CN105952428A - 一种纤维辅助二氧化碳干法压裂方法 - Google Patents

一种纤维辅助二氧化碳干法压裂方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于石油压裂技术领域，具体涉及一种纤维辅助二氧化碳干法压裂方法，针对二氧化碳干法或超临界二氧化碳压裂井筒摩阻高、液态CO2粘度低，使用增稠剂提粘困难，导致悬砂能力差，滤失量大，不利于压裂造缝等问题，通过纤维性质和使用量、加入时机、加入方式等的控制，分别用于降阻、携砂、暂堵等，形成纤维辅助二氧化碳干法压裂工艺或超临界二氧化碳压裂工艺，弥补单相技术不足，提高储层改造效果。

Description

一种纤维辅助二氧化碳干法压裂方法
技术领域
本发明属于石油压裂技术领域，具体涉及一种纤维辅助二氧化碳干法压裂方法。
背景技术
中国的低渗、超低渗等非常规油气资源十分丰富。然而，由于非常规储集层物性普遍较差，因而需要采用储集层改造技术改善渗流条件，以达到有效开采的目的。国内外最常用的储集层改造技术是水力压裂技术，即采用水基压裂液对储集层进行改造。但水基压裂液体系存在水资源大量浪费、黏土膨胀和压裂液残渣伤害储集层、返排不完全造成地下水污染以及污水处理费用高昂等缺点。CO2干法压裂技术是一种正在不断完善的无水压裂技术，它是使用100%液态CO2作为压裂介质，首先将支撑剂加压降温到液态CO2的储罐压力和温度，在专用混砂机内与液态CO2混合，然后用高压压裂泵泵入井筒进行压裂。与常规水基压裂也相比，CO2干法压裂技术具有明显优势，不再赘述。该技术自20世纪80年代在北美首次应用以来，目前已在国外已广泛应用于各种地层中。
我国二氧化碳干法压裂技术起步较晚，目前川庆钻探和吉林油田分别联合国内相关科研院所开展了大量CO2干法压裂技术研究，并进行了多口井先导试验，相关技术走在国内前列。但也发现CO2干法压裂技术存在若干不足，需要攻关改进，比如：CO2压裂液井筒摩阻高；液态CO2粘度低，使用增稠剂提粘困难，导致悬砂能力差，滤失量大，不利于压裂造缝，这是导致施工失败的主因。针对这两点国内外正在开展攻关研究，以求突破。
纤维压裂技术在国内外已大量应用，广泛用于防支撑剂回流、提高压裂液携砂能力、暂堵压裂等，效果显著。将纤维压裂与二氧化碳干法压裂相结合，有望利用表面改性纤维降阻、携砂、防支撑剂回流、暂堵等优势，弥补单纯二氧化碳干法压裂摩阻高、携砂困难等不足。
发明内容
本发明的目的是克服现有的CO2干法压裂工艺存在CO2压裂液井筒摩阻高；液态CO2粘度低，使用增稠剂提粘困难，导致悬砂能力差，滤失量大，不利于压裂造缝的问题。
为此，本发明提供了一种纤维辅助二氧化碳干法压裂方法，包括如下步骤：
1）对水溶性聚乙烯醇纤维进行表面改性，得到改性后的聚乙烯醇纤维；
2）压裂工作液的准备：以支撑剂、改性后的聚乙烯醇纤维和100%液态CO2配制前置液，配置成的前置液中改性后的聚乙烯醇纤维质量分数为0.5%～1%，支撑剂质量分数为15%～30%，剩余为液态CO2；
3）使用活性水以0.4～0.5m3/min的施工排量替挤出井筒内的液体；
4) 待井筒内的液体排尽后，以0.6～2.0m3/min的施工排量坐封压裂封隔器；
5）待压裂封隔器坐封后，以2.4～3.0m3/min的施工排量注入步骤2）中的前置液45m3，进行预冲洗，并形成主裂缝；
6）对形成的主裂缝阶梯式注入100%液态CO2和支撑剂组成的携砂液，阶梯式加砂比浓度依次为10%-15%-20%-28%-30%，在加砂比浓度为 10%-15%-20%-28%阶段加入不加改性后的聚乙烯醇纤维的携砂液，在加砂比浓度为30%阶段的携砂液中开始混入步骤2)中准备的占携砂液的质量分数为1%～2%的改性后的聚乙烯醇纤维，注入地层形成新分支缝；
7）以2.4～3.0m3/min 的施工排量用活性水替挤出井筒内的携砂液，完成压裂。
所述的步骤2）前置液中改性后的聚乙烯醇纤维的加量、加入时机、加入方式通过室内管路摩阻试验确定。
所述的步骤6）携砂液中改性后的聚乙烯醇纤维的加量、加入时机、加入方式通过室内二氧化碳干法或超临界二氧化碳压裂液密闭携砂实验确定。
所述的步骤6)中改性后的聚乙烯醇纤维通过全自动纤维分散、计量及加入装置加入，实现纤维加入与仪表车、混砂车高效衔接、量化控制。
所述的步骤1)中采用铬酸溶液对水溶性聚乙烯醇纤维进行表面改性，所述的铬酸溶液的配方为 K2Cr2O7、H2O 和浓 H2SO4物质量比为5：8：100，将水溶性聚乙烯醇纤维在该铬酸溶液铬酸溶液室温条件下浸泡2.5h进行改性。
所述的步骤1)中采用KMnO4或硫酸作为引发剂，对水溶性聚乙烯醇纤维进行接枝丙烯酸改性，所述的KMnO4浓度为5×10-3mol/L、硫酸浓度为0.2mol/L、丙烯酸浓度为0.8mol/L、反应时间为 3.0h。
所述的步骤1)中采用甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷的水溶液或乙醇溶液对水溶性聚乙烯醇纤维进行表面改性，浓度为 25×10-3mol/L 的过氧化二异丙苯作引发剂，甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷单体浓度为 0.1mol/L，将水溶性聚乙烯醇纤维在该甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷的水溶液或乙醇溶液中浸渍时间24小时，乙醇浓度10%。
所述的步骤2)和步骤6）中选用的改性后的聚乙烯醇纤维的长度为6～8mm，直径为10μm。
本发明提供的这种纤维辅助二氧化碳干法压裂方法具有以下有益效果：
（1）根据液态二氧化碳或超临界二氧化碳性质，进行压裂纤维表面改性，使其能与二氧化碳压裂液较好配伍，同时具备表面改性降低摩阻功能；
（2）前置液阶段纤维降阻、携砂液阶段纤维携砂、暂堵等工艺参数的室内优化，主要技术要点包括改性纤维加入方式、注入量、加入比例、加入时机等工艺参数优化设计；
（3）在室内研究基础上，利用现场纤维分散、计量设备将纤维分散、计量，设计现场纤维辅助二氧化碳干法或超临界二氧化碳压裂纤维加入工艺，实现纤维顺利入井，通过纤维性质和使用量的控制，分别用于降阻、携砂、暂堵等，主要技术要点是改性纤维加入方式、注入量、加入比例、加入时机等工艺参数优化设计。
（4）多项压裂技术的集成创新，弥补单相技术不足，技术先进性及优势明显，技术使用效果显著，成功率高。
具体实施方式
下面是通过实施例对本发明进行具体描述，有必要在此指出的是本实施例仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以下实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
实施例1：
本实施例提供一种纤维辅助二氧化碳干法压裂方法，包括如下步骤：
1）对水溶性聚乙烯醇纤维进行表面改性，得到改性后的聚乙烯醇纤维；
2）压裂工作液的准备：以支撑剂、改性后的聚乙烯醇纤维和100%液态CO2配制前置液，配置成的前置液中改性后的聚乙烯醇纤维质量分数为0.5%～1%，支撑剂质量分数为15%～30%，剩余为液态CO2；
3）使用活性水以0.4～0.5m3/min的施工排量替挤出井筒内的液体；
4) 待井筒内的液体排尽后，以0.6～2.0m3/min的施工排量坐封压裂封隔器；
5）待压裂封隔器坐封后，以2.4～3.0m3/min的施工排量注入步骤2）中的前置液45m3，进行预冲洗，并形成主裂缝；
6）对形成的主裂缝阶梯式注入100%液态CO2和支撑剂组成的携砂液，阶梯式加砂比浓度依次为10%-15%-20%-28%-30%，在加砂比浓度为 10%-15%-20%-28%阶段加入不加改性后的聚乙烯醇纤维的携砂液，在加砂比浓度为30%阶段的携砂液中开始混入步骤2)中准备的占携砂液的质量分数为1%～2%的改性后的聚乙烯醇纤维，注入地层形成新分支缝；
7）以2.4～3.0m3/min 的施工排量用活性水替挤出井筒内的携砂液，完成压裂。
本实施例的这种纤维辅助二氧化碳干法压裂方法，针对二氧化碳干法或超临界二氧化碳压裂井筒摩阻高、液态CO2粘度低，使用增稠剂提粘困难，导致悬砂能力差，滤失量大，不利于压裂造缝等问题，通过纤维性质和使用量、加入时机、加入方式等的控制，分别用于降阻、携砂、暂堵等，形成纤维辅助二氧化碳干法压裂工艺或超临界二氧化碳压裂工艺，弥补单相技术不足，提高储层改造效果。
实施例2：
步骤2）前置液中改性后的聚乙烯醇纤维的加量、加入时机、加入方式通过室内管路摩阻试验确定，用以降低摩阻。
室内管路摩阻试验：在实验室，首先测定清水在三个管路（3/4＇、1/2＇、1＇）不同流量下的摩阻，验证设备数据的准确性。然后配置30L本方法中所要测定的前置液，让其分别在不同改性后的聚乙烯醇纤维的加量（前置液中纤维质量分数）、加入时机（前置液中什么时候加入纤维）、加入方式（纤维加入速率）的情况下分别流过三个管路，测得其流过三个管路时的压降，得到不同情况下与摩阻的关系曲线，求出其最佳值，该值以具体的实施情况为准。
步骤6）携砂液中改性后的聚乙烯醇纤维的加量、加入时机、加入方式通过室内二氧化碳干法或超临界二氧化碳压裂液密闭携砂实验确定，使纤维起到携砂、防支撑剂回流目的。
室内二氧化碳干法或超临界二氧化碳压裂液密闭携砂实验：在室内模拟二氧化碳干法或超临界二氧化碳压裂液携砂实验，分别以不同状况下的携砂液进行试验，包括不同的改性后的聚乙烯醇纤维的加量（前置液中纤维质量分数）、加入时机（全程伴注、还是高砂比加入）、加入方式（先和液态二氧化碳混合还是先和砂子混合）等等，求得各种情况下的参数，绘制图表，选择最佳情况下进行实际施工，使纤维起到携砂、防支撑剂回流目的。
实施例3：
步骤6)中改性后的聚乙烯醇纤维通过全自动纤维分散、计量及加入装置加入，实现纤维加入与仪表车、混砂车高效衔接、量化控制。
此处具体的纤维加入以及与仪表车、混砂车高效衔接、量化控制的过程，参照已申请的专利“一种精确输送纤维的装置及其输送方法”，申请号为：201510653986.7，此为已有技术，在此不作特别说明。
实施例4：
步骤 1) 中可以采用铬酸溶液对水溶性聚乙烯醇纤维进行表面改性 , 铬酸溶液的配方为 K2Cr2O7、H2O 和浓 H2SO4物质量比为5：8：100，将水溶性聚乙烯醇纤维在该铬酸溶液铬酸溶液室温条件下浸泡2.5h。
步骤 1) 中还可以采用 KMnO4或硫酸作为引发剂，对水溶性聚乙烯醇纤维进行接枝丙烯酸改性，KMnO4浓度为5×10-3mol/L、硫酸浓度为0.2mol/L、丙烯酸浓度为0.8mol/L、反应时间为 3.0h。
步骤 1) 中还可以采用甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷的水溶液或乙醇溶液对水溶性聚乙烯醇纤维进行表面改性，浓度为 25×10-3mol/L 的过氧化二异丙苯作引发剂，甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷单体浓度为 0.1mol/L，将水溶性聚乙烯醇纤维在该甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷的水溶液或乙醇溶液中浸渍时间24小时，乙醇浓度10%。
上述三种对水溶性聚乙烯醇纤维进行表面改性的方法中，水溶性聚乙烯醇纤维表面吸附了甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷分子，吸湿率最高，达到0.41%。
优选水溶性聚乙烯醇纤维，选用甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷的水溶液或乙醇溶液对水溶性聚乙烯醇纤维进行表面改性，得到改性后的聚乙烯醇纤维，这种表面改性技术提高了水溶性聚乙烯醇纤维与压裂液均匀混合速度30%以上，分散程度良好，无明显抱团现象，在90℃以内10d可降解85%以上，有效降低支撑剂沉降速率50%以上，改性后的水溶性聚乙烯醇纤维纤维网络与支撑剂形成复合体，其稳定时间提高了1～2倍，支撑剂回流量降低80%以上。
上述选择基础上，设计纤维暂堵驱替实验，优选出所述步骤2)和步骤6）中改性后的聚乙烯醇纤维的长度为6～8mm。
纤维暂堵驱替实验的过程如下：①将岩心从中间由轴向切成剖面为矩形的均匀两半；②在两半合成的缝隙中均匀铺上混有不同长度改性后的聚乙烯醇纤维的支撑剂，将其固定；③在加上围压的条件下，以 1ml/min 的流量注入胍尔胶水溶液，直至岩心夹持器出口端流下第一滴液体且以后不断有液体流出，此时进口端压力表的读数为暂堵剂的突破压力。结果显示 2mm 改性后的聚乙烯醇纤维无法形成暂堵，4mm 改性后的聚乙烯醇纤维在混砂浓度为10kg/m3下突破压力达到0.2MPa，6～8mm 改性后的聚乙烯醇纤维在混砂浓度为10kg/m3下突破压力达到0.25～0.3MPa，综合考虑，选取6～8mm改性后的聚乙烯醇纤维。
设计纤维支撑砂体坍塌实验，优选出所述步骤2)和步骤6）中选用的改性后的聚乙烯醇纤维的直径为10μm。
纤维支撑砂体坍塌实验过程如下：选取 4 根长度为 12.7cm、内径为 22mm的管柱，分别连接管子，在出口配有筛网，用质量分数为0.5%的胍尔胶水溶液（即100g水里加入0.5g胍尔胶）携带支撑剂和直径分别为5μm、10μm、15μm和20μm的改性后的聚乙烯醇纤维流过筛网，留下20/40目的支撑剂和改性后的聚乙烯醇纤维，再用自来水冲洗30分钟；四根管子是独立的，冲洗孔是直径为1.27cm固定在每个管子出口的法兰；自来水通过每个管柱，流体的流量逐渐增大，直到砂/纤维砂体破坏，记录通过管柱的流量和压降(结果取四个管柱的平均值)。结果显示，使用直径为10μm的改性后的聚乙烯醇纤维测得通过管柱的流量和压降最大，因此，优选改性后的聚乙烯醇纤维直径为10μm。
综上所述，本发明的这种纤维辅助二氧化碳干法压裂方法，主要是通过以下关键得以实现：
（1）根据液态二氧化碳或超临界二氧化碳性质，进行压裂纤维表面改性，使其能与二氧化碳压裂液较好配伍，同时具备表面改性降低摩阻功能；
（2）根据室内管路摩阻试验，确定二氧化碳干法或超临界二氧化碳压裂前置液阶段改性纤维加量、加入时机、加入方式等参数，以降低摩阻；
（3）根据室内二氧化碳干法或超临界二氧化碳压裂液密闭携砂实验，确定不同砂浓度时最佳纤维加入量、加入时机、加入方式等参数，使纤维起到携砂、防支撑剂回流目的；
（4）根据地层性质、压裂规模和压裂设计思路，可提高携砂阶段改性纤维伴注量实现封端暂堵，增加裂缝净压力，启动天然裂缝，增加储层改造体积；
（5）利用纤维分散、计量设备将纤维分散、计量，设计现场纤维辅助二氧化碳干法或超临界二氧化碳压裂纤维加入工艺，实现纤维顺利入井。
通过以上手段的有机配合，形成纤维辅助二氧化碳干法压裂工艺或超临界二氧化碳压裂工艺，弥补单相技术不足，提高储层改造效果。
以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种纤维辅助二氧化碳干法压裂方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）对水溶性聚乙烯醇纤维进行表面改性，得到改性后的聚乙烯醇纤维；
2）压裂工作液的准备：以支撑剂、改性后的聚乙烯醇纤维和100%液态CO2配制前置液，配置成的前置液中改性后的聚乙烯醇纤维质量分数为0.5%～1%，支撑剂质量分数为15%～30%，剩余为液态CO2；
3）使用活性水以0.4～0.5m3/min的施工排量替挤出井筒内的液体；
4) 待井筒内的液体排尽后，以0.6～2.0m3/min的施工排量坐封压裂封隔器；
5）待压裂封隔器坐封后，以2.4～3.0m3/min的施工排量注入步骤2）中的前置液45m3，进行预冲洗，并形成主裂缝；
6）对形成的主裂缝阶梯式注入100%液态CO2和支撑剂组成的携砂液，阶梯式加砂比浓度依次为10%-15%-20%-28%-30%，在加砂比浓度为 10%-15%-20%-28%阶段加入不加改性后的聚乙烯醇纤维的携砂液，在加砂比浓度为30%阶段的携砂液中开始混入步骤2)中准备的占携砂液的质量分数为1%～2%的改性后的聚乙烯醇纤维，注入地层形成新分支缝；
7）以2.4～3.0m3/min 的施工排量用活性水替挤出井筒内的携砂液，完成压裂。
2.如权利要求1所述的纤维辅助二氧化碳干法压裂方法，其特征在于：所述的步骤2）前置液中改性后的聚乙烯醇纤维的加量、加入时机、加入方式通过室内管路摩阻试验确定。
3.如权利要求1所述的纤维辅助二氧化碳干法压裂方法，其特征在于：所述的步骤6）携砂液中改性后的聚乙烯醇纤维的加量、加入时机、加入方式通过室内二氧化碳干法或超临界二氧化碳压裂液密闭携砂实验确定。
4.如权利要求1所述的纤维辅助二氧化碳干法压裂方法，其特征在于：所述的步骤6)中改性后的聚乙烯醇纤维通过全自动纤维分散、计量及加入装置加入。
5.如权利要求1所述的纤维辅助二氧化碳干法压裂方法，其特征在于：所述的步骤1)中采用铬酸溶液对水溶性聚乙烯醇纤维进行表面改性，所述的铬酸溶液的配方为 K2Cr2O7、H2O 和浓 H2SO4物质量比为5：8：100，将水溶性聚乙烯醇纤维在该铬酸溶液铬酸溶液室温条件下浸泡2.5h进行改性。
6.如权利要求1所述的纤维辅助二氧化碳干法压裂方法，其特征在于：所述的步骤1)中采用KMnO4或硫酸作为引发剂，对水溶性聚乙烯醇纤维进行接枝丙烯酸改性，所述的KMnO4浓度为5×10-3mol/L、硫酸浓度为0.2mol/L、丙烯酸浓度为0.8mol/L、反应时间为 3.0h。
7.如权利要求1所述的纤维辅助二氧化碳干法压裂方法，其特征在于：所述的步骤1)中采用甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷的水溶液或乙醇溶液对水溶性聚乙烯醇纤维进行表面改性，浓度为 25×10-3mol/L 的过氧化二异丙苯作引发剂，甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷单体浓度为 0.1mol/L，将水溶性聚乙烯醇纤维在该甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷的水溶液或乙醇溶液中浸渍时间24小时，乙醇浓度10%。
8.如权利要求5或6或7所述的纤维辅助二氧化碳干法压裂方法，其特征在于：所述的步骤2)和步骤6）中选用的改性后的聚乙烯醇纤维的长度为6～8mm，直径为10μm。
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