CN111621274A

CN111621274A - 一种可控降解的水膨型压裂暂堵剂、制备方法及其应用

Info

Publication number: CN111621274A
Application number: CN202010360043.6A
Authority: CN
Inventors: 刘德新; 袁杰; 邱小龙; 徐正昊; 刘永盛; 汪龙梅
Original assignee: China University of Petroleum East China; Sinopec Shengli Oilfield Co Shengli Oil Extraction Plant
Current assignee: China University of Petroleum East China; Sinopec Shengli Oilfield Co Shengli Oil Extraction Plant
Priority date: 2020-04-30
Filing date: 2020-04-30
Publication date: 2020-09-04
Anticipated expiration: 2040-04-30
Also published as: CN111621274B

Abstract

一种可控降解的水膨型压裂暂堵剂、制备方法及其应用，属于油田化学技术领域。本发明由共聚单体丙烯酸和丙烯酰胺、氢氧化钠、生物胶粘剂、交联剂、引发剂、稠化剂、辅助增强剂，采用水溶液聚合法得到聚合物产物；将聚合物产物进行干燥处理、剪切造粒即得可控降解水膨型压裂暂堵剂。本发明的暂堵剂饱和吸水后体积膨胀30～50倍，对不同形状和不同尺寸的裂缝具有很好的自适应能力；韧性好，具有较好的粘结暂堵能力，可相互粘接形成密实的暂堵层，最大突破压力30MPa以上；配合胶囊破胶剂使用，适用温度60～150℃，降解时间可调，降解率达到90％以上。本发明制备方法简单、安全，具有广阔的应用前景。

Description

一种可控降解的水膨型压裂暂堵剂、制备方法及其应用

技术领域

本发明涉及油气田压裂增产技术领域，具体涉及一种可控降解的水膨型压裂暂堵剂、制备方法及其应用。

背景技术

随着各油田采出程度逐步加大以及低渗透储量的进一步开发动用，老井原有的人工裂缝生产潜能越来越小。由于储层平面和纵向上的非均质性，不同区域、层位动用程度存在差异，常规压裂技术具有较大局限性甚至无法达到增油效果。对于这类油藏的开采通常实施转向重复压裂技术，在水力压裂过程中实时加入暂堵剂，暂堵已形成的人工裂缝，迫使裂缝在其他方向起裂扩展，扩大压裂改造体积，提高压裂效果，保证油田的稳产增产。

相比较一般的水溶性暂堵剂，水膨型压裂暂堵剂具有吸收比自身重几十到几百倍水的高吸水功能，保水性能优良，遇水软化后具有强韧性的延迟膨胀性能，且以微粒形态存在于水中，微粒进入底层后，经过一段时间后吸水变为具有一定封堵性能的凝胶，能有效封住高渗层和微裂缝，因此具有更好的封堵性能。压裂结束后在有效时间内能自行破胶，近年来在石油开采中得到广泛应用。但由于其自身对温度的敏感性，适应温度范围较小，一定程度限制了水膨型暂堵剂在压裂中的使用。

现有技术，如中国专利申请(申请号：CN2018114653317)公开一种水溶性压裂暂堵剂及其合成方法，该方法，再如中国专利申请(CN2017109763628)公开一种暂堵剂及其制备方法和应用、专利申请(申请号：CN2019101651229)公开一种重复压裂暂堵剂及其制备方法与应用，专利申请(申请号：CN2019110177725)公开重复压裂暂堵剂及其制备方法；专利申请(申请号：CN2019112169598)公开一种页岩油导向体积压裂暂堵剂及其制备方法，然而，上述现有技术虽然都起到了暂堵作用，但是，由于其组分、配比不同而导致其暂堵效果不理想。

针对现有技术的不足，本发明提供一种裂缝封堵能力强、对地层污染小、适应范围广的可控降解水膨型压裂暂堵剂。本发明采用丙烯酸、丙烯酰胺作为暂堵剂主要成分，通过调整合成过程，制备综合性能较好的堵剂，配合胶囊破胶剂使用，可以适用与不同温度的储层，稳定封堵一定时长后进行降解，易于返排。

发明内容

本发明提供了一种可控降解的水膨型压裂暂堵剂、制备方法及其应用，解决了现有技术中的不足。该压裂暂堵剂具有较高吸水膨胀性能，在地层温度下就可以进行降解、对地层伤害低。

实现本发明上述目的所采用的技术方案为：

一种可控降解的水膨型压裂暂堵剂，其特征在于包括以下组分：共聚单体丙烯酸和丙烯酰胺、氢氧化钠、生物胶粘剂、交联剂、引发剂、稠化剂、辅助增强剂。

优选为：各组分质量百分比为：共聚单体丙烯酸和丙烯酰胺65.44～82.78％(其质量比0.5～1)，氢氧化钠10～15％，生物胶粘剂5～12％，交联剂0.02～0.06％，引发剂0.2～0.5％，稠化剂1～3％，辅助增强剂1～4％。

优选为：所述的生物胶粘剂为骨胶、明胶中的一种或两种。

优选为：所述的交联剂为N-羟甲基丙烯酰胺、N,N-亚甲基双丙烯酰胺、聚乙二醇二丙烯酸酯、环氧氯丙烷中的一种或多种。

优选为：所述的引发剂为过硫酸钾、过硫酸铵、亚硫酸氢钠中的一种或多种。

优选为：所述的稠化剂为羟甲基纤维素钠、羟乙基纤维素钠的一种或两种。

优选为：所述的辅助增强剂为磺化沥青。

本发明还提供了上述可控降解水膨型压裂暂堵剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：按质量百分比分别称取原料组分：共聚单体丙烯酸和丙烯酰胺65～82％(其质量比0.5～1)，氢氧化钠10～15％，生物胶粘剂5～12％，交联剂0.02～0.06％，引发剂0.2～0.5％，稠化剂1～3％，辅助增强剂1～4％。

步骤2：在反应容器中加入适量蒸馏水和步骤1称取的生物胶粘剂，60℃水浴加热使生物胶粘剂溶解，冷却至室温，通氮气置换空气。

步骤3：将步骤1中的丙烯酸加入反应容器中，加入氢氧化钠进行中和，然后加入丙烯酰胺，超声分散均匀后置于60℃水浴加热搅拌，然后依次加入步骤1中的交联剂、引发剂、稠化剂、辅助增强剂，进行反应4h。

步骤4：将步骤3反应得到的产品置于80℃鼓风干燥箱中烘干至恒重，产物粉碎后即得一种可控降解的水膨型压裂暂堵剂。

本发明还公开一种应用于油田重复压裂暂堵过程的暂堵剂，包括上述的可控降解水膨型压裂暂堵剂。

本发明还公开一种应用于油气田压裂增产的方法，包括上述可控降解水膨型压裂暂堵剂的制备方法。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明采用的生物胶粘剂具有良好的水溶和增粘特性，与丙烯酸、丙烯酰胺接枝共聚时，可以大幅改善产物的降解性能和强度。

(2)本发明的可控降解水膨型压裂暂堵剂吸水后具有弹性变形功能，韧性和强度高，饱和吸水倍数在30～50倍，可以挤压变形，对不同形状和不同尺寸的裂缝具有很好的自适应能力。

(3)本发明的可控降解水膨型压裂暂堵剂具有较好的粘结暂堵能力，可相互粘接形成密实的暂堵层，堆积一定厚度可承受较大压力，最大突破压力30MPa。

(4)本发明的可控降解水膨型压裂暂堵剂配合胶囊破胶剂使用，适用温度60～150℃，降解时间可调，适应范围广。

(5)本发明的可控降解水膨型压裂暂堵剂具有较好的降解性，降解率90％以上，不溶物残渣低，有利于压裂后自动解堵；在弱酸、弱碱性条件下降解速度会明显提高，有利于现场酸化解堵，可用于储层暂堵。

(6)本发明的可控降解水膨型压裂暂堵剂制备方法简单、安全性高、成本低、可推广应用。

附图说明

图1：本发明实施例1暂堵剂降解时间与破胶剂加量的关系曲线；

图2：本发明实施例1暂堵剂突破压力测试原理示意图；

图3：本发明实施例1暂堵剂不同堵剂层厚度暂堵驱替压力曲线。

具体实施方式

以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。

一、制备可控降解水膨型压裂暂堵剂的实施例

实施例1

本实施例中提供的可控降解水膨型压裂暂堵剂的制备方法如下：

在500mL的烧瓶中加入6g的骨胶和200g蒸馏水，60℃加热至骨胶完全溶解，通氮气置换出空气，分别加入22g丙烯酸和8g氢氧化钠充分中和后，接着加入28g丙烯酰胺，超声分散均匀后置于60℃水浴加热搅拌，然后依次加入0.025g的N,N-亚甲基双丙烯酰胺、0.2g的过硫酸钾、1.5g的磺化沥青、1.0g的羟甲基纤维素钠，进行反应4h，将反应得到的初产品置于80℃鼓风干燥箱中烘干至恒重，产物粉碎后即得可控降解水膨型压裂暂堵剂。

实施例2

在500mL的烧瓶中加入5g的明胶和200g蒸馏水，60℃加热至明胶完全溶解，通氮气置换出空气，分别加入30g丙烯酸和10g氢氧化钠充分中和后，接着加入30g丙烯酰胺，超声分散均匀后置于60℃水浴加热搅拌，然后依次加入0.03g的N,N-亚甲基双丙烯酰胺、0.28g的过硫酸钾、1.2g的磺化沥青、1.2g的羟甲基纤维素钠，进行反应4h，将反应得到的初产品置于80℃鼓风干燥箱中烘干至恒重，产物粉碎后即得可控降解水膨型压裂暂堵剂。

实施例3

在500mL的烧瓶中加入3g的明胶和200g蒸馏水，60℃加热至明胶完全溶解，通氮气置换出空气，分别加入15g丙烯酸和6g氢氧化钠充分中和后，接着加入25g丙烯酰胺，超声分散均匀后置于60℃水浴加热搅拌，然后依次加入0.02g的N,N-亚甲基双丙烯酰胺、0.2g的过硫酸钾、0.5g的磺化沥青、0.8g的羟乙基纤维素钠，进行反应4h，将反应得到的初产品置于80℃鼓风干燥箱中烘干至恒重，产物粉碎后即得可控降解水膨型压裂暂堵剂。

二、可降解压裂暂堵剂的性能测试

对实施例(以实施例1为例)制备的可控降解水膨型压裂暂堵剂进行降解性能、返排性能、封堵性能、岩心伤害性进行测试。

(1)降解性能

取实施例1合成的可控降解水膨型压裂暂堵剂配制成3％暂堵剂溶液，测量压裂暂堵剂在不同温度下完全降解所需要的时间，评价暂堵剂的降解性能，测试结果见表1。

表1暂堵剂降解性能

由表1可以看出，暂堵剂在不同溶液介质中的溶解性能基本一致，暂堵剂在100℃以上时，降解速度较快，进入地层后，在压裂施工完成后可以自发降解，不会给返排或解堵带来困难，也不会对地层造成永久性损害。暂堵剂在温度低于100℃时，降解时间较长或者不降解。为了提高暂堵剂在低温情况下的降解速度，研究了胶囊破胶剂(主要成分过硫酸盐)对暂堵剂降解性的影响，以扩大暂堵剂的使用范围。固定暂堵剂的浓度为3％(携带液为自来水)，水膨性压裂暂堵剂在不同温度下，降解时间与破胶剂的加量(用破胶剂与暂堵剂比值表示)关系如图1所示。胶囊破胶剂的加入能够大幅降低暂堵的降解时间。根据地层储层温度和对破胶时间的要求，选择合适的破胶剂用量。

(2)返排性能

取实施例1合成的可控降解水膨型压裂暂堵剂配制成不同质量浓度的暂堵剂溶液。将暂堵剂溶液放在120℃的油浴锅加热完全降解后，取上层澄清液，常温下测量暂堵剂溶液的粘度及表面张力，测试结果见表2。

表2暂堵剂降解液的性能

如表2所示，随暂堵剂浓度的增加，溶液粘度增大。当暂堵剂浓度在3％以下时，溶液的粘度10mPa·s以下，当浓度为5％时，暂堵剂溶液粘度快速增加，但仍然保持在较低的水平，可以满足现场压裂施工后的返排。暂堵剂浓度和溶液的粘度对表面张力值影响不大，在不同浓度下，暂堵剂溶液表面张力值在40～50mN·m^-1之间，保持在较低水平，易于返排，减少储层损害。

(3)突破压力测定

水力压裂过程中，暂堵剂的主要功能是实现对微裂缝的暂堵，减少压裂液的滤失和压力耗散，暂堵后能够自行溶解返排，暂堵剂的封堵效果是暂堵剂能否起到暂堵转向效果的关键参数。因此，通过测试暂堵剂的突破压力，评价其封堵性能。

暂堵剂突破压力测试原理如图2所示，具体的实验过程为：制取标准岩心、人工造缝、计算孔隙体积→缝内填充不同厚度的暂堵剂→模拟水驱，测试突破压力。实验结果如表3和图3所示。

由表3和图3知，该暂堵剂具有良好的封堵效果。暂堵剂的封堵强度与暂堵剂层厚度有关，提高堵剂层厚度(现场提高暂堵剂的使用浓度)可以提高封堵强度。在暂堵剂层厚度为1.0cm时，暂堵剂突破压力13.42MPa；暂堵剂层厚度为2.0cm时暂堵剂突破压力13.42MPa；暂堵剂层厚度为3.0cm时，此时暂堵剂突破压力大于30MPa。由图3知，暂堵剂的突破具有反复性，呈现多次憋压-突破的特点，主要是因为暂堵剂具有高度吸水膨胀和变形性，在第一次突破后，暂堵剂又进行迅速填充，重新憋压。暂堵剂加量过高，会造成暂堵剂的浪费，增加施工的成本，同时不溶物增加，增大对地层的伤害，所以暂堵剂在满足现场施工的同时，还应考虑到解堵和返排以及对地层的伤害问题，选择合适的暂堵剂加量。

表3不同堵剂层厚度下暂堵剂对裂缝的封堵效果

岩心编号	封堵层厚度/cm	突破压力/MPa
			1	0.5	2.34
2	0.8	7.42
			3	1	13.42
4	2	18.71
			5	3	>30

(4)岩心伤害率测定

压裂暂堵剂对地层的伤害程度是评价暂堵剂性能的重要指标，暂堵剂对储层的伤害主要是对岩心基质的伤害。本次实验主要评价压裂暂堵剂对岩心基质渗透率的伤害，为储层保护提供依据。具体实验方法如下：

实验过程为：岩心烘干、抽真空、饱和地层水→水测渗透率K₀→挤注2PV、浓度3％的暂堵剂降解液→测岩心渗透率K₁→计算暂堵剂降解液对岩心基质的伤害率ηd。实验结果如表4所示。

表4暂堵剂对不同渗透率岩心基质的伤害率

通过对比3块不同渗透率的岩心伤害率，暂堵剂对低渗透层的伤害率相对较大，对高渗透层伤害相对较小，但岩心伤害率均在5％以下，整体伤害较小，不会损害地层，适合现场应用。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims

1.一种可控降解的水膨型压裂暂堵剂，其特征在于，包括以下组分：共聚单体丙烯酸和丙烯酰胺、氢氧化钠、生物胶粘剂、交联剂、引发剂、稠化剂、辅助增强剂。

2.根据权利要求1所述的一种可控降解的水膨型压裂暂堵剂，其特征在于，各组分质量百分比为：共聚单体丙烯酸和丙烯酰胺65.44～82.78％，氢氧化钠10～15％，生物胶粘剂5～12％，交联剂0.02～0.06％，引发剂0.2～0.5％，稠化剂1～3％，辅助增强剂1～4％。

3.根据权利要求1所述的一种可控降解的水膨型压裂暂堵剂，其特征在于，所述的共聚单体丙烯酸和丙烯酰胺的质量比0.5～1。

4.根据权利要求1所述的一种可控降解的水膨型压裂暂堵剂，其特征在于，所述的稠化剂为羟甲基纤维素钠、羟乙基纤维素钠的一种或两种；所述的辅助增强剂为磺化沥青。

5.一种应用于油田重复压裂暂堵转向的暂堵剂，其特征为：包括如权利要求1-4任一项所述的可控降解水膨型压裂暂堵剂。

6.一种采用权利要求2所述的可控降解水膨型压裂暂堵剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：按质量百分比分别称取原料组分：共聚单体丙烯酸和丙烯酰胺65.44～82.78％，氢氧化钠10～15％，生物胶粘剂5～12％，交联剂0.02～0.06％，引发剂0.2～0.5％，稠化剂1～3％，辅助增强剂1～4％。

步骤3：将步骤1中的丙烯酸加入反应容器中，加入氢氧化钠进行中和后，再加入丙烯酰胺，超声分散均匀后置于60℃水浴加热搅拌，然后依次加入步骤1中的交联剂、引发剂、稠化剂、辅助增强剂，进行反应4h。

7.一种应用于油田重复压裂暂堵转向的暂堵剂，其特征在于，包括权利要求1-4任一所述可控降解的水膨型压裂暂堵剂，进一步包括：暂堵剂饱和吸水后体积膨胀30～50倍，对不同形状和不同尺寸的裂缝具有很好的自适应能力。

8.一种应用于油田重复压裂暂堵转向的暂堵剂，其特征在于，包括权利要求1-4任一所述可控降解的水膨型压裂暂堵剂，进一步包括：所述暂堵剂韧性可相互粘接形成密实的暂堵层，最大突破压力30MPa以上。

9.一种应用于油田重复压裂暂堵转向的暂堵剂的应用，其特征在于，包括权利要求1-4任一所述可控降解的水膨型压裂暂堵剂，进一步包括：所述暂堵剂可与胶囊破胶剂配合使用，在60～150℃的温度范围内，降解时间可调，降解率达到90％以上。

10.一种应用于油气田压裂增产的方法，其特征为：包括如权利要求5-9所述可控降解的水膨型压裂暂堵剂制备方法和应用，在压裂过程中实现缝内暂堵转向或层间暂堵转向，提高压裂效果。