自聚劑控制支撐劑回流技術(shù)研究

浮歷沛, 張貴才, 葛際江, 蔣 平, 裴海華,廖凱麗

(中國石油大學(xué)石油工程學(xué)院,山東青島 266580)

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自聚劑控制支撐劑回流技術(shù)研究

浮歷沛, 張貴才, 葛際江, 蔣 平, 裴海華,廖凱麗

(中國石油大學(xué)石油工程學(xué)院,山東青島 266580)

針對水力壓裂后支撐劑回流的問題提出一種基于降低支撐劑顆粒表面Zeta電位的支撐劑自聚處理技術(shù),實(shí)現(xiàn)控制支撐劑回流。從自聚劑改性支撐劑的自聚性、再聚性及自潔性對其聚砂性進(jìn)行評價(jià),從支撐劑聚集體的流速敏感性和人工巖心的抗壓強(qiáng)度驗(yàn)證改性支撐劑的自聚強(qiáng)度。結(jié)果表明:當(dāng)流速為80 mL/min時(shí),流動壓差降低63.95%;80 ℃條件下制備的人工巖心抗壓強(qiáng)度可達(dá)2.36 MPa;30 MPa的閉合壓力下裂縫最大無砂流速增大96.51%;聚集體自身的抗壓強(qiáng)度和再聚性可阻止粉砂運(yùn)移,裂縫導(dǎo)流能力得到明顯改善,平均提高96.48%。

支撐劑回流; 自聚劑; 水力壓裂; 導(dǎo)流能力; 裂縫穩(wěn)定性

支撐劑回流常會導(dǎo)致裂縫導(dǎo)流能力降低[1],甚至裂縫失效[2-4],腐蝕地面管線[5],增加洗井沖砂等作業(yè)而增大生產(chǎn)成本等問題[6-9]。化學(xué)劑控制支撐劑回流應(yīng)用最廣泛的是以Nguyen和Weaver等所提出的樹脂覆膜支撐劑技術(shù)[10-11],但RCP技術(shù)中由于部分樹脂已發(fā)生固化,其在裂縫中的固化強(qiáng)度降低[12];注入液體樹脂(LRC)技術(shù)雖能使支撐劑充填具有足夠的強(qiáng)度,但其對支撐劑充填層的導(dǎo)流能力傷害嚴(yán)重[13-14]。另外,Kadajian和Pratyush等提出的基于降低支撐劑表面Zeta電位的新型防砂技術(shù)使顆粒在液體環(huán)境中自發(fā)聚集,展示了優(yōu)異的聚砂性能[15-18]。筆者使用一種雜環(huán)聚合物對石英砂支撐劑進(jìn)行表面改性,實(shí)現(xiàn)自聚,通過對聚砂性、聚集強(qiáng)度、改善支撐劑回流及增大裂縫導(dǎo)流能力等方面性能的系統(tǒng)研究,驗(yàn)證其在控制支撐劑回流方面的適用性。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 儀器與材料

實(shí)驗(yàn)儀器:超聲振蕩器(DSA50-GL,福建德森精工有限公司);混砂攪拌機(jī)(GJ-3S,膠南石油儀器廠);電子振蕩器(SHA-C,江蘇金壇中大儀器廠);裂縫導(dǎo)流儀(海安石油科研儀器有限公司);掃描電鏡(EM-30,COXEM公司),萬能材料試驗(yàn)機(jī)(HZ-1004A,東莞力顯儀器科技有限公司)。

實(shí)驗(yàn)材料:石英砂支撐劑(0.425～0.850 mm,勝利方圓);自聚劑的主劑是實(shí)驗(yàn)室合成的一種雜環(huán)聚合物YB,自聚劑中還含有醇類主溶劑和一種芳烴溶劑;氯化鉀(分析純,國藥集團(tuán)化學(xué)有限公司)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 改性支撐劑的制備

稱取30 g支撐劑放于GJ-3S型混砂攪拌機(jī)中,并將轉(zhuǎn)速設(shè)定為100 r/min,隨后向攪拌桶中加入一定量的自聚劑(實(shí)驗(yàn)中均以主劑YB的量進(jìn)行計(jì)算),攪拌1 min即可得到覆膜均勻的自聚劑改性支撐劑。

1.2.2 改性支撐劑自聚性能評價(jià)方法

主要包括兩種評價(jià)方法:①定性評價(jià)，將制備好的30 g改性支撐劑裝入到100 mL樣品瓶中,并添滿蒸餾水,倒置觀察支撐劑顆粒是否能夠聚集成砂柱;②定量評價(jià),根據(jù)自聚劑改性支撐劑在液體發(fā)生自聚的特點(diǎn),提出一種超聲振蕩砂柱垮塌的評價(jià)方法。首先,將20 g覆膜支撐劑裝入圓柱狀砂柱制備室(D=20 mm)中,簡單搖晃使其頂面平整,接著沿壁面緩慢加入30 g蒸餾水,靜置15 min,使支撐劑在其中發(fā)生自聚并形成砂柱;然后,將砂粒自聚后形成的砂柱從制備室中取出,并轉(zhuǎn)移入超聲振蕩器的鏤空網(wǎng)中心位置處;最后,打開超聲振蕩器并開始計(jì)時(shí),在超聲波的作用下,砂粒會一粒粒地從砂柱上剝離,砂柱也隨之減小,當(dāng)砂柱體積小到一定程度并從鏤空網(wǎng)中脫落時(shí),認(rèn)為砂柱發(fā)生垮塌,結(jié)束計(jì)時(shí),可得自聚砂柱垮塌時(shí)間,并以此作為改性支撐劑自聚性能的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

另外,為研究改性支撐劑對儲層微粒的吸附作用,通過流動試驗(yàn)進(jìn)行了覆膜顆粒對微粒的動態(tài)聚砂性能。將45 g 0.425～0.850 mm覆膜支撐劑與5 g 0.075～0.100 mm煤粉依次加入填砂管中,以10 mL/min的流量沖刷20VP(VP為孔隙體積),并對排出液中的固含量進(jìn)行測定,對照實(shí)驗(yàn)中的支撐劑采用未經(jīng)處理的0.425～0.850 mm石英砂支撐劑,其中填砂管出口端濾網(wǎng)為0.282 mm。

1.2.3 自聚強(qiáng)度的評價(jià)

(1)流速敏感性。將洗凈干燥好的0.425～0.850 mm石英砂支撐劑緩慢加入到有機(jī)玻璃填砂管中(長度為20 cm,直徑為2.5 cm),在填裝砂子過程中,要不斷振蕩填砂管,使支撐劑顆粒夯實(shí)。流動試驗(yàn)使用2% KCl溶液模擬地層水,流量設(shè)定為5 mL/min沖刷20 min,此后按照每20 min增加5 mL/min的流速梯度增大流量,直至流量達(dá)到80 mL/min時(shí)結(jié)束試驗(yàn)。分別進(jìn)行了未處理石英砂和1% YB處理后的石英砂支撐劑的流速敏感性評價(jià)。

(2)砂柱抗壓強(qiáng)度。為了研究砂粒聚集體的強(qiáng)度,借用樹脂固砂抗壓強(qiáng)度評價(jià)方法對人工巖心的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行評價(jià),其評價(jià)方法參照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)防砂人工巖心抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度及氣體滲透率的測定(SY/T5276-2000)進(jìn)行。

1.2.4 導(dǎo)流能力評價(jià)

裂縫導(dǎo)流能力評價(jià)參照壓裂支撐劑充填層短期導(dǎo)流能力評價(jià)推薦方法(SY/T 6302-2009)進(jìn)行。將制備好的改性支撐劑鋪置于導(dǎo)流室中,然后將閉合壓力升至1.0 MPa,并通蒸餾水,最后按照0.5 MPa/min的速度增大閉合壓力,進(jìn)行導(dǎo)流能力測試。實(shí)驗(yàn)中所使用的測試液體為2% KCl溶液,實(shí)驗(yàn)溫度為60 ℃,鋪砂濃度為15 kg/m2。

1.2.5 裂縫中支撐劑回流控制能力評價(jià)

支撐劑回流試驗(yàn)的評價(jià)指標(biāo)為最大無砂流速。將一定量的0.425～0.850 mm改性石英砂支撐劑平鋪于導(dǎo)流室中,施加閉合壓力到相應(yīng)數(shù)值,待其平衡后按照5 mL/min的速度增大流速,當(dāng)排出液中有砂粒出現(xiàn)時(shí)停止實(shí)驗(yàn),此時(shí)的流速即為最大無砂流速。其中,其他參數(shù)均與導(dǎo)流能力測試實(shí)驗(yàn)一致。

2 結(jié)果分析

2.1 聚砂性

2.1.1 自聚性

靜置15 min后,將樣品瓶倒置可以發(fā)現(xiàn)改性支撐劑并未隨著液體下落,而是像吸盤一樣整體吸附于瓶底,幾分鐘后,砂粒以砂柱的形式整體下落,而未處理的石英砂支撐劑則以散砂狀立即下沉,如圖1所示,說明改性支撐劑在蒸餾水中能夠自發(fā)聚集,并形成一個(gè)聚集體。通過掃描電鏡對支撐劑聚集體進(jìn)行觀察(圖2),可以看出支撐劑顆粒緊密堆疊在一起,形成一個(gè)相互嵌插的穩(wěn)定結(jié)構(gòu),正是這種穩(wěn)定結(jié)構(gòu)使支撐劑聚集體具有一定的抗壓強(qiáng)度。

圖1 改性支撐劑在液體中自聚行為Fig.1 Status of proppants in solution

圖2 改性支撐劑自聚后的掃描電鏡圖片F(xiàn)ig.2 SEM of modified proppants

分別測定了0.425～0.850 mm (20/40目)、0.250～0.425 mm(40/60目)石英砂支撐劑經(jīng)不同用量的自聚劑處理后,于蒸餾水中自聚形成的砂柱在超聲波震蕩作用下的垮塌時(shí)間,結(jié)果如圖3所示。

圖3 自聚砂柱強(qiáng)度與自聚劑用量的關(guān)系Fig.3 Relationship between column strength and dosage of self-aggregating agent

可以看出,當(dāng)自聚劑用量低于0.6%時(shí),砂柱強(qiáng)度較低,這是因?yàn)榈蛣┝康淖跃蹌┪茨軐χ蝿╊w粒形成完整覆膜,進(jìn)而造成砂粒的自聚力度較低。當(dāng)用量高于0.7%時(shí),兩種粒徑的支撐劑顆粒所形成的自聚砂柱的垮塌時(shí)間都急劇增大,并趨于平衡。當(dāng)自聚劑用量超過1.0%時(shí),40/60目顆粒的垮塌時(shí)間要長于20/40目顆粒,這是因?yàn)?對于后者,其飽和用量為1.0%,繼續(xù)增大自聚劑用量,并不會對其自聚性能產(chǎn)生更顯著的作用,而40/60目支撐劑由于總的表面積較大,因此可能尚未實(shí)現(xiàn)均勻覆膜。同時(shí),對于同等質(zhì)量的顆粒,目數(shù)越小,顆?？倲?shù)越多,因此在超聲振蕩下砂粒剝蝕所需要的時(shí)間也越長。

改性顆粒能在液體中發(fā)生自聚的機(jī)制可從以下兩個(gè)方面解釋。首先,雜環(huán)聚合物的極性基團(tuán)R對雜環(huán)上的電子云密度分布產(chǎn)生很大影響,使π電子云發(fā)生偏移,因此極性較強(qiáng),能夠與石英砂表面的硅羥基形成氫鍵,使雜環(huán)聚合物通過氫鍵作用吸附于支撐劑顆粒表面。由于乙醇溶劑的存在會占據(jù)雜環(huán)聚合物上的一部分極性基團(tuán),此時(shí),僅有部分極性基團(tuán)錨定于砂粒表面。當(dāng)加入蒸餾水后,聚合物在乙醇水溶液中的溶解度會急劇降低,析出的極性基團(tuán)可能通過氫鍵連接在同一顆粒表面,也可能連接到不同的顆粒上,兩個(gè)支撐劑顆粒通過氫鍵建立聯(lián)系。另外,分別連接在兩個(gè)支撐劑顆粒上的雜環(huán)聚合物分子也可能通過與同一水分子形成氫鍵而橋接在一起,從而使改性支撐劑顆粒在蒸餾水中形成聚集體。單個(gè)氫鍵的作用力雖然相對較弱,但是多個(gè)聚合物分子中大量的極性基團(tuán)同時(shí)與顆粒表面發(fā)生作用時(shí),總的作用也較為可觀。

圖4 YB固體顆粒在水中的分散狀態(tài)Fig.4 Dispersed state of YB particles in distilled water

其次,當(dāng)兩個(gè)顆粒發(fā)生接觸后,顆粒表面的雜環(huán)聚合物覆膜層在水中會發(fā)生軟化并融合,見圖4所示?？梢钥闯?當(dāng)YB固體顆粒剛放入蒸餾水中時(shí),顆粒呈分散狀態(tài)(圖4(a)),且顆粒棱角分明。而一段時(shí)間后,YB顆粒變得圓潤,顆粒接觸部分相互融合,小顆粒橋接于大顆粒之間(圖(b))。說明蒸餾水可以使YB軟化,當(dāng)顆粒接觸后,發(fā)生軟化的外層膜能夠相互交聯(lián)融合為整體。這就是當(dāng)YB覆膜支撐劑在蒸餾水中發(fā)生自聚后,聚集體具有一定抗壓強(qiáng)度的原因。

Zeta電位在膠體體系穩(wěn)定性的判斷中有著重要作用。通常當(dāng)顆粒的Zeta電位的絕對值較大時(shí),顆粒會相互排斥,從而使整個(gè)體系處于穩(wěn)定狀態(tài)。相反,若顆粒的Zeta電位較低,顆粒間相互吸引,體系表現(xiàn)出不穩(wěn)定性。一般來說,在水相中若顆粒的電位處于-30～30 mV時(shí),顆粒間穩(wěn)定性降低,顆粒間的靜電斥力減小,范德華力開始起主要作用,并促使顆粒發(fā)生自聚[16-18]。采用自聚劑對支撐劑顆粒改性后,顆粒表面的Zeta電位如圖5所示?？梢钥闯?未處理砂粒的Zeta電位約為-40 mV,隨著自聚劑用量的增大,Zeta電位急劇增大,當(dāng)用量為1.0%時(shí),Zeta電位為-2 mV,顆粒間斥力作用減弱,此時(shí)引力起主要作用,顆粒發(fā)生自聚。對比圖3和5,可以看出隨著自聚劑用量的變化,兩條曲線的趨勢大體一致,說明Zeta電位的改變也是引發(fā)顆粒自聚的影響因素之一。

圖5 自聚劑用量與顆粒表面Zeta電位的關(guān)系曲線Fig.5 Relationship between Zeta potential of particles and dosage of self-aggregating agent

2.1.2 再聚性

已發(fā)生垮塌并形成散砂的覆膜顆粒在蒸餾水中重新靜置一段時(shí)間后,支撐劑顆粒仍能再次發(fā)生聚集并形成結(jié)構(gòu)完整的聚集體。再聚砂柱的垮塌時(shí)間與重復(fù)次數(shù)的關(guān)系如圖6所示,其中自聚劑的用量為0.7%?？梢钥闯?隨著重復(fù)次數(shù)的增加,自聚砂柱的垮塌時(shí)間逐漸減低。因?yàn)樵谟昧φ袼ψ饔孟?會有氫鍵發(fā)生破壞,尤其是連接在不同砂粒間的氫鍵更易發(fā)生斷裂,因此聚并的砂柱會被振散。靜置過程中,聚合物中游離的極性基團(tuán)再次通過氫鍵使相鄰的顆粒間發(fā)生作用,加之Zeta電位變化所引起的引力作用,顆粒再次發(fā)生聚集。聚集后顆粒表面覆膜層重新交聯(lián)融合,因而再聚體亦能保持一定的強(qiáng)度。

由于連接于兩個(gè)顆粒間的聚合物氫鍵破壞后游離的極性基團(tuán)可能通過氫鍵吸附于自身所在的砂粒,造成了聚合物中游離的極性基團(tuán)的減少,從而降低了再次聚集后雜環(huán)聚合物在不同顆粒間所形成的氫鍵數(shù)量。

再聚砂柱的垮塌時(shí)間依次縮短。由圖6也可以看出,首次自聚形成的砂柱中顆粒間排列較為密實(shí),而重復(fù)8次后,顆粒聚結(jié)疏松且顆粒間出現(xiàn)較多的空腔,因而砂柱強(qiáng)度降低也較為明顯。

生產(chǎn)過程中,地層應(yīng)力的變化會引起支撐劑充填層的受力狀態(tài)發(fā)生變化,從而導(dǎo)致支撐劑的破碎,或是生產(chǎn)流體的長期沖刷侵蝕作用所引起的支撐劑顆粒運(yùn)移,都有可能導(dǎo)致裂縫堵塞,滲透率降低。改性支撐劑的這種再聚性能夠使支撐劑碎屑及已發(fā)生位移的支撐劑顆粒在于覆膜支撐劑顆粒發(fā)生接觸時(shí)再次自聚并形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu),從而減少支撐劑發(fā)生回流及裂縫縮小的風(fēng)險(xiǎn)。因此,改性支撐劑的這一再聚性在控制支撐劑回流及保持支撐劑充填層具有較高的導(dǎo)流能力方面具有重要的意義。

圖6 改性支撐劑自聚次數(shù)與再聚后砂柱強(qiáng)度關(guān)系Fig.6 Relationship between sand column strength and repeated times

2.1.3 自潔性

通過流動沖刷試驗(yàn)研究了覆膜顆粒對未覆膜微粒的動態(tài)聚砂作用,其排出液中固含量見表1。

表1 排出液中的固含量

可以看出,經(jīng)1.0%和0.7%的自聚劑處理后,沖刷試驗(yàn)排出液中固含量分別降低了94.9%和87.4%。說明覆膜后的支撐劑顆粒能夠?qū)Ψ凵邦w粒起到很好的固砂作用,即經(jīng)自聚劑處理后支撐劑充填層能夠有效地阻擋因生產(chǎn)流體的沖刷帶動而發(fā)生運(yùn)移的儲層微粒,使裂縫長期保持清潔,預(yù)防儲層孔喉堵塞,保持裂縫的長期有效。

2.2 自聚強(qiáng)度

(1)流速敏感性。對YB處理后的支撐劑及未處理的石英砂支撐劑進(jìn)行了流速敏感性試驗(yàn),結(jié)果如圖7所示?？梢钥闯?隨著流速逐漸增大,壓差均隨之增大。當(dāng)流速低于20 mL/min時(shí),兩組試驗(yàn)的壓差差異并不明顯,當(dāng)流量繼續(xù)增大,兩者的差異也隨之增大。尤其是當(dāng)流速超過40 mL/min后,未處理石英砂填砂管的壓差急劇增大,相比YB處理石英砂填砂管,未處理石英砂的流動壓差增大了近兩倍,從曲線變化率上看,隨著流速的繼續(xù)增大,兩者差異大有愈發(fā)增大的趨勢。這是因?yàn)榇罅魉倏赡芤鹛钌肮軆?nèi)的顆粒發(fā)生運(yùn)移,堵塞液體流動通道,致使流動阻力增大,壓差亦隨著增大。處理后的顆粒由于在液體中的自聚性能,所形成的支撐劑顆粒聚集體在高流速流體的沖刷下能夠有效地維持聚集體的整體性,足見顆粒聚集體具有較好的抗流體沖刷強(qiáng)度。

圖7 流速敏感性比較Fig.7 Comparison of sensitivity to flow velocity

(2)砂柱抗壓強(qiáng)度。制備了一系列的YB覆膜支撐劑顆粒,其中石英砂粒徑為0.250～0.425 mm(40/60目),YB的用量為0.5%、0.75%、1.0%、1.25%、1.5%。分別在3個(gè)溫度(100、80、60 ℃)下老化24 h,隨后進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),結(jié)果見圖8所示?？梢钥闯?YB覆膜石英砂顆粒經(jīng)高溫老化后,砂柱具有一定的強(qiáng)度。因?yàn)楦邷貢r(shí),雜環(huán)聚合物的溶劑(乙醇)將會完全蒸發(fā),YB最終以固體膜的形式留在顆粒表面,并在顆粒間形成固體連接物,從而整體上形成具有一定強(qiáng)度的連續(xù)穩(wěn)定體。顯然自聚劑改性支撐劑的抗壓強(qiáng)度并不突出,遠(yuǎn)小于常用的樹脂覆膜砂的抗壓強(qiáng)度(8 MPa),但樹脂覆膜砂(通過試驗(yàn)研究了酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂、有機(jī)硅樹脂)在液體中均無“自聚”和“抱團(tuán)”的性能,僅能通過外界作用使其接觸并發(fā)生固化后方能保證聚集體的強(qiáng)度。因此,從“相遇則聚”、降低支撐劑回流及改善儲層粉砂運(yùn)移角度講,自聚劑改性支撐劑在保持裂縫穩(wěn)定性方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢。

圖8 砂柱抗壓強(qiáng)度與YB用量的關(guān)系Fig.8 Relationship of compressive strength of sand column and dosage of YB

2.3 支撐劑回流控制能力

分別對自聚劑處理支撐劑和未處理支撐劑進(jìn)行了不同閉合壓力下裂縫中最大無砂流速的測定,結(jié)果如圖9所示?？梢钥闯?自聚劑處理后,當(dāng)閉合壓力為10和30 MPa時(shí),兩種支撐劑的最大無砂流速差值分別為43和83 mL/min。隨著閉合壓力的增大,兩者的差值進(jìn)一步增大,即在較高的閉合壓力下,自聚劑控制支撐劑回流的優(yōu)勢也更為明顯。

圖9 支撐劑處理前后最大無砂流速的變化Fig.9 Maximum sand flow rate at different closure stresses

一方面是因?yàn)楦男灾蝿┳跃酆笏纬傻木奂w本身具有一定的強(qiáng)度,能承受相對更高的上覆壓力,降低破碎率;另一方面,改性支撐劑的“再聚性”及“自潔性”能對已破碎的支撐劑碎屑重新定位,以防止碎屑運(yùn)移而堵塞孔道或發(fā)生回流,從而增大無砂流速。由此可見,自聚劑對支撐劑回流的有效控制能夠使裂縫維持較好的幾何形態(tài),并保持裂縫的長期穩(wěn)定性。

2.4 導(dǎo)流能力

石英砂支撐劑經(jīng)自聚劑處理前后在不同閉合壓力下的導(dǎo)流能力如圖10所示?？梢钥闯?在各閉合壓力下自聚劑改性支撐劑的導(dǎo)流能力都大于未處理支撐劑。當(dāng)閉合壓力較低時(shí),改性支撐劑所形成的砂粒聚集體具有一定的強(qiáng)度,能對裂縫起到一定程度的支撐作用,因此在相同的閉合壓力下,改性支撐劑充填裂縫的縫寬減小程度應(yīng)小于未處理支撐劑。當(dāng)閉合壓力較大時(shí),可能會有部分支撐劑被壓碎,壓碎的粉砂會隨著液體運(yùn)移導(dǎo)致滲流通道的堵塞,流動阻力增大,裂縫導(dǎo)流能力降低。但是對于自聚劑改性支撐劑,由于其“再聚性”可使運(yùn)移的顆粒在支撐劑充填層中被重新定位,阻攔碎屑運(yùn)移,降低滲流通道被堵塞的風(fēng)險(xiǎn),因此滲透率不會有較大程度的降低,裂縫導(dǎo)流能力降低幅度減小。再者,由于支撐劑碎屑被重新錨定在支撐劑充填層內(nèi)部,能有效減小縫寬的降低,保持裂縫幾何形態(tài)。由此可見,隨著閉合壓力的增大,兩種支撐劑充填裂縫的導(dǎo)流能力差值也進(jìn)一步增大。

圖10 兩種支撐劑的裂縫導(dǎo)流能力比較Fig.10 Fracture conductivity at different closure stresses

另外,常用于支撐劑回流控制的樹脂覆膜支撐劑主要是靠著砂粒表面的黏性樹脂使顆粒黏接成為一個(gè)整體(圖11),覆膜樹脂固化后能夠?yàn)橹蝿┏涮顚犹峁┹^大的抗壓強(qiáng)度,從而抑制支撐劑的回流,但卻對支撐劑充填層的滲透性有較大的傷害。而自聚劑通過氫鍵吸附于支撐劑顆粒表面,吸附層僅為一層薄膜,顆粒間也未發(fā)現(xiàn)黏連部分(圖11),因此,盡管支撐劑顆粒間發(fā)生聚集,但導(dǎo)流能力并未因此而降低。

圖11 改性支撐劑顆粒的聚集結(jié)構(gòu)Fig.11 SEM of aggregation structure of modified proppant

3 結(jié) 論

(1)通過使用一種雜環(huán)聚合物對支撐劑進(jìn)行表面改性,降低顆粒表面Zeta電位,使顆粒能夠在液體中自發(fā)聚集,聚合物的氫鍵作用及顆粒間覆膜層的交聯(lián)融合作用賦予自聚體一定的強(qiáng)度。

(2)在支撐劑回流實(shí)驗(yàn)中,30 MPa的閉合壓力下,裂縫最大無砂流速增大了96.51%。同時(shí)自聚體抗壓強(qiáng)度可達(dá)2.36 MPa,增大裂縫導(dǎo)流能力。自聚體的抗壓強(qiáng)度雖低于樹脂覆膜砂,但其再聚性和自潔性能夠防止支撐劑碎屑及儲層粉砂運(yùn)移。因此,自聚劑改性支撐劑既能有效降低水力壓裂后支撐劑高回流率的問題,又能穩(wěn)定裂縫充填層,使裂縫保持高導(dǎo)流狀態(tài)。

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(編輯 劉為清)

Study of proppant flowback control by self-aggregating agent

FU Lipei, ZHANG Guicai, GE Jijiang, JIANG Ping, PEI Haihua, LIAO Kaili

(SchoolofPetroleumEngineeringinChinaUniversityofPetroleum,Qingdao266580,China)

Due to the proppant flowbak after hydraulic fracturing, a processing technology of self-aggregating proppant was proposed on the basis of reducing the Zeta potential of the proppant particles. The comprehensive evaluation was conducted in terms of the self-aggregating property, reaggregating property, and self-cleaning property of the modified proppant. The self-aggregating strength of the proppant congeries was evaluated through the velocity sensitivity testing and the compressive strength of artificial cores. It is found that the differential pressure is reduced by 63.95% when the flow rate is 80 mL/min. And the compressive strength of the proppant sand column prepared at 80 ℃ is 2.36 MPa. Also the maximum sand free flow rate is increased by 96.51% under the closure stress of 30 MPa. It is considered that the compressive strength of the proppant congeries, as well as the reaggregating property of the coated particles can prevent the migration of the crushed fines, through which the fracture conductivity is significantly improved by an average of 96.48%.

proppant flowback; self-aggregating agent; hydraulic fracturing; conductivity; fracture stability

2016-02-18

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51474234，51574266)；山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(ZR2012EEM007，ZR2014EZ002，ZR2015EQ013)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)(24720156031A，24720156035A，16CX02018A)；中國石油科技創(chuàng)新基金項(xiàng)目(2015D-5006-0205)

浮歷沛(1988-)，男，博士研究生，研究方向?yàn)橛筒卦霎a(chǎn)及低滲儲層改造。E-mail:fulipeiupc@163.com。

1673-5005(2016)04-0176-07

10.3969/j.issn.1673-5005.2016.04.025

TE 355

A

浮歷沛,張貴才,葛際江,等.自聚劑控制支撐劑回流技術(shù)研究[J].中國石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2016,40(4)：176-182.

FU Lipei, ZHANG Guicai, GE Jijiang, et al. Study of proppant flowback control by self-aggregating agent[J].Journal of China University of Petroleum(Edition of Natural Science),2016,40(4):176-182.