CN104893707A - 一种用于清水压裂的自悬浮支撑剂及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于清水压裂的自悬浮支撑剂及其制备方法，该自悬浮支撑剂包括内核骨料颗粒和复合树脂包覆层；复合树脂包覆层由以下重量份数的组分组成：水溶性树脂1.5～4.5份、水可溶胀聚合物0.8～2份、交联剂0.1～0.2份、分散剂0.05～0.1份；水溶性树脂与内核骨料颗粒的质量比为1.5～4.5:100。本发明的自悬浮支撑剂具有低的视密度，在清水中通过表面复合树脂层的溶胀作用可呈稳定的悬浮状态，可使用清水将其泵至岩层裂缝区域，压裂施工更容易，简化了水力压裂操作，降低了压裂成本；可利用自身的特性增加压裂液粘度，在裂缝处保持高的导流能力和抗压能力，提高了油气井的生产效率，具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于油气开采用支撑剂技术领域，具体涉及一种用于清水压裂的自悬浮支撑剂，同时还涉及一种用于清水压裂的自悬浮支撑剂的制备方法。
背景技术
石油天然气的开采通常需要采用水力压裂技术，而支撑剂是压裂施工的关键材料。支撑剂又叫石油压裂支撑剂，在石油天然气深井开采时，高闭合压力低渗透性矿床经压裂处理后，使含油气岩层裂开，油气从裂缝形成的通道中汇集而出，此时需要流体注入岩石基层，以超过地层破裂强度的压力，使井筒周围岩层产生裂缝，形成一个具有高导流能力的通道。为保持压裂后形成的裂缝开启，油气产物能顺畅通过，通过水力压裂将支撑剂和压裂液的混合物以高压和高速泵入井底，进入地层充填在岩层裂隙中，利用支撑剂的抗压能力形成良好的导流通道，起到支撑裂隙不因应力释放而闭合的作用，从而保持高导流能力，使油气畅通，增加产量。
通常使用的支撑剂包括石英砂、人造烧结陶粒和覆膜支撑剂。石英砂主要应用于浅层低闭合压力井的压裂作业；陶粒支撑剂以铝矾土为原料，通过粉末制粒、烧结而成，具有耐高温、耐高压、耐腐蚀、高强度、高导流能力、低密度、低破碎率等特点，主要应用于中深井压裂工艺。陶粒虽然解决了石英砂强度低的问题，但是由于其密度大、成本高、施工风险高等因素，难以满足日益增长的压裂工艺技术的要求。覆膜支撑剂是在基体上覆膜热固性树脂，具有表面光滑、酸溶解度降低、圆球度得到改善、密度下降、破碎率大幅降低等优点；覆膜支撑剂综合了石英砂和陶瓷的优势，施工方便，导流能力强，不仅用于压裂支撑，而且可防止地层出砂和支撑剂返吐。
但是，上述这些支撑剂材料的视密度比较大，水力压裂时要依赖于大量昂贵的有机材料(例如胍胶)来提高压裂液的粘度，同时在压裂液中容易引起沉降，不容易携带，在岩层的裂缝中的目标区域容易引起堆积，不利用油气的导流；且大量的压裂液携带的有机材料对地层的伤害很大，导致地层的渗透率降低，造成地下水的污染，增加压裂成本。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于清水压裂的自悬浮支撑剂，具有低的视密度、便于清水泵送，且在裂缝处能保持高的导流能力。
本发明的第二个目的是提供一种用于清水压裂的自悬浮支撑剂的制备方法。
为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：
一种用于清水压裂的自悬浮支撑剂，包括内核骨料颗粒和包覆在内核骨料颗粒表面的复合树脂包覆层；所述复合树脂包覆层由以下重量份数的组分组成：水溶性树脂1.5～4.5份、水可溶胀聚合物0.8～2份、交联剂0.1～0.2份、分散剂0.05～0.1份；其中水溶性树脂与所述内核骨料颗粒的质量比为1.5～4.5:100。
所述自悬浮支撑剂中，本领域常用的无机支撑剂都可用作内核骨料颗粒；优选的，所述内核骨料颗粒为石英砂或陶粒。所述陶粒为烧结低密度陶粒，即密度低于1.65g/cm3。
所述自悬浮支撑剂的粒径为212～850μm。
所述水溶性树脂为水溶性环氧树脂、水溶性聚氨酯树脂、水溶性酚醛树脂、水溶性丙烯酸树脂以及它们的水溶性改性聚合物中的任意一种。
所述水可溶胀聚合物为聚丙烯酰胺、羟丙基纤维素或羟乙基纤维素。
所述交联剂为硝酸甘油、甘油三乙酸酯、聚环氧乙烷或聚环氧丙烷。
所述分散剂为硅酸钙、硬脂酸钙或二氧化硅。所述二氧化硅为胶体二氧化硅或气相二氧化硅。
一种上述的用于清水压裂的自悬浮支撑剂的制备方法，包括将内核骨料颗粒加热至50～150℃后，搅拌条件下依次加入水溶性树脂、水可溶胀聚合物、交联剂和分散剂，冷却，即得。
所述内核骨料颗粒在使用前进行干燥，至水分含量低于0.1％。
水可溶胀聚合物加入后，持续搅拌50～80s后再加入交联剂。
交联剂加入后，持续搅拌30～50s后再加入分散剂。分散剂加入后，继续搅拌30～50s即可进行出料、冷却。
所述搅拌的转速为70～100r/min。
本发明的用于清水压裂的自悬浮支撑剂，包括内核骨料颗粒和包覆在内核骨料颗粒表面的复合树脂包覆层，复合树脂包覆层由水溶性树脂、水可溶胀聚合物、交联剂和分散剂组成；该自悬浮支撑剂具有低的视密度，在水中可以呈悬浮状态，便于清水泵送，可以使用清水将该种支撑剂泵至岩层裂缝区域，降低对压裂设备的损害，使压裂施工更容易，且延长了压裂设备的寿命，简化了水力压裂操作，降低了压裂成本；可以利用自身的特性来增加压裂液的粘度，提高其在水中的悬浮能力，在裂缝处保持高的导流能力且在裂缝中具有高的抗压能力，保持裂缝不闭合、有良好的导流通道，提高了油气井的生产效率；具有 良好的耐地层化学腐蚀性能，不因地层化学作用而改变性能，减少了对环境的损害，提高了水力压裂性能，是一种高性能压裂材料，具有良好的应用前景。
本发明的自悬浮支撑剂，适用于清水压裂；其具有很低的视密度，在清水中通过表面复合树脂包覆层的溶胀作用可呈稳定的悬浮状态，且沉降时间长，可使用清水进行压裂，降低对压裂设备的磨损，在岩层目标区域不易产生堆积；不需使用大量的有机材料来提高压裂液的粘度，对地层环境伤害小，抗压强度高，在更深的油气井高闭合压力下能保持良好的导流能力，从而大幅度的降低压裂成本，提高油气的生产效率。
本发明的用于清水压裂的自悬浮支撑剂的制备方法，是将内核骨料颗粒加热后，在搅拌条件下依次加入水溶性树脂、水可溶胀聚合物、交联剂和分散剂制成的；该制备方法工艺简单，操作方便，原材料取材方便，工艺参数可控，适合大规模工业化生产。
附图说明
图1为实施例1所得自悬浮支撑剂的显微形貌示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。
实施例1
本实施例的用于清水压裂的自悬浮支撑剂，包括石英砂和包覆在石英砂表面的复合树脂包覆层；所述复合树脂包覆层由以下重量份数的组分组成：水溶性环氧树脂1.5份、聚丙烯酰胺1份、硝酸甘油0.1份、硅酸钙0.05份；其中水溶性环氧树脂与所述石英砂的质量比为1.5:100。
本实施例的用于清水压裂的自悬浮支撑剂的制备方法，包括下列步骤：
1)称取1kg的石英砂，烘干使其水分含量低于0.1％；
2)将烘干后的石英砂投入混砂机中，加热至70℃后，在转速为70r/min的搅拌条件下依次加入15g水溶性环氧树脂、10g聚丙烯酰胺；持续搅拌60s后，加入硝酸甘油1g；持续搅拌30s，有团结成块现象时加入0.5g硅酸钙，继续搅拌40s，出料、冷却、筛分，即得所述自悬浮支撑剂。
本实施例所得自悬浮支撑剂的显微形貌如图1所示，复合树脂包覆层2包覆在内核骨料颗粒1的表面；支撑剂使用前如图1(a)所示，复合树脂包覆层2为薄薄的一层；当支撑剂用于清水压裂时，复合树脂包覆层2发生溶胀作用(如图1(b)所示)，可在清水中呈稳定的悬浮状态且沉降时间长，在裂缝处保持高的导流能力且在裂缝中具有高的抗压能力，保持裂缝不闭合、有良好的导流通道，提高了油气井的生产效率。
实施例2
本实施例的用于清水压裂的自悬浮支撑剂，包括烧结低密度陶粒和包覆在烧结低密度陶粒表面的复合树脂包覆层；所述复合树脂包覆层由以下重量份数的组分组成：水溶性酚醛树脂2.0份、聚丙烯酰胺1份、甘油三乙酸酯0.15份、硅酸钙0.1份；其中水溶性酚醛树脂与所述烧结低密度陶粒的质量比为2.0:100。
本实施例的用于清水压裂的自悬浮支撑剂的制备方法，包括下列步骤：
1)称取1kg的烧结低密度陶粒，烘干使其水分含量低于0.1％；
2)将烘干后的烧结低密度陶粒投入混砂机中，加热至90℃后，在转速为80r/min的搅拌条件下依次加入20g水溶性酚醛树脂、10g聚丙烯酰胺；持续搅拌50s后，加入甘油三乙酸酯1.5g；持续搅拌30s，有团结成块现象时加入1.0g硅酸钙，继续搅拌50s，出料、冷却、筛分，即得所述自悬浮支撑剂。
本实施例所得自悬浮支撑剂的显微形貌同实施例1。
实施例3
本实施例的用于清水压裂的自悬浮支撑剂，包括石英砂和包覆在石英砂表面的复合树脂包覆层；所述复合树脂包覆层由以下重量份数的组分组成：水溶性聚氨酯树脂2.5份、羟丙基纤维素0.8份、聚环氧乙烷0.1份、硬脂酸钙0.05份；其中水溶性聚氨酯树脂与所述石英砂的质量比为2.5:100。
本实施例的用于清水压裂的自悬浮支撑剂的制备方法，包括下列步骤：
1)称取1kg的石英砂，烘干使其水分含量低于0.1％；
2)将烘干后的石英砂投入混砂机中，加热至90℃后，在转速为90r/min的搅拌条件下依次加入25g水溶性聚氨酯树脂、8g羟丙基纤维素；持续搅拌80s后，加入聚环氧乙烷1g；持续搅拌30s，有团结成块现象时加入0.5g硬脂酸钙，继续搅拌50s，出料、冷却、筛分，即得所述自悬浮支撑剂。
本实施例所得自悬浮支撑剂的显微形貌同实施例1。
实施例4
本实施例的用于清水压裂的自悬浮支撑剂，包括烧结低密度陶粒和包覆在烧结低密度陶粒表面的复合树脂包覆层；所述复合树脂包覆层由以下重量份数的组分组成：水溶性丙烯酸树脂2.0份、羟乙基纤维素1份、聚环氧丙烷0.12份、气相二氧化硅0.05份；其中水溶性丙烯酸树脂与所述烧结低密度陶粒的质量比为2.0:100。
本实施例的自悬浮支撑剂的制备方法，包括下列步骤：
1)称取1kg的烧结低密度陶粒，烘干使其水分含量低于0.1％；
2)将烘干后的烧结低密度陶粒投入混砂机中，加热至100℃后，在转速为100r/min的搅拌条件下依次加入20g水溶性丙烯酸树脂、10g羟乙基纤维素；持续搅拌60s后，加入聚环氧丙烷1.2g；持续搅拌30s，有团结成块现象时加入0.5g气相二氧化硅，继续搅拌30s，出料、冷却、筛分，即得所述自悬浮支撑剂。
本实施例所得自悬浮支撑剂的显微形貌同实施例1。
实施例5
本实施例的自悬浮支撑剂，包括石英砂和包覆在石英砂表面的复合树脂包覆层；所述复合树脂包覆层由以下重量份数的组分组成：水溶性环氧树脂4.5份、聚丙烯酰胺2份、聚环氧乙烷0.2份、硅酸钙0.1份；其中水溶性环氧树脂与所述石英砂的质量比为4.5:100。
本实施例的自悬浮支撑剂的制备方法，包括下列步骤：
1)称取1kg的石英砂，烘干使其水分含量低于0.1％；
2)将烘干后的石英砂投入混砂机中，加热至150℃后，在转速为95r/min的搅拌条件下依次加入45g水溶性环氧树脂、20g聚丙烯酰胺；持续搅拌60s后，加入聚环氧乙烷2g；持续搅拌30s，有团结成块现象时加入1g硅酸钙，继续搅拌30s，出料、冷却、筛分，即得所述自悬浮支撑剂。
本实施例所得自悬浮支撑剂的显微形貌同实施例1。
实施例6
本实施例的自悬浮支撑剂，包括烧结低密度陶粒和包覆在烧结低密度陶粒表面的复合树脂包覆层；所述复合树脂包覆层由以下重量份数的组分组成：水溶性酚醛树脂3.5份、羟丙基纤维素1.5份、聚环氧丙烷0.17份、胶体二氧化硅0.08份；其中水溶性酚醛树脂与所述烧结低密度陶粒的质量比为2.0:100。
本实施例的自悬浮支撑剂的制备方法，包括下列步骤：
1)称取1kg的烧结低密度陶粒，烘干使其水分含量低于0.1％；
2)将烘干后的烧结低密度陶粒投入混砂机中，加热至50℃后，在转速为75r/min的搅拌条件下依次加入35g水溶性酚醛树脂、15g羟丙基纤维素；持续搅拌60s后，加入聚环氧丙烷1.7g；持续搅拌30s，有团结成块现象时加入0.8g胶体二氧化硅，继续搅拌30s，出料、冷却、筛分，即得所述自悬浮支撑剂。
本实施例所得自悬浮支撑剂的显微形貌同实施例1。
实验例
本实验例对实施例1-6所得自悬浮支撑剂的性能进行检测。
具体为：以上实施例1-6所制备的自悬浮支撑剂的体积密度、视密度及破碎率的测试均依照标准SY/T5108-2006《压裂支撑剂性能指标及测试推荐方法》测定，实施例1-6所得的自悬浮支撑剂导流能力测试依据标准SY/T6302-2009测试。结果如表1-7所示。
表1实施例1-6所得自悬浮支撑剂的性能检测结果
表2实施例1所得自悬浮支撑剂的导流能力测试
表3实施例2所得自悬浮支撑剂的导流能力测试
表4实施例3所得自悬浮支撑剂的导流能力测试
表5实施例4所得自悬浮支撑剂的导流能力测试
表6实施例5所得自悬浮支撑剂的导流能力测试
表7实施例6所得自悬浮支撑剂的导流能力测试
从表1-7可知，实施例1-6所得自悬浮支撑剂的视密度为1.98-2.19g/cm3，溶胀体积倍数在6.9以上；且实施例1-6所得的自悬浮支撑剂的导流能力在闭合压力高达60MPa时，蒸馏水在20μm2·cm以上，煤油在31μm2·cm以上，导流能力高于相关标准要求。实验结果表明，本发明的自悬浮支撑剂具有很低的视密度，在清水中通过表面复合树脂包覆层的溶胀作用可呈稳定的悬浮状态，且沉降时间长，可使用清水进行压裂，不需使用大量的有机材料来提高压裂液的粘度，对地层环境伤害小，抗压强度高，在更深的油气井高闭合压力下能保持良好的导流能力，提高了水力压裂性能，是一种高性能的压裂材料。
Claims (10)
1.一种用于清水压裂的自悬浮支撑剂，其特征在于：包括内核骨料颗粒和包覆在内核骨料颗粒表面的复合树脂包覆层；所述复合树脂包覆层由以下重量份数的组分组成：水溶性树脂1.5～4.5份、水可溶胀聚合物0.8～2份、交联剂0.1～0.2份、分散剂0.05～0.1份；其中水溶性树脂与所述内核骨料颗粒的质量比为1.5～4.5:100。
2.根据权利要求1所述的用于清水压裂的自悬浮支撑剂，其特征在于：所述内核骨料颗粒为石英砂或陶粒。
3.根据权利要求1所述的用于清水压裂的自悬浮支撑剂，其特征在于：所述水溶性树脂为水溶性环氧树脂、水溶性聚氨酯树脂、水溶性酚醛树脂、水溶性丙烯酸树脂以及它们的水溶性改性聚合物中的任意一种。
4.根据权利要求1所述的用于清水压裂的自悬浮支撑剂，其特征在于：所述水可溶胀聚合物为聚丙烯酰胺、羟丙基纤维素或羟乙基纤维素。
5.根据权利要求1所述的用于清水压裂的自悬浮支撑剂，其特征在于：所述交联剂为硝酸甘油、甘油三乙酸酯、聚环氧乙烷或聚环氧丙烷。
6.根据权利要求1所述的自悬浮支撑剂，其特征在于：所述分散剂为硅酸钙、硬脂酸钙或二氧化硅。
7.一种如权利要求1所述的用于清水压裂的自悬浮支撑剂的制备方法，其特征在于：包括将内核骨料颗粒加热至50～150℃后，搅拌条件下依次加入水溶性树脂、水可溶胀聚合物、交联剂和分散剂，冷却，即得。
8.根据权利要求7所述的用于清水压裂的自悬浮支撑剂的制备方法，其特征在于：所述内核骨料颗粒在使用前进行干燥，至水分含量低于0.1％。
9.根据权利要求7所述的用于清水压裂的自悬浮支撑剂的制备方法，其特征在于：水可溶胀聚合物加入后，持续搅拌50～80s后再加入交联剂。
10.根据权利要求7或9所述的用于清水压裂的自悬浮支撑剂的制备方法，其特征在于：交联剂加入后，持续搅拌30～50s后再加入分散剂。
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