CN102766450A

CN102766450A - 煤层气氮气泡沫压裂液及其制备方法

Info

Publication number: CN102766450A
Application number: CN2012102904660A
Authority: CN
Inventors: 戴彩丽; 由庆; 赵明伟; 丁云宏; 刘欣梅; 赵光; 丁昊明; 王欣; 管保山; 刘萍; 梁利
Original assignee: China University of Petroleum East China
Current assignee: China National Petroleum Corp Science And Technology Research Institute Co ltd; China University of Petroleum East China
Priority date: 2012-08-15
Filing date: 2012-08-15
Publication date: 2012-11-07
Anticipated expiration: 2032-08-15
Also published as: CN102766450B

Abstract

本发明涉及一种煤层气氮气泡沫压裂液及其制备方法。氮气泡沫压裂液，包括气相和液相，气相是氮气，液相是含有0.20～0.50wt%起泡剂、0.4～1.0wt%稳泡剂、0.10～0.30wt%破胶剂的水溶液，气液比为（2～4）∶1体积比，相应泡沫质量为65%～80%；起泡剂是由十二烷基硫酸钠和N-（2-羟基丙基）全氟辛酰胺按质量比（8～10）∶1组成的复配体系，稳泡剂为C₁₆～C₂₀烷基三甲基氯化铵，破胶剂是由过硫酸铵和亚硫酸钠按质量比（1.0～2.0）∶1组成的氧化还原体系。通过泡沫发生器获得氮气泡沫压裂液。该氮气泡沫压裂液具有配液简单，对煤层的伤害小，滤失低，摩阻小，返排迅速和携砂能力强等优点。

Description

煤层气氮气泡沫压裂液及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种煤层气井压裂用的水基氮气泡沫压裂液及其制备方法，属于油田化学的技术领域。

技术背景

煤是一种杨氏模量低、泊松比高、硬度低、易破碎的非常规储层，它是由基质和裂缝两部分组成，煤层气主要以吸附状态在煤层基质微孔隙内表面上，裂缝系统才是煤层流体（气和水）运移的主要通道。煤层的裂缝系统受到很多因素的影响，连通性差，渗透率低是煤储层致命的缺陷，因此需要压裂改造以改善煤层的导流能力，常规煤层气直井如果不通过压裂改造很难获得产能。

由于煤层气层具有低孔、低渗、易受污染等特点，因此压裂时需要特别注意降低压裂液对煤层的伤害。在煤层气井压裂中，压裂液与煤层接触造成的渗透率降低，一般是由煤基质的割理被堵塞及液体吸附造成的，此外煤层的水化膨胀和其它不良化学反应也是造成储层渗透率降低的原因。但从伤害的主要成分分析以堵塞和吸附为主，因此要求压裂液以不形成滤饼，残渣和主要添加剂具有较小的吸附性能、小分子为特点。同时它也得具有一定的粘度，以提高压裂液携砂能力。煤层气开采开发一般有低投入、低产出的特点，就要求压裂液必须成本低、易实施、伤害小、携砂性能好等特点，才能在煤层气压裂中得到大规模推广。

由于煤储层的渗透率低，目前大规模应用于常规砂岩储层的胍胶和聚合物冻胶压裂液，由于聚合物分子量大，在水中分散溶解性差，水不溶性高，压裂结束后，有相当一部分水不溶物（20%～60%）和未彻底破胶的大分子驻留在地层裂缝中，返排率较差，使地层渗透率下降，降低了压裂改造效果，所以一般不用于煤层气的储层改造。煤层气层主要使用活性水压裂液，目前占到了煤层气压裂液市场的90%以上，但是其携砂能力较差。而油气田压裂中普遍使用的清洁压裂液虽然具有低伤害，携砂性能好等特点，但其成本较高，普遍高于800元/m³以上，这些均无法满足煤层气井压裂的需要。

CN101805600A（CN201010150239.9）公开了一种适合煤层气储层的冻胶压裂液，由质量分数为0.3％～0.5％的非离子聚丙烯酰胺、0.014％～0.04％的氧氯化锆(ZrOCl2)作交联剂、0.01％～0.12％的盐酸作pH调节剂、0.06％～0.12％的破胶剂和余量水组成，破胶剂是由过硫酸铵和亚硫酸钠按质量比为(1.0～3.0)∶1所组成的氧化还原体系，能使冻胶在低温条件破胶。该发明所提出的冻胶压裂液成冻时间和破胶时间可调，具有低温交联速度快、粘度大、低滤失、破胶彻底且破胶液无残渣、易返排的特点，能有效地提高煤层气产能。CN101948684A（CN201010296038.X）提供了一种煤层气井压裂用新型活性水压裂液，常用的活性水压裂液一般由清水、防膨剂(常用氯化钾)和助排剂(通常是表面活性剂的复配物，油田常用助排剂有D-60和HP-8等)按一定比例配制而成。该活性水压裂液在压裂施工时表现出摩阻高及对压裂施工过程中产生的煤粉无分散作用的缺陷。本发明是在常用的活性水压裂液中添加降阻剂(阴离子或非离子聚丙烯酰胺)和煤粉分散剂(木质素磺酸盐，如木质素磺酸钠)配制而成。按质量百分比，氯化钾占1％～2％，降阻剂占0.02％～0.06％，分散剂占0.01％～0.03％。本发明具有配方简单，降低施工管柱摩阻，均匀分散煤粉的作用，对煤层的伤害小、易返排的特点。CN102031103A（CN201010548539.2）一种CO₂清洁泡沫压裂液体系，该压裂液体系由下述质量百分数的组分组成：水溶性疏水缔合聚合物为0.3-0.8%、流变助剂为0.25-0.55%、粘土稳定剂为0.5-3.0%、起泡剂为0.1-0.5%、破胶剂为0.01-0.2%、液态CO₂为30.0-80.0%、余量为水。该发明用液态CO₂清洁泡沫压裂液体系无需交联剂，起泡性好、稳泡能力高、携砂能力强，而且破胶易控制，破胶后无残渣，破胶液表/界面张力低，对地层伤害小，可用于60-140℃低渗、低压、水敏性储层的压裂改造。

发明内容

针对以上现有技术的不足，本发明提供一种压裂效果较好的煤层气氮气泡沫压裂液及其制备方法。

术语说明：

气液比，指氮气体积与液相体积比。

本发明的技术方案如下：

一种煤层气氮气泡沫压裂液，包括气相和液相,气相是氮气,液相是含有0.20~0.50wt%起泡剂、0.4~1.0wt%稳泡剂、0.10~0.30wt%破胶剂的水溶液，气相和液相的气液比为（2~4）∶1体积比，其中：

起泡剂是由十二烷基硫酸钠和N-（2-羟基丙基）全氟辛酰胺按质量比（8~10）∶1组成的复配体系，稳泡剂为C₁₆~C₂₀烷基三甲基氯化铵，破胶剂是由过硫酸铵和亚硫酸钠按质量比（1.0~2.0）∶1组成的氧化还原体系。

本发明的压裂液中，氮气具有较强的稳定性，且不改变液相体系的pH值，气液比（氮气体积与液相体积比）控制在（2~4）∶1范围内，相应泡沫质量为65%～80%。优选的，气液比为4∶1体积比，相应泡沫质量为80%。

本发明的压裂液中，起泡剂是由十二烷基硫酸钠（SDS）和N-（2-羟基丙基）全氟辛酰胺（FCS-1）按照质量比（8~10）∶1组成的复配体系，该复配体系不仅降低了起泡剂使用浓度，而且产生的泡沫具有较大的起泡体积和较长的半衰期，在压裂液液相（水溶液）中的质量分数为0.20%~0.50%；优选的，起泡剂在压裂液液相（水溶液）中的含量为0.22~0.45wt%。

本发明的压裂液中，稳泡剂C₁₆~C₂₀烷基三甲基氯化铵为粘弹性表面活性剂VES-A，通过形成具有一定体系结构的粘弹性溶液从而实现稳泡作用，VES-A在压裂液液相（水溶液）中的质量分数为0.4%~1.0%；优选的稳泡剂为十六烷基三甲基氯化铵或十八烷基三甲基氯化铵；优选的稳泡剂在压裂液液相（水溶液）中的含量为0.22~0.45wt%。

本发明的压裂液中，破胶剂是由过硫酸铵（NH₄S₂O₈）和亚硫酸钠（Na₂SO₃）按质量比为（1.0~2.0）∶1所组成的氧化还原体系，能使泡沫压裂液消泡后的基液粘度小于5mPa·s，破胶剂在压裂液液相（水溶液）中的质量分数为0.10%~0.30%，30℃下破胶时间为1.0~3.0h；优选的，破胶剂在压裂液液相（水溶液）中的含量为0.2~0.3wt%，过硫酸铵（NH₄S₂O₈）和亚硫酸钠（Na₂SO₃）质量比优选1:1。

上述含有起泡剂、稳泡剂、破胶剂的水溶液也称起泡液，本发明的煤层气氮气泡沫压裂液通过将氮气与起泡液同时注入泡沫发生器而制得。

根据本发明，一种煤层气氮气泡沫压裂液的制备方法，步骤如下：

按配比，配制含有起泡剂、稳泡剂、破胶剂的水溶液作为液相，放入药剂容器中，通过泵注入泡沫发生器；与此同时，将氮气通过气体质量流量计，注入泡沫发生器；控制氮气和液相各自的注入速度，使气液比为（2~4）∶1体积比，即可获得本发明的泡沫压裂液。

以上氮气泡沫压裂液的制备方法中，优选的，氮气注入速度为10~40ml/min，液相注入速度为5~10ml/min，且使气液比在（2~4）∶1体积比范围内。进一步优选的，控制氮气注入速度为10~20ml/min，液相注入速度为5ml/min。

本发明的氮气泡沫压裂液的应用，作为煤层气储层改造用处理剂，可用于水敏、低温的煤层气井压裂，是一种低伤害、高携砂能力的水基氮气泡沫压裂液。

本发明的氮气泡沫压裂液是由氮气、起泡剂、稳泡剂、破胶剂和水组成。与活性水压裂液和植物胶压裂液相比，氮气泡沫压裂液体系具有摩阻小，滤失系数低、液体滤失量小，良好的携砂和流变性能，破胶彻底且破胶液无残渣、对地层伤害小，表面张力低、易于返排，压裂液返排速度快、排出程度高等特点，因此，能有效地提高煤层气产能。本发明稳泡剂选用粘弹性表面活性剂VES-A，通过形成具有一定体系结构的粘弹性溶液从而实现稳泡作用。

本发明的氮气泡沫压裂液加入了泡沫的成分，增加了压裂液的携砂性能和降低了压裂液的滤失性能，同时泡沫的加入降低了压裂液体系液相的比例，减小了配液量。它具有配液简单、流变性能好、伤害小、携砂好、易返排等优点，易于在煤层气储层压裂液改造中推广，它是一种无残渣的低伤害氮气泡沫压裂液。

附图说明

图1是氮气泡沫压裂液的制备流程示意图。1、氮气瓶，2、压力表，3、气体质量流量计，4、药剂容器，5、起泡液（液相），6、泵，7、泡沫发生器，8、泡沫收集容器。

图2是实施例中使用的现有FG-1型泡沫发生器装置示意图。11、堵头；12、不锈钢軳片孔隙网；13、泡沫发生器主体；14、反纹螺丝。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明，但并不限制本发明。各实施例中的百分比均为质量百分比，所用的化学药品均为工业品。实施例中使用的泡沫发生器为FG-1型，结构如图2所示（江苏海安华安科研仪器有限公司），该泡沫发生器主要由泡沫发生器主体13、堵头11、反纹螺丝14和不锈钢軳片孔隙网12组成。当起泡液和气体分别通过进液口和进气口进入主体内，由于反纹螺丝作用使其充分混合，再经过孔隙网让产生的泡沫剪切成体积大小相对均一的泡沫从出口出去。

实施例1：

一种煤层气氮气泡沫压裂液，包括气相和液相,气相是氮气,液相是含有0.45wt%起泡剂、1.0wt%稳泡剂、0.20wt%破胶剂的水溶液，气相和液相的气液比为3∶1体积比，通过泡沫发生器制得；其中：起泡剂是由十二烷基硫酸钠和N-（2-羟基丙基）全氟辛酰胺按质量比8∶1组成的复配体系，稳泡剂为粘弹性表面活性剂十六烷基三甲基氯化铵，破胶剂是由过硫酸铵和亚硫酸钠按质量比1∶1组成的氧化还原体系。

制备方法：制备流程示意图如图1所示。

配制含有0.05%N-（2-羟基丙基）全氟辛酰胺（FCS-1），0.4%十二烷基硫酸钠（SDS），1.0%十六烷基三甲基氯化铵（VES-A），0.1%NH₄S₂O₈和0.1%Na₂SO₃水溶液，放入药剂容器4中，通过泵6以5ml/min速度注入泡沫发生器7，与此同时，将氮气从氮气瓶1放出，通过设置气体质量流量计3的流量，将氮气以15ml/min速度注入泡沫发生器7；将起泡液5和氮气以各自注入速度同时注入泡沫发生器中，控制氮气与液相体积比为3∶1，即泡沫质量为75%，通过泡沫发生器获得氮气泡沫压裂液。

将上述氮气泡沫压裂液在30℃，1.5MPa，170s^-1下剪切30min，体系粘度基本保持在87mPa·s；3h破胶，破胶后体系粘度小于5mPa·s，没有残渣，破胶后体系的表面张力为15.42mN/m，具有较强的返排能力。

实施例2：

配制含有0.02%N-（2-羟基丙基）全氟辛酰胺，0.2%十二烷基硫酸钠，0.4%十六烷基三甲基氯化铵，0.15%NH₄S₂O₈和0.15%Na₂SO₃的起泡液水溶液，放入药剂容器中，通过泵以5ml/min速度注入泡沫发生器，同时，将氮气从氮气瓶放出，通过设置气体质量流量计的流量，将氮气以10ml/min速度注入泡沫发生器；将起泡液和氮气以各自注入速度同时注入泡沫发生器中，控制氮气与液相体积比为2∶1，即泡沫质量为67%，通过泡沫发生器获得氮气泡沫压裂液。

将上述氮气泡沫压裂液在30℃，1.5MPa，170s^-1下剪切30min，体系粘度基本保持在53mPa·s。2h破胶，破胶后体系粘度小于5mPa·s，破胶后体系均一，没有残渣，破胶后体系的表面张力为16.59mN/m，具有较强的返排能力。

实施例3：

配制含有0.02%FCS-1，0.2%SDS，0.4%十八烷基三甲基氯化铵，0.15%NH₄S₂O₈和0.15%Na₂SO₃的起泡液（液相水溶液），放入药剂容器中，通过泵以5ml/min速度注入泡沫发生器；与此同时将氮气从氮气瓶放出，通过设置气体质量流量计的流量，将氮气以20ml/min速度注入泡沫发生器；将起泡液和氮气以各自注入速度同时注入泡沫发生器中，控制氮气与液相体积比为4∶1，即泡沫质量为80%，通过泡沫发生器获得氮气泡沫压裂液。

将上述氮气泡沫压裂液在30℃，1.5MPa，170s^-1下剪切30min，体系粘度基本保持在90mPa·s。1h破胶，破胶后体系粘度小于5mPa·s，没有残渣，破胶后体系的表面张力为16.23mN/m，具有较强的返排能力。

Claims

1.一种煤层气氮气泡沫压裂液，包括气相和液相,其特征在于，气相是氮气,液相是含有0.20~0.50wt%起泡剂、0.4~1.0wt%稳泡剂、0.10~0.30wt%破胶剂的水溶液，气相和液相的气液比为（2~4）∶1体积比，其中：

起泡剂是由十二烷基硫酸钠和N-（2-羟基丙基）全氟辛酰胺按质量比（8~10）∶1组成的复配体系，稳泡剂为C₁₆~C₂₀烷基三甲基氯化铵粘弹性表面活性剂（VES-A），破胶剂是由过硫酸铵和亚硫酸钠按质量比（1.0~2.0）∶1组成的氧化还原体系。

2.如权利要求1所述的煤层气氮气泡沫压裂液，其特征在于，气相和液相的气液比为4∶1体积比。

3.如权利要求1所述的煤层气氮气泡沫压裂液，其特征在于，起泡剂在压裂液液相中的含量为0.22~0.45wt%。

4.如权利要求1所述的煤层气氮气泡沫压裂液，其特征在于，稳泡剂为十六烷基三甲基氯化铵或十八烷基三甲基氯化铵。

5.如权利要求1或4所述的煤层气氮气泡沫压裂液，其特征在于，稳泡剂在压裂液液相中的含量为0.22~0.45wt%。

6.如权利要求1所述的煤层气氮气泡沫压裂液，其特征在于，稳泡剂破胶剂在压裂液液相中的含量为0.2~0.3wt%，过硫酸铵（NH₄S₂O₈）和亚硫酸钠（Na₂SO₃）质量比为1:1。

7.权利要求1~6任一项所述的煤层气氮气泡沫压裂液的制备方法，步骤如下：

按配比，配制含有起泡剂、稳泡剂、破胶剂的水溶液作为液相，放入药剂容器中，通过泵注入泡沫发生器；与此同时，将氮气通过气体质量流量计，注入泡沫发生器；控制氮气和液相各自的注入速度，使气液比为（2~4）∶1体积比，即得氮气泡沫压裂液。

8.如权利要求7所述的煤层气氮气泡沫压裂液的制备方法，其特征在于，氮气注入速度为10~20ml/min，液相注入速度为5ml/min。