CN111647398A - 一种基于气动效应的自悬浮支撑剂及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种基于气动效应的自悬浮支撑剂及其制备方法，所述支撑剂包括内部支撑剂、中间粘性涂层、外部包覆物质，所述中间粘性涂层粘附于所述内部支撑剂上，且使所述外部包覆物质包覆在其外侧，所述外部包覆物质为在常温常压条件下不发生反应或变化、在地层的温度压力下产生不易溶于储层液体环境的气体的物质。本发明提出了一种全新概念的改性支撑剂—气动自悬浮支撑剂，该种气动自悬浮支撑剂能够在支撑剂表面产生气体，增加支撑剂的浮力，避免支撑剂在裂缝中水平运移过短，沉降速度过快、形成沙堤过早、无法大量进入二三级次生裂缝、有效支撑范围小、水力裂缝的有效支撑长度达不到设计要求的问题。

Description

一种基于气动效应的自悬浮支撑剂及其制备方法

技术领域

本发明属于油气田开发领域，尤其涉及应用于水力压裂的自悬浮支撑剂及其制备方法。

背景技术

目前大规模体积压裂技术已经成为开采非常规油气藏必不可少的技术手段之一，其主要原理是通过在储层中形成复杂裂缝网络，得到远高于岩石基质渗流能力的支撑剂充填裂缝通道，进而达到提高油气渗流能力、增加储量动用程度、获取更大的油气产能的目的。

在储层改造过程中，支撑剂由携砂液携带经由射孔孔眼进入地层，但是由于携砂液流速有限，支撑剂会在重力的作用下在裂缝中向前移动的同时向下运动，最后堆积在裂缝底部形成沙堤。并且由于裂缝网络形态复杂，二级三级裂缝中仅充填少量支撑剂，裂缝在应力作用下闭合后通常变为无效填充裂缝，致使导流能力大量损失。为了能够增加支撑剂的有效运移距离，扩大裂缝的有效支撑范围，避免支撑剂在裂缝中过早沉降，国内外众多专家学者进行了大量研究并提出了许多解决办法，如增加压裂液粘度、研制超轻密度支撑剂等等。但这些已有的方法仍然存在支撑剂在水力裂缝中运移距离短、沉降速度快、形成沙堤过早、水力裂缝的有效支撑长度达不到设计要求、无法大量进入二级三级裂缝的问题。

发明内容：

针对目前现有水力压裂技术存在的缺点，本发明提供了一种基于气动效应的自悬浮支撑剂及其制备方法。

本发明采用的方案如下：

一种基于气动效应的自悬浮支撑剂，其特征在于由内向外依次包括内部支撑剂、中间粘性涂层、外部包覆物质，所述中间粘性涂层为可使所述外部包覆物质包覆在所述自悬浮支撑剂外侧的粘性材料，所述外部包覆物质为在常温常压条件下不发生反应或变化、在地层的温度压力下产生不易溶于储层液体环境的气体的物质。

优选的所述内部支撑剂为天然石英砂、人造陶粒、玻璃球、橡胶颗粒、铝球以及覆膜支撑剂中的一种或几种。

进一步优选的所述内部支撑剂为直径2mm、视密度为1.26g/cm³的橡胶颗粒。

优选的所述中间粘性涂层为慢干型。

进一步优选的所述中间粘性涂层为粘度为38000mpa·s的硅胶胶水。

优选的所述外部包覆物质为氯化氨和亚硝酸钠。

优选的所述内部支撑剂的粒径包括6/12、8/16、12/18、12/20、16/30、20/40、30/50、40/60、 40/70和/或70/140目的规格。

前述一种基于气动效应的自悬浮支撑剂的制备方法，其特征在于通过中间粘性涂层将外部包覆物质稳定均匀镀在支撑剂表面、且不提前诱发反应。

优选的包括以下步骤：

(1)将内部支撑剂倒入盛装中间粘性涂层的粘性涂料容器，匀速搅拌，使得内部支撑剂均匀附上中间粘性涂层，

(2)将内部支撑剂均匀附上中间粘性涂层后，再转移到连接有搅拌器的中间容器，将外部包覆物质倒入中间容器，在搅拌器作用下使得已附上中间粘性涂层的表面均匀包裹外部包覆物质。

本发明对压裂目标储层的温度、压力、深度等因素进行分析，优选具有与其匹配特征的内部支撑剂和外部包覆物质：

(1)内部支撑剂包括天然石英砂、人造陶粒、玻璃球、铝球等全部类型的支撑剂；

(2)外部包覆物质包括氯化氨和亚硝酸钠等达到一定温度或压力条件下即可发生反应、产生大量不易溶于储层液体环境的气体的化学药品或材料；

根据压裂施工方案要求，选择合适的内部支撑剂规格，确定内部支撑剂与外部包覆药品的的用量与比例，最终确定气动自悬浮支撑剂的尺寸：

(1)外部包覆物质的比例并不是一个固定数值，具体数值由内部支撑剂的尺寸与密度决定；

(2)内部支撑剂所使用的支撑剂粒径包括6/12、8/16、12/18、12/20、16/30、20/40、30/50、 40/60、40/70、70/140目等常用规格以及其它规格的支撑剂。

根据实际情况选择制备气动自悬浮支撑剂的地点场所，条件合适则可以在现场制备，也可以在工厂加工，完成后统一封装保存并运输至指定地点，制作和运输过程中必须严格将温度或压力控制在物质发生反应的条件以下。

根据实际情况选择制备气动自悬浮支撑剂的方法与设备：制备该种气动自悬浮支撑剂的方法并不唯一，只要能够根据内部支撑剂和外部包覆药品的特点进行相关包覆操作的方法及技术均可。

使用制备完成的气动自悬浮支撑剂，根据压裂施工方案进行施工，使用方法与常规支撑剂使用方法相同。

凡是在支撑剂表面产生产生气体，以气体作为支撑剂悬浮动力的方法均属该种自悬浮支撑剂范畴。

该种气动自悬浮支撑剂适用于所有的注砂压裂技术，包括水力压裂技术以及目前现有的无水压裂技术。

该种气动自悬浮支撑剂不仅适用于现场应用，还适用于各种室内实验。

本发明的技术效果如下：

本发明提出了一种可应用于水力压裂技术的气动自悬浮支撑剂，该种自悬浮支撑剂将能够在一定温度压力条件下发生反应产生大量气体的物质包覆在常规支撑剂表面形成的改性支撑剂，该种改性支撑剂在随携砂液进入地层的过程中，其所处环境温度逐渐升高，支撑剂表面包覆的物质之间会发生反应产生大量气体，这些气体初始以气泡的形式附着在支撑剂表面并携带支撑剂做无序运动，大幅增加进入二级三级等次生裂缝的几率，强化压裂改造效果，并增加支撑剂浮力，提高支撑剂运移距离，避免支撑剂在裂缝中过早沉降。随着反应的进行，支撑剂与表面产生的气泡逐渐分离，此时气泡将起到补充裂缝中能量、提高地层压力系数的作用，这将有利于水力裂缝的进一步扩展，使目的储层的压后产能达到预期的设计目标。

具体的优点如下：

1.本发明提出了一种全新概念的改性支撑剂—气动自悬浮支撑剂，该种气动自悬浮支撑剂能够在支撑剂表面产生气体，增加支撑剂的浮力，避免支撑剂在裂缝中水平运移过短，沉降速度过快、形成沙堤过早、无法大量进入二三级次生裂缝、有效支撑范围小、水力裂缝的有效支撑长度达不到设计要求的问题。

2.该种气动自悬浮支撑剂表面产生的气泡在脱离支撑剂表面后，能够起到补充裂缝中能量、提高地层压力系数、减少压裂施工过程中前置液用量的作用，有利于水力裂缝的进一步扩展。

3.该种气动自悬浮支撑剂的内部支撑剂为室内实验与现场应用常见的常规支撑剂，如天然石英砂、陶粒支撑剂以及覆膜支撑剂等，这些种类的支撑剂价格低廉、货源充足，容易获取。

4.该种气动自悬浮支撑剂外部包覆物质主要以氯化氨和亚硝酸钠为代表的在常温常压环境下不发生反应、在达到一定温度压力条件下可以反应产生大量气体的药品或材料，这些物质货源广，化学性质稳定，便于运输与保存。

5.该种气动自悬浮支撑剂制作过程简单，工艺成熟，耗时少，一次加工制作量大，完全可以满足现场使用需求。

6.该种气动自悬浮支撑剂可自由选择内部支撑剂与外部包覆物质，具有现场使用自由度高、应用范围大的特点。

附图说明

图1为本发明实施例的实验装置关系及效果验证流程图；

图2为实施例1-6水初始温度与支撑剂悬浮时间、药品用量与支撑剂悬浮时间的关系曲线；

图3为实施例7-12水初始温度与支撑剂悬浮时间、药品用量与支撑剂悬浮时间的关系曲线；

图4为不同药品用量条件下反应釜内部压力与支撑剂悬浮时间关系曲线。

具体实施方式

为了更好的理解本发明，下面结合实施例和附图对本发明进行进一步的解释。

以下各实施例为室内制备气动自悬浮支撑剂，并且通过室内实验验证其应用效果。实验装置关系和制备流程如图1所示。

整个实验过程中所应用的材料与仪器为：常规支撑剂，亚硝酸钠，氯化铵，粘性涂料，内部支撑剂容器，化学药品容器，粘性涂料容器，中间容器，气动自悬浮支撑剂容器，烧杯，可视反应釜，搅拌器。

各实验装置作用如述：

各种容器为各种实验材料提供盛放空间，除此之外，烧杯与可视反应釜具有一定的耐热性能，可视反应釜具有40MPa以下的耐压性，两者是观察气动自悬浮支撑剂效果的主体装置；内部支撑剂表面需要镀上一层粘性涂层以便在其外部包覆亚硝酸钠与氯化铵，整个过程需要控制温度在40℃以下。制备得到气动自悬浮支撑剂以后，分别进行低压热水浴与高压热水浴实验，分别验证其应用效果。

下面结合实施例对本发明做详细的说明，但不限于此。

实施例1-6

实验方案如下：

(1)对室内实验场地进行布置，按照图1所示安装各实验装置；

(2)实施例1-6支撑剂选择直径为2mm、视密度为1.26g/cm³的橡胶颗粒10g，中间粘性涂层选择粘度为38000mpa·s的硅胶胶水3.5g，外部包覆物质选择氯化铵与亚硝酸钠，根据化学反应方程式，将氯化铵与亚硝酸钠按照大约1:1.3的比例混合；

(3)将内部支撑剂从其容器中倒入盛装硅胶胶水的粘性涂料容器，均匀搅拌，使得内部支撑剂均匀附上硅胶胶水，将内部支撑剂均匀附上粘硅胶后，再转移到中间容器，将化学药品从其容器中倒入中间容器，在搅拌器作用下使得附上粘硅胶的内部支撑剂表面均匀包裹化学药品即外部包覆物质，包覆的实际药品用量以氯化铵1g、亚硝酸钠1.3g为基数，实施例 1-4中，药品用量为1倍，实施例5、6中为2倍、5倍药品用量，制得气动自悬浮支撑剂；

(4)在实施例1-4中，将气动自悬浮支撑剂加入到盛有初始温度不同热水的烧杯中，观察实验现象，记录支撑剂悬浮时间；在实施例4-6中，保持水的初始温度不变，改变支撑剂包覆药品用量，观察实验现象，记录支撑剂悬浮时间。

各实施例实验条件与实验结果如表1所示。

表1低压条件下水的初始温度与支撑剂悬浮时间之间的关系

从实施例1-6的实验结果与现象中可以看出，改性支撑剂的内部为橡胶颗粒时，支撑剂完全可以实现自悬浮。其原因是气动自悬浮支撑剂表面包覆的亚硝酸钠与氯化铵在达到一定温度条件下就会发生化学反应，产生大量可以附着在支撑剂表面的气体，这些气体的浮力与支撑剂自身浮力之和可以克服支撑剂本身的重力，进而达到自悬浮的目的。

根据实施例1-6中的实验数据绘制得到如图2所示的常压条件下，水初始温度与支撑剂悬浮时间、药品用量与支撑剂悬浮时间的关系曲线。

从水初始温度与支撑剂悬浮时间的关系曲线可以看出，低压条件下支撑剂悬浮时间随着水初始温度的增加而减小，因为气动自悬浮支撑剂表面包覆的亚硝酸钠与氯化铵发生化学反应需要达到一定的温度条件，当温度达到反应条件时两者之间开始反应产生大量气泡，并且温度越高，其化学反应速率越快，在气动自悬浮支撑剂表面产生气泡与气泡脱离的速度越快，化学药品消耗速度越快，导致自悬浮时间变短。

从药品用量与支撑剂悬浮时间的关系曲线中可以看出，当反应环境温度保持不变时，低压条件下支撑剂悬浮时间随着支撑剂表面包覆药品量的增加而增加，这是因为气动自悬浮支撑剂表面包覆的亚硝酸钠与氯化铵越多，在支撑剂表面发生反应所产生的气体越多，初始气体附着在支撑剂表面，在增加支撑剂浮力的同时，将支撑剂与外部液体环境隔开，有效减慢化学药品反应速度，当支撑剂表面的气体脱离支撑剂表面之后，化学药品又直接与外部液体环境接触，继续发生反应产生气体，因此气动自悬浮支撑剂表面包覆的化学药品含量越高，其反应持续时间越长，支撑剂的持续悬浮时间越长。

实施例7-12

如实施例1-6所述的一种基于气动效应的自悬浮支撑剂及其制备方法，其区别在于将橡胶颗粒换为20～40目、密度为1.8g/cm³的中等密度陶粒10g，其它实验条件均相同，通过实验得到的实验结果如表2所示。

表2低压条件下支撑剂外部包覆药品用量与支撑剂悬浮时间之间的关系

实施例7-12的实验结果、实验现象与实施例1-6类似，当内部支撑剂为中等密度陶粒时，改性支撑剂依然可以实现自悬浮，这说明该种改性支撑剂可适用于实验室与矿场应用。

根据实施例7-12中的实验数据绘制得到如图3所示的常压条件下，水初始温度与支撑剂悬浮时间、药品用量与支撑剂悬浮时间的关系曲线。

图3中两条曲线的变化趋势与图2相同，均为支撑剂悬浮时间随着水温的增加而减小、随着药品用量的增加而增加，说明使用密度较大、矿场常用的支撑剂依然可以实现常压下自悬浮的目的。

实施例13-15

如实施例1-12所述的一种基于气动效应的自悬浮支撑剂及其制备方法，其区别在于实施例13-15中为高压条件下支撑剂外部包覆药品用量与支撑剂悬浮时间之间的关系，水的初始温度保持40℃不变，改变支撑剂外部包覆药品用量与可视反应釜中的压力，其它实验条件均相同，通过实验得到气动自悬浮支撑剂悬浮时间如表3所示：

表3高压条件下支撑剂外部包覆药品用量与支撑剂悬浮时间之间的关系

从实验结果可以看出，该种改性支撑剂不仅可以实现在低压条件下的自悬浮，在高压条件下增加外部包覆药品用量同样可以达到自悬浮的目的，说明气动自悬浮支撑剂表面包覆的亚硝酸钠与氯化铵发生化学反应产生的气泡可以克服外部压力限制，实现增加支撑剂自身浮力的作用。

根据表3中的实施例13-15的实验结果可以绘制得到不同药品用量条件下反应釜内部压力与支撑剂悬浮时间关系曲线，具体如图4所示。

从图4中可以看出，气动自悬浮支撑剂的内部支撑剂为橡胶颗粒、水的初始温度为40℃，当表面包覆的药品无论是20倍、30倍或者40药品用量时，气动自悬浮支撑剂的悬浮时间随着反应釜中的压力增加约成线性减小关系，这是因为当压力增加时，气动自悬浮支撑剂表面包覆药品发生化学反应产生的气泡外部受到反应釜中的压力限制，气泡内外压差增加，气泡体积减小，化学药品与外部接触面积增加，反应速率加快，因此化学药品消耗速率增加，支撑剂悬浮时间变短。

当可视反应釜中的压力、温度相同时，气动自悬浮支撑剂表面包裹的化学药品量越多，支撑剂悬浮时间越长，这与实施例4～6、10～12中低压条件下支撑剂外部包覆药品用量与支撑剂悬浮时间之间的关系类似，其中的原理相同。

以上通过使用本发明的一种气动自悬浮支撑剂的制备方法制备的气动自悬浮支撑剂分别进行了室内的低压、高压实验，得到了预期结论，对该发明的有效性进行了验证，证明了该种新型改性支撑剂具有实际应用价值。以上所述仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，例如前后端温度的具体调整，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种基于气动效应的自悬浮支撑剂，其特征在于包括内部支撑剂、中间粘性涂层、外部包覆物质，所述中间粘性涂层粘附于所述内部支撑剂上，且使所述外部包覆物质包覆在其外侧，所述外部包覆物质为在常温常压条件下不发生反应或变化、在地层的温度压力下产生不易溶于储层液体环境的气体的物质。

2.根据权利要求1所述的自悬浮支撑剂，其特征在于所述内部支撑剂为天然石英砂、人造陶粒、玻璃球、橡胶颗粒、铝球以及覆膜支撑剂中的一种或几种。

3.根据权利要求2所述的自悬浮支撑剂，其特征在于所述内部支撑剂为直径2mm、视密度为1.26g/cm³的橡胶颗粒。

4.根据权利要求1所述的自悬浮支撑剂，其特征在于所述中间粘性涂层为慢干型。

5.根据权利要求4所述的自悬浮支撑剂，其特征在于所述中间粘性涂层为粘度为38000mpa·s的硅胶胶水。

6.根据权利要求1所述的自悬浮支撑剂，其特征在于所述外部包覆物质为氯化氨和亚硝酸钠。

7.根据权利要求1所述的自悬浮支撑剂，其特征在于所述内部支撑剂的粒径包括6/12、8/16、12/18、12/20、16/30、20/40、30/50、40/60、40/70和/或70/140目的规格。

8.权利要求1-7任一所述的一种基于气动效应的自悬浮支撑剂的制备方法，其特征在于通过中间粘性涂层将外部包覆物质稳定均匀镀在支撑剂表面、且不提前诱发反应。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)将内部支撑剂倒入盛装中间粘性涂层的粘性涂料容器，使得内部支撑剂均匀附上中间粘性涂层，

(2)将内部支撑剂均匀附上中间粘性涂层后，再转移到连接有搅拌器的中间容器，将外部包覆物质倒入中间容器，在搅拌器作用下使得已附上中间粘性涂层的表面均匀包裹外部包覆物质。

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