CN108194072A - 基于片状支撑剂和气润湿反转剂的储层压裂方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于片状支撑剂和气润湿反转剂的储层（包括油气层、煤层等）压裂方法，应用该储层压裂方法，在携砂液中增加占支撑剂总重量1.0%‑99.0%的片状（包括煤矸石、核桃壳等）支撑剂，其它为传统的球状（包括石英砂，陶粒等）支撑剂；在压裂前置液中加入占压裂前置液总重量0.0%‑10.0%的气润湿反转剂；采用气润湿反转剂将支撑剂表面的润湿性改变成亲气，即气润湿。本发明通过压裂方法、加入气润湿反转剂的压裂液、片状支撑剂等来改善例如煤层气井或井下水力压裂瓦斯抽采效果，提高煤层气的导流能力，进而有效地提高煤层气产量。

Description

基于片状支撑剂和气润湿反转剂的储层压裂方法

技术领域

本发明涉及一种储层压裂方法，具体的，涉及一种基于片状支撑剂和气润湿反转剂的储层压裂方法。

背景技术

随着石油、天然气等传统能源日益枯竭，煤层气、页岩气等新能源越来越多受到人们的关注，现多采用压裂，如水力压裂的方式进行地质能源储层的开发。

以煤层为例，由于绝大多数煤层的渗透率都很低，仅靠井眼圆柱侧面作为排气面是远远不够的，所以必须采取人工强化增压措施，包括煤层水力压裂、钻水平排泄孔和洞穴应力释放等。利用以钻井水力压裂为关键技术的一整套工艺过程对煤层气进行开发是当今世界开发煤层气所用的核心技术。

压裂开采就是利用地面高压泵，通过井筒向煤层挤注压裂液，当注入压裂液的速度超过储层的吸收能力时，则在储层形成很高的压力，当这种压力超过储层的破裂压力时，储层将被压开并产生裂缝。这时，继续不停地向储层挤注压裂液，裂缝就会继续向储层内部扩张。为了保持压开的裂缝处于张开状态，接着向储层挤入带有支撑剂（通常石英砂）的携砂液，携砂液进入裂缝之后，一方面可以使裂缝继续向前延伸，另一方面可以支撑已经压开的裂缝，使其不致于闭合。再接着注入顶替液，将井筒的携砂液全部顶替进入裂缝，用石英砂将裂缝支撑起来。最后，注入的压裂液会自动降解排出井筒之外，在储层中留下一条或多条长、宽、高不等的裂缝，使储层与井筒之间建立起一条新的流体通道。

现有储层压裂支撑剂多为球状石英砂、陶粒支撑剂，或多从支撑剂强度、材料考虑改变支撑剂，例如，目前广泛用于煤层压裂的支撑剂是天然石英砂。其原因是（1）煤层埋藏浅，闭合应力小，对支撑剂强度要求不高。（2）来源广，价格便宜，符合煤层气低产低投入的原则。

但是，在煤层气开采过程中常伴随着煤粉崩落，对于传统全部采用球状支撑剂的压裂方式，煤粉会充填支撑剂空隙，使煤层气渗流通道大幅降低，导流能力下降。

云母等片状支撑剂材料在专利中出现过，例如，中国专利 CN 102159791 A，其使用片状材料、优选云母作为一些或者全部支撑剂或砾石，特点为纵横比低于约5；再如美国专利申请公开第US 20070193745 A1号。此外，片状材料已经被用来添加到支撑剂压裂液中以抑制支撑剂回流，例如，美国专利5782300号。更普遍地，它们已经被用作封堵降滤失剂，例如美国专利申请公开第20060065398号。

支撑剂是保证裂缝有较长期限的导流能力的固体颗粒，由于储层的特殊性，支撑剂同样需要优选。因此，压裂材料的优化在储层压裂技术中占有非常重要的位置。如何选择更好的片状支撑剂，也是一个新的课题。

现有技术记载有油田使用润湿反转剂，凝析油气田开发的主要难题是当油藏压力降到露点压力以下时凝析气反凝析在井底附近形成大量的液体，因渗透率低而造成液锁现象，使产气量急剧下降。利用气润湿反转方法，通过改变井底附近岩石的润湿性至气润湿可以提高产量。油田使用的润湿反转剂包括阳离子表面活性剂，最常用的是烷基三甲基溴化铵(CTAB)；阴离子表面活性剂，主要是聚氧乙烯(丙烯)烷基醇醚硫酸酯盐或磺酸盐；非离子表面活性剂，主要有聚氧乙烯烷基酚醚等。它们能够改变油水的润湿性，增加注入水的渗流能力，提高石油采收率。

如何将气润湿反转方法应用于煤层气等能源开发，还是一个新的课题。

例如，现场煤层气水力压裂开发效果并不好，这是因为传统的压裂支撑剂更易嵌入煤层，导致煤层气导流能力下降；此外，水力压裂后，排水降压阶段，无法返排水的影响也不可忽视，煤层或者普通的传统支撑剂通常是水润湿或者中等润湿，这样水会附着在煤层或支撑剂表面，减小渗流通道，导致煤层气导流能力下降。

因此，为了改善当今储层能源产量较低的现象，新的储层压裂体系应用迫在眉睫。

发明内容

为了克服现有技术不足, 本发明提供一种基于片状支撑剂和气润湿反转剂的储层压裂方法，本发明通过压裂方法、加入气润湿反转剂的压裂液、片状支撑剂以及采用气润湿反转剂将支撑剂表面的润湿性改变成气润湿等来改善例如煤层气井或井下水力压裂瓦斯抽采效果，提高煤层气的导流能力，进而有效地提高煤层气的产量。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明一种基于片状支撑剂和气润湿反转剂的储层压裂方法，应用储层压裂方法，在携砂液中增加占支撑剂总重量1%-99%的片状支撑剂，其它为传统的球状支撑剂；在压裂前置液中加入占压裂前置液总重量0.0%-10.0%的气润湿反转剂；采用气润湿反转剂对支撑剂进行侵泡等处理，将支撑剂表面的润湿性改变成气润湿。

优先地，本发明所述气润湿反转剂以全氟辛基磺酰胺丙基氧化胺、脂肪醇聚氧乙烯醚为原料合成的可以将多孔介质的润湿性从亲水变成亲气的化学剂，可以根据需要改变，其一种质量比为7:13。

具体地，确定目标储层后，根据现场规模确定压裂液量，在压裂前置液中加入占压裂前置液总重量0.0%-10.0%的气润湿反转剂，根据现场情况选用重量浓度为0.01%-10.0%的十二烷基硫酸钠加入到前置液中用于促进压裂液压入目标储层等，降低泵压；在携砂液中加入重量浓度为0.01%-30%的KCl、并加入占支撑剂总重量1%- 99%的片状支撑剂，其它为传统的球状（包括石英砂，陶粒等）支撑剂，压裂后进行排采。

本发明中，所述片状支撑剂为煤矸石或核桃壳片状支撑剂等。

本发明中，所述储层包括煤层、油气层、或地热储层等。

本发明中，所述压裂方法包括水力或注气压裂等。

以煤层水力压裂为例，在煤层气井或煤矿现场多见废弃的煤矸石废料，由于煤矸石多与压裂现场煤层的弹性模量相近，故可将煤矸石废料加以利用，加工后制作成片状支撑剂。可作为约1%- 99%的支撑剂使用。可根据现场压裂规模在压裂前置液中加入0.0%-10.0%的气润湿反转剂。

因而，本发明的优点有：1）由于片状支撑剂与煤层之间更大的接触表面积和相近的弹性模量而导致的向煤层裂缝面的支撑剂嵌入的减少；2）能够较好地控制和减少支撑剂的回流；3）片状支撑剂及传统球状支撑剂组合减少煤粉对煤层气渗流通道的影响；4）加入气润湿反转剂的前置液以及气润湿的支撑剂使压裂液更易返排，导致煤层气流动通道的增加、煤层气导流能力提高；5）加入气润湿反转剂的前置液降低煤层基质微孔中的表面能，导致更多煤层气解吸，增加煤层气产量。

附图说明

图1显示了气润湿反转前后煤层气开采过程中毛管力方向的变化，即由阻力变为驱动力。

图2显示了在气润湿反转剂的作用下，加入气润湿反转剂的前置液会降低煤层表面能使吸附在煤层微孔隙里的甲烷更多的置换解吸，最终提高煤层气产量。

图3显示了片状支撑剂和传统的球状（包括石英砂，陶粒等）支撑剂在裂缝中的状态。

图4显示了煤层压裂现场，气润湿反转剂加入到水罐车里，而片状支撑剂在泵车里与压裂液混合并通过井筒对煤层进行水力压裂。

图5给出了不同浓度气润湿反转剂对煤层及煤矸石片状支撑剂接触角的实验结果。

图6显示了亲液（θ<90°），亲气的煤样（θ>90°），固液气系统示意图，显示了气润湿反转的原理。

图7显示了压裂过程中煤粉崩落后球状支撑剂和煤粉在裂缝中的状态。

图8显示了压裂过程中煤矸石片状支撑剂及传统球状支撑剂组合在裂缝中的状态。

具体实施方式

实施例1

本实施例为煤层水力压裂，如图4所示，气润湿反转剂加入到水罐车9的前置液里，而片状支撑剂在泵车10里与携砂液和前置液混合形成压裂液并通过井筒13对煤层进行水力压裂，形成多个压裂裂缝12。确定目标煤层后，煤层气直井11水力压裂平均排量为8-10m³/min，根据现场规模确定压裂液量，前置液和携砂液比约为1：1，在压裂前置液中加入占压裂前置液总重量0.1%的气润湿反转剂，根据现场情况选用0.01%浓度的十二烷基硫酸钠加入到前置液中用于促进压裂液压入软煤层和破碎煤、降低泵压；如前置液总量为1000m³则需要选用约100kg十二烷基硫酸钠；在携砂液中加入浓度为2%的KCl，如携砂液总量为1000 m³则需要选用约20吨KCl，并加入占支撑剂总重量40%的煤矸石片状支撑剂，其它为传统的球状石英砂支撑剂，水力压裂后进行煤层气排采。

本实施例中所述气润湿反转剂以全氟辛基磺酰胺丙基氧化胺、脂肪醇聚氧乙烯醚为原料合成的可以将多孔介质的润湿性从亲水变成亲气的化学剂，可以根据需要改变，其一种质量比为7:13。

本实施例的优点和工作原理如图1-图8所示，图中，1：煤层气。2：压裂液：水力压裂过程中注入煤层的压裂液。3：煤层。4：煤岩基质。5：煤层气。6：加入气润湿反转剂的前置液。7：球状支撑剂。8：片状支撑剂。9：水罐车。10：泵车。11：煤层气直井。12：压裂裂缝。13：井筒。14：水。15：空气。16：固体。17：煤粉。18：球状支撑剂。19：煤矸石片状支撑剂。

图1显示了气润湿反转前后煤层气开采过程中毛管力方向的变化，即由阻力变为驱动力。

煤层及支撑剂在降压返排过程中由于压裂液2中的气润湿反转剂的润湿性改变，毛管压力降低甚至变成驱动力，煤层3中煤层气1渗流流动通道增加，流动能力提高，降低或解除液锁现象，最终较大幅度地提高产气量和产气速度。

图2显示了在气润湿反转剂的作用下，加入气润湿反转剂的前置液6会降低煤岩基质4的煤层表面能使吸附在煤层微孔隙里的煤层气5甲烷更多的置换解吸，最终提高煤层气产量。

图3显示了片状（包括煤矸石、核桃壳等）支撑剂和传统的球状（包括石英砂，陶粒等）支撑剂在裂缝中的状态。

片状（包括煤矸石、核桃壳等）支撑剂8与水力压裂煤层的弹性模量大致相同，且片状支撑剂颗粒与煤层之间更大的接触表面积使向煤层裂缝面的支撑剂嵌入量的减少。同时，在煤层气开采过程中常伴随着煤粉崩落，对于传统全部采用球状（包括石英砂，陶粒等）支撑剂7的压裂方式， 煤粉会充填支撑剂空隙，使煤层气渗流通道大幅降低，导流能力下降。而采用片状支撑剂8及传统球状支撑剂7组合，片状支撑剂会对煤粉起到阻隔作用，减少煤粉对煤层气渗流通道的影响。

图4显示了煤层压裂现场，气润湿反转剂加入到水罐车里，而煤矸石支撑剂在泵车里与压裂液混合并通过井筒对煤层进行水力压裂。

图5给出了不同浓度气润湿反转剂对煤层及片状煤矸石支撑剂接触角的实验结果。气润湿反转剂的作用效果可以通过接触角的改变情况体现。对于气液系统，当接触角θ<90°时液相是润湿相；当θ>90°时气相是润湿相。气润湿反转剂处理前后煤样表面接触角均有不同程度的增加，处理后的煤样接触角均超过90°，即实现气润湿反转。其中气润湿反转剂浓度为0.01%-1%时，气润湿反转效果较好。煤层现场水力压裂在前置液中选用0.0%-10.0%浓度的气润湿反转剂，综合考虑经济、效果等因素，，最优地选用0.01%-1%浓度的气润湿反转剂。

图6显示了亲液（θ<90°），亲气的煤样（θ>90°），固液气系统示意图，显示了气润湿反转的原理。对于固液气系统，当θ<90°时液相是润湿相；当θ>90°时气相是润湿相。图6中，14为水，15为空气，16为固体。

图7显示了压裂过程中煤粉崩落后球状支撑剂和煤粉在裂缝中的状态。煤粉会充填支撑剂空隙，使煤层气渗流通道大幅降低，导流能力下降。图7中， 17为煤粉，18为球状支撑剂。

图8显示了压裂过程中煤矸石片状支撑剂及传统球状支撑剂组合在裂缝中的状态。采用煤矸石片状支撑剂及传统球状支撑剂组合，片状支撑剂会对煤粉起到阻隔作用，减少煤粉对煤层气渗流通道的影响。图8中，19为煤矸石片状支撑剂。

1）由于片状支撑剂与煤层之间更大的接触表面积和相近的弹性模量而导致的向煤层裂缝面的支撑剂嵌入的减少；2）能够较好地控制和减少支撑剂的回流；3）片状支撑剂及传统球状支撑剂组合减少煤粉对煤层气渗流通道的影响；4）加入气润湿反转剂的前置液以及气润湿的支撑剂使压裂液更易返排，导致煤层气流动通道的增加、煤层气导流能力提高；5）加入气润湿反转剂的前置液降低煤层基质微孔中的表面能，导致更多煤层气解吸，增加煤层气产量。

如图1所示，本发明所述的气润湿反转剂可以改变煤层的润湿性，使煤层及支撑剂在降压返排过程中润湿性改变，毛管压力降低甚至变成驱动力，煤层中煤层气渗流流动通道增加，流动能力提高，降低或解除液锁现象，最终较大幅度地提高产气量和产气速度。

本发明中，片状（包括煤矸石、核桃壳等）支撑剂与水力压裂煤层的弹性模量大致相同，且片状支撑剂颗粒与煤层之间更大的接触表面积使向煤层裂缝面的支撑剂嵌入量的减少。其使用片状材料作为部分支撑剂，相对于传统的支撑剂，片状支撑剂显示出：(a) 由于支撑剂颗粒中更好的应力分布而导致的支撑剂抗压碎性的提高，(b) 由于支撑剂颗粒与岩层之间更大的接触表面积而导致的向岩层裂缝面的支撑剂嵌入的减少，(c) 由于更低的支撑剂沉降速度而导致的支撑剂输送的更好，(d) 渗透到支化并且细的裂缝网络中的更深，以及(e) 支撑剂回流控制的提高。

本发明片状支撑剂间通过接触压力和摩擦力相互作用，增大支撑剂间的摩擦力，从而提高支撑剂砂拱稳定性和临界返排速度，控制支撑剂返排。

如图3所示，在煤层气开采过程中常伴随着煤粉崩落，对于传统全部采用球状支撑剂的压裂方式，煤粉会充填支撑剂空隙，使煤层气渗流通道大幅降低，导流能力下降。本发明采用煤矸石片状支撑剂及传统球状支撑剂组合，片状支撑剂会对煤粉起到阻隔作用，减少煤粉对煤层气渗流通道的影响。

本发明会降低煤层表面能使吸附在煤层微孔隙里的甲烷更多的置换解吸，最终提高煤层气产量。

以下实施例中所述气润湿反转剂以全氟辛基磺酰胺丙基氧化胺、脂肪醇聚氧乙烯醚为原料合成的可以将多孔介质的润湿性从亲水变成亲气的化学剂，可以根据需要改变，其一种质量比为7:13。

实施例2

气润湿反转剂加入到水罐车的前置液里，而煤矸石片状支撑剂在泵车里与携砂液和前置液混合形成压裂液并通过井筒对煤层进行水力压裂，形成多个压裂裂缝。确定目标煤层后，煤层气直井水力压裂平均排量约为8m³/min，根据现场规模确定压裂液量，前置液和携砂液比约为1：1，在压裂前置液中加入占压裂前置液总重量0.01%的气润湿反转剂，根据现场情况选用1%浓度的十二烷基硫酸钠加入到前置液中用于促进压裂液压入软煤层和破碎煤、降低泵压；如前置液总量为1000m³则需要选用约100kg十二烷基硫酸钠；在携砂液中加入浓度为1%的KCl，如携砂液总量为1000 m³则需要选用约10吨KCl，并加入占支撑剂总重量20%的片状煤矸石支撑剂，其它为传统的球状陶粒支撑剂，水力压裂后进行煤层气排采。

实施例3

气润湿反转剂加入到水罐车的前置液里，而煤矸石片状支撑剂在泵车里与携砂液和前置液混合形成压裂液并通过井筒对煤层进行水力压裂，形成多个压裂裂缝。确定目标煤层后，煤层气直井水力压裂平均排量约为10m³/min，根据现场规模确定压裂液量，前置液和携砂液比约为1：1，在压裂前置液中加入占压裂前置液总重量0.0001%的气润湿反转剂，根据现场情况选用10%浓度的十二烷基硫酸钠加入到前置液中用于促进压裂液压入软煤层和破碎煤、降低泵压；如前置液总量为1000m³则需要选用约100kg十二烷基硫酸钠；在携砂液中加入浓度为20%的KCl，如携砂液总量为1000 m³则需要选用约30吨KCl，并加入占支撑剂总重量99%的片状核桃壳支撑剂，其它为传统的球状石英砂支撑剂，水力压裂后进行煤层气排采。

实施例4

气润湿反转剂加入到水罐车的前置液里，而煤矸石片状支撑剂在泵车里与携砂液和前置液混合形成压裂液并通过井筒对煤层进行水力压裂，形成多个压裂裂缝。确定目标煤层后，煤层气直井水力压裂平均排量约为9m³/min，根据现场规模确定压裂液量，前置液和携砂液比约为1：1，在压裂前置液中加入占压裂前置液总重量10%的气润湿反转剂，根据现场情况选用5%浓度的十二烷基硫酸钠加入到前置液中用于促进压裂液压入软煤层和破碎煤、降低泵压；如前置液总量为1000m³则需要选用约200kg十二烷基硫酸钠；在携砂液中加入浓度为30%的KCl，如携砂液总量为1000 m³则需要选用约20吨KCl，并加入占支撑剂总重量1%的片状煤矸石支撑剂，其它为传统的球状陶粒支撑剂，水力压裂后进行煤层气排采。

实施例5

气润湿反转剂加入到水罐车的前置液里，而核桃壳片状支撑剂在泵车里与携砂液和前置液混合形成压裂液并通过井筒对煤层进行水力压裂，形成多个压裂裂缝。确定目标煤层后，煤层气直井水力压裂平均排量约为8m³/min，根据现场规模确定压裂液量，前置液和携砂液比约为1：1，在压裂前置液中加入占压裂前置液总重量0.5%的气润湿反转剂，根据现场情况选用0.8%浓度的十二烷基硫酸钠加入到前置液中用于促进压裂液压入软煤层和破碎煤、降低泵压；如前置液总量为1000m³则需要选用约800kg十二烷基硫酸钠；在携砂液中加入浓度为3%的KCl，如携砂液总量为1000 m³则需要选用约30吨KCl，并加入占支撑剂总重量60%的片状核桃壳支撑剂，其它为传统的球状石英砂支撑剂，水力压裂后进行煤层气排采。

最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (6)

1.一种基于片状支撑剂和气润湿反转剂的储层压裂方法，其特征在于：应用储层压裂方法，在携砂液中增加占支撑剂总重量1%-99%的片状支撑剂，其它为传统的球状支撑剂；在压裂前置液中加入占压裂前置液总重量0.0%-10.0%的气润湿反转剂；采用气润湿反转剂对支撑剂进行侵泡等处理，将支撑剂表面的润湿性改变成气润湿。

2.如权利要求1所述的基于片状支撑剂和气润湿反转剂的储层压裂方法，其特征在于：所述气润湿反转剂以全氟辛基磺酰胺丙基氧化胺、脂肪醇聚氧乙烯醚为原料合成的可以将多孔介质的润湿性从亲水变成亲气的化学剂，可以根据需要改变，其一种质量比为7:13。

3.如权利要求2所述的基于片状支撑剂和气润湿反转剂的压裂方法，其特征在于：确定目标储层后，根据现场规模确定压裂液量，在压裂前置液中加入占压裂前置液总重量0.0%-10.0%的气润湿反转剂，根据现场情况选用重量浓度为0.01%-10.0%的十二烷基硫酸钠加入到前置液中用于促进压裂液压入目标储层等，降低泵压；在携砂液中加入重量浓度为0.01%-30%的KCl、并加入占支撑剂总重量1%- 99%的片状支撑剂，其它为传统的球状（包括石英砂，陶粒等）支撑剂，压裂后进行排采。

4.如权利要求1-3之任一所述的基于片状支撑剂和气润湿反转剂的储层压裂方法，其特征在于，所述片状支撑剂为煤矸石或核桃壳片状支撑剂等。

5.如权利要求4所述的基于片状支撑剂和气润湿反转剂的储层压裂方法，其特征在于，所述储层包括煤层、油气层、或地热储层等。

6.如权利要求5所述的基于片状支撑剂和气润湿反转剂的储层压裂方法，其特征在于，所述压裂方法包括水力或注气压裂等。