CN108315006B

CN108315006B - 仿生学智能立体支撑剂及其应用

Info

Publication number: CN108315006B
Application number: CN201710041126.7A
Authority: CN
Inventors: 牟绍艳; 温庆志; 张东晓
Original assignee: Peking University
Current assignee: Peking University
Priority date: 2017-01-17
Filing date: 2017-01-17
Publication date: 2020-09-01
Anticipated expiration: 2037-01-17
Also published as: CN108315006A

Abstract

本发明涉及仿生学智能立体支撑剂及其应用，所述的立体支撑剂的形状为基础形体组合而成，所述的基础形体为球体、圆柱体、方体或椭球体。本发明所述立体支撑剂在压力裂缝中的应用。本发明提供多种新型结构的仿生学智能立体支撑剂，该支撑剂突破传统圆形支撑剂的结构和形状局限，适用于常规或非常规油气的压裂开发，提高了支撑剂的悬浮性能，有利于支撑剂在裂缝中长距离运移，深入到裂缝根部，获得更长的有效缝长和更高的有效逢高，提高裂缝的支撑面积。此外，仿生学智能立体支撑剂在裂缝中堆积成砂堤，具有较大的堆积孔隙度，并能承受地层高闭合压力，为油气提供了畅通的渗流通道。

Description

仿生学智能立体支撑剂及其应用

技术领域

本发明属于石油、天然气开采过程中的水力压裂技术领域，涉及一种既能提高裂缝导流能力，又能提高悬浮性能，而且还具有自我清洁作用的的仿生学智能立体支撑剂及其应用。

背景技术

水力压裂是油气井增产改造的重要技术手段，低渗透、特低渗透油气藏以及非常规的页岩、致密砂岩等储层，水力压裂都起着关键的增产作用，特别是非常规储层，通过水力压裂形成复杂裂缝网络，获得人造渗透率。水力压裂就是利用高压泵组，将压裂液泵入地层，在地层中形成一条或多条具有一定几何尺寸的裂缝，裂缝长度一般从几十米到几百米，高度从几米到几十米，宽度一般几个毫米，再将带有支撑剂的携砂液(压裂液与支撑剂的混合物)注入到裂缝。压裂结束后，压裂液破胶返排到地面，支撑剂在留在裂缝中，起到支撑裂缝的作用，保持裂缝处于张开状态，支撑剂颗粒之间的孔隙为地层油气水提供流通通道，从而起到压裂增产的效果。支撑剂是增产的关键因素，良好的支撑剂具有较高的导流能力(裂缝的宽度乘以裂缝的渗透率)，能为油气水提供畅通的流通通道。

支撑剂是决定压裂增产效果好坏的最重要因素之一。传统的支撑剂大部分是球形颗粒状，颗粒之间的孔隙就是油气水的流通通道，在地层高闭合压力的作用下，孔隙度大幅度缩小，导致裂缝导流能力低，油气水难于流入井筒，压裂增产效果不理想，特别是由于地层的油气水中含有大量的固相杂质，容易造成支撑剂颗粒之间的孔隙堵塞，使得裂缝容易失效，增产有效期短。

美国专利文件US 20160264854 A公开了一种新型棒状/条状支撑剂，经试用，该类型支撑剂可减少回流。原理是棒状支撑剂可以交叉相叠形成三点稳定堆积结构，从而有效控制支撑剂回流现象。该专利文件提出的新型棒状、条状支撑剂可以在一定程度上增大孔隙度、控制支撑剂回流，但棒状、条状支撑剂形状单一，增加的孔隙度有限，特别是在地层高闭合压力作用下，孔隙度下降幅度大。此外，该类型支撑剂在地层运移过程中对压裂液的悬浮能力要求高，容易沉砂，不利于支撑剂运移到地层深部，难于造长缝，不适合页岩和致密砂岩体积压裂的复杂缝网。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供仿生学智能立体支撑剂及其制备方法与应用。

本发明的技术方案如下：

仿生学智能立体支撑剂，所述的立体支撑剂的形状为基础形体组合而成，所述的基础形体为球体、圆柱体、方体或椭球体。

根据本发明，优选的，所述的立体支撑剂的形状为球体和圆柱体组合而成，所述的圆柱体均匀分布在球体上；

优选的，所述的圆柱体的数量≥1，进一步优选4-10。

根据本发明，优选的，所述的立体支撑剂的形状为不同半径的球体组合而成，半径较小的球体沿直线排列组成支腿，支腿均匀分布在半径较大球体上。所述的支腿的数量≥1，进一步优选4-10。

根据本发明，优选的，所述的立体支撑剂的形状为方体和圆柱体组合而成，所述的圆柱体垂直分布在方体的六个面上。

根据本发明，上述球体和圆柱体组合而成的立体支撑剂中，圆柱体的作用也是作为支腿，支腿数量越多，越有利于压裂液悬浮支撑剂，充填裂缝后孔隙度大。

根据本发明，优选的，所述的立体支撑剂的形状为椭球体和圆柱体组合而成，圆柱体垂直于椭球体上。

根据本发明，优选的，所述的立体支撑剂为中空体形，体内中空为连续或不连续孔洞，孔洞数量n≥1。立体支撑剂为中空体形，可减少其在压裂液中的密度，增强运移效果。

根据本发明，优选的，所述的立体支撑剂为多孔状。多孔状设置可减少其在压裂液中的密度，增强运移效果。

根据本发明，优选的，所述的立体支撑剂表面连接有条形或带状的高分子材料，进一步优选的，所述的高分子材料为纤维。表面连接有条形或带状的高分子材料，可降低自身密度，提高悬浮能力。

根据本发明，上述立体支撑剂可参考现有技术制备得到，可使用如下方法制备：

1)新型3D打印技术制备：本发明中的仿生学智能立体支撑剂可选用高强度的环氧树脂，通过3D打印技术制备而成。

2)传统陶粒烧制法制备：陶粒支撑剂一般以铝矾土、硅土、黏土、铁矿、锰矿等为原料,通过粉末制粒,烧结而成。提高铝矾土的含量，可以相应提高支撑剂强度。低密度陶粒约2.70g·cm^-3，含铝量45-50％；高密度铝矾土支撑剂约3.55g·cm^-3，含铝量80-85％。超高强支撑剂大多由在铝矾土中掺杂氧化锆等金属氧化物，通过烧结工艺制得。本发明可以参考美国专利文件US 20160264854 A1所述，由两个基本面形成的实心空间体烧结制备而成，通过调节两个平行面的角度和位置，制备本发明所述的立体支撑剂。

3)传统树脂覆膜法制备：本发明中的仿生学智能立体支撑剂还可通过不同基本形状的颗粒，如球状、粒状和圆柱状等，通过黏性树脂(如聚丙烯酸胶类)粘连，或通过高强度树脂如环氧类树脂、酚醛类树脂、呋喃类树脂等进行包覆，制备而成。具体实施方法可参考中国专利文件CN 105985767A，通过树脂将多种形状的支撑剂骨粒粘连或包覆到一起，制备得到仿生学智能立体支撑剂。

本发明的仿生学智能立体支撑剂可有效控制支撑剂回流，孔隙度高，成本较低，方便实施，技术优势明显。

根据本发明，上述立体支撑剂在压力裂缝中的应用。

本发明的原理和优势如下：

本发明提供多种新型结构的仿生学智能立体支撑剂，该支撑剂突破传统圆形支撑剂的结构和形状局限，适用于常规或非常规油气的压裂开发，提高了支撑剂的悬浮性能，有利于支撑剂在裂缝中长距离运移，深入到裂缝根部，获得更长的有效缝长和更高的有效逢高，提高裂缝的支撑面积。此外，仿生学智能立体支撑剂在裂缝中堆积成砂堤，具有较大的堆积孔隙度，并能承受地层高闭合压力，为油气提供了畅通的渗流通道。

本发明的立体支撑剂立足于仿生学原理，既能提供高导流能力，又能增强悬浮性，有利于支撑剂在地层的运移，从而提高裂缝导流能力、增加裂缝的有效缝长，实现油气井增产。此外，智能立体支撑剂设置的内部空间还可以携带酸液、表面活性剂等物质，在裂缝中缓慢释放，起到清洁裂缝，改善相对渗透率的作用。

附图说明

图1为现有圆形支撑剂的结构示意图。

图2为本发明实施例1中立体支撑剂的结构示意图。

图3为本发明实施例2中立体支撑剂的结构示意图。

图4为本发明实施例3中立体支撑剂的结构示意图。

图5为本发明实施例4中立体支撑剂的结构示意图。

图6为本发明Monte‐Carlo法尺寸图示。

具体实施方式

下面通过具体实施例并结合附图对本发明做进一步说明，但不限于此。

实施例中选用的立体支撑剂通过新型3D打印技术制备而成。具体操作方法：电脑建模，选用高强度的环氧树脂，使用3D打印机，打印制备成型。

实施例1

仿生学智能立体支撑剂，立体支撑剂的形状为球体和圆柱体组合而成，所述的圆柱体均匀分布在球体上，圆柱体的作用是作为支腿。本实施例中支腿的数量为4个，如图2所示。

通过Monte-Carlo法对四腿形立体支撑剂填充/孔隙率进行模拟分析，得到不同的支腿长径比，从0.2--0.312，模拟得到不同支腿长径比对孔隙度的影响，如表1所示。

表1本实施例中仿生学立体支撑剂支腿长径比对孔隙度的影响

R(cm)	L(cm)	r(cm)	填充率	孔隙度
					0.5	0.25	0.2	0.527	0.473
0.5	0.6	0.25	0.425	0.575
					0.5	1.0	0.25	0.302	0.698

实施例2

仿生学智能立体支撑剂，立体支撑剂的形状为球体和圆柱体组合而成，所述的圆柱体均匀分布在球体上，圆柱体的作用是作为支腿。本实施例中支腿的数量为8个，如图3所示。

通过Monte-Carlo法对八腿形立体支撑剂填充/孔隙度进行模拟分析，如表2所示。

表2八腿形立体支撑剂支腿长径比对孔隙率的影响

R(cm)	L(cm)	r(cm)	填充率	孔隙度
					0.5	0.25	0.2	0.445	0.555
0.5	0.25	0.2	0.448	0.552
					0.5	0.5	0.15	0.337	0.663
0.5	0.5	0.15	0.336	0.664
					0.5	1	0.15	0.201	0.799
0.5	1	0.15	0.199	0.801
					0.5	1	0.25	0.250	0.750
0.5	1	0.25	0.253	0.747

通过表1、表2可得知，本发明的立体支撑剂对堆积孔隙率有显著影响，因此也将直接影响压裂效果和油气产率。

实施例3

仿生学智能立体支撑剂，所述的立体支撑剂的形状为不同半径的球体组合而成，半径较小的球体沿直线排列组成支腿，支腿均匀分布在半径较大球体上，本实施例中支腿的数量为4个，如图4所示。

实施例4

仿生学智能立体支撑剂，所述的立体支撑剂的形状为椭球体和圆柱体组合而成，圆柱体垂直于椭球体上。

实施例5

仿生学智能立体支撑剂，所述的立体支撑剂的形状为椭球体和圆柱体组合而成，圆柱体垂直于椭球体上，立体支撑剂表面连接有条形纤维材料，如图5所示。

试验例1

通过室内实验测试，不同类型在清水中的沉降速度，如表3所示。

表3不同类型仿生学智能立体支撑剂沉降速度对比(清水)

通过表3可得知，在清水中，0腿支腿形支撑剂，也即是圆形支撑剂沉降速度最快，实施例5支撑剂沉降速度最慢。因此，清水压裂时，实施例5支撑剂在压裂过程中有利于获得更长的支撑裂缝和支撑逢高。

试验例2

通过室内实验测试，不同类型在胍胶压裂液中的沉降速度，如表4所示。

表4不同类型仿生学智能立体支撑剂沉降速度对比(胍胶压裂液)

通过表4可得知，在压裂液中，0腿支腿形支撑剂沉降速度最快，实施例5支撑剂沉降速度最慢。因此，在胍胶压裂液中，实施例5支撑剂在压裂过程中有利于获得更长的支撑裂缝和支撑逢高。

Claims

1.仿生学智能立体支撑剂，其特征在于，所述的立体支撑剂的形状为基础形体组合而成，所述的基础形体为球体、圆柱体、方体或椭球体；所述立体支撑剂形状的组合方式为球体和圆柱体组合而成，所述的圆柱体均匀分布在球体上，所述的圆柱体的数量≥1；

或者，所述立体支撑剂形状的组合方式为不同半径的球体组合而成，半径较小的球体沿直线排列组成支腿，支腿均匀分布在半径较大球体上，所述的支腿的数量≥1；

或者，所述立体支撑剂形状的组合方式为方体和圆柱体组合而成，所述的圆柱体垂直分布在方体的六个面上；

或者，所述立体支撑剂形状的组合方式为椭球体和圆柱体组合而成，圆柱体垂直于椭球体上。

2.根据权利要求1所述的仿生学智能立体支撑剂，其特征在于，当所述立体支撑剂形状的组合方式为球体和圆柱体组合而成时，所述的圆柱体的数量为4-10。

3.根据权利要求1所述的仿生学智能立体支撑剂，其特征在于，当所述立体支撑剂形状的组合方式为不同半径的球体组合而成时，所述的支腿的数量为4-10。

4.根据权利要求1所述的仿生学智能立体支撑剂，其特征在于，所述的立体支撑剂为中空体形，体内中空为连续或不连续孔洞，孔洞数量n≥1。

5.根据权利要求1所述的仿生学智能立体支撑剂，其特征在于，所述的立体支撑剂为多孔状。

6.根据权利要求1所述的仿生学智能立体支撑剂，其特征在于，所述的立体支撑剂表面连接有条形或带状的高分子材料。

7.根据权利要求6所述的仿生学智能立体支撑剂，其特征在于，所述的高分子材料为纤维。

8.权利要求1-7任一项所述的立体支撑剂在压力裂缝中的应用。