自悬浮支撑剂的制备及性能评价

摘要

自悬浮支撑剂是一种能够在清水中达到悬浮状态的新型压裂支撑剂，自悬浮支撑剂能够在裂缝中均匀分布，提高裂缝有效接触面积，无需多余助剂、无需现场配液，实现清水压裂，降低每桶油气当量成本，具有一定应用前景和推广价值。目前自悬浮支撑剂制备技术国内鲜有，本文基于有机化学、聚合物反应理论，根据单颗粒覆膜砂在流体中沉降力学数学模型，揭示了自悬浮支撑剂悬浮机理，研究出自悬浮支撑剂覆膜配方及覆膜工艺并作出性能评价，建立了自悬浮支撑剂性能评价标准及理化性能技术指标体系，基于支撑剂运移规律、砂堤展布形态研究，运用物理模拟裂缝装置得到自悬浮支撑剂的运移铺砂规律。
　　本文创新性的提出了将水膨体与支撑剂表面羟基通过共价键的方式连接，使用硅烷偶联剂γ-甲基丙烯酰氧基三甲氧基硅烷（KH570）、γ-乙烯基三甲氧基硅烷（A171）、乙烯基三(b-甲氧基乙氧基)硅烷（A172）、乙烯基三乙氧基硅烷（A151）四种硅烷偶联剂对支撑剂表面进行改性。通过红外光谱、润湿角、元素含量、热失重量四种表征手段证明偶联剂与支撑剂表面已经发生化学键链接。
　　探究了自悬浮支撑剂的实验室制备路线，以高分子树脂合成及溶胀规律为基础，通过P（AA-AM-AMPS）水溶液聚合法成功制备了粘弹型自悬浮支撑剂，进行微观形貌、沉降性能、电位分析、粘弹性测试评价。沉降实验表明粘弹型自悬浮支撑剂粒径分选与沉降时间之间为弱正相关，沉降性能优于常规支撑剂在瓜胶压裂液中的沉降，与聚合物包覆厚度正相关，粘弹型测试表明聚合物层溶解后溶液符合幂律流体模型，具有粘弹性，其中弹性影响的拖拽力增加为促进悬浮主导因素。
　　通过P（AA-AM-AMPS-BIS）实验室内四元水溶液聚合成功制备了膨胀型自悬浮支撑剂，进行了单体含量配比优化。确定制备流程为：单体浓度20％，反应温度为30℃，接枝聚合水膨体，最佳反应条件为：m（支撑剂）：m（AM）：m（AA）：m（BIS）：m（AMPS）=620:48:41:3:8，偶联剂浓度1%，引发剂浓度1‰。使用DPS统计软件对影响膨胀性能因素做出分析，得到主要影响因素为丙烯酸含量，次要影响因素为偶联剂用量，随矿化度提高，耐盐单体含量对实验结果影响变大。
　　通过基础性能、微观形貌、热稳定性能、应用性能、运移性能方面对膨胀型自悬浮支撑剂评价，测得膨胀型自悬浮支撑剂遇水后膨胀倍数1.5-5倍，视密度降低至约1.24g/cm3，完全膨胀时间为90s，支撑剂覆膜率约为4%。膨胀倍数受阳离子影响会降低，影响程度强弱排序为Mg2+>Ca2+>K+>Na+。90℃下自悬浮支撑破胶不彻底，导致铺置层的渗透率较常规陶粒低。破胶后煤油驱替的导流能力值要略高于水驱替下的导流能力。在支撑剂沉降及运移规律研究基础上，本文提出了膨胀型自悬浮支撑剂在裂缝中的运移规律，遇水后视密度降低，沉降速度降低，压裂液对其携带能力提高，裂缝深部支撑剂铺置效率得到大幅改善，同时自悬浮支撑剂的使用会形成楔形裂缝，影响裂缝导流能力和油井产能。

目录

符号说明

第一章 绪论

1.1 压裂增产机理

1.2 压裂液综述

1.3 压裂液对储层的伤害

1.4 支撑剂综述

1.5 压裂体系的发展方向

1.6 压裂工艺和施工

1.7研究课题来源

1.8课题研究的背景、目的和意义

1.9国内外研究概况

1.10论文的主要研究目标

1.11论文的主要研究内容、技术路线、研究方案

1.12论文的章节结构和编排

第二章 自悬浮支撑剂制备

2.1支撑剂表面硅烷偶联接枝改性

2.2 粘弹性自悬浮支撑剂的制备

2.3 膨胀型自悬浮支撑剂的制备

2.4 本章小结

第三章 自悬浮支撑剂理化性能评价

3.1 自悬浮加砂机理

3.2 高吸水树脂溶胀机理

3.3 理化性能评价标准和技术指标体系

3.4实验仪器与实验材料

3.5.粘弹型自悬浮支撑剂性能评价

3.6 膨胀型自悬浮支撑剂性能评价

3.7本章小结

第四章 结论及下一步工作建议

4.1 结论

4.2 创新点

4.3 不足之处

4.4 下一步工作建议

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文和国家专利申请目录

附录1. L25（55）矿化度为0mg/L时的膨胀倍数实验结果表

附录2. L25（55）矿化度为5000mg/L时的膨胀倍数实验结果

附录3. L25（55）矿化度为10000mg/L时的膨胀倍数实验结果

附录4. L25（55）矿化度为15000mg/L时的膨胀倍数实验结果

附录5. L25（55）矿化度为20000mg/L时的膨胀倍数实验结果

附录6. 不同浓度Ca2+，Mg2+，Na+，K+下膨胀床高度结果表

附录7. 不同浓度过硫酸铵破胶膨胀型自悬浮支撑剂剪切变稀结果图

附录8. 不同浓度过氧化镁破胶膨胀型自悬浮支撑剂剪切变稀结果图