CN117106432B - 一种速溶且耐超高温的低摩阻高密度压裂液及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种速溶且耐超高温的低摩阻高密度压裂液及其制备方法，属于油田化学高分子组合物技术领域。所述压裂液配方按质量配比包括稠化剂悬浮液1.0~4.0份，加重盐20~70份，交联剂0.1~1.0份，高温稳定剂0.01~0.1份，pH值调节剂0~0.2份，破胶剂0.1~0.5份以及余量的水。所述耐高温低摩阻高密度压裂液可通过调节配方中加重盐与水的比例实现密度在1.20~1.50 g/cm3范围调控，操作简单，易于控制；并且耐温性能和减阻效果优异，耐温达到200℃，降阻率达到65%，同时满足快速溶解、高密度、耐高温和低摩阻性能指标要求，可用于高温高压储层的压裂改造。
Description
技术领域
本发明属于油田化学高分子组合物技术领域，具体涉及一种速溶且耐超高温的低摩阻高密度压裂液及其制备方法。
背景技术
近年来，低渗、高温和高压等非常规储层成为油气勘探和开发的主要对象。水力压裂技术是非常规油藏储层改造和增产最有效的手段，然而高温、高压储层存在着施工压力过高的问题，常规压裂液难以满足施工需求。如新疆塔河油田的储层深达7000 m，使用常规压裂液作业的部分井地面施工压力超过140 MPa，而目前国内地面压裂设备额定耐压约为105 MPa。因而，减少设备施工压力是提升压裂成功率的有效手段。在实际的施工过程中，井口施工压力（P S ）与地层破裂压力（P B ），压裂液摩阻（P f ）和压裂液静液柱压力（P H ）满足如下公式：
P S = P B + P f - P H （1）
通过公式可以看出，降低地层破裂压力和压裂液摩阻或增加压裂液静液柱压力都可以减少井口施工压力。由于地层破裂压力与储层地质条件相关，几乎不能改变，因此只能通过降低压裂液摩阻P f 和/或提高压裂液静液柱压力P H 来减少井口施工压力P S 。压裂液静液柱压力与井深和压裂液的密度满足如下公式：
P H = 9.81 ×ρh/1000 （2）
其中ρ为压裂液的密度（g/cm3）,h为井深长度（m）。结合式（1）和（2）可以看出，对于5000 m的深井，压裂液密度增加0.1 g/cm3，施工压力降低5 MPa。
提高压裂液密度的方法主要是在压裂液中添加加重剂，目前加重剂的类型主要有三种：一类是无机盐，例如氯化钾、氯化钠、溴化钠、硝酸钠中的一种或混合物。侯帆，仇宇楠等人在杂志《油田化学》（2018年12月，第35卷第4期，618-621页）上报道了一种使用氯化钾作为加重盐，聚丙烯酰胺类化合物为稠化剂的高密度压裂液体系。该体系的加重密度1.1g/cm3，耐温能力达180 ℃，降阻率达到60%以上。赵莹在杂志《精细石油化工进展》（2020年12月，第21卷6期，1-4页）上介绍了一种以硝酸钠为加重盐，合成聚合物为稠化剂的高密度压裂液体系。该体系的密度为1.31 g/cm3，耐温能力达到180 ℃，降阻率达到55.34%。CN113563507A公布了一种使用氯化钙为加重盐，阴离子聚丙烯酰胺为稠化剂的高密度压裂液体系。该体系中的稠化剂是通过丙烯酰胺单体、阴离子单体、阳离子单体和非离子单体共聚而成。专利声称该聚合物耐温能力达到180 ℃，且耐高浓度的二价离子，与金属交联剂形成的加重压裂液体系可用于三超一低油气藏的压裂增产。第二类是有机盐，包括甲酸钠、甲酸钾、甲酸铯、柠檬酸钠等，或有机盐与无机盐的混合物。CN113355078A公开了一种使用甲酸钾为加重盐，胍胶为稠化剂的耐高温高密度压裂液体系，其声称压裂液的密度能到1.6g/cm3。CN102876314A公布了一种使用甲酸盐为加重剂，胍胶为稠化剂的高密度压裂液。所使用的甲酸盐包括甲酸钾、甲酸钠和甲酸铯中的一种或混合盐。通过调节加重盐的比例可使压裂液密度在1.05 ~ 2.3 g/cm3范围内可调。该高密度压裂液耐温达120 ℃，具有低毒、低腐蚀等特性。第三类是固体颗粒。唐瑞江等人在杂志《石油钻采工艺》（2015年3月，第37卷第2期，82-84页）报道了一种以纳米硫酸钡为加重颗粒，胍胶为稠化剂的加重压裂液体系。在100 g基液中加入70 g纳米粒子后，密度达到1.5 g/cm3，且加重基液与胍胶体系的相容性好。该压裂液体系耐温达120 ℃，对岩心伤害率小于30%。
通过对以上文献的分析可知，尽管一些高密度压裂液体系能达到较高的密度，但体系的耐温性能和降阻性能较差；一些体系能耐高温，但加重密度低，不适用于高压、深层储层改造，而能同时满足耐高温、高密度和低摩阻的压裂液未见报道。此外，为方便现场配液，简化操作流程，亟需速溶型压裂液体系，而目前速溶型高密度压裂液未见报道。
发明内容
本发明的目的在于针对当前加重压裂液体系难以同时满足高密度、耐高温和低摩阻性能指标的问题，提供一种速溶且耐超高温的低摩阻高密度压裂液及其制备方法，获得同时满足高密度、耐高温和低摩阻，且能够速溶的压裂液，以降低井口施工压力，满足低渗、高温和高压等非常规储层油气勘探改造和增产的需要。
本发明使用氯化钙，氯化镁，溴化钠，溴化钾，硝酸钠，甲酸钠，甲酸钾，柠檬酸钾，柠檬酸钠，磷酸氢二钾，磷酸二氢钾，焦磷酸钾中的一种或多种混合为加重盐，聚丙烯酰胺类共聚物或均聚物为稠化剂，有机锆、有机硼或有机硼锆为交联剂，聚乙烯亚胺为高温稳定剂。根据调节加重盐的含量，可使压裂液密度达到1.20 ~ 1.50 g/cm3。本发明提供的高密度压裂液体系的耐温能力最高能达到200 ℃，降阻率达到65%。
本发明提供的一种速溶且耐超高温的低摩阻高密度压裂液，包括的组成组分和配比为：加重盐溶液100质量份、稠化剂悬浮液1.0 ~ 4.0质量份，pH值调节剂0 ~ 0.2质量份、交联剂0.1 ~ 1.0质量份，高温稳定剂0.01 ~ 0.1质量份，破胶剂0.1 ~ 0.5质量份；所述加重盐溶液的密度为1.20 ~ 1.50 g/cm3，其中盐的质量浓度为20 ~ 70%；所述稠化剂悬浮液的聚合物的质量含量为30 ~ 40%。
进一步地，所述加重盐为氯化钙，氯化镁，溴化钠，溴化钾，硝酸钠，甲酸钠，甲酸钾，柠檬酸钾，柠檬酸钠，磷酸氢二钾，磷酸二氢钾和焦磷酸钾中的一种或多种。
进一步地，所述稠化剂悬浮液为聚合物悬浮液，所述聚合物为聚丙烯酰胺类共聚物或聚丙烯酰胺均聚物，优选为超高分子量线性部分水解聚丙烯酰胺，黏均分子量为2000~ 3000万，优选水解度为15 ~ 35%。
进一步地，所述聚合物悬浮液为将聚合物粉末分散在分散液中得到，所述分散液选用具有一定黏度，能够将聚合物粉末分散并悬浮形成均匀稳定的悬浮液的液体，如矿物油。
进一步地，所述交联剂为有机锆水溶液、有机硼水溶液或有机硼锆螯合物水溶液中的一种，溶液固含量为24%～26%。
进一步地，所述高温稳定剂为聚乙烯亚胺，优选黏均分子量为300 ~ 10000。
进一步地，所述pH调节剂为氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钠和碳酸钾中的一种。
进一步地，所述破胶剂为过硫酸铵、过硫酸钾、过硫酸钠和溴酸钠中的至少一种。
本发明还提供了上述速溶且耐超高温的低摩阻高密度压裂液的制备方法：将配比量的加重盐溶液中加入聚合物悬浮液，搅拌直至聚合物完全溶解；然后加入交联剂、pH值调节剂、高温稳定剂和破胶剂，搅拌均匀。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果和特点：
1.同时实现耐超高温，高密度和低摩阻性能。在现有的技术中，未见有关于能同时实现耐高温、高密度和低摩阻的加重压裂液配方的报道。本发明通过选择超高分子量线性部分水解聚丙烯酰胺（水解度15 ~ 35%）作为稠化剂，同时结合合适的稠化剂、交联剂、耐高温稳定剂和加重盐以及它们的配比设计，使得压裂液体系既可以保持良好的耐温抗盐性能，又可以在高密度盐水中具有优异的降阻性能。本发明可获得压裂液密度在1.50 g/cm3，同时耐温能力达到200 ℃，降阻率达到65%的压裂液，实现了同时满足了耐高温，高密度和低摩阻的性能要求，能够满足低渗、高温和高压等非常规储层油气勘探改造和增产的应用要求。
2.缩短了稠化剂的溶解时间。在高浓度的盐水中，粉状稠化剂的溶解速度慢且容易团聚形成鱼眼，导致稠化剂利用率低。本发明将稠化剂制成悬浮液，通过破坏固体颗粒间的相互作用和增加稠化剂颗粒与溶剂的接触面积而实现速溶的目的，极大缩短稠化剂的溶解时间。
3.本发明的配方简单，操作方便，成本低，适用于工业化生产。
附图说明
图1为聚合物悬浮液（图1a）和聚合物粉末（图1b）在甲酸钾溶液中溶解10 min后的照片。
图2为实施例1的样品的耐高温剪切性能测试结果（30 ~ 160 ℃，170 s-1）。
图3为实施例13中的耐高温剪切性能测试结果（30 ~ 150 ℃，170 s-1）。
图4为实施例2的样品的耐高温剪切性能测试结果（30 ~ 160 ℃，170 s-1）。
图5为实施例3的样品的耐高温剪切性能测试结果（30 ~ 200 ℃，170 s-1）。
图6为实施例1的样品在不同流量下的减阻性能测试结果。
图7为实施例2的样品在不同流量下的减阻性能测试结果。
图8为实施例4的样品在不同流量下的减阻性能测试结果。
具体实施方式
下面结合具体实施例，对本发明的具体实施方式作进一步的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例1
（1）高密度甲酸钾溶液的配制：称取甲酸钾90 g，量取去离子水60 mL，加入到200mL的烧杯中，搅拌均匀直至固体完全溶解，得到室温下密度为1.41 g/cm3的甲酸钾溶液。（2）取甲酸钾溶液100 g，加入2.0 g聚合物有效含量（聚合物的质量含量）30%的部分水解聚丙烯酰胺悬浮液（分子量2500万，水解度25%）；待聚合物全部溶解后加入0.2 g有机锆交联剂溶液(固含量25% ，以下实施例相同)、0.05 g聚乙烯亚胺和过硫酸铵0.1 g，得到稠化剂质量浓度0.59%的压裂液。
实施例2
（1）高密度溴化钠溶液的配制：称取溴化钠63 g，量取去离子水87 mL，加入到200mL的烧杯中，搅拌均匀直至固体完全溶解，得到室温下密度为1.43 g/cm3的溴化钠溶液。（2）取溴化钠溶液100 g，加入2.0 g聚合物有效含量30%的部分水解聚丙烯酰胺悬浮液（分子量2500万，水解度25%）；待聚合物全部溶解后加入0.2 g有机锆交联剂溶液，0.01 g氢氧化钠、0.04 g聚乙烯亚胺和0.1 g溴酸钠，得到稠化剂质量浓度0.59%的压裂液。
实施例3
（1）高密度甲酸钾溶液的配制：称取甲酸钾90 g，量取去离子水60 mL，加入到200mL的烧杯中，搅拌均匀直至固体完全溶解，得到室温下密度为1.41 g/cm3的甲酸钾溶液。（2）取甲酸钾溶液100 g，加入2.0 g聚合物有效含量40%的部分水解聚丙烯酰胺悬浮液（分子量2500万，水解度25%）；待聚合物全部溶解后加入0.2 g有机锆交联剂溶液、0.04 g聚乙烯亚胺和0.5 g过硫酸钾，得到稠化剂质量浓度0.78%的压裂液。
实施例4
（1）高密度溴化钠溶液的配制：称取溴化钠63 g，量取去离子水87 mL，加入到200mL的烧杯中，搅拌均匀直至固体完全溶解，得到室温下密度为1.43 g/cm3的溴化钠溶液。（2）取溴化钠溶液100 g，加入4.0 g聚合物有效含量30%的部分水解聚丙烯酰胺悬浮液（分子量2000万，水解度30%）；待聚合物全部溶解后加入1.0 g有机硼锆交联剂溶液，0.2 g氢氧化钠、0.1 g聚乙烯亚胺和0.5 g溴酸钠，得到稠化剂质量浓度1.13%的压裂液。
实施例5
（1）高密度焦磷酸钾溶液的配制：称取焦磷酸钾90 g，量取去离子水120 mL，加入到200 mL的烧杯中，搅拌均匀直至固体完全溶解，得到室温下密度为1.40 g/cm3的焦磷酸钾溶液。（2）取焦磷酸钾溶液100 g，加入1.0 g聚合物有效含量40%的部分水解聚丙烯酰胺悬浮液（分子量3000万，水解度15%）；待聚合物全部溶解后加入0.1 g有机硼交联剂溶液、0.04 g聚乙烯亚胺、0.01 g氢氧化钾和0.5 g过硫酸钾，得到稠化剂质量浓度0.39%的压裂液。
实施例6
（1）高密度溴化钠溶液的配制：称取溴化钠100 g，量取去离子水100 mL，加入到200 mL的烧杯中，搅拌均匀直至固体完全溶解，得到室温下密度为1.50 g/cm3的溴化钠溶液。（2）取溴化钠溶液100 g，加入1.0 g聚合物有效含量40%的部分水解聚丙烯酰胺悬浮液（分子量3000万，水解度35%）；待聚合物全部溶解后加入0.5 g有机硼锆交联剂溶液，0.01 g碳酸钠、0.01 g聚乙烯亚胺和0.2 g溴酸钠，得到稠化剂质量浓度0.39%的压裂液。
实施例7
（1）高密度甲酸钾溶液的配制：称取甲酸钾230 g，量取去离子水100 mL，加入到200 mL的烧杯中，搅拌均匀直至固体完全溶解，得到室温下密度为1.50 g/cm3的甲酸钾溶液。（2）取甲酸钾溶液100 g，加入2.0 g聚合物有效含量40%的部分水解聚丙烯酰胺悬浮液（分子量2000万，水解度15%）；待聚合物全部溶解后加入0.2 g有机锆交联剂溶液，0.01 g氢氧化钠、0.05 g聚乙烯亚胺和0.5 g溴酸钠，得到稠化剂质量浓度0.78%的压裂液。
实施例8
（1）高密度氯化镁溶液的配制：称取六水合氯化镁110 g，量取去离子水110 mL，加入到200 mL的烧杯中，搅拌均匀直至固体完全溶解，得到室温下密度为1.21 g/cm3的氯化镁溶液。（2）取氯化镁溶液100 g，加入1.0 g聚合物有效含量40%的部分水解聚丙烯酰胺共聚物悬浮液（分子量2500万，水解度25%）；待聚合物全部溶解后加入0.2 g有机硼交联剂溶液、0.04 g聚乙烯亚胺和0.1 g过硫酸铵，得到稠化剂质量浓度0.39%的压裂液。
实施例9
（1）高密度甲酸钠溶液的配制：称取甲酸钠50 g，量取去离子水110 mL，加入到200mL的烧杯中，搅拌均匀直至固体完全溶解，得到室温下密度为1.21 g/cm3的甲酸钾溶液。（2）取甲酸钠溶液100 g，加入4.0 g聚合物有效含量30%的部分水解聚丙烯酰胺悬浮液（分子量2500万，水解度25%）；待聚合物全部溶解后加入0.2 g有机锆交联剂溶液、0.02 g聚乙烯亚胺和0.5 g溴酸钠，得到稠化剂质量浓度1.15%的压裂液。
实施例10
（1）高密度柠檬酸钾溶液的配制：称取柠檬酸钾90 g，量取去离子水120 mL，加入到200 mL的烧杯中，搅拌均匀直至固体完全溶解，得到室温下密度为1.31 g/cm3的柠檬酸钾溶液。（2）取柠檬酸钾溶液100 g，加入1.5 g聚合物有效含量40%的部分水解聚丙烯酰胺悬浮液（分子量2500万，水解度25%）；待聚合物全部溶解后加入0.2 g有机锆交联剂溶液、0.02 g聚乙烯亚胺、0.1 g碳酸钾和0.5 g过硫酸钾，得到稠化剂质量浓度0.59%的压裂液。
实施例11
实施例1的速溶性能测试：（1）将提前配制50 g甲酸钾溶液加入100 mL烧杯中；（2）将2.0 g聚合物悬浮液加入（1）中的烧杯中，同时将等量的聚合物加入另外50 g甲酸钾溶液中作为对比，搅拌并开始计时，观察聚合物完全溶解所需的时间。结果如图1所示。聚合物悬浮液在高密度甲酸钾溶液中10 min后完全溶解(图1a），而聚合物粉末在10 min后依然有未溶解的颗粒(图1b），表明聚合物悬浮液溶解的速度更快。
实施例12
对实施例1的样品进行耐温性能测试。测试结果如图2所示：该压裂液在160 ℃，170 s-1下剪切120 min后，黏度为77.5 mPa·s，满足石油天然气行业标准（SY/T 7627—2021）要求（≥ 50 mPa·s）。表明该高密度压裂液体系能用于160 ℃储层改造。
实施例13
实施例1样品的对比实验，对比的聚合物为聚丙烯酰胺共聚物，分子量为1500万，水解度为0。测试结果如图3所示：该聚合物所构建的高密度压裂液在150 ℃，170 s-1下剪切120 min后，黏度为23.0 mPa·s，不满足石油天然气行业标准（SY/T 7627—2021）要求（≥50 mPa·s）。表明该聚合物所制备的高密度压裂液体系不能用于150 ℃储层改造。与实施例12结果对比，说明聚合物的选择对高密度压裂液性能的重要性。
实施例14
对实施例2的样品进行耐温性能测试。测试结果如图4所示：该压裂液在160 ℃，170 s-1下剪切120 min后，黏度为452 mPa·s，满足石油天然气行业标准（SY/T 7627—2021）要求（≥ 50 mPa·s）。表明该高密度压裂液体系能用于160 ℃储层改造。
实施例15
对实施例3的样品进行耐温性能测试。测试结果如图5所示：该压裂液在200 ℃，170 s-1下剪切120 min后，黏度为692 mPa·s，满足石油天然气行业标准（SY/T 7627—2021）要求（≥ 50 mPa·s）。表明该高密度压裂液体系能用于200 ℃储层改造。
实施例16
对实施例1的基液进行降阻率测试。测试结果如图6所示：在30 ℃，流量180（L/min）的条件下，该高密度压裂液的最高降阻率为65%。表明该高密度压裂液体系具有良好的降阻性能。
实施例17
对实施例2的基液进行降阻率测试。测试结果如图7所示：在30 ℃，流量130（L/min）的条件下，该高密度压裂液的最高降阻率为65%。表明该高密度压裂液体系具有良好的降阻性能。
实施例18
对实施例4的基液进行降阻率测试。测试结果如图8所示：在30 ℃，流量120（L/min）的条件下，该高密度压裂液的最高降阻率为62%。表明该高密度压裂液体系具有良好的降阻性能。
Claims (8)
1.一种速溶且耐超高温的低摩阻高密度压裂液，其特征在于，包括的组成组分和配比为：加重盐溶液100质量份，稠化剂悬浮液1.0 ~ 4.0质量份，pH值调节剂0 ~ 0.2质量份，交联剂0.1 ~ 1.0质量份，高温稳定剂0.01 ~ 0.1质量份，破胶剂0.1 ~ 0.5质量份；所述加重盐溶液的密度为1.20 ~ 1.50 g/cm3，其中盐的质量浓度为20 ~ 70%；所述稠化剂悬浮液中聚合物的质量含量为30 ~ 40%；所述稠化剂悬浮液为聚合物悬浮液，所述聚合物为部分水解聚丙烯酰胺类共聚物或聚丙烯酰胺均聚物，所述聚合物的黏均分子量为2000 ~ 3000万，水解度为15 ~ 35%；所述交联剂为有机锆水溶液、有机硼水溶液和有机硼锆螯合物水溶液中的一种；所述高温稳定剂为聚乙烯亚胺。
2.根据权利要求1所述速溶且耐超高温的低摩阻高密度压裂液，其特征在于，所述加重盐为氯化钙，氯化镁，溴化钠，溴化钾，硝酸钠，甲酸钠，甲酸钾，柠檬酸钾，柠檬酸钠，磷酸氢二钾，磷酸二氢钾和焦磷酸钾中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述速溶且耐超高温的低摩阻高密度压裂液，其特征在于，所述聚合物悬浮液通过将聚合物粉末分散在分散液中得到，所述分散液选用具有黏度，能够将聚合物粉末分散并悬浮形成均匀稳定的悬浮液的液体。
4.根据权利要求1所述速溶且耐超高温的低摩阻高密度压裂液，其特征在于，交联剂的水溶液的固含量为24%～26%。
5.根据权利要求1所述速溶且耐超高温的低摩阻高密度压裂液，其特征在于，所述高温稳定剂的黏均分子量为300 ~ 10000。
6.根据权利要求1所述速溶且耐超高温的低摩阻高密度压裂液，其特征在于，所述pH值调节剂为氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钠和碳酸钾中的一种。
7.根据权利要求1所述速溶且耐超高温的低摩阻高密度压裂液，其特征在于，所述破胶剂为过硫酸铵、过硫酸钾、过硫酸钠和溴酸钠中的至少一种。
8.权利要求1 ~ 7中任一权利要求所述速溶且耐超高温的低摩阻高密度压裂液的制备方法，其特征在于，将配比量的加重盐溶液中加入聚合物悬浮液，搅拌直至聚合物完全溶解；然后加入交联剂、pH调节剂、高温稳定剂和破胶剂，搅拌均匀。
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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