一种适用于井下压裂作业的封堵器的制备方法
技术领域
本发明属于油气井压裂技术领域,具体涉及一种适用于井下压裂作业的封堵器的制备方法。
背景技术
现今,在低渗透油气藏的开发过程中,压裂是主要的增产措施之一,其目的是在低渗透储层内压开一条裂缝,增大泄流面积,提高油气产量。油田常用的暂堵剂通常是纤维状和/或颗粒状暂堵剂,即利用暂堵剂沿阻力小的方向优先进入、暂堵剂在缝内或缝口(炮眼)摩擦累积(或架桥富集)以形成桥堵的原理,堵住老的裂缝,再开启新的裂缝。但在实际应用时,纤维状、颗粒状暂堵剂在随携带液泵注过程中容易形成泵堵或在管道中堆积,这无疑会造成物料浪费,增加生产成本。另外,通过累积或富集以形成桥堵是一个较为模糊的过程,通常情况下,难以确保期望质量的纤维状和/或颗粒状暂堵剂能被准确地输送至目标裂缝区域,并在目标裂缝区域形成具有稳定承压效果的封堵带,这会直接影响暂堵转向压裂的施工效果。
为此,目前亟需开发一种便于泵送,且容易被准确输送至目标裂缝区域,可对形状和尺寸不规则的缝口或炮眼形成良好、稳定的暂堵效果,并能在施工完成一段时间后完全降解以解除封堵,从而恢复生产的新型封堵器。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述问题而提供一种适用于井下压裂作业的封堵器的制备方法。
本发明的目的通过以下技术方案实现:
一种新型封堵器的制备方法,该方法具体包括以下步骤:
步骤1:将纤维丝束进行加热处理,以使其松弛柔顺,然后通过编织或钩织或加捻合股,以形成线束;
步骤2:将步骤1中形成的线束通过编织以形成长绳,直接将长绳打结,再经修剪,以制得具有绳结的集束体;
步骤3:将步骤2制得的集束体进行促结晶处理;或者,
将步骤2制得的集束体进行促结晶处理,待促结晶处理完成后,将集束体装入载流器中。
本发明将线束通过编织形成长绳的过程中,保证绳体具有较好的柔顺性,便于后续打结操作,使绳体自身具有良好的强度,赋予绳结优异的密封性和承压稳定性;对集束体进行促结晶处理,改善材料自身的强度和耐热性;将集束体装填入采用可降解材料制成的载流器中,加强集束体的泵送便捷性。
作为一种实施方案,步骤1中所述纤维丝束包含采用可降解树脂制成的纤维丝束。
优选地,所述采用可降解树脂制成的纤维丝束包括PGA(即聚乙醇酸)丝束、PLGA(即聚乙醇酸-乳酸共聚物)丝束、PLA(即聚乳酸)丝束、或天然纤维丝束中的至少一种。
进一步优选地,所述PGA丝束为采用熔融指数为5-15/(g/10min,230℃)的PGA制成的丝束。
进一步优选地,所述PLGA丝束为采用熔融指数为5-15/(g/10min,230℃)的PLGA制成的丝束。
进一步优选地,所述PLA丝束为采用熔融指数为10-20/(g/10min,190℃)的PLA制成的丝束。
进一步优选地,所述天然纤维丝束为采用蚕丝(例如,桑蚕丝、柞蚕丝等)制成的丝束。
作为一种实施方案,步骤1中所述纤维丝束还包含采用水溶性树脂制成的纤维丝束。
优选地,所述采用水溶性树脂制成的纤维丝束为PVA(即聚乙烯醇)丝束。
进一步优选地,所述PVA丝束为采用醇解度为75-83%的PVA制成的丝束。
进一步优选地,所述PVA丝束为采用醇解度为85-93%的PVA制成的丝束。
进一步优选地,所述PVA丝束为采用醇解度为95-100%的PVA制成的丝束。
作为一种实施方案,步骤1中所述纤维丝束还包含PET(即聚对苯二甲酸乙二醇酯)丝束、或PBT(即聚对苯二甲酸丁二醇酯)丝束、或PTT(即聚对苯二甲酸丙二醇酯)中的至少一种。
优选地,所述PET丝束为采用分子量为1.8万-2.5万的PET制成的丝束。
优选地,所述PBT丝束为采用分子量为2.0万-3.5万的PBT制成的丝束。
优选地,所述PTT丝束为采用分子量为2.2万-3.6万的PTT制成的丝束。
作为一种实施方案,步骤1中所述加热处理的条件为:温度为50-70℃,绝对压力为1-5kPa。
作为一种实施方案,步骤1中所述编织中,控制丝束股数为2N,N为1-3的整数,并将牵引速率控制为0.1-1m/min。
作为一种实施方案,步骤1中所述钩织中,控制丝束股数为1-3股,钩针数为2N’,N’为2-4的整数,并将牵引速率控制为3-6m/min。
作为一种实施方案,步骤1中所述加捻合股中,控制捻度为70-200捻回/米,合股股数为6-20股。
作为一种实施方案,步骤1中所述纤维丝束中单丝的直径为5-20μm,所述线束含有36-108根单丝。
作为一种实施方案,步骤2中所述编织的工艺条件为:控制牵引速率为0.5-2m/min,锭子回转转速为30-60r/min。
在此需要说明的是,步骤2中关于牵引速率、锭子回转转速的控制尤为重要,在牵引速率既定的情况下,如果锭子回转转速太小(例如,小于30r/min),或者,在锭子回转转速既定的情况下,如果牵引速率太大(例如,大于2m/min),所得长绳会过于疏松,其非常柔软,虽然这有利于后续的打结操作,但绳体自身强度太低,其密封性和承压稳定性会非常差;在牵引速率既定的情况下,如果锭子回转转速太大(例如,小于60r/min),或者,在锭子回转转速既定的情况下,如果牵引速率太小(例如,大于0.5m/min),所得长绳过于致密,其又会显得非常僵硬,这不仅会影响后续的打结操作,甚至打结困难,所形成的绳结自适应形变差,难以对孔眼形成有效封堵,而且过于致密也意味着线束用料的增加,这会大大提高生产成本。
作为一种实施方案,步骤2中所述绳结选自纽扣结、双联结或猴拳结中的至少一种,进一步地,所述长绳的长度为所需集束体长度的1.5-2倍。
作为一种实施方案,步骤2中所述具有绳结的集束体中,绳结的直径为10-50mm,优选为12-30mm,进一步优选为14-22mm,绳结两侧的绳长均不小于绳结的直径,优选地,绳结两侧的绳长均为20-100mm,优选为30-50mm。
作为一种实施方案,步骤3中所述促结晶处理的条件为:于80-120℃下恒温静置10-30min,再以1-20℃/min的速率降至室温,对集束体进行促结晶处理后,材料自身的强度和耐热性得以改善。
优选地,所述静置为垂直悬挂静置。
作为一种实施方案,步骤3中所述载流器由两个相互配合的壳体组成,所述壳体开设有至少一个通孔。
进一步地,所述载流器呈圆球体状、椭球体状或圆柱体状。
进一步地,所述两个壳体可以通过诸如粘合、螺纹连接、卡扣等方式固定在一起,以形成载流器。
进一步地,所述壳体的内壁上可设有加强筋或凹槽。对于设有加强筋的壳体,其自身的抗压强度、耐热性可得到一定程度的提高,壳体不容易破裂;而对于设有凹槽的壳体,由于凹槽处的壳体壁厚较薄,这样一来,壳体自身的抗压强度、耐热性都会有所减弱,壳体容易发生破裂。因此,可以通过在壳体内壁上设置加强筋或凹槽来调节壳体破裂的难易程度以及耐热性、耐水解性,进而可以在不同温度、不同深度的井下地层使用。
进一步地,所述载流器的内腔填充率为50-95%。
进一步地,所述壳体的厚度为1-5mm。
进一步地,所述载流器是采用可降解材料通过注塑工艺制备而成,所述可降解材料优选为PGA或PLGA。
优选地,所述可降解材料选用熔融指数为10-30/(g/10min,230℃)的PGA。
与现有技术相比,本发明具有以下有益效果:
1、本发明方法工艺步骤简单,可重复性好,在将线束通过编织以形成长绳的过程中,通过调节编绳机的牵引速率、锭子回转转速,可对线束所受的张力大小进行灵活调控,不仅可防止线束因受张力过大而被拉断,保证线束编制成长绳的稳定进行,还有利于形成线束致密性较好、松紧适宜的长绳,这样既能保证绳体具有较好的柔顺性,便于后续的打结操作,又能使绳体自身具有良好的强度,赋予绳结优异的密封性和承压稳定性,另外,在将长绳打结,以形成具有绳结的集束体后,对集束体进行促结晶处理,可进一步改善材料自身的强度和耐热性,同时还可有效去除集束体中残留的水分,有利于延长货运周期。
2、基于本发明方法制成的集束体(单独作为封堵器产品时),其绳结柔韧性好,并能兼顾良好的强度,在压力作用下可发生一定程度的自适应形变,可单独对不规则形状及尺寸的缝口或炮眼起到稳定的封堵作用,且承压稳定性好,封堵密封性强,暂堵效果好,用量少,可降低施工难度,节约成本。
3、针对需要使用大量集束体(单独作为封堵器产品时)的工况,为了进一步加强集束体的泵送便捷性,可将集束体装填入采用可降解材料制成的载流器中,可通过调节载流器的壳壁厚度、加强筋或凹槽的设置,来影响载流器自身的破裂难易程度,以使得载流器在被输送至井下目标区域、在压裂作业开始前发生破裂,并能将集束体释放出来,不仅有利于改善施工的便捷性,还可有效避免众多集束体在输送过程中容易发生缠结的现象,进而有效减少集束体的损耗,节约成本。
4、基于本发明方法制成的封堵器,经济实用性好,可适用于不同温度区间、不同深度的井下地层的暂堵压裂作业,普适性更强,有利于降低施工风险,在完成暂堵压裂作业后,无需进行反排或打捞,经过一定时间可基本完全降解,无残渣,无毒无害,对地层和套管不会造成损伤,这有利于缩短施工周期,降低施工成本,具有很好的市场应用前景。
附图说明
图1-1为集束体相关尺寸示意图;
图1-2为集束体的结构示意图;
图1-3为集束体中所使用的绳体示意图(横截面为实芯);
图1-4为集束体中所使用的绳体示意图(横截面为空芯);
图1-5为集束体中所使用的绳体示意图(横截面为皮-芯结构的绳体);
图2-1为内壁无加强筋和凹槽的壳体示意图;
图2-2为内壁设有凹槽的壳体示意图;
图2-3为内壁设有加强筋的壳体示意图;
图3为具有双联结的集束体装填在载流器示意图;
图4为不同规则形状的孔眼;
图中:1-绳结;2-侧翼绳体;3-壳体;4-通孔;5-凹槽;6-加强筋。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。
如图1-1至1-2所示,本发明提供的可以单独作为封堵器使用的集束体包括绳体、以及由绳体经打结而形成的相对于绳体本身向外侧突出的绳结1,位于绳结1两侧的绳体为侧翼绳体2,绳结1包括但不限于纽扣结、双联结或猴拳结。
所述绳体可选自下述绳体中的任一种:横截面为实芯的绳体(如图1-3所示)、横截面为空芯的绳体(如图1-4所示)、或横截面为皮-芯结构的绳体(如图1-5所示)。
为了进一步加强集束体的泵送便捷性,可将集束体装填入采用可降解材料制成的载流器中,载流器可以由两个相互配合的壳体3组装而成,壳体3开设有至少一个通孔4,壳体3的内壁上设有加强筋6或凹槽5。
如图2-1所示,对于内壁无加强筋6、凹槽5的壳体3,由其组装而成的载流器可将具有绳结1的集束体输送至温度适中(例如,约60-120℃)的井下地层目标区域。
如图2-2所示,对于设有凹槽5的壳体3,由于凹槽5处的壳体3壁厚较薄,壳体3自身的抗压强度、受热时的力学稳定性都会有所减弱,壳体3容易发生破裂,由其组装而成的载流器可将具有绳结1的集束体输送至温度较低(例如,约20-60℃)、相对较浅的井下地层目标区域。
如图2-3所示,对于设有加强筋6的壳体3,由于加强筋6有利于增强壳体3自身的刚度,其抗压强度、受热时的力学稳定性可得到一定程度的提高,壳体3不容易破裂,由其组装而成的载流器可将具有绳结1的集束体输送至温度较高(例如,约120-180℃)、相对较深的井下地层目标区域。
以上“相对较深”、“相对较浅”的术语是针对内壁无加强筋、凹槽的壳体3所适用的井下地层深度而言。
图3示出了具有绳结1(例如,双联结)的集束体被装填在壳体3(例如,半球形壳体)中。
下面提供上述封堵器的制备示例:
表1给出了纤维丝束I-XI所采用的原料丝束的具体信息。
表1
注:表1中所采用的PGA丝束、PLGA丝束、PLA丝束、PVA丝束、PET丝束、PBT丝束和蚕丝的直径(即单丝直径)为约10μm。
基于上表1中所给出的纤维丝束I-XI,对应地,采用下述步骤来制备封堵器I-XI:
步骤1:将纤维丝束进行加热处理,以使其松弛柔顺,然后通过编织或钩织或加捻合股,以形成线束;
步骤2:将步骤1中形成的线束通过编织以形成长绳,直接将长绳打结,再经修剪,以制得具有绳结的集束体;
步骤3:将步骤2制得的集束体进行促结晶处理。
在上述制备过程中,所涉及的具体工艺条件如下表2所示:
表2
注:表2中步骤1所得线束含有108根单丝。
为了便于能更加清楚地理解,上述表2里面在步骤2中所涉及的绳结1、集束体相关尺寸,以绳结1为双联结的集束体为例,具体示意如图1-1。图1-1中字母D表示双联结的直径,字母L表示集束体的长度。举例说明,如表2中的封堵器XI,在步骤2中,对应地,双联结的直径D为约20mm,集束体的长度L为约80mm。在此需要说明的是,集束体中位于绳结两侧的侧翼绳体长度可以相同,也可以不同,但以位于绳结两侧的两侧翼绳体长度相同为优选方案,如图1-2所示。
以上制成的封堵器I-XI可直接应用于井下的暂堵压裂作业,也可以将封堵器I-XI分别装入载流器中,相应地,以形成封堵器I’-XI’。
在此,以PGA为例,采用熔融指数为约20/(g/10min,230℃)的PGA,通过注塑工艺来制备用于组装成载流器的壳体,具体操作如下:将PGA置于注塑机中,加热至熔融状态,注射到具有设定尺寸和厚度的壳体模腔中,注射好后,先将壳体模具自然冷却至100-130℃(例如,120℃),保温1-2小时,以消除残余应力,随后再自然冷却至室温,即制得壳体。
在上述注塑成型工艺中,可将喂料温度控制为160-170℃(例如162℃),计量段温度控制为200-215℃(例如210℃),喷射口温度控制为225-240℃(例如235℃),注塑压力控制为60-80MPa(例如65MPa),壳体模具温度控制为150-165℃(例如156℃)。
图2-1至2-3示出了基于上述方法制得的半球形壳体;图3示出了具有双联结的集束体装填在载流器(例如,由两个半球形壳体组成)中;表3示出了封堵器I’-XI’具体相关信息。
表3
以上所制得的封堵器I至XI、封堵器I’至XI’均可应用于井下暂堵压裂作业,可根据实际工况、井下地层条件等因素来选择适宜的封堵器,例如,针对不同温度的地下储层区域,可选择适宜的封堵器,具体如下表4所示。
表4
地层储层区域温度 |
可选择的封堵器 |
20-40℃ |
封堵器I、封堵器I’ |
40-60℃ |
封堵器II、封堵器II’ |
60-80℃ |
封堵器III、封堵器III’ |
80-120℃ |
封堵器IV、封堵器IV’ |
120-150℃ |
封堵器V、封堵器V’、封堵器XI、封堵器XI’ |
150-180℃ |
封堵器VI至X、封堵器VI’至X’ |
性能测试:
(1)水解/降解性测试:
I)下面对封堵器I至IV进行水解/降解测试,测试方法如下:
步骤1:取2个质量均为M0的待测封堵器,置于恒温干燥箱中,于60℃下干燥24小时;
步骤2:将经干燥处理后的两待测封堵器分别置于一端开口的硬质玻璃管内,再向两硬质玻璃管内加入适量的清水以完全浸没待测封堵器,随后将两硬质玻璃管分别置于恒温恒湿试验箱中,将恒温恒湿试验箱的温度调至测试温度,并分别标记为S1、S2;
步骤3:待经过2天后,取出S1中的硬质玻璃管,抽取上层清液以分离剩余固相,并将分离的剩余固相用蒸馏水清洗干净,放入恒温干燥箱,在105℃条件下烘干2小时后称重,记录剩余固相质量M1;
步骤4:待经过7天后,取出S2中的硬质玻璃管,抽取上层清液以分离剩余固相,并将分离的剩余固相用蒸馏水清洗干净,放入恒温干燥箱,在105℃条件下烘干2小时后称重,记录剩余固相质量M2;
步骤5:计算水解率/降解率Rd,计算公式如下:
RdS1=(M0-M1)/M0×100%;
RdS2=(M0-M2)/M0×100%。
依据上述降解测试方法,封堵器I至IV的降解测试结果如表5-1所示。
表5-1
II)下面对封堵器V至XI进行水解/降解测试,测试方法如下:
步骤1:取2个质量均为M0的待测封堵器,置于恒温干燥箱中,于60℃下干燥24小时;
步骤2:将经干燥处理后的两待测封堵器分别置于一端开口的硬质玻璃管内,再向两硬质玻璃管内加入适量的清水以完全浸没待测封堵器,随后将两硬质玻璃管分别装入用清水作为传热介质的压力水浴罐中,密封压力水浴罐,分别向两压力水浴罐中充入氮气至压力达到2.0MPa,并将两压力水浴罐加热至测试温度,分别标记为S1、S2;
步骤3:待经过2天后,取出S1中的硬质玻璃管,抽取上层清液以分离剩余固相,并将分离的剩余固相用蒸馏水清洗干净,放入恒温干燥箱,在105℃条件下烘干2小时后称重,记录剩余固相质量M1;
步骤4:待经过7天后,取出S2中的硬质玻璃管,抽取上层清液以分离剩余固相,并将分离的剩余固相用蒸馏水清洗干净,放入恒温干燥箱,在105℃条件下烘干2小时后称重,记录剩余固相质量M2;
步骤5:计算水解率/降解率Rd,计算公式如下:
RdS1=(M0-M1)/M0×100%;
RdS2=(M0-M2)/M0×100%。
依据上述降解测试方法,封堵器V至XI的降解测试结果如表5-2所示。
表5-2
由于本发明中载流器主要起运送集束体的作用,在随液体输送至井下目标地层区域的过程中,载流器能够保护装填在其中的集束体,便于将集束体快速、有效地输送至目标地层区域,为此,还需对组成载流器的壳体进行相应的水解/降解测试。
在此,以壳体厚度为2mm的半球形壳体为例,采用以下方法对其进行水解/降解测试:
取多个同一批次制得的壳体,先通过
万能试验机测量初始状态下壳体被压碎所需的力(即F
0),然后将壳体浸没在预定温度的清水中,每隔1小时,取出壳体,通过万能试验机测量该壳体被压碎所需的力(即F
i),基于公式:(F
0-F
i)/F
0×100%来计算对应时刻下,壳体强度的衰减率S。
注:在以上测试过程中,通过万能试验机测试时,均选取5个壳体,并对测试结果取算术平均值,测试结果如下表6所示:
表6
注:表6中半球形壳体的内径为约25mm。
(2)承压性能测试
在此需要说明的是,基于本技术的封堵器可用于封堵规则形状的孔眼,也可用于封堵不规则形状的孔眼,孔眼形状参见图4。
下面对封堵器I至XI进行封堵效果测试,具体步骤如下:
步骤1:采用高压管线将压裂泵车与油管相连接,高压管线中间装入投球器;
步骤2:将待测试的封堵器10个依次加入到投球器中;
步骤3:打开管线阀门,调整排量为约1.5m3/min,将压裂液(例如,市售的聚丙烯酰胺水基压裂液)通过油管孔眼(尺寸为约10.5mm的圆孔2个,尺寸为约10.5mm的水滴孔2个,尺寸为约5mm的扁孔2个,尺寸为约8.5mm的异形孔2个,尺寸为约10.5mm的异形孔2个,总共10个孔眼)排出;
步骤4:打开投球器上阀门,待测试的封堵器通过高压管线进入到油管中,逐渐提高注入压力,并观察油管孔眼是否有液体流出,若油管孔眼突然有液体流出,则将此时对应的注入压力值记录为封堵器所能承受的承压强度。
以上封堵效果测试中,针对封堵器I至XI分别进行5次测试,并对5次测试的结果取算数平均值,见下表7-1。
表7-1
对照产品:
1#产品:采用纤维丝束XI来制备集束体,整个制备过程与封堵器XI基本相同,不同之处在于,没有对集束体进行促结晶处理,所得产品的承压强度远远小于封堵器XI。
2#产品:采用纤维丝束XI来制备集束体,整个制备过程与封堵器XI基本相同,不同之处在于,在步骤2的编织过程中,控制牵引速率为1m/min,锭子回转转速为20r/min。所得产品的绳结、绳体太过松散,非常柔软,虽然绳结具有良好的自适应形变性,但其自身强度低,所能承受的承压强度有限。
3#产品:采用纤维丝束XI来制备集束体,整个制备过程与封堵器XI基本相同,不同之处在于,在步骤2的编织过程中,控制牵引速率为0.2m/min,锭子回转转速为20r/min;但编织而成的长绳,绳体致密性大,较为刚硬,打结困难,所形成的绳结自适应形变差,难以对孔眼形成有效封堵。
4#产品:采用纤维丝束XI来制备集束体,整个制备过程与封堵器XI基本相同,不同之处在于,在步骤2的编织过程中,控制牵引速率为1.5m/min,锭子回转转速为65r/min。所得产品的绳结、绳体太过松散,非常柔软,虽然绳结具有良好的自适应形变性,但其自身强度低,所能承受的承压强度有限。
5#产品:采用纤维丝束XI来制备集束体,整个制备过程与封堵器XI基本相同,不同之处在于,在步骤2的编织过程中,控制牵引速率为0.5m/min,锭子回转转速为65r/min。但编织而成的长绳,绳体致密性大,较为刚硬,打结困难,所形成的绳结自适应形变差,难以对孔眼形成有效封堵。
将上述1#产品至5#产品进行封堵效果测试,具体测试步骤与封堵器XI完全相同,测试结果如下表7-2所示。
表7-2
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改,并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此,本发明不限于上述实施例,本领域技术人员根据本发明的揭示,不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。