维和0.4g腺醛树脂，搅拌，使之充分溶解，形成纳米涂层纤维活性水压裂液。形成的纳米涂层纤维活性水压裂液中，氯化钾占清水质量的2％，纳米涂层纤维占清水质量的0.08％，阴离子聚丙烯酰胺固体粉末占清水质量的0.04％。压裂改造时，可按照前置液、携砂液、顶替液的顺序全程使用。
实施例5本发明压裂液的制备
将15％(质量分数,下同)蒙脱土水溶液加入反应釜中,搅拌升温至90℃,滴加适量十六烷基三甲基氯化铵水溶液,强烈搅拌反应12h,再加入2％硅烷偶联剂反应2h,产品置于烘箱中一定温度干燥至恒量,粉碎机粉碎过200mesh筛,得有机蒙脱土。
有机蒙脱土(MMT)与聚丙烯(PP)以1：15比例在双螺杆200℃挤出制得PP/MMT复合材料,然后二次添加PP共混制得MMT含量为3％的试样粒料。
将得到的纳米复合粒料放入熔体纺丝机,调整1区～7区温度为160℃～210℃，泵速为14r/min～24r/min，卷绕速度为250m/min～1000m/min，使纺丝处于稳态，经牵伸后卷曲成丝。得到纳米涂层纤维。
在1000ml清水中加入15g氯化钾、0.5g前述制备的聚合物/蒙脱土纳米复合纤维和0.6g阴离子聚丙烯酰胺固体粉末，搅拌，使之充分溶解，形成纳米涂层纤维活性水压裂液。形成的纳米涂层纤维活性水压裂液中，氯化钾占清水质量的1.5％，纳米涂层纤维占清水质量的0.05％，阴离子聚丙烯酰胺固体粉末占清水质量的0.06％。压裂改造时，可按照前置液、携砂液、顶替液的顺序全程使用。
实施例6本发明压裂液的制备
将13％(质量分数,下同)蒙脱土水溶液加入反应釜中,搅拌升温至80℃,滴加适量十六烷基三甲基氯化铵水溶液,强烈搅拌反应12h,再加入2％硅烷偶联剂反应3h,产品置于烘箱中一定温度干燥至恒量,粉碎机粉碎过200mesh筛,得有机蒙脱土。
有机蒙脱土(MMT)与聚丙烯(PP)以1：8比例在双螺杆220℃挤出制得PP/MMT复合材料,然后二次添加PP共混制得MMT含量为8％的试样粒料。
将得到的纳米复合粒料放入熔体纺丝机,调整1区～7区温度为160℃～210℃，泵速为14r/min～24r/min，卷绕速度为250m/min～1000m/min，使纺丝处于稳态，经牵伸后卷曲成丝。得到纳米涂层纤维。
在1000ml清水中加入20g甲酰胺阳离子表面活性剂、0.5g前述制备的聚合物/蒙脱土纳米复合纤维和0.3g炭素粉，搅拌，使之充分溶解，形成纳米涂层纤维活性水压裂液。形成的纳米涂层纤维活性水压裂液中，氯化钾占清水质量的2％，纳米涂层纤维占清水质量的0.05％，阴离子聚丙烯酰胺固体粉末占清水质量的0.06％。压裂改造时，可按照前置液、携砂液、顶替液的顺序全程使用。
实施例7本发明压裂液的制备
将14％(质量分数,下同)蒙脱土水溶液加入反应釜中,搅拌升温至90℃,滴加适量十六烷基三甲基氯化铵水溶液,强烈搅拌反应12h,再加入2％硅烷偶联剂反应4h,产品置于烘箱中一定温度干燥至恒量,粉碎机粉碎过200mesh筛,得有机蒙脱土。
有机蒙脱土(MMT)与聚丙烯(PP)以1：10比例在双螺杆210℃挤出制得PP/MMT复合材料,然后二次添加PP共混制得MMT含量为8％的试样粒料。
将得到的纳米复合粒料放入熔体纺丝机,调整1区～7区温度为160℃～210℃，泵速为14r/min～24r/min，卷绕速度为250m/min～1000m/min，使纺丝处于稳态，经牵伸后卷曲成丝。得到纳米涂层纤维。
在1000ml清水中加入20g甲酰胺阳离子表面活性剂、0.5g前述制备的聚合物/蒙脱土纳米复合纤维和0.2g石膏，搅拌，使之充分溶解，形成纳米涂层纤维活性水压裂液。形成的纳米涂层纤维活性水压裂液中，氯化钾占清水质量的2％，纳米涂层纤维占清水质量的0.05％，阴离子聚丙烯酰胺固体粉末占清水质量的0.06％。压裂改造时，可按照前置液、携砂液、顶替液的顺序全程使用。
比较例1
在1000ml清水中加入20g氯化钾、3g降阻剂D60，使之充分溶解，形成常规活性水压裂液。形成的活性水压裂液中，氯化钾占清水质量的2％，降阻剂D60占清水质量的0.3％。压裂改造时，可按照前置液、携砂液、顶替液的顺序全程使用。
对实施例1～7与比较例1得到的纳米涂层纤维活性水压裂液的摩阻进行测试，。测试过程按照SY/T 6376-1998中6-13.1执行，结果参见图1，本发明所制备的纳米涂层纤维活性水压裂液的摩阻相对常规活性水的摩阻较低。在页岩储层压裂时经常需要大排量施工，导致管路摩阻损失较大限制了地面施工压力，进而限制了页岩气井压裂改造规模。为了有效地利用泵的效率，降低压裂液摩阻是非常必要的。
对实施例1的压裂液在不同排量下的降阻率，测试过程按照SY/T 6376-1998中6-13.1执行曲线图，由图1可知其降阻率可达65％以上。
对实施例1与比较例1得到的纳米涂层纤维活性水压裂液的动态滤失进行测试，测试按SY/T 6215-19％中6.7执行，并去掉其中6.7.4.1挤标准盐水过程。结果参见图3。图3(a)曲线为实施例1制备的压裂液的动态滤失曲线图；图3(b)曲线为比较例1制备的压裂液的动态滤失曲线图。由图3可知，本发明加入所形成的纳米涂层纤维活性水压裂液可以有效降低滤失。将实施例1～7及比较例1制备的压裂液各200mL分别装于量筒中，分别添加5％砂比的支撑剂，所用支撑剂为Binyang Ceramics生产的粒径为40/70目的陶粒，其密度为1.65g/cm3，常温下混合后，放置30分钟，比较沉降速率，结果参见表1。从表1中可以看出本发明的压裂液沉降速率慢，
表1  压裂液的沉降速率比较
对实施例1～7得到的纳米涂层纤维活性水压裂液与比较例1得到的常规活性水压裂液的防膨性进行测试，测试按照SY/T 5762-1995压裂酸化用粘土稳定剂性能测定方法执行，实验结果见表2。
表2  防膨率测试结果
编号 实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 实施例5 实施例6 实施例7 比较例1
防膨率％ 78.08 77.84 76.51 75.38 75.45 77.54 76.24 75.32

Claims (9)

1.纳米涂层纤维活性水压裂液，其特征在于：其制备原料各成份的质量百分比如下：防膨剂1％～2％，降阻剂0.02～0.06％，纳米涂层纤维0.05％～0.1％，水97.84％～98.93％；所述的防膨剂为氯化钾、氯化铵、三氯化铝、氯化锆、季铵盐、甲酰胺阳离子表面活性剂或甲酰胺阳离子聚合物；所述的降阻剂为丙烯酰胺、聚丙烯酰胺、腺醛树脂、石膏、水玻璃或炭素粉；所述的纳米涂层纤维为聚合物/蒙脱土纳米复合纤维。
2.如权利要求1所述的纳米涂层纤维活性水压裂液，其特征在于：所述的防膨剂为氯化钾。
3.如权利要求1或2所述的纳米涂层纤维活性水压裂液，其特征在于：所述的降阻剂为聚丙烯酰胺。
4.如权利要求1～3任一项所述的纳米涂层纤维活性水压裂液，其特征在于：所述纳米涂层纤维的纤维表面和端面颗粒以40～50nm均匀分散；所述纳米涂层纤维的长度为0.3～0.6cm。
5.如权利要求1～4任一项所述的纳米涂层纤维活性水压裂液，其特征在于：所述聚合物/蒙脱土纳米复合纤维的制备方法为：将蒙脱土水溶液搅拌升温至70～90℃后，再依次添加十六烷基三甲基氯化铵水溶液和硅烷偶联剂，在硅烷偶联剂的作用下，蒙脱土水溶液与十六烷基三甲基氯化铵反应的时间为2～4小时，得到有机蒙脱土；将所述有机蒙脱土与聚丙烯共混挤出，得到粒料；将所述粒料经纺丝，得到聚合物/蒙脱土纳米复合纤维。
6.如权利要求5～6所述的纳米涂层纤维活性水压裂液，其特征在于：所述蒙脱土为2︰1型层状结晶体；蒙脱土水溶液的质量百分浓度为8～15％。更优选的，蒙脱土水溶液的质量百分浓度为10～12％。
7.如权利要求5～8任一项所述的纳米涂层纤维活性水压裂液，其特征在于：有机蒙脱土与聚丙烯的质量比为1︰7～15。更优选的，有机蒙脱土与聚丙烯的质量比为1︰9～10。
8.如权利要求9所述的纳米涂层纤维活性水压裂液，其特征在于：所述共混挤出的温度为180～220℃。
9.如权利要求1～8任一项所述的纳米涂层纤维活性水压裂液的配制方法，其特征在于：采用如下步骤：
按照如下质量百分比准备原料：防膨剂1％～2％，降阻剂0.02～0.06％，纳米涂层纤维0.05％～0.1％，水97.84％～98.93％，加入清水中，搅拌15～20min，使其防膨剂、降阻剂完全溶解，纤维分散均匀，配制成纳米涂层纤维活性水压裂液；所述的防膨剂为氯化钾、氯化铵、三氯化铝、氯化锆、季铵盐、甲酰胺阳离子表面活性剂或甲酰胺阳离子聚合物；所述的降阻剂为丙烯酰胺、聚丙烯酰胺、腺醛树脂、石膏、水玻璃或炭素粉；所述的纳米涂层纤维为聚合物/蒙脱土纳米复合纤维。
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