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有机钛交联剂的制备及其在改性魔芋胶压裂液中的应用

发布日期:2015-06-16 15:02:59
低渗透油田具有较高的石油储量,逐渐受到人们的关注,其特 点是含有较高的矿物杂质,堵塞起到渗透作用的毛细管,使得岩石 的滲透率降低,并且使得采油助剂注入也比较困难。针对低渗透油 田的地层特征,要求压裂液不仅要具有较优的耐温耐剪切能力,还 应具备较好的反排能力,能够有效地减少对地层的伤害。
由于低渗透油田油层较深,需要压裂体系具有较优的耐温能力, 目前油田通常采用有机硼交联剂,但其具有耐温能力较差和不易反 排的缺点,因此限制了其应用。而本文制备一种可以提高压裂液 耐温性能有机钛交联剂,并通过对压裂液性能的评测,确定了合 成反应中试剂的最佳用量和最佳合成工艺;由于瓜尔胶主要产自印 巴高原,价格不稳定,因此本文寻找到一种可以有效替代瓜尔胶的 稠化剂…魔芋胶,有效降低压裂体系的成本,并通过氯乙酸对魔芋 胶进行羧甲基改性,提高魔芋胶压裂液的耐温耐剪切性能,并对其 进行相关性能的评价。
(1)有机钛交联剂的最佳试剂用量和最优合成工艺为:钛酸丁 酯的加量为30%,甘油与异丙醇的质量比为2:1,三乙醇胺的加量为 30%,反应温度为80°C,反应时间为3小时。
(2)对改性后的魔芋胶颗粒进行表征.•红外谱图表明魔芋胶分 子链上发生了双分子亲核取代反应,在1740 cnr1处成功引入了羧甲 基;通过X射线衍射图表明在魔芋胶分子链及分子间引入了离子键, 使得分子结构变得更为复杂,魔芋胶的有序结构减少,结晶度降低; 通过热重分析谱图表明,改性后的魔芋胶热稳定性得到提高;通过 示差扫描量热分析谱图表明,魔芋胶的分子间的作用力增大,因此 魔芋胶改性后的强度会增大。
(3)对改性后魔芋胶压裂液进行性能评价:在耐温性能测试中,
改性后魔芋胶压裂液在80°C时,粘度为126mPa«s,远高于改性之前 魔芋胶压裂液的粘度;在耐剪切性能测试中,改性后的魔芋胶压裂 液在80°C时,粘度一直维持在120mPa«s左右,静态流变测试表明 改性后魔芋胶压裂液的耐温性能得到提高,而耐剪切性能基本保持 不变;动态流变测试中,在温度和频率的影响下,改性后魔芋胶压 裂液的弹性和粘性均大于改性之前,且其粘弹性的变化明显较低; 破胶残渣测试中,改性后的魔芋胶压裂液破胶残渣含量为274mg/L, 小于改性之前的419 mg/L;表面张力测试中,改性后的魔芋胶破胶 液的表面张力为24.17 mN/m,界面张力为0.71 mN/m,均低于改性 之前的35.62 mN/m和0.96mN/m;压裂液岩心渗透能力的测定中, 改性后魔芋胶压裂液的伤害率为24.39%,低于魔芋胶压裂液的伤害 率33.63%,结果证明改性后的魔芋胶压裂液具有更好的反排能力, 对地层的伤害较小;悬砂性能测试中,改性后的魔芋胶压裂液的沉 砂速度为0.15 mm/s,明显优于改性之前。
随着科技的进步,人们对石油资源的需求急剧增加,而我国又是一个富煤 缺油的国家,因此国内原油大部分来自国外市场,在一定程度上限制了我国经 济的高速发展。我国石油分布极不均匀,主要分布在鄂尔多斯、准噶尔、柴达 木等盆地,由于大都地处边远地区,因此为石油的开采带来了一定的难度Ml。 低渗透油田蕴含较多的石油储量,逐渐受到人们的重视,其特点是含有较高的 矿物杂质,堵塞起到渗透作用的毛细管,使得岩石的渗透率降低,并且采油助 剂注入也比较困难A。针对低渗透油田的地层特征,国内外均采用压裂技术进 行开采,而压裂采油越来越成为原油稳产增产的最主要方法,水利压裂技术为 最为普遍的压裂方式15>。
根据著名的达西定律,油层岩石的渗透率决定了一个油井的产量,由于目 前我国大部分油层均属于低渗透油田,因此提高油层岩石的渗透率,是目前亟 待解决的问题〜。水利压裂就是通过向油层快速注入携有支撑剂的压裂液,使 得油层的岩石结构发生变化,在岩层表面打开裂缝,使得渗透能力得到大大增 强。由于压裂液的压力巨大,会将油层附近的污染物推向油层深处,使得渗透 面增大,使得'油井的产量得到提高。
1.1压裂概述
压裂是提高油井产量的重要方式。由于每个油井的油层地质环境的不同, 油井低产的原因有很多,但其中主要原因便是油层的堵塞,使得岩石的渗透率 降低,压裂技术便应运而生。压裂的实质就是利用高压泵组提供的压力,将压 裂液带入地下,使得油层附近的岩石压开裂缝,当仪表车上的数据曲线较为平 滑时,证明压裂车组提供的压力己将岩石压开,此时起到渗透作用的毛细管将 恢复畅通,并可以进一步将渗透面扩大,将会大大提高采油时的效率。在压裂 初期,并不使用支撑剂,只是通过压裂车组提供的压力支撑裂缝,为了防止停 泵以后裂缝重新闭和,因此要在注入的液体中加入支撑剂(通常采用石英砂, 在混砂车上进行混砂),使支撑剂充填在压开的裂缝中,以避免裂缝的重合
形成裂缝的目的在于改造油层的物理结构,通过外力在油层中形成一条或 几条高渗透能力的输油通道,以降低流动阻力,从而减小油井附近地层污染带 的堵塞,使得油井的渗流能力得到增强,油井获得增产效果。现场施工过程中, 压裂的基本程序为:
(1)循环:循环路线一般是从储液罐到混砂车,再到压裂泵车,然后送
至高压管汇,最后再返回储液罐,主要防止在地面的管线出现漏液的现象,这 样将会使得压裂车说提供的压力泄露,致使压裂过程中,所提供的压力无法将 油层的岩石压开裂缝;
(2)试压:此步骤为了应关闭阀门,然后逐渐提供压力,并将压力储存 到一定的数值,2分钟以后,如果地面的管线没有出现漏液的现象,便可进行 下一步工作;
(3)试挤:此步骤的目的在于测定从地面到油层的油管事后发生漏液现 象。在此步骤内,需启动部分压裂车,将压裂液压至油层,并通过仪表车上的 数据来判断地下的油管是否漏液,当压力维持在一定的数值,便可进行正式的 压裂;
(4)压裂:根据施工图,确定此次压裂所需的排量和压力后,启动全部 压裂车,提供足够的压力可以使得井底的压力在短时间内达到峰值,使得压裂 液可以将油层的岩石压开裂缝;
(5)支撑剂:此步骤应将砂罐车的阀门打开,将石英砂注入混砂车,在 注入的过程中,应注意控制砂比;
(6)替挤:当支撑剂全部压完后,向地面注入剩余的压裂液,确保上一 阶段注入的支撑剂全部打入裂缝,使得裂缝在压裂完毕后,能够继续存;
(7)洗井:在压裂液全部打入后,随即进行活动管柱或反洗井,避免在 井筒封隔器卡距之内的余砂,造成砂卡。
1.2压裂液
在压裂施工过程中所使用的液体统称为压裂液。使用压裂液的目的一般为 降低钻井完井过程中对井口附近产生的伤害,改善油井的产能;在低渗透油井 中形成高导流能力的裂缝;提高注水井的吸收能力;提高在二次采油和三次采 油中驱替的扫油效率;通过巨大的外界压力,将起到渗透作用的毛细管的渗透 面的面积扩大;在压裂完成后,压裂液的粘度降低后,确保大部分压裂液能够 反排到地面,降低残渣含量,从而减少对地层的伤害。
由于压裂过程中,每一步骤的压裂液的性能要求不同,一般讲压裂液分为 以下三部分三部分^。1。
(1)前置液一般是指在循环、试压、试挤和压裂前期所使用的全部压裂 液。其目的是在压裂车组提供的外压下,进入油层,并且将岩石压开裂缝,使 得渗透面积增大,并有一定的降低温度的作用。
(2)携砂液是指输送支撑剂到油层裂缝中所需要的液体总量。它的作用 是形成支撑裂缝,从而在储集层渗透率的支撑裂缝带,使流体在支撑裂缝中有 较高的流通性,减少流体的流动阻力,从而达到增产、增注的目的。
(3)顶替液是指在替挤阶段使用的压裂液,其目的是将残留在油管中的 石英砂全部挤至油层,避免在压裂结束后,裂缝发生闭合的现象。应控制此部 分的用量,如果使用过少(通常为两个液罐),会无法将全部石英砂挤至裂缝 之中,造成砂卡。
1.2.1压裂液的要求
由于压裂液中存在较多的化学物质,为避免残留的压裂液对油灯的地质环 境产生影响,因此对压裂液的基本要求包括以下几点:
(1)滤失量小,不易漏入油层,有利于造缝,滤失量的大小与压裂液的 粘度成反比。因此,应相应的提高体系的粘度。滤失量的计算公式为
(1-1)
其中:M■为地层流体粘度,mPa-s;
O为地层空隙度,%;
Ap为裂缝面压差,Mpa;
K为地层渗透率,W。
从公式1-1中可以得知,滤失量的大小取决于地层流体粘度、地层空隙度、 裂缝面压差和地层渗透率,因此为了降低压裂液的滤失量,应将压裂液的粘度 增大。
(2)摩擦阻力小,减少对混砂车、管汇和油管的磨损,使其有效期得到 延长。当摩阻过高的时候,会使得压裂车的有效排量降低,造成经济损失,摩 阻的计算公式为:
P破=P栗+P静液—P摩阻(1-2 )
其中,PSB为管线的摩阻,Mpa;
P静JS为静液柱压力,Mpa;
Ps为栗的压力,Mpa;
Pis为破裂的压力,Mpa。
从公式1-2中可以得知,当管线中的阻力越大,会使得压裂车提供的压力 增大,易造成压裂的失败。
(3)悬砂能力好,能够更有效地携带支撑剂进入油层,压裂液应具有一 定的粘度,调高其悬砂性能,但粘度过高,会使得裂缝的高度过大;
(4)与油层不发生化学反应,破胶液里含有较多的化学物质,易于油层 中的矿物质发生化学反应,对地层产生伤害。因此,破胶液应易于返排,降低 对地层的伤害;
(5)材料来源方便,配制简单,成本低 1.2.2压裂液的种类
根据基液的不同,压裂液体系主要分为水基压裂液(占60-65%)、泡沫压 裂液(25-30%)、油基压裂液(占5%)、醇基压裂液(5%)、乳化压裂液(5%)。
(1)水基压裂液
水基压裂液在常规压裂施工过程中所占的比例较高,占据主导地位M,其 以水为基液,再添加稠化剂、交联剂、粘土稳定剂、助排剂、PH调节剂及其它 试剂。其具有较好的耐温性能、较低的滤失量、悬砂能力较强和摩阻小的优点, 并且其来源广泛、价格低廉和对施工的条件要求较低,适用于大部分油井。由 于稠化剂的种类不同,水基压裂液又可以分为植物胶及其衍生物、纤维素衍生 物和合成聚合物衍生物压裂液〜。水基压裂液具有不易破胶、返排率低且易对 地层产生伤害的缺点。
(2)泡沫压裂液
泡沫压裂液从上世纪60年代开始在国外进行应用,由于其解决了很多常 规压裂所不能解决的难题,在80年代得到了快速的发展wi。泡沫压裂液主要 由气相(C02和N2)、液相、起泡剂(十二烷基硫酸钠和十二烷基苯磺酸钠) 和稳泡剂等组成,具有较强的携砂能力、较高的黏度、易于反排和较低的地层 伤害等优点,主要应用于低压、水敏性强的储层,尤其是气藏%。其缺点是施 工程序复杂,摩阻高,泵压高,施工风险高,施工增产效果差,增产有效期短。 其在常规压裂施工过程中所占的比例约为25-30%。
(3)油基压裂液
油基压裂液可以提高水敏性、低渗透油气采收率,主要分为(1)稠化油 压裂液,一般以油为基液,磷酸酯铝为稠化剂,二乙醇胺和硫酸铁为交联剂"91;
(2)油包水压裂液,一般以油为分散介质,水作分散相,以司班80和月桂酰 二乙醇作为乳化剂:(3)油基泡沫压裂液,它是以<:02和1^2作分散相,以油作 分散介质配成叫。国外从50年代便开始进行应用油基压裂液,主要用于低压低 渗和强水敏性油气层;我国油基压裂技术起步较晚,上世纪八十年代才开始进 行应用。油基压裂液通常具有较优的耐温耐剪切性能、较好的悬砂性能、易于 反排(能够有效地降低对地层的伤害)等优点,但由于油基压裂液的成本过于 高昂、较复杂的应用工艺和较低的安全系数等问题,应用的越来越少,在常规 庄裂施工过程中所占的比例较小。
(4)醇基压裂液
醇基压裂液主要分为甲醇压裂液和乙醇压裂液,其均可以降低基液的表 面张力,易于反排,可以解除地层水锁,恢复油层的有效渗透率,具有较强的 耐温耐剪切性能和较强的配伍性等优点。但由于醇的价格较高,易于挥发,易 对施工人员产生身体伤害,且压裂液残渣会对地层产生破坏等缺点,其在常规 压辉施工过程中所占的比例较小。
(5)乳化压裂液
乳化压裂液是从上世纪70年代发展起来的一种压裂液体系,常用于水敏地 层的压裂改造,包括水包油和油包水两种乳化压裂体系,两种压裂体系均具有 良好的增粘能力,能够形成较高粘度的压裂液,具有较强的携砂能力,滤失量 较低。由于水包油乳化压裂体系对地层的伤害较大,目前,主要采用油包水乳 化压裂体系,一般以柴油作外相,再加以乳化剂和水增稠剂。但乳化压裂液具 有较高的摩阻,成本较高,较弱的耐温能力,只适用于低温油井的压裂施工。