CN114890854A - 一种内置全装药压裂弹的复合高能材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及油气井开采与老井激活改造技术领域，特别涉及一种用于内置全装药压裂弹的复合高能材料及其制备方法，其中内置全装药压裂弹的复合高能材料的组分包括粘合剂、氧化剂、金属燃料、增稠剂和燃烧催化剂。为适应高温高压的井下作业环境，本发明配方实现了在400MPa超高压稳定燃烧不爆轰、耐温高达190℃/72h、对机械刺激不敏感。解决了现有技术使用存在的无法在近井地带形成径向长距离的网络放射状的裂缝、地层渗流能力低产出低、燃烧不可控、施工不安全的技术问题。满足500～7500m油气井下压裂弹安全可靠施工和高效稳定产出要求。

Description

一种内置全装药压裂弹的复合高能材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及油气井开采与老井激活改造技术领域，特别涉及一种内置全装药压裂弹的复合高能材料及其制备方法。
背景技术
先进的内置全装药压裂弹采用特殊的燃烧组元和能量输出模式，产生特征频段冲击波加载于地层，使近井地带形成多条不受地应力控制的径向裂缝，以提高井筒附近地层的渗流能力，同步造成地层微小错动，使裂缝形成长期支撑，达到增产和稳产的目标。使储层改造效果产生质了的飞跃。
自本世纪初起，国外开始大规模推广以GasGun为代表的内置全装药复合高能材料压裂枪技术，具有使用安全、效果显著、施工简便等优点；单井开采半径、日产量、稳产周期均大幅度增加，总采收率达50％，成本下降 2/3，在老井激活、低孔低渗井改造方面取得了巨大的成功。美国在大规模采用先进压裂技术后，石油日产量增幅屡创新高，压裂产出占石油产量50％以上，2019年实现了石油完全自给并首次解除了石油出口禁令。
国内油气井的目标层位一般在井下500～7500m，环境温度可达180℃，环境压强可达80MPa，施工作业时间可达72小时。目前储层开采与改造技术大规模应用水力压裂，该工艺实施过程中受地应力影响，无法在近井地带形成多条径向长距离的放射状裂缝，水力压裂过程中地层错动甚微难以对裂缝长期支撑，导致地层渗流能力极其有限。近年部分试用的与复合高能材料相关的压裂技术多为裸药外置式无壳压裂弹，存在施工不安全、燃烧不可控、效果不明显等技术问题难以解决未能推广应用。严重制约了我国油气井开采与老井激活改造产能。
发明内容
为解决上述背景技术中的问题，本发明提供一种内置全装药压裂弹的复合高能材料，其中包括含能粘合剂、氧化剂、金属燃料、增稠剂和燃烧催化剂，
其中，所述含能粘合剂为多乙烯多胺高氯酸盐的乙二醇溶液(PEPA)，较佳地，其固体含量为65％～75％。
在一实施例中，所述含能粘合剂和氧化剂的质量比为9～11：8～11。
在一实施例中，所述含能粘合剂的制备方法为将多乙烯多胺与乙二醇按质量比4～5：5～6加入反应釜中，然后滴加高氯酸中和至体系pH为5.3～6.2，之后真空除水至水分低于0.3％。
在一实施例中，按重量份计，包括含能粘合剂45～55份、氧化剂40～55 份、金属燃料0～5份、增稠剂0.1～2份和燃烧催化剂0.1～3.0份。
在一实施例中，所述氧化剂为高氯酸铵(AP)或高氯酸钾(KP)。
在一实施例中，所述金属燃料为铝粉。
在一实施例中，所述燃烧催化剂为氧化铁(Fe2O3)、硫化铜(CuS)和亚铬酸铜(CC)中的一种或组合。
在一实施例中，所述增稠剂为纳米级白碳黑(AS)或碳黑(CB)。
本发明还提供一种如上任意所述的内置全装药压裂弹的复合高能材料的制备方法，将含能粘合剂、金属燃料、增稠剂和燃烧催化剂加入立式混合机中混合均匀，再分批加入氧化剂混合均匀，即可得到所述内置全装药压裂弹的复合高能材料。
具体地，所述含能粘合剂、氧化剂、金属燃料、增稠剂和燃烧催化剂加入立式混合机中的混合温度为30℃～50℃，混合时间为75min～100min。
本发明提供的一种内置全装药压裂弹的复合高能材料,与现有的技术相比，具有以下的效果：
本发明采用危险等级较低的专用复合高能材料用于内置全装药压裂弹，实现了耐高温、超高压稳定燃烧不爆轰、对机械刺激不敏感，在超深井下压裂弹施工安全可靠，压裂冲击波加载于地层形成的裂缝呈径向网络放射状的技术效果。
本发明采用的含能粘合剂可使制备的复合高能材料成膏状，并且通过调整配方中含能粘合剂与氧化剂的比例、燃烧催化剂量，实现了在400MPa超高压范围内可稳定燃烧而不爆轰，耐温性能提高到190℃/72h的技术效果。
本发明配方中纳米颗粒增稠剂的引入提高了固体填料的抗沉降性，实现了提高压裂放射状裂缝的纵深距离的技术效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的复合高能材料(样品2)密闭燃烧P-t曲线；
图2为内置全装药(样品2)的压裂弹实弹测试P-t曲线。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明还提供如下表所示实施例的配方以及性能指标：
表1
Figure BDA0003638849070000041
表2
Figure BDA0003638849070000042
表3
Figure BDA0003638849070000051
其中，撞击感度的测试标准为QJ3039-98；摩擦感度的测试标准为 QJ2193-97；静电火花感度的测试标准为GJB772A-1997。
上述实施例的制备方法为将含能粘合剂、金属燃料、增稠剂和燃烧催化剂加入立式混合机中混合均匀，再分批加入氧化剂混合均匀即可得到内置全装药压裂弹的复合高能材料样品。具体的混合温度为50℃，混合时间为 75min；
其中，含能粘合剂的制备方法为将25重量份的多乙烯多胺和30重量份的乙二醇加入反应釜中，然后滴加质量分数为60％的高氯酸45～50份中和至pH至5.3～6.2，并真空除水至水分低于0.3％即可得到。
本发明还对上述实施例制备的样品2、及全装样品2复合高能材料药的压裂弹实弹进行特征性能测试，性能数据参照图1、图2和表4所示：
表4复合高能材料样品热安全性测试结果
Figure BDA0003638849070000052
结合图1和图2表4的测试结果，可以发现本发明复合高能材料样品在200MPa超高压下稳定燃烧不爆轰，72h耐温达190℃；内置全装复合高能材料药压裂弹在400MPa超高压下稳定燃烧不爆轰，说明本发明采用的含能粘合剂、以及控制含能粘合剂与氧化剂的比例对最终制得的高能材料的耐高压和耐高温性能的提高具有至关重要的作用。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种内置全装药压裂弹的复合高能材料，其特征在于：包括含能粘合剂、氧化剂、增稠剂和燃烧催化剂，
其中，所述含能粘合剂为多乙烯多胺高氯酸盐的乙二醇溶液(PEPA)。
2.根据权利要求1所述的内置全装药压裂弹的复合高能材料，其特征在于：所述含能粘合剂和氧化剂的质量比为9～11：8～11。
3.根据权利要求1所述的内置全装药压裂弹的复合高能材料，其特征在于：按重量份计，包括含能粘合剂45～55份、氧化剂40～55份、金属燃料0～5份、增稠剂0.1～2份和燃烧催化剂0.1～3.0份。
4.根据权利要求1所述的内置全装药压裂弹的复合高能材料，其特征在于：所述氧化剂为高氯酸铵或高氯酸钾。
5.根据权利要求1所述的内置全装药压裂弹的复合高能材料，其特征在于：所述燃烧催化剂为氧化铁、硫化铜和亚铬酸铜中的一种或组合。
6.根据权利要求1所述的内置全装药压裂弹的复合高能材料，其特征在于：所述增稠剂为纳米级白碳黑或碳黑。
7.根据权利要求3所述的内置全装药压裂弹的复合高能材料，其特征在于：所述金属燃料为铝粉。
8.根据权利要求1所述的内置全装药压裂弹的复合高能材料，其特征在于：所述含能粘合剂的制备方法为将多乙烯多胺与乙二醇按质量比4～5：5～6加入反应釜中，然后滴加高氯酸中和至体系pH为5.3～6.2，之后真空除水至水分低于0.3％。
9.一种如权利要求1～8所述的内置全装药压裂弹的复合高能材料的制备方法，其特征在于：将含能粘合剂、金属燃料、增稠剂和燃烧催化剂加入立式混合机中混合均匀，再分批加入氧化剂混合均匀，即可得到所述内置全装药压裂弹的复合高能材料。
10.根据权利要求9所述的内置全装药压裂弹的复合高能材料的制备方法，其特征在于：所述混合温度为30℃～50℃，混合时间为75min～100min。
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