CN102199422A

CN102199422A - 一种压裂支撑剂及其制备方法和深井压裂方法

Info

Publication number: CN102199422A
Application number: CN2010101356833A
Authority: CN
Inventors: 秦升益; 郭盛昌; 胡宝苓; 王胜利
Original assignee: Beijing Rechsand Science and Technology Group Co Ltd
Current assignee: Beijing Rechsand rishing oil mining technology Co. Ltd.
Priority date: 2010-03-26
Filing date: 2010-03-26
Publication date: 2011-09-28
Anticipated expiration: 2030-03-26
Also published as: CN102199422B

Abstract

压裂支撑剂，其中，所述压裂支撑剂为将含有原砂和覆膜粘结剂的混合物经固化剂固化而形成的产物；所述覆膜粘结剂为钠水玻璃和/或钾水玻璃；所述固化剂为粉煤灰，以及水泥和/或偏高岭土的混合物。本发明还提供了该压裂支撑剂的制备方法，以及应用该压裂支撑剂的深井压裂方法。本发明提供的压裂支撑剂的制备方法简单，免除了现有技术中的烧结等工艺步骤，且成本低廉，此外，得到的压裂支撑剂具有较好的抗破碎率以及较强的抗酸腐蚀性，完全能够达到使用要求，可用于闭合压力为70MPa以下的地层，应用范围较宽；更重要的是，本发明提供的压裂支撑剂的体积密度更低、质量更轻，因此，更易于通过液体将更多的压裂支撑剂携带至地层深处的裂缝中，便于压裂施工的开展，降低压裂施工的成本。

Description

一种压裂支撑剂及其制备方法和深井压裂方法

技术领域

本发明涉及一种压裂支撑剂及其制备方法和深井压裂方法。

背景技术

在石油、天然气深井开采及超深井的压裂工艺中，都会用到压裂支撑剂，压裂支撑剂的作用是在地层中形成一条高导流能力的填砂裂缝，为油气流的流通提供高渗透性的通道。因此，压裂支撑剂需要有一定的强度，以满足不同深度地层的闭合应力要求。此外，压裂支撑剂在压裂输送过程中的沉降也影响缝中铺砂浓度和填砂裂缝的导流能力，因此压裂支撑剂应具有较低的比重。

现今，油田应用较多的压裂支撑剂主要是陶粒和石英砂。其中，陶粒是以铝矾土为主要原料并经过800℃以上的高温烧结而成的，制备工艺复杂。由于铝矾土为矿产资源，其在我国的储量有限，因此成本较高，且陶粒的生产能耗较高，因此，陶粒的应用不符合长远经济发展的需要。而石英砂只适用于闭合压力为28MPa以下的地层，应用范围较窄。

发明内容

本发明的目的在于克服现有的陶粒压裂支撑剂成本高、制备工艺复杂，石英砂压裂支撑剂的应用范围窄的缺陷，提供一种成本低廉、免烧结、无需烧结工艺且制备方法简单的并可应用于闭合压力为70MPa以下的地层的低体密度压裂支撑剂。

本发明提供了一种压裂支撑剂，其中，所述压裂支撑剂为将含有原砂和覆膜粘结剂的混合物经固化剂固化而形成的产物；所述覆膜粘结剂为钠水玻璃和/或钾水玻璃；所述固化剂为粉煤灰，以及水泥和/或偏高岭土的混合物。

本发明还提供了一种压裂支撑剂的制备方法，其中，该方法包括分别将覆膜粘结剂和固化剂分多次与原砂混合，并将得到的混合物进行固化；所述覆膜粘结剂为钠水玻璃和/或钾水玻璃；所述固化剂为粉煤灰，以及水泥和/或偏高岭土的混合物。

本发明还提供了一种深井压裂方法，该方法包括在深井的底层中形成裂缝，并将压裂支撑剂填充在裂缝中，其中，所述压裂支撑剂为本发明提供的压裂支撑剂。

本发明提供的压裂支撑剂，采用钠水玻璃和/或钾水玻璃强碱溶液作为覆膜粘结剂，与原砂混合后经固化剂直接固化而制备得到，所述压裂支撑剂的制备方法简单，免除了现有技术中的烧结等工艺步骤，且在生产过程中无任何能源消耗，因而成本低廉，此外，得到的压裂支撑剂具有较好的抗破碎率以及较强的抗酸腐蚀性，完全能够达到使用要求，可用于闭合压力为70MPa以下的地层，应用范围较宽；更重要的是，本发明提供的压裂支撑剂的体积密度更低、质量更轻，因此，更易于通过液体将更多的压裂支撑剂携带至地层深处的裂缝中，便于压裂施工的开展，降低压裂施工的成本。

具体实施方式

按照本发明，所述压裂支撑剂为将含有原砂和覆膜粘结剂的混合物经固化剂固化而形成的产物；所述覆膜粘结剂为钠水玻璃和/或钾水玻璃；所述固化剂为粉煤灰，以及水泥和/或偏高岭土的混合物。

按照本发明，所述原砂、覆膜粘结剂以及固化剂的用量的可选择范围较宽，并可以在较宽泛的范围内调整，优选情况下，以100重量份原砂为基准，覆膜粘结剂的用量可以为10-50重量份，优选为20-30重量份，固化剂的用量可以20-125重量份，优选为40-50重量份；且，本发明的发明人发现为了更利于在原砂表面形成覆膜，并防止结块，以及防止在砂体表面产生孔隙而降低砂粒强度，覆膜粘结剂与固化剂的重量比优选为1∶1.5-2.5。

其中，所述固化剂为粉煤灰，以及水泥和/或偏高岭土的混合物。在所述混合物中，对粉煤灰以及水泥和/或偏高岭土的比例没有特别限定，只要该混合物能够起到使覆膜粘结剂固化的作用即可，优选情况下，以固化剂的总重量为基准，粉煤灰的含量可以为50-90重量％，优选为70-80重量％；水泥或偏高岭土的含量，或者水泥和偏高岭土的总含量可以为10-50重量％，优选为20-30重量％。更优选情况下，当同时使用水泥和偏高岭土时，其固化效果更理想，得到的压裂支撑剂的抗破碎率更高，其中，水泥与偏高岭土的重量比可以为1-2∶1。

按照本发明，所述原砂通常被称为石英砂，其硬度为7左右，性脆而坚硬。石英砂热稳定性好，加热至1500℃时开始软化，溶于氢氟酸，不溶于其它类酸碱。

原砂的主要化学成分是氧化硅(SiO₂)，同时伴生少量的氧化铝(Al₂O₃)、氧化铁(Fe₂O₃)等。所述原砂中二氧化硅的含量一般为大于或等于96重量％。原砂的圆球度较好，破碎后仍可保持一定的导流能力；相对密度低，便于施工泵送，因此，优选情况下，所述原砂的圆度和球度优选≥0.6。其中，“球度”指颗粒接近球形的程度；“圆度”指颗粒棱角的相对锐度或曲率的量度，球度和圆度的测定方法为本领域技术人员所公知，例如，可采用图版法进行测定。

原砂的颗粒直径一般处于0.1-1.2毫米的范围内，一般主要可以分为三种粒径规格：0.1-0.4毫米，0.5-0.8毫米，以及0.8-1.2毫米。

所述覆膜粘结剂主要起到粘结原砂以制备成适当的颗粒大小，该覆膜粘结剂为钠水玻璃(硅酸钠水溶液Na₂O·nSiO₂)和/或钾水玻璃(硅酸钾水溶液K₂O·nSiO₂)。所述钠水玻璃和钾水玻璃均可以商购得到。

本发明对商购的钠水玻璃和/或钾水玻璃的模数没有特别要求，只要在使用时将其调整到适合的模数，如模数可以为1-2，优选为1.5-2即可。对钠水玻璃和/或钾水玻璃的模数进行调整的方法为本领域技术人员所公知。

所述固化剂为粉煤灰，以及水泥和/或偏高岭土的混合物。

其中，粉煤灰指燃煤炉燃烧后形成的粉末，其主要成分包括二氧化硅、氧化铝、氧化亚铁、三氧化铁、氧化钙、氧化钛、氧化镁、氧化钾、氧化钠、氧化锰和三氧化硫。如果粉煤灰中氧化钙含量过高，覆膜层会较疏松，支撑剂产品的强度会有所降低，因此，优选情况下，所述粉煤灰中氧化钙的含量小于或等于10重量％(即，国内生产的F级粉煤灰)。所述粉煤灰可以按照常规的方法自制得到，也可以商购得到；所述煤灰的颗粒直径一般可以为小于0.04毫米(即，400目以上)。所述水泥可以为本领域中常规的各种硅酸盐水泥，即，水泥由石灰石、粘土、铁矿粉按比例磨细混合，这时候的混合物叫生料。然后进行煅烧，一般温度在1450℃左右，煅烧后的产物叫熟料。然后将熟料和石膏一起磨细，按比例混合，才称之为水泥。所述水泥可以商购得到。

所述偏高岭土指无水硅酸铝，也可以商购得到。所述偏高岭土的颗粒直径一般可以为小于0.04毫米(即，400目以上)。

本发明对得到的压裂支撑剂的平均单颗粒直径大小没有特别限定，可以根据油田现场需求，在较宽范围内调整得到的压裂支撑剂的平均单颗粒直径大小。

按照本发明，所述压裂支撑剂的制备方法包括分别将覆膜粘结剂和固化剂分多次与原砂混合，并将得到的混合物进行固化；所述覆膜粘结剂为钠水玻璃和/或钾水玻璃；所述固化剂为粉煤灰，以及水泥和/或偏高岭土的混合物。

按照本发明，以100重量份原砂为基准，覆膜粘结剂的总用量可以为10-50重量份，优选为20-30重量份，固化剂的总用量可以为20-125重量份，优选为40-50重量份；覆膜粘结剂与固化剂的用量比为1∶1.5-2.5。

根据本发明所述的方法，分别将覆膜粘结剂和固化剂分多次与原砂混合的目的是使原砂颗粒通过覆膜粘结剂的粘结作用而逐渐长大，以是原砂颗粒直接粘合的更紧密，同时，分多次与固化剂混合有利于固化剂对覆膜粘结剂的逐步固化作用，以达到增强得到的压裂支撑剂的抗破碎能力的目的。根据本发明，对覆膜粘结剂和固化剂的加入方式没有特别限定，例如，可以将覆膜粘结剂和固化剂无先后顺序的分别分多次加入，也可以同时分多次加入。

更优选情况下，可以先将部分覆膜粘结剂与原砂混合，使部分原砂颗粒被覆膜粘结剂粘合，然后再加入部分固化剂，并重复地将覆膜粘结剂和固化剂分多次依次交替与原砂混合，使其达到更利于增强得到的压裂支撑剂的抗破碎能力的目的。

更优选情况下，为了使混合更均匀，每次在分别将覆膜粘结剂和固化剂与原砂混合后，该方法还包括搅拌的步骤，搅拌的条件可以根据实际需要选择，只要保证混合均匀即可。例如，搅拌的时间可以为0.5-2分钟，搅拌的转速可以为60-200转/分钟。

按照本发明，每次与原砂混合的覆膜粘结剂的用量以及每次与原砂混合的固化剂的用量以及加入次数可以根据最终得到的产品的规格而定，只要各组分的用量满足本发明对产品的要求即可，一般情况下，每次与原砂混合的覆膜粘结剂的用量可以为其总用量的1/15-1/2，优选为其总用量的1/12-1/8；每次与原砂混合的固化剂的用量可以为其总用量的1/15-1/2，优选为其总用量的1/12-1/8；与原砂混合的覆膜粘结剂的加入次数和与原砂混合的固化剂的加入次数相同或不同，可以视粘结剂的加入量适当选择固化剂的加入量，即可确定覆膜粘结剂和固化剂的加入次数。

按照本发明，固化条件可以包括固化温度、固化湿度和固化时间，固化温度、固化湿度和固化时间的可选择范围较宽，只要到达使覆膜粘结剂完全固化即可，优选情况下，所述固化温度为20-60℃，固化湿度大于或等于85％，固化时间为6-24小时。优选情况下，为了更高使压裂支撑剂完全、充分的固化，可以将含有原砂、覆膜粘结剂以及固化剂混合后进行密封，以更好的在恒湿、恒温的条件进行固化。

根据本发明，在所述深井压裂方法中，在深井的底层中形成裂缝，并将压裂支撑剂填充在裂缝中的方法可以采用本领域公知的各种方法进行，具体实施方法和条件在这里不再赘述。

下面将通过具体实施例对本发明进行进一步的详细描述。

本发明下述实施例以及对比例1中所用的原砂购自永登蓝天石英砂有限公司，规格为圆度和球度≥0.6，规格包括20/40目(颗粒直径为0.85-0.425毫米)、30/50目(颗粒直径0.6-0.3毫米)和40/70目(颗粒直径0.425-0.212毫米)；覆膜粘结剂钠水玻璃和钾水玻璃分别购自北京恒泰恺达科贸有限公司和广东省佛山市南海区大沥中发水玻璃厂；水泥购自北京水泥厂有限责任公司，双快水泥(硅酸盐水泥)；偏高岭土购自滁州市惠友绢云母粉厂，规格为400目(颗粒直径为0.38毫米)；粉煤灰购自长沙德比粉煤灰公司(F级粉煤灰，其中氧化钙含量≤10重量％，规格为400目(颗粒直径为0.38毫米))。

实施例1

本实施例用于说明本发明提供的压裂支撑剂的制备。

各物质用量分别为：原砂2kg(20/40目)、钾水玻璃(模数1)0.4kg、双快水泥0.1kg、F级粉煤灰0.8kg、偏高岭土0.1kg。

将固化剂双快水泥、F级粉煤灰和偏高领土混合均匀得到固化剂混合物，并分成等质量的10份，将钾水玻璃分成等质量的11份，将原砂放入混砂机中，开动搅拌，先加入1份水玻璃，搅拌1分钟后加入1份固化剂混合物，然后按照上述方法依次加入水玻璃、搅拌1粉末、并加入固化剂混合物，进行循环加料，待所有固化剂加完后，加入最后1份水玻璃，将砂样搅散后出锅。

将出锅后的砂样立即放入包装袋中密封，并放入60℃的烘箱中养护24小时后，即得产品A1。

实施例2

本实施例用于说明本发明提供的压裂支撑剂的制备。

按照实施例1的方法制备压裂支撑剂，不同的是，所述固化剂混合物为0.8kg F级粉煤灰和0.2kg双快水泥的混合物，制得产品A2。

实施例3

本实施例用于说明本发明提供的压裂支撑剂的制备。

按照实施例1的方法制备压裂支撑剂，不同的是，各物质用量分别为：原砂2kg、钾水玻璃(模数1)0.4kg、双快水泥0.05kg、F级粉煤灰0.8kg、偏高岭土0.15kg。制得产品A3。

实施例4

本实施例用于说明本发明提供的压裂支撑剂的制备。

各物质用量分别为：原砂2kg(20/40目)、钠水玻璃(模数1.5)0.6kg、双快水泥0.2kg、F级粉煤灰0.7kg、偏高岭土0.1kg。

将固化剂双快水泥、F级粉煤灰和偏高领土混合均匀得到固化剂混合物，并分成等质量的14份，将钠水玻璃分成等质量的15份，将原砂放入混砂机中，开动搅拌，先加入1份水玻璃，搅拌1分钟后加入1份固化剂混合物，然后按照上述方法依次加入水玻璃、搅拌1粉末、并加入固化剂混合物，进行循环加料，待所有固化剂加完后，加入最后1份水玻璃，将砂样搅散后出锅。

将出锅后的砂样立即放入包装袋中密封，并放入60℃的烘箱中养护24小时后，即得产品A4。

实施例5

本实施例用于说明本发明提供的压裂支撑剂的制备。

按照实施例4的方法制备压裂支撑剂，不同的是，在混料时，将固化剂混合物分成等质量的2份，将钠水玻璃分成等质量的3份，制得产品A5。

实施例6

本实施例用于说明本发明提供的压裂支撑剂的制备。

按照实施例1的方法制备压裂支撑剂，不同的是，各物质用量分别为：原砂2kg、钾水玻璃(模数1)0.6kg、双快水泥0.1kg、F级粉煤灰0.6kg、偏高岭土0.1kg。制得产品A6。

实施例7

本实施例用于说明本发明提供的压裂支撑剂的制备。

按照实施例1的方法制备压裂支撑剂，不同的是，各物质用量分别为：原砂2kg、钾水玻璃(模数1)0.2kg、双快水泥0.1kg、F级粉煤灰0.2kg、偏高岭土0.1kg。制得产品A7。

实施例8

本实施例用于说明本发明提供的压裂支撑剂的制备。

按照实施例1的方法制备压裂支撑剂，不同的是，各物质用量分别为：原砂2kg(20/40目)、钾水玻璃(模数1)1kg、双快水泥0.25kg、F级粉煤灰2kg、偏高领土0.25kg。制得产品A8。

对比例1

本对比例用于说明现有技术的压裂支撑剂的制备。

将2千克原砂(20/40目)加热至260℃后放入混砂机中搅拌，降温至200℃时加入40克酚醛树脂，20克环氧树脂，6克六次甲基四胺，2克芳叔胺，随后加入5.3克硬脂酸钙搅拌均匀；冷却、破碎，过筛，得到成品支撑剂。

实施例9-16

本实施例用于说明压裂支撑剂的性能测试。

按照标准SY/T5108-2006对压裂支撑剂进行性能检测，检测结果如下表1所示。

对比例2

本对比例用于说明的压裂支撑剂的性能测试。

按照实施例9-16的方法对压裂支撑剂进行性能测试，不同的是，测试的是由对比例1的方法制得的压裂支撑剂，结果如下表1所示。

表1

其中，“球度”指支撑剂颗粒接近球形的程度；“圆度”指其棱角的相对锐度或曲率的量度，实际测定可用图版法；“体密度”指单位质量的支撑剂与其堆积体积之比；“视密度”指单位质量的支撑剂与其颗粒体积之比；“浊度”指在单位体积的蒸馏水中加入一定体积的支撑剂，然后搅拌，液体的浑浊程度称为支撑剂的浊度；“酸溶解度”指在规定的酸溶液及酸溶时间内，确定一定质量支撑剂被酸溶解的质量与总支撑剂质量的百分比；“破碎率”指对一定体积的支撑剂，在额定压力下进行承压测试，确定的破碎率表征了支撑剂抗破碎的能力。

从上述表1的结果可以看出，本发明提供的压裂支撑剂具有较好的抗破碎率(在压力为52兆帕下，破碎率小于5％即视为满足质量要求，在压力为69兆帕下，破碎率小于10％即视为满足质量要求)以及较好的抗酸腐蚀性，能够达到压裂支撑剂的性能要求，用于闭合压力为70MPa以下的地层。更重要的是，与现有技术的压裂支撑剂相比，本发明提供的压裂支撑剂的体积密度更低，因此，易于通过液体被大量携带至地层深处的裂缝中，并可以有效支撑压裂裂缝，且制备方法简单，成本低廉，因而大大的降低了压裂成本，提高了压裂效率。

Claims

1.一种压裂支撑剂，其特征在于，所述压裂支撑剂为将含有原砂和覆膜粘结剂的混合物经固化剂固化而形成的产物；所述覆膜粘结剂为钠水玻璃和/或钾水玻璃；所述固化剂为粉煤灰，以及水泥和/或偏高岭土的混合物。

2.根据权利要求1所述的压裂支撑剂，其中，以100重量份原砂为基准，覆膜粘结剂的量为10-50重量份，固化剂的量为20-125重量份；覆膜粘结剂与固化剂的重量比为1∶1.5-2.5。

3.根据权利要求1所述的压裂支撑剂，其中，以固化剂的总重量为基准，粉煤灰的含量为50-90重量％，水泥或偏高岭土的含量，或者水泥和偏高岭土的总含量为10-50重量％。

4.根据权利要求3所述的压裂支撑剂，其中，水泥和偏高岭土的总含量为10-50重量％，其中，水泥与偏高岭土的重量比为1-2∶1。

5.根据权利要求1所述的压裂支撑剂，其中，所述原砂的圆度≥0.6、球度≥0.6，原砂的颗粒直径为0.1-1.2毫米；所述粉煤灰中氧化钙的含量小于或等于10重量％。

6.权利要求1所述压裂支撑剂的制备方法，其特征在于，该方法包括分别将覆膜粘结剂和固化剂分多次与原砂混合，并将得到的混合物进行固化；所述覆膜粘结剂为钠水玻璃和/或钾水玻璃；所述固化剂为粉煤灰，以及水泥和/或偏高岭土的混合物。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，将覆膜粘结剂以及固化剂分多次依次交替与原砂混合。

8.根据权利要求6或7所述的方法，其中，以100重量份原砂为基准，覆膜粘结剂的总用量为10-50重量份，固化剂的总用量为20-125重量份；覆膜粘结剂与固化剂的用量比为1∶1.5-2.5；每次与原砂混合的覆膜粘结剂的用量为其总用量的1/15-1/2；每次与原砂混合的固化剂的用量为其总用量的1/15-1/2；与原砂混合的覆膜粘结剂的加入次数和与原砂混合的固化剂的加入次数相同或不同。

9.根据权利要求6或7所述的方法，其中，以固化剂的总重量为基准，粉煤灰的含量为50-90重量％，水泥或偏高岭土的含量，或者水泥和偏高岭土的总含量为10-50重量％。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，水泥和偏高岭土的总含量为10-50重量％，其中，水泥与偏高岭土的重量比为1-2∶1。

11.根据权利要求6或7所述的方法，其中，所述原砂的圆度≥0.6、球度≥0.6，原砂的颗粒直径为0.1-1.2毫米；所述粉煤灰中氧化钙的含量小于或等于10重量％。

12.根据权利要求6所述的方法，其中，固化条件包括固化温度为20-60℃，固化湿度大于或等于85％，固化时间为6-24小时。

13.一种深井压裂方法，该方法包括在深井的底层中形成裂缝，并将压裂支撑剂填充在裂缝中，其特征在于，所述压裂支撑剂为权利要求1-5中任意一项所述的压裂支撑剂。