一种利用沙漠砂、炉渣、钢渣耦合纤维的桥接通道方法与流程

本发明涉及油气田增产改造技术领域，尤其是一种利用沙漠砂、炉渣、钢渣类废弃原料作为支撑剂与纤维耦合，用于水力压裂的技术方法。

背景技术：

随着非常规油气资源如火如荼的开采，水利压裂技术得到了大规模的应用。水力压裂的过程是在地面采用高压大排量的泵将压裂液注入地层，在井底憋起高压，当此压力大于井壁附近的地应力和地层岩石的抗张强度时，便在井底附近的地层产生裂缝；然后注入支撑剂，当停止施工后，裂缝闭合在注入的支撑剂上，从而在井底附近地层内形成高导流能力的支撑裂缝。因此支撑剂的用量也在逐年大幅增加，已经从2010年95.75万吨增长到2018年的261.75万吨。目前国内油田常用的支撑剂是石英砂和陶粒，石英砂主要来源于矿山开采和河道打捞，但自2017年以来，随着环保力度的增加，砂石行业经历了前所未有的环保督查风暴，部分砂石矿山的关停整顿和中小砂石厂家关闭，导致砂石市场供应量大幅减少，因此石英砂的价格也随之增加。陶粒是通过烧结而成，由于其制作工艺，其成本相较于石英砂更高。

中国地域辽阔，沙漠总面积约为130万平方公里，这些沙漠主要分布在我国西部地区，其中，新疆省境内就分布有塔克拉玛干和古尔班通古特两大沙漠区，面积约占全国沙漠总面积的30％，沙漠砂资源丰富。

我国是钢铁工业大国，高炉渣和钢渣都是是钢铁冶炼过程中的主要副产品，每冶炼1t生铁大约产生300～350kg的高炉渣，按照我国年生铁年产量100000万吨计算，产渣量达32000万吨左右。

如果能够利用沙漠砂、炉渣、钢渣来替代压裂用砂，对于降低工程造价、保护当地环境和合理开发利用自然资源都具有重要意义。

但目前的沙漠砂，炉渣，钢渣的性能都达不到压裂施工的要求，因为支撑剂是为了能够支撑剂压裂液压开的裂缝，因此需要承受地层的高压，而沙漠砂，炉渣的自身强度不足，其承压性能都达不到压裂的要求，同时沙漠砂、炉渣、钢渣的输运性能都较差，在地层中不能运输较远的距离。因此，基于以上的不足，如何有效的研发一种能够应用于水力压裂的沙漠砂，炉渣和钢渣显得尤为重要。

技术实现要素：

本发明的目的是针对沙漠砂，炉渣，钢渣的性能都达不到压裂施工要求的问题，提供一种利用沙漠砂、炉渣、钢渣耦合纤维的桥接通道方法，使得没有利用价值的沙漠砂、炉渣、钢渣能够应用于水利压裂技术，变废为宝。

本发明提供的利用沙漠砂、炉渣、钢渣耦合纤维的桥接通道方法，是将支撑剂与特种纤维复配，用于水力压裂施工。所述支撑剂与特种纤维的用量比例为(990～999)：(10～1)。

所述支撑剂是以沙漠砂、炉渣、钢渣三者中的至少一种作为原材料经过表面改性制成。表面改性剂选自1,3-丙烷磺内酯、1,3,2-二氧杂硫杂环戊烷2-氧化物、4-甲基-1,3,2-二氧杂硫杂环戊烷2-氧化物三者中一种和含氮硅烷偶联剂的组合物。

所述支撑剂由以下方法改性制成：(1)将支撑剂原材料进行清洗，去除表面杂质。(2)将原材料在110℃下烘干，待温度降至60℃-80℃，将干燥的原材料放入含氮硅烷偶联剂的乙醇水混合溶液中浸泡5-10分钟，滤出并在70-80℃下阴干。(3)将阴干的支撑剂浸泡在含有1,3-丙烷磺内酯、1,3,2-二氧杂硫杂环戊烷2-氧化物或4-甲基-1,3,2-二氧杂硫杂环戊烷2-氧化物三者之一的溶液中(溶剂为二氯甲烷、甲苯、乙腈等)，在25-60℃下维持20分钟后，将支撑剂滤出，在80℃下烘干，然后升温至110℃恒温30min，得到改性的支撑剂。

所述支撑剂是经过改性处理的沙漠砂、炉渣、沙漠砂和钢渣混合物、沙漠砂和炉渣混合物中的一种。经过处理后的支撑剂能够增强与纤维之间的相互作用。

所述特种纤维采用的是经过表面改性的常规纤维。表面改性剂同样是均选自1,3-丙烷磺内酯、1,3,2-二氧杂硫杂环戊烷2-氧化物、4-甲基-1,3,2-二氧杂硫杂环戊烷2-氧化物三者中一种和含氮硅烷偶联剂的组合物。

所述特种纤维由如下方法制成：先将常规纤维放入等真空离子清洗剂中清洗5-10分钟；然后将纤维放入含氮硅烷偶联剂的乙醇/水溶液中浸泡5-10分钟，滤出并在70-80℃下阴干；最后将阴干的纤维浸泡在含有1,3-丙烷磺内酯、1,3,2-二氧杂硫杂环戊烷2-氧化物或4-甲基-1,3,2-二氧杂硫杂环戊烷2-氧化物三者之一的溶液中(溶剂为二氯甲烷、甲苯、乙腈等)，在25-60℃下维持20分钟后，将纤维滤出，在室温至60℃范围内阴干或烘干，得到特种纤维。所述常规纤维选自粘胶纤维、醋酸纤维、铜氨纤维、聚乙烯纤维、聚丙烯纤维、聚乙烯醇缩醛纤维、聚酯纤维、聚乳酸纤维、聚酰胺纤维、纤维素纤维、玄武岩纤维中的一种或至少两种，纤维的长度为1-19mm。优选长度为3mm。

经过处理后的纤维能够更好的在低粘度压裂液中分散，同时纤维与支撑剂之间的相互作用增强，能够减缓支撑剂在低粘度压裂液中的沉降，甚至实现支撑剂在低粘度常规压裂液中的悬浮。

所述含氮硅烷偶联剂选自n-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷、n-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三乙氧基硅烷、3-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷、n-氨乙基-3-氨丙基甲基二甲氧基硅烷、二(3-三甲氧基甲硅烷基丙基)胺、3-氨基丙基三甲氧基硅烷、3-氨基丙基三乙氧基硅烷、γ-脲丙基三乙氧基硅烷、3-氨丙基甲基二乙氧基硅烷中的一种。

本发明利用沙漠砂、炉渣、钢渣耦合纤维的桥接通道方法，其施工步骤如下：(1)确定压裂层段的簇射孔的位置以及射孔参数；(2)确定压裂施工参数；(3)根据确定的簇射孔的位置以及射孔参数对所述压裂层段进行射孔作业；(4)向簇射孔内注入清孔液以对所述簇射孔进行酸化预处理；(5)将特种纤维和支撑剂按比例混合后在携砂液的携带下注入地层；(6)当填砂完成后，向目标压裂层段注入顶替液以将井筒中的携砂液压入裂缝中。

与现有技术相比，本发明的有益之处在于：

(1)本发明使用的支撑剂是指经过改性处理的沙漠砂或炉渣，或者沙漠砂混合钢渣，或沙漠砂混合炉渣中的一种或多种。通过本技术能够形成具有通道的铺砂状态，从而将渗流通道从原来的孔隙空间，改变为通道空间，形成高导流能力的通道，使得其支撑效果好于常规使用的支撑剂。同时由于支撑剂与特种纤维之间的耦合能够提升支撑剂的输运距离，解决沙漠砂、炉渣、钢渣密度大，输运距离不足的问题，同时在支撑剂整体中引入了高强度的钢渣，能够提升支撑剂整体是承压强度，解决了沙漠砂、炉渣强度不足的问题。将原本不能应用于压裂支撑剂的沙漠砂、钢渣、炉渣能够得到再次利用。

(2)本发明解决的沙漠砂、钢渣、炉渣自身的性能问题。通过本发明通过对沙漠砂、钢渣、炉渣进行处理与混配，同时结合特种纤维，在地层中形成支撑剂团簇，油气的渗流空间从原来的空隙，变为大通道，同时能够提升沙堤整体的支撑性。因此本发明既能够降低沙漠砂支撑剂团的破碎率，同时能够大大降低支撑剂破碎对于支撑裂缝导流能力的影响。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1、改性沙漠砂耦合纤维的桥接通道铺砂实验结果图。

图2、改性钢渣耦合纤维桥接通道铺砂实验结果图。

图3、改性炉渣耦合纤维桥接通道铺砂实验结果图。

图4、普通沙漠砂铺砂实验结果图。

图5、普通钢渣铺砂实验结果图。

图6、混合支撑剂耦合纤维的铺砂及其混合情况图。

图7、混合支撑剂与纤维的破碎率分析图。

图8、沙漠砂破碎率分析图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

支撑剂的改性制备方法为：(1)将支撑剂原材料沙漠砂进行清洗，去除表面杂质。(2)将沙漠砂在110℃下烘干，待温度降至60℃，将干燥的沙漠砂放入n-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷的乙醇水混合溶液中浸泡5-10分钟，滤出并在70-80℃下阴干。溶液中，n-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷、乙醇、水的用量比例为1:2:2。(3)将阴干的支撑剂浸泡在含有1,3-丙烷磺内酯的二氯甲烷溶液中，1,3-丙烷磺内酯与二氯甲烷溶液的用量比例为1:3，在25℃下维持20分钟后，将支撑剂滤出，在80℃下烘干，然后升温至110℃恒温30min，得到改性的支撑剂。

实施例2

支撑剂的改性制备方法为：(1)将支撑剂原材料钢渣进行清洗，去除表面杂质。(2)将沙漠砂在110℃下烘干，待温度降至70℃，将干燥的钢渣放入含γ-脲丙基三乙氧基硅烷的乙醇水混合溶液中浸泡5-10分钟，滤出并在70-80℃下阴干。溶液中，γ-脲丙基三乙氧基硅烷、乙醇、水的用量比例为6:7:7(3)将阴干的支撑剂浸泡在含4-甲基-1,3,2-二氧杂硫杂环戊烷2-氧化物的乙腈溶液中，4-甲基-1,3,2-二氧杂硫杂环戊烷2-氧化物与乙腈的用量比例为1:4，在60℃下维持20分钟后，将支撑剂滤出，在80℃下烘干，然后升温至110℃恒温30min，得到改性的支撑剂。

实施例3

支撑剂的改性制备方法为：(1)将支撑剂原材料炉渣进行清洗，去除表面杂质。(2)将炉渣在110℃下烘干，待温度降至80℃，将干燥的炉渣放入含3-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷的乙醇水混合溶液中浸泡5-10分钟，滤出并在70-80℃下阴干。溶液中，3-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷、乙醇、水的用量比例为1:2:2。(3)将阴干的支撑剂浸泡在含1,3,2-二氧杂硫杂环戊烷2-氧化物的甲苯溶液中，1,3,2-二氧杂硫杂环戊烷2-氧化物与甲苯的用量比例为1:4，在50℃下维持20分钟后，将支撑剂滤出，在80℃下烘干，然后升温至110℃恒温30min，得到改性的支撑剂。

实施例4

所述特种纤维的制备方法为：先将常规玄武岩纤维放入等真空离子清洗剂中清洗5-10分钟；然后将纤维放入n-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷的乙醇水溶液中浸泡5-10分钟，溶液中，n-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷、乙醇、水的用量比例为1:2:2，滤出并在70-80℃下阴干；最后将阴干的纤维浸泡在含有1,3-丙烷磺内酯的二氯甲烷溶液中，在60℃下维持20分钟后，将纤维滤出，在室温至60℃范围内阴干或烘干，得到特种纤维。

实施例5

所述特种纤维的制备方法为：先将常规铜氨纤维放入等真空离子清洗剂中清洗5-10分钟；然后将纤维放入含二(3-三甲氧基甲硅烷基丙基)胺的乙醇水溶液中浸泡5-10分钟，二(3-三甲氧基甲硅烷基丙基)胺、乙醇、水的用量比为1:2:2，滤出并在70-80℃下阴干；最后将阴干的纤维浸泡在含有1,3,2-二氧杂硫杂环戊烷2-氧化物的乙腈溶液中，1,3,2-二氧杂硫杂环戊烷2-氧化物与乙腈的用量比例为1:3，在25℃下维持20分钟后，将纤维滤出，在室温至60℃范围内阴干或烘干，得到特种纤维。

实施例6

所述特种纤维的制备方法为：先将常规粘胶纤维放入等真空离子清洗剂中清洗5-10分钟；然后将纤维放入含3-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷的乙醇水溶液中浸泡5-10分钟，3-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷、乙醇、水的用量比例为1:2:2，滤出并在70-80℃下阴干；最后将阴干的纤维浸泡在含有4-甲基-1,3,2-二氧杂硫杂环戊烷2-氧化物的甲苯溶液中，在40℃下维持20分钟后，将纤维滤出，在室温至60℃范围内阴干或烘干，得到特种纤维。

实施例7

支撑剂体系铺置效果评价实验：选用民用自来水加入压裂液其他添加剂，对实施例1、2、3所制备的支撑剂和实施例4所制备的特种纤维进行性能评价。

评价方法如下：

(1)装配并测试动态携砂评价装置，及对应实验记录设备。

(2)配置压裂液基液：向搅拌罐放水至总量2l，并开启搅拌、量取药品放入搅拌罐，搅拌5分钟至充分混合。压裂液配方为：民用自来水加入减阻剂、kcl、naco3、戊二醛、含硅消泡剂、氟碳助排剂。

(3)泵注前置液：打开搅拌罐出口阀门，向可视化裂缝中打入前置液0.5l，前置液泵注完后关闭搅拌罐出口阀。

(4)配置携砂液：将纤维和支撑剂同时加入到搅拌罐中，搅拌1分钟至充分混合。

(5)泵注携砂液：打开搅拌罐出口阀门，开启主泵向装置泵注携砂液，携砂液泵注完后关闭主泵。记录整个实验过程。

实验结果如图1-5所示，图1-3分别是实施例1-3制备的支撑剂与实施例4制备的特种纤维的桥接通道铺砂实验结果。图4、5是普通沙漠砂和常规钢渣铺砂实验结果。通过对比可以看出，经过改性处理的沙漠砂、钢渣、炉渣与特种纤维之前增强了相互作用，实现了两者的相互耦合，相较于普通的沙漠砂有明显的区别，其能铺置高度运移距离都得到了明显的提升。同时沙堤中也形成了较大的通道，渗流空间得到了极大的提升。

图6是实施例1和3制备的两种支撑剂的等比例混合物与特种纤维的铺砂图。可以看出，混合支撑剂在裂缝中能够实现充分的混合，不会出现明显的分层，高强度的支撑剂充分的混合到沙堤中，实现支撑剂的效果。

实施例8

支撑剂强度评价实验：采用支撑剂破碎实验，评价方法如下：

(1)装配并测试支撑剂破碎装置；

(2)将40g支撑剂放入到用api标准的破碎室中，然后在破碎室上逐步加压到设计压力，并维持该压力3分钟。

(3)取出支撑剂，筛出压碎的支撑剂，称量剩下支撑剂的重量，计算支撑剂破碎率。

实验结果如图7和8所示，图7是实施例1和2制备的两种支撑剂的等比例混合物与纤维的破碎率。图8是普通沙漠砂的破碎率。可以看出，混合支撑剂与纤维的承压强度明显增强，在75mpa的高压下，依然能够保持40％左右的破碎率，而常规沙漠砂的破碎率已经达到65％以上。因此在采用了沙漠砂混合高强度支撑剂与纤维的技术后支撑剂整体的破碎率能够下降25％左右。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。