用于煤层气井压裂的支撑剂及其设计方法
技术领域
本发明涉及煤层气井压裂技术领域，特别涉及一种用于煤层气井压裂的支撑剂及其设计方法。
背景技术
在石油、天然气、煤层气生产过程中，均通过压裂技术实现增产。其中，支撑剂是压裂技术中的关键材料。支撑剂的密度和机械强度对其流动性以及支撑裂缝的能力具有重要的影响，进而影响压裂性能。煤层气开采对比石油开采，煤层气储层较浅，且煤层质地软，属于降压解吸原理产气，使得煤层气开采对支撑剂的密度要求稍高些，破碎率的要求稍低些。但是，在目前煤层气开采中，多采用油(气)层压裂用支撑剂，不适于煤层气储层，造成煤层气单井产气量低下。基于上述可知，提供一种用于煤层气井压裂的支撑剂是十分必要的。
相关技术提供了一种用于煤层气井压裂的支撑剂，该支撑剂包括：轻质聚集体和陶瓷粘合材料。其中，轻质聚集体为天然矿石。陶瓷粘合材料为氧化铝、铝土矿或高岭土。该支撑剂的体积密度为1.75～2.0g/cm3。
发明人发现相关技术至少存在以下问题：
相关技术提供的支撑剂的密度较大，在泵送过程中，容易沉降在井筒附近，流动性差，不易使煤层气储层中形成大裂缝。而且，该密度的支撑剂需要适配高粘度的携砂液，增加了施工难度，对煤层气储层的伤害较大。
发明内容
本发明实施例提供了一种用于煤层气井压裂的支撑剂及其设计方法，可解决上述技术问题。具体技术方案如下：
一方面，本发明实施例提供了一种用于煤层气井压裂的支撑剂，所述支撑剂呈球体结构，所述支撑剂包括：乒乓球材质的空心球体、包裹于所述空心球体外表面的陶土；
所述支撑剂的体积密度为0.9-1.4g/cm3。
在一种可能的设计中，所述乒乓球材质为醋酸纤维或丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物。
在一种可能的设计中，所述乒乓球的材质为赛璐璐。
在一种可能的设计中，所述空心球体的质量为1.15-1.5g。
在一种可能的设计中，所述空心球体的参考半径为9-11mm。
在一种可能的设计中，所述陶土的平均密度为2.4-2.8g/cm3。
另一方面，本发明实施例提供了上述提及的任一种所述的用于煤层气井压裂的支撑剂的设计方法，所述设计方法包括：
根据目标煤层气储层参数，获取具有参考半径的乒乓球材质的空心球体；
获取所述空心球体的质量和陶土的密度；
根据目标煤层气井的施工条件，确定支撑剂的多个参考体积密度；
根据所述空心球体的质量和参考半径、所述陶土的密度、所述支撑剂的多个参考体积密度，分别确定不同参考体积密度的支撑剂的半径和所述陶土的厚度；
根据所述空心球体的参考半径和质量、不同参考体积密度的支撑剂所对应的所述陶土的厚度，分别设计多个支撑剂；
对所述多个支撑剂的机械强度和导流能力进行检测，选取所述多个支撑剂中体积密度最低且强度在指定机械强度范围内，导流能力在指定导流能力范围内的支撑剂，作为支撑剂模板；
根据所述支撑剂模板设计支撑剂。
在一种可能的设计中，所述获取所述空心球体的质量，包括：
采用排水法获取多个空心球体的总体积；
称量所述多个空心球体的总质量；
根据所述空心球体的参考半径和所述多个空心球体的总体积，获取所述多个空心球体的数目；
根据所述多个空心球体的总质量和所述多个空心球体的数目，获取每个所述空心球体的质量。
在一种可能的设计中，所述根据所述空心球体的质量和参考半径、所述陶土的密度、所述支撑剂的多个参考体积密度，分别确定不同参考体积密度的支撑剂的半径，包括：
根据所述空心球体的质量和参考半径、所述陶土的密度、支撑剂的不同参考体积密度以及下述公式(1)，确定多个支撑剂的半径；
其中，R1为所述支撑剂的半径，单位为cm；R2为所述空心球体的参考半径，单位为cm；m1为所述空心球体的质量，单位为g；ρ1为所述陶土的密度，单位为g/cm3；ρ2为所述支撑剂的参考体积密度，单位为g/cm3。
在一种可能的设计中，所述指定机械强度范围为在21-86MPa的闭合压力条件下，所述支撑剂的破碎率小于或等于25％；
在10-80MPa的闭合压力条件下，所述指定导流能力范围为200-1200μm2·cm。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：
本发明实施例提供的用于煤层气井压裂的支撑剂，其通过在空心球体的外表面包裹陶土得到，使该支撑剂呈空心结构，进而使其具有较低的体积密度。而且，空心球体能够对陶土进行良好的支撑，使该支撑剂具有良好的机械强度和导流能力。该支撑剂的低体积密度和优异强度之间的配合，使其能够满足煤层气井压裂的生产需求。
本发明实施例提供的用于煤层气井压裂的支撑剂的设计方法，根据空心球体的参考半径和质量、陶土的密度、支撑剂的多个参考体积密度，分别确定不同参考体积密度的支撑剂的半径和陶土的厚度，进而分别设计多个支撑剂。根据多个支撑剂的机械强度和导流能力，选取支撑剂模板来设计支撑剂。通过该设计方法能够设计得到密度低、机械强度好、导流能力好的支撑剂，该支撑剂能够被泵送至煤层气井储层的远处和裂缝上半部分，易形成大裂缝。而且，由于其密度小，仅需要低粘度的携砂液即可，施工难度小，对煤层伤害小。此外，该支撑剂能够适用于小于1000米埋深的煤层气开发。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的用于煤层气井压裂的支撑剂的设计方法流程图。
具体实施方式
除非另有定义，本发明实施例所用的所有技术术语均具有与本领域技术人员通常理解的相同的含义。为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
一方面，本发明实施例提供了一种用于煤层气井压裂的支撑剂，该支撑剂呈球体结构，该支撑剂包括：乒乓球材质的空心球体、包裹于空心球体外表面的陶土。其中，支撑剂的体积密度为0.9-1.4g/cm3。
举例来说，支撑剂的体积密度可以为0.9g/cm3、1g/cm3、1.1g/cm3、1.2g/cm3、1.3g/cm3、1.4g/cm3等。
本发明实施例提供的用于煤层气井压裂的支撑剂，其通过在空心球体的外表面包裹陶土得到，使该支撑剂呈空心结构，进而使其具有较低的体积密度。而且，空心球体能够对陶土进行良好的支撑，使该支撑剂具有良好的机械强度和导流能力。该支撑剂的低体积密度和优异强度之间的配合，使其能够满足煤层气井压裂的生产需求。
上述提及，空心球体对支撑剂的体积密度和机械强度有重要的影响。基于此，本发明实施例就空心球体的材质给出以下示例：
乒乓球材质为醋酸纤维或丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物。
上述几种乒乓球材质容易获取，并且能够使具有该空心球体的支撑剂满足煤层气井压裂的生产需求。
优选的，乒乓球材质为赛璐璐。
其中，赛璐璐是塑料的一种，由胶棉增塑剂、润滑剂、燃料等加工制成。它受热后变软，冷却后变硬。采用该乒乓球材质制成的支撑剂，能够更好地适应于煤层气井压裂中。
基于煤层气井的具体生产情况，本发明实施例对空心球体的质量和半径给出以下示例：
空心球体的质量为1.15-1.5g，例如可以为1.15g、1.17g、1.19g、1.21g、1.25g、1.27g、1.3g、1.32g、1.33g、1.35g、1.4g、1.5g等。空心球体的参考半径为9-11mm，例如可以为9mm、9.5mm、10mm、10.5mm、11mm等。
如此设置，使采用该空心球体制得的支撑剂不仅具有低密度和优异的机械强度，在煤层气井压裂过程中的适用性好。
陶土与空心球体之间的配合作用，使该支撑剂的体积密度为0.9-1.4g/cm3。基于此，陶土的平均密度为2.4-2.8g/cm3，例如可以为2.4g/cm3、2.5g/cm3、2.6g/cm3、2.7g/cm3、2.8g/cm3等。
另一方面，本发明实施例提供了一种用于煤层气井压裂的支撑剂的设计方法，如附图1所示，该设计方法包括：
步骤101、根据目标煤层气储层参数，获取具有参考半径的乒乓球材质的空心球体。
具体地，根据历史经验获取目标煤层气储层的裂缝大小参数、煤层气储量参数、储层厚度和深度等参数，初步确定支撑剂的粒径大小。根据支撑剂的粒径大小，获取具有参考半径的空心球体。
步骤102、获取空心球体的质量和陶土的密度。
可选地，通过以下方法获取空心球体的质量：
采用排水法获取多个空心球体的总体积。
采用累积法称量多个空心球体的总质量。
根据空心球体的参考半径和多个空心球体的总体积，获取多个空心球体的数目。具体地，根据空心球体的参考半径求得每个空心球体的体积，多个空心球体的总体积除以每个空心球体的体积，得到多个空心球体的数目。
根据多个空心球体的总质量和多个空心球体的数目，获取每个空心球体的质量。具体地，多个空心球体的总质量除以多个空心球体的数目，得到每个空心球体的质量。
步骤103、根据目标煤层气井的施工条件，确定支撑剂的多个参考体积密度。
在确定支撑剂的参考体积密度时，需要基于目标煤层气井的施工条件来确定。目标煤层气井的施工条件包括：煤层气储层的压力、压裂液的密度和成分等。
基于《SY-T 5108-2014水力压裂和砾石充填作业用支撑剂性能测试方法》标准提供的方法，确定支撑剂的密度0.9-1.4g/cm3范围内的多个参考体积密度。举例来说，支撑剂的多个参考体积密度可以分别为0.9g/cm3、1g/cm3、1.1g/cm3、1.2g/cm3、1.3g/cm3、1.4g/cm3等。体积密度在0.9-1.4g/cm3范围内的支撑剂的悬浮能力是石英砂的5倍以上。
步骤104、根据空心球体的质量和参考半径、陶土的密度、支撑剂的多个参考体积密度，分别确定不同参考体积密度的支撑剂的半径和陶土的厚度。
具体地，根据空心球体的质量和参考半径、陶土的密度、支撑剂的多个参考体积密度，分别确定不同参考体积密度的支撑剂的半径，包括：
根据空心球体的质量和参考半径、陶土的密度、支撑剂的不同参考体积密度以及下述公式(1)，确定多个支撑剂的半径；
其中，R1为支撑剂的半径，单位为cm；R2为空心球体的参考半径，单位为cm；m1为空心球体的质量，单位为g；ρ1为陶土的密度，单位为g/cm3；ρ2为支撑剂的参考体积密度，单位为g/cm3。
通过使支撑剂的半径和空心球体的参考半径作差，即可得到陶土的厚度。
步骤105、根据空心球体的参考半径和质量、不同参考体积密度的支撑剂所对应的陶土的厚度，分别设计多个支撑剂。
即根据上述参数，分别制备多个不同的支撑剂。
步骤106、对多个支撑剂的机械强度和导流能力进行检测，选取多个支撑剂中体积密度最低且机械强度在指定机械强度范围内，导流能力在指定导流能力范围内的支撑剂，作为支撑剂模板。
具体地，可以根据《Q/SY 125-2007压裂支撑剂性能指标及评价测试方法》、《Q/SH1020 1598-2013压裂支撑剂性能指标及测试方法》、《SY/T 5108-2014水力压裂和砾石充填作业用支撑剂性能测试方法》三个标准中提供的方法来检测多个支撑剂的机械强度。
根据《SY/T6302-2009压裂支撑剂充填层短期导流能力评价推荐方法》提供的方法检测多个支撑剂的导流能力。
其中，“指定机械强度范围”为在21-86MPa的闭合压力条件下，支撑剂的破碎率小于或等于25％。举例来说，闭合压力条件可以为21MPa、28MPa、32MPa、37MPa、52MPa、69MPa、86MPa等。在10-80MPa的闭合压力条件下，指定导流能力范围可以为200-1200μm2·cm。举例来说，导流能力可以为200μm2·cm、400μm2·cm、800μm2·cm、1000μm2·cm、1200μm2·cm等。
可以理解的是，可以选取上述几个支撑剂中导流能力较好，且机械强度优异的支撑剂。
步骤107、根据支撑剂模板设计支撑剂。
本发明实施例提供的用于煤层气井压裂的支撑剂的设计方法，根据乒乓球材质空心球体的参考半径和质量、陶土的密度、支撑剂的多个参考体积密度，分别确定不同参考体积密度的支撑剂的半径和陶土的厚度，进而分别设计多个支撑剂。根据多个支撑剂的机械强度和导流能力，选取支撑剂模板来设计支撑剂。通过该设计方法能够设计得到密度低、机械强度好、导流能力好的支撑剂，该支撑剂能够被泵送至煤层气井储层的远处和裂缝上半部分，易形成大裂缝。而且，由于其密度小，仅需要低粘度的携砂液即可，施工难度小，对煤层伤害小。此外，该支撑剂能够适用于1000米左右深度的煤层气开发。
以下将通过具体实施例进一步地描述本申请的技术方案。
本实施例采用本发明实施例提供的用于煤层气井压裂的支撑剂的设计方法为某煤气储层设计一种支撑剂。具体设计步骤如下：
需要说明的是，一般压裂缝的开度大于100um即可称为大裂缝，在一种可能的情况下，煤层埋深为500米左右，经过煤矿井下观测，大裂缝发育，粒径为10目的支撑剂全部堆积在井筒附近，并没有向裂缝远处运移。可选取半径为10mm的乒乓球材质空心球体，该乒乓球材质的空心球体的质量为1.3g，取陶土的密度为2.6g/cm3。为了使支撑剂尽可能的向远处运移，在选择支撑剂时，设计体积密度尽可能的小，可假定支撑剂的六个参考体积密度分别为0.9g/cm3、1.0g/cm3、1.1g/cm3、1.2g/cm3、1.3g/cm3、1.4g/cm3。
根据空心球体的质量和参考半径、陶土的密度、支撑剂的不同参考体积密度以及下述公式(1)，确定多个支撑剂的半径；
其中，R1为支撑剂的半径，单位为cm；R2为空心球体的参考半径，单位为cm；m1为空心球体的质量，单位为g；ρ1为陶土的密度，单位为g/cm3；ρ2为支撑剂的参考体积密度，单位为g/cm3。
当支撑剂的参考体积密度ρ2＝0.9g/cm3，可以求得支撑剂半径R1＝1.10cm，则陶土的壁厚为0.1cm。
当支撑剂的参考体积密度ρ2＝1.0g/cm3，可以求得支撑剂半径R1＝1.13cm，则陶土的壁厚为0.13cm。
当支撑剂的参考体积密度ρ2＝1.1g/cm3，可以求得支撑剂半径R1＝1.15cm，则陶土的壁厚为0.15cm。
当支撑剂的参考体积密度ρ2＝1.2g/cm3，可以求得支撑剂半径R1＝1.18cm，则陶土的壁厚为0.18cm。
当支撑剂的参考体积密度ρ2＝1.3g/cm3，可以求得支撑剂半径R1＝1.21cm，则陶土的壁厚为0.21cm。
当支撑剂的参考体积密度ρ2＝1.4g/cm3，可以求得支撑剂半径R1＝1.24cm，则陶土的壁厚为0.24cm。
根据上述空心球体的参考半径和质量、不同参考体积密度的支撑剂所对应的陶土的厚度，分别设计多个支撑剂。按照体积密度由小到大的顺序，将设计的多个支撑剂顺次编号为1号支撑剂、2号支撑剂、3号支撑剂、4号支撑剂、5号支撑剂、6号支撑剂。
根据《Q/SY 125-2007压裂支撑剂性能指标及评价测试方法》标准提供的方法分别对1号-6号支撑剂的破碎率进行检测，在52MPa闭合压力测试情况下，其破碎率分别为2.6％、4.8％、4.6％、3.5％、6.1％、7.3％；在69MPa闭合压力测试情况下，其破碎率分别为3.5％、4.6％、5.2％、4.7％、6.8％、9.6％。
根据《SY/T6302-2009压裂支撑剂充填层短期导流能力评价推荐方法》提供的方法分别对1号-6号支撑剂的导流能力进行检测，其导流能力分别为306μm2·cm、290μm2·cm、362μm2·cm、426μm2·cm、586μm2·cm、523μm2·cm。
在综合考虑煤层埋深，裂缝的宽度以及压裂液的情况，选取上述六种支撑剂中的4号支撑剂作为支撑剂模板。
根据4号支撑剂模板设计支撑剂。
采用该支撑剂对上述煤层气井进行压裂作业，与采用相关技术提供的支撑剂相比，产量提高至少在3倍以上，使当前煤层气日产气量由500m3/d增产至1500m3/d以上。
以上所述仅为本发明的说明性实施例，并不用以限制本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
