CN113338883A - 一种基于超声波空化效应的压裂液强化返排方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于超声波空化效应的压裂液强化返排方法，该方法采用超声波空化系统，并配合施工钻孔，及配制后置液等步骤，利用超声波空化效应产生高温高压，后置液中的过氧化氢在高温下极不稳定，发生歧化反应生成氧气和水，发生体积膨胀，与超声波空化效应生成的高压共同推动压裂液的返排，弥补压裂液在返排过程中能量不足的现象。反应生成高温与超声波产生的高温共同激发过硫酸铵与聚合物分子发生化学反应，对凝胶残留聚合物分子产生降解作用，使得残液粘度降低。此外，过氧化氢会氧化携砂液中的瓜尔胶原粉，使得水不溶物及残渣较瓜尔胶粉有大幅度降低，从而降低残液的整体粘度。本发明可有效促进压裂液返排，降低储层伤害，提高压裂效果。

Description

一种基于超声波空化效应的压裂液强化返排方法

技术领域

本发明涉及到瓦斯抽采领域，具体的说是涉及一种基于超声波空化效应的强化压裂液返排方法。

背景技术

煤层气是一种赋存在煤储层中的非常规油气资源，对于补充能源缺口和优化能源结构具有重要意义。与常规油气储层不同，煤储层因其致密结构的原因，普遍具有低渗透性特征，直接采用钻孔或地面井抽采瓦斯效率通常很低。为了提高瓦斯抽采效率，目前国内外广泛使用水力压裂技术，即通过高压水泵向目标地层中注入高压液体，促使目标地层内的天然裂缝张开或者生成新的裂缝，并将携带的支撑剂滞留于裂缝内部，维持裂缝开度，从而提高煤层的渗透性和瓦斯的抽采效率。冻胶压裂液是煤层气开采中常用的压裂液，通常为瓜尔胶、黄原胶等聚合物凝胶，由于具有较高的粘度，因此携砂性和造缝效果较好，但另一方面，粘度较高，导致压裂液粘性残液容易粘附滞留在煤层裂隙表面。

返排是压裂作业的重要步骤，可以冲洗和去除附着在煤壁表面的压裂液残留，但工程经验表明，上万立方米的压裂液在高压下被压入煤储层中，只有不到30％的压裂液可以返排至地面。滞留于煤储层内的压裂液残渣会导致煤中裂隙和孔隙堵塞，阻碍煤层气的运移，最终对煤层气产量产生负面影响。

发明内容

基于上述技术问题，本发明提出一种基于超声波空化效应的压裂液强化返排方法，以提高压裂液返排率，减小压裂液残渣对煤层损害。

本发明所采用的技术解决方案是：

一种基于超声波空化效应的压裂液强化返排方法，包括以下步骤：

(1)配制后置液

选取过氧化氢、碳氢表面活性剂、氟碳表面活性剂、助溶剂和增能剂为原料，配制得到后置液；

(2)施工钻孔

在两个用以煤层气抽采的采气井中间位置施工一个钻孔，并在钻孔处布置超声波空化系统；所述超声波空化系统包括超声波驱动电源、超声波换能器和信号线缆，超声波驱动电源通过信号线缆与超声波换能器连接，超声波换能器置于钻孔中；

(3)压裂

在采气井处布置压裂系统，所述压裂系统包括压裂操作台、高压泵、高压软管和水箱，高压泵的出口与高压软管连接，高压泵的入口通过压裂操作台与水箱连接；

调节高压泵泵压将前置液注入地层，对地层进行破裂，形成一定尺寸的裂缝后，逐渐增高泵压，将携砂液与支撑剂随高压泵泵入煤储层实施压裂；

所述携砂液采用如下原料配制：羟丙基瓜尔、二氯二甲基硅烷、过硫酸铵、氯化钾以及余量的水；

(4)破胶

压裂达到预期效果后将后置液泵入煤层中，同时，打开超声波驱动电源，产生的高频交流电信号经信号线缆传递至超声波换能器，超声波换能器将高频交流电信号转换为超声波信号向水平井周围发射，一定强度的超声波作用于携砂液的粘性残液，残液中会产生大量的空化气泡，这些气泡在超声作用下不断振动，当声压超过阈值时空化气泡会出现剧烈的压缩、膨胀，然后瞬间崩裂，气泡崩裂的瞬间会伴有瞬时的高温和高压，该过程将对破胶起到如下促进作用：

①大量气泡破灭时产生高压和震动，将促进携砂液残液中瓜尔聚合物分子降解失效，从而降低残液的整体粘度；

②后置液中的过氧化氢会与瓜尔胶粉发生氧化反应，将C₁氧化成醛基，半乳糖支链中的C₂和C₃之间发生断裂，氧化为羧基或双醛，使得水不溶物及残渣较瓜尔胶粉有大幅度降低，从而降低残液的整体粘度；

③过氧化氢自身在空化作用产生的高温下发生如下歧化反应：

反应产生的高温，又将激发过硫酸铵与凝胶残留聚合物分子发生化学反应，对凝胶残留聚合物分子产生降解作用，使得残液粘度降低，促进压裂液返排；

(5)返排

开启采气井井筒进行压裂液返排，此时井内压力远远高于大气压，因此在井内外压差作用下，压裂液会克服毛细管力、界面张力、重力及氢键力阻力，由煤层向地面返排。

优选的，步骤(1)中：所述助溶剂选用乙醇，增能剂选用尿素。

优选的，各原料的用量为：12％wt的过氧化氢、0.8％wt的碳氢表面活性剂、1.2％wt的氟碳表面活性剂、0.6％wt的乙醇、0.4％wt的尿素，以及余量的水；

制备方法如下：将过氧化氢、碳氢表面活性剂、氟碳表面活性剂、乙醇、尿素依次添加到水中，搅拌均匀即得。

优选的，所述超声波空化系统还包括支撑管，所述支撑管包括防水管和外花管，外花管采用硬质塑料材料制成，在外花管的下部侧壁及末端开设若干个通孔，防水管设置在外花管的下部内侧，所述超声波换能器设置于防水管的内部。

优选的，所述携砂液的各原料用量为：0.4％wt的羟丙基瓜尔、2.5％wt的二氯二甲基硅烷、1.2％wt的过硫酸铵、0.3％wt的氯化钾以及余量的水；

配制步骤为：①取50℃温水，加入羟丙基瓜尔，搅拌至全溶；②然后依次加入二氯二甲基硅烷、氯化钾和过硫酸铵，搅拌至均匀溶解，即得所需携砂液。

优选的，所述前置液是采用以下用量配比的原料制得：1％wt的氯化铵、1.2％wt的复合活性剂以及余量的水；

所述复合活性剂由50％wt仲烷基硫酸钠、20％wt石油磺酸盐类和30％wt石灰石粉混合而成。

本发明的有益技术效果是：

本发明利用超声波空化效应产生高温高压，后置液中的过氧化氢在高温下极不稳定，发生歧化反应生成氧气和水，发生体积膨胀，与超声波空化效应生成的高压共同推动压裂液的返排，弥补压裂液在返排过程中能量不足的现象。同时反应生成高温与超声波产生的高温共同激发过硫酸铵与聚合物分子发生化学反应，对凝胶残留聚合物分子产生降解作用，使得残液粘度降低。此外，过氧化氢会氧化携砂液中的瓜尔胶原粉，使得水不溶物及残渣较瓜尔胶粉有大幅度降低，从而降低残液的整体粘度。后置液中的表面活性剂体系可以降低界面张力，减小返排时压裂液与壁面之间的阻力，以上共同促进压裂液返排，降低储层伤害，提高压裂效果。

附图说明

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步说明：

图1为本发明所采用超声波空化系统等的整体结构原理示意图；

图2为本发明所采用超声波空化系统中支撑管部分的结构原理示意图；

图3为压裂液返排原理图。

图中：1-大功率超声波换能器，2-外花管，3-水箱，4-压裂操作台，5-高压泵，6-高压软管，7-大功率超声波驱动电源，8-防水管，9-信号线缆，10-计算机，11-煤层，12-压裂液。

具体实施方式

本发明提出一种基于超声波空化效应的压裂液强化返排方法，该方法可提高压裂液返排效果与速率，以恢复煤层渗透率，提高煤层气产量，减小压裂液残渣对煤层损害。

具体地，该方法包括以下步骤：

(1)配制前置液

前置液各原料配比为：1％wt的氯化铵、1.2％wt的复合活性剂以及余量的水；所述复合活性剂由50％wt仲烷基硫酸钠、20％wt石油磺酸盐类和30％wt石灰石粉混合而成。

(2)配制携砂液

所述携砂液的各原料用量配比为：0.4％wt的羟丙基瓜尔(稠化剂)、2.5％wt的二氯二甲基硅烷(交联剂)、1.2％wt的过硫酸铵(破胶剂)、0.3％wt的氯化钾(防膨剂)以及余量的水。配制步骤为：①取50℃温水，加入羟丙基瓜尔胶，搅拌至全溶；②然后依次加入二氯二甲基硅烷、氯化钾和过硫酸铵，搅拌至均匀溶解，即得所需携砂液。

二氯二甲基硅烷对瓜尔胶起到了既交联又疏水的作用，即增大瓜尔胶分子量，提高了稳定性，同时，还降低了瓜尔胶的亲水性，在后期返排时，减小了残留液与地层水的粘附力，达到减阻目的，从而实现强化返排效果，降低储层伤害。

(3)配制后置液

选取过氧化氢、碳氢表面活性剂、氟碳表面活性剂、助溶剂和增能剂为原料，配制得到后置液。所述助溶剂选用乙醇，增能剂选用尿素。各原料的用量为：12％wt的过氧化氢、0.8％wt的碳氢表面活性剂、1.2％wt的氟碳表面活性剂、0.6％wt的乙醇、0.4％wt的尿素，以及余量的水。制备方法如下：将称取的过氧化氢、碳氢表面活性剂、氟碳表面活性剂、乙醇、尿素依次添加到水中，搅拌均匀即得。

(4)施工钻孔

结合煤层力学特征与瓦斯涌出来源构成，设计压裂半径为70m，即两个采气井相距140m，按照施工方案，在两个用以煤层气抽采的采气井中间位置施工一个钻孔，并在钻孔处布置超声波空化系统。如图1所示，所述超声波空化系统包括大功率超声波驱动电源7、大功率超声波换能器1和信号线缆9，大功率超声波驱动电源7通过信号线缆9与大功率超声波换能器1连接，将大功率超声波换能器1置于钻孔中。

具体地，所述超声波空化系统还包括支撑管，所述支撑管包括防水管8和外花管2，在外花管2的下部侧壁及末端开设若干个通孔，防水管8设置在外花管2的下部内侧，所述超声波换能器设置于防水管8的内部。防水管8由塑料材料制成，管壁较薄，即可起到防水作用，又基本不影响超声波的传输，外花管2采用硬质塑料材料制成，起到对内部超声波换能器的支撑保护作用，而且通孔的设置也进一步方便了超声波向外传输，避免超声波出现过多损耗。

(5)压裂

在采气井处布置压裂系统，所述压裂系统包括压裂操作台4、高压泵5、高压软管6和水箱3，高压泵5的出口与高压软管6连接，高压泵5的入口通过压裂操作台4与水箱3连接。调节高压泵泵压将前置液注入地层，对地层进行破裂，形成一定尺寸的裂缝后，逐渐增高泵压，将携砂液与支撑剂随高压泵泵入煤储层实施压裂，裂纹不断扩展并被支撑剂充满。

(6)破胶

压裂达到预期效果后将后置液泵入煤层中，同时，打开大功率超声波驱动电源7，产生的高频交流电信号经信号线缆9传递至大功率超声波换能器1，大功率超声波换能器1将高频交流电信号转换为超声波信号向水平井周围发射，一定强度的超声波作用于携砂液的粘性残液，残液中会产生大量的空化气泡，这些气泡在超声作用下不断振动，当声压超过阈值时空化气泡会出现剧烈的压缩、膨胀，然后瞬间崩裂，气泡崩裂的瞬间会伴有瞬时的高温和高压，该过程将对破胶起到如下促进作用：

①大量气泡破灭时产生高压和震动，将促进携砂液残液中瓜尔聚合物分子降解失效，从而降低残液的整体粘度。

②后置液中的过氧化氢会与瓜尔胶粉发生氧化反应，将C₁氧化成醛基，半乳糖支链中的C₂和C₃之间发生断裂，氧化为羧基或双醛，使得水不溶物及残渣较瓜尔胶粉有大幅度降低，从而降低残液的整体粘度。

③过氧化氢自身在空化作用产生的高温下发生如下歧化反应：

反应产生的高温，又将激发过硫酸铵与凝胶残留聚合物分子发生化学反应，对凝胶残留聚合物分子产生降解作用，使得残液粘度降低，促进压裂液返排，降低储层伤害，提高压裂效果。

(7)返排

开启采气井井筒进行压裂液返排，此时井内压力远远高于大气压，因此在井内外压差作用下，压裂液会克服毛细管力、界面张力、重力及氢键力阻力，由煤层向地面返排。过氧化氢歧化反应产生气体，发生体积膨胀，生成高压，与超声波空化效应产生的高压共同增大了井内外压力差，推动压裂液的返排。同时，后置液中复合表面活性剂体系的疏水基团一方面可以与压裂液发生疏水缔合，增加压裂液的疏水性，使得压裂液与水相面上的界面张力不断降低，有效地促进压裂液的返排；另一方面，可以提高煤层的疏水性，降低压裂液对煤储层造成的“水锁伤害”，提高返排的效率。

上述方式中未述及的部分采取或借鉴已有技术即可实现。

需要说明的是，在本说明书的教导下，本领域技术人员所作出的任何等同替代方式，或明显变形方式，均应在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于超声波空化效应的压裂液强化返排方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)配制后置液

选取过氧化氢、碳氢表面活性剂、氟碳表面活性剂、助溶剂和增能剂为原料，配制得到后置液；

(2)施工钻孔

在两个用以煤层气抽采的采气井中间位置施工一个钻孔，并在钻孔处布置超声波空化系统；所述超声波空化系统包括超声波驱动电源、超声波换能器和信号线缆，超声波驱动电源通过信号线缆与超声波换能器连接，超声波换能器置于钻孔中；

(3)压裂

在采气井处布置压裂系统，所述压裂系统包括压裂操作台、高压泵、高压软管和水箱，高压泵的出口与高压软管连接，高压泵的入口通过压裂操作台与水箱连接；

调节高压泵泵压将前置液注入地层，对地层进行破裂，形成一定尺寸的裂缝后，逐渐增高泵压，将携砂液与支撑剂随高压泵泵入煤储层实施压裂；

所述携砂液采用如下原料配制：羟丙基瓜尔、二氯二甲基硅烷、过硫酸铵、氯化钾以及余量的水；

(4)破胶

压裂达到预期效果后将后置液泵入煤层中，同时，打开超声波驱动电源，产生的高频交流电信号经信号线缆传递至超声波换能器，超声波换能器将高频交流电信号转换为超声波信号向水平井周围发射，一定强度的超声波作用于携砂液的粘性残液，残液中会产生大量的空化气泡，这些气泡在超声作用下不断振动，当声压超过阈值时空化气泡会出现剧烈的压缩、膨胀，然后瞬间崩裂，气泡崩裂的瞬间会伴有瞬时的高温和高压，该过程将对破胶起到如下促进作用：

①大量气泡破灭时产生高压和震动，将促进携砂液残液中瓜尔聚合物分子降解失效，从而降低残液的整体粘度；

②后置液中的过氧化氢会与瓜尔胶粉发生氧化反应，将C₁氧化成醛基，半乳糖支链中的C₂和C₃之间发生断裂，氧化为羧基或双醛，使得水不溶物及残渣较瓜尔胶粉有大幅度降低，从而降低残液的整体粘度；

③过氧化氢自身在空化作用产生的高温下发生如下歧化反应：

反应产生的高温，又将激发过硫酸铵与凝胶残留聚合物分子发生化学反应，对凝胶残留聚合物分子产生降解作用，使得残液粘度降低，促进压裂液返排；

(5)返排

开启采气井井筒进行压裂液返排，此时井内压力远远高于大气压，因此在井内外压差作用下，压裂液会克服毛细管力、界面张力、重力及氢键力阻力，由煤层向地面返排。

2.根据权利要求1所述的一种基于超声波空化效应的压裂液强化返排方法，其特征在于，步骤(1)中：所述助溶剂选用乙醇，增能剂选用尿素。

3.根据权利要求2所述的一种基于超声波空化效应的压裂液强化返排方法，其特征在于，各原料的用量为：12％wt的过氧化氢、0.8％wt的碳氢表面活性剂、1.2％wt的氟碳表面活性剂、0.6％wt的乙醇、0.4％wt的尿素，以及余量的水；

制备方法如下：将过氧化氢、碳氢表面活性剂、氟碳表面活性剂、乙醇、尿素依次添加到水中，搅拌均匀即得。

4.根据权利要求1所述的一种基于超声波空化效应的压裂液强化返排方法，其特征在于：所述超声波空化系统还包括支撑管，所述支撑管包括防水管和外花管，外花管采用硬质塑料材料制成，在外花管的下部侧壁及末端开设若干个通孔，防水管设置在外花管的下部内侧，所述超声波换能器设置于防水管的内部。

5.根据权利要求1所述的一种基于超声波空化效应的压裂液强化返排方法，其特征在于，所述携砂液的各原料用量为：0.4％wt的羟丙基瓜尔、2.5％wt的二氯二甲基硅烷、1.2％wt的过硫酸铵、0.3％wt的氯化钾以及余量的水；

配制步骤为：①取50℃温水，加入羟丙基瓜尔，搅拌至全溶；②然后依次加入二氯二甲基硅烷、氯化钾和过硫酸铵，搅拌至均匀溶解，即得所需携砂液。

6.根据权利要求1所述的一种基于超声波空化效应的压裂液强化返排方法，其特征在于，所述前置液是采用以下用量配比的原料制得：1％wt的氯化铵、1.2％wt的复合活性剂以及余量的水；

所述复合活性剂由50％wt仲烷基硫酸钠、20％wt石油磺酸盐类和30％wt石灰石粉混合而成。

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