CN104119853B - 一种空气泡沫压裂液的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种空气泡沫压裂液的制备方法，其特征工艺步骤如下：将锂皂石加入到50～90℃去离子水中，搅拌分散均匀，降至室温，静置陈化一段时间后得到锂皂石水分散液，然后加入一定量阳离子表面活性剂，均匀搅拌，静置陈化，最后加入起泡剂，在高速乳化机上高速搅拌，即得到空气泡沫压裂液。制备的空气泡沫压裂液半衰期高达768h，具有超强的泡沫稳定性，表观粘度高达2000mPa·s，耐温性达90℃，具有较高的泡沫强度和耐温性，沉降时间高达720h，具有极高的携砂能力，适用于常规和非常规油气资源(煤层气、页岩气及页岩油等)的勘探开发。

Description

一种空气泡沫压裂液的制备方法

一、技术领域

本发明涉及一种空气泡沫压裂液的制备方法，本发明制备的空气泡沫压裂液适用于常规和非常规油气资源(煤层气、页岩气及页岩油等)的勘探开发。

二、背景技术

压裂作为油气藏的主要增产、增注措施已得到迅速发展和广泛应用，压裂液是压裂技术的重要组成部分。目前，国内外最常使用的压裂液为水基压裂液，其大致可分为三种类型：(1)天然植物胶压裂液；(2)纤维素压裂液；(3)合成聚合物压裂液。随着水力压裂技术的进步，为使支撑剂远离井眼达到深穿透，国外从60年代末就开始使用高粘度的交联压裂液。交联压裂液的发展，保证了高温深层压裂施工的成功。但是如果压裂液在地面交联，施工时以高速进入管线和通过炮眼，高速剪切仍然会造成严重的剪切降解，产生永久的粘度损失。因此，在80年代，水基压裂液一个显著的发展是采用了延迟交联技术，这使得压裂液可产生较高的井下最终粘度和更好的施工效率。

上述几种压裂液体系，已在国内外各油田得到广泛的应用，并取得良好的增产效果。但使用这些压裂液体系共同的缺陷，就是压裂液破胶不完全,而且破胶后残渣将残留在裂缝内，残留在裂缝中的聚合物将严重的降低支撑剂充填层的渗透率，从而伤害产层，导致压裂效果变差。据资料介绍，从传统施工返排的流体和低浓度瓜胶液分析表明：即使在低渗透性油藏，仅有注入聚合物的35％～40％能被返排出来，而残余的聚合物留在裂缝中降低了充填层的渗透率进而影响油井产量。

泡沫压裂液是在常规植物胶压裂液基础上混拌高浓度的液态N2或CO2等组成的以气相为内相、液相为外相的低伤害压裂液。气体泡沫质量(在给定温度和压力下，气体体积占泡沫体积百分比)多为50％～70％,泡沫质量小于52％时为增能体系，一般用作常规压裂后的尾追液，以帮助压后残液的返排；气泡质量大于52％时，内相气泡颗粒小，稳定性好，半衰期(从泡沫中分离出一半液体所需要的时间)长，分布均匀，流动时气泡与气泡相互接触，相互干扰，使其黏度大，携砂能力强；泡沫压裂液中液相比例小，一般只有30％～50％，压裂中大大降低了液相在地层中的滤失量，伤害性小；泡沫压裂液注入地层后泡沫被压缩，体系聚积能量(压力)，压裂结束后聚集的能量使气体膨胀，向外反顶压裂液残液，驱使残液快速而彻底返排，并将缝中残渣带出井筒；泡沫压裂液在井筒中能形成气流与管壁的滑流层而处于层流状态，其流动摩阻小，只有常规压裂液的30％～40％。泡沫压裂液的这些优点，特别适用低温、低压、水敏或水锁等敏感性强的油气井的压裂改造，目前国外泡沫压裂液的应用比例达30％～50％。

国外泡沫压裂液研究大致经历了4个阶段：第一代泡沫压裂液(70年代)主要由盐水、酸类、甲醇、原油、N2和起泡剂配制而成，其泡沫稳定性差，寿命短，携砂浓度只有120～240kg/m3，适合于浅井小规模施工；第二代泡沫压裂液(80年代)由盐水、起泡剂、聚合物(植物胶)、稳泡剂和N2或CO2组成，其泡沫稳定性好、寿命长、黏度大，携砂浓度可达480～600kg/m3,适合各类油气井压裂施工；第三代泡沫压裂液(80～90年代)由盐水、起泡剂、聚合物、交联剂、N2或CO2组成,以交联冻胶体为稳泡剂，气泡分散更均匀、更稳定、黏度更大,携砂浓度可大于600kg/m3，适合高温深井压裂施工；第四代泡沫压裂液(90年代后)在组成上与第三代差异不大，但更强调内相气泡的分布和体积的控制，具有抗温耐剪切性更好、气泡寿命更长、黏度更大、携砂能力更强的特点，携砂浓度可达1440kg/m3以上，加砂规模可达150t以上，可满足大型加砂压裂施工的需要。

国内对泡沫压裂液的研究与应用始于上世纪80年代后期。1988年辽河油田成功进行了N2泡沫压裂液施工，1997年吉林油田引进美国SS公司CO2泡沫压裂液设备进行了油层吞吐和CO2助排压裂的应用，从此拉开了国内泡沫压裂液研究及应用的序幕。国内泡沫压裂液研究可分为非交联泡沫压裂液研究和交联泡沫压裂液研究及应用两部分，交联泡沫压裂液研究及应用又分酸性交联CO2泡沫压裂液研究及应用和有机硼(碱性)交联N2泡沫压裂液研究及应用两部分。

发明专利《低渗气藏的液氮伴注超级胍胶泡沫压裂液及其制备方法》(申请号201010579011.1)报道了一种低渗气藏的液氮伴注超级胍胶泡沫压裂液，该泡沫压裂液属于有机硼交联泡沫压裂液，将基液与有机硼交联液混合均匀得到半成品低渗气藏的液氮伴注超级胍胶泡沫压裂液，在半成品低渗气藏的液氮伴注超级胍胶泡沫压裂液中追加破胶剂和伴注液氮得到现场施工用的低渗气藏的液氮伴注超级胍胶泡沫压裂液。该发明泡沫性能稳定，优选的发泡剂加量为0.5％时，在清水中发泡体积为750ml，半衰期为4min，交联冻胶泡沫半衰期长达50h，但该压裂液是在碱性条件下交联的，对碱敏性储层造成碱敏损害。当高pH工作液进入储层后，会与粘土矿物等地层微粒反应，破坏粘土微结构的稳定性。另外，高pH外界流体进入储层后，还会引起无机垢的生成，同样会损害储层，降低储层渗流能力。

发明专利《自生气泡沫压裂液及其生产方法和使用方法》(申请号201210079864.8)报道了一种自生气泡沫压裂液及其生产方法和使用方法。该自生气泡沫压裂液由基液和反应液组成，该基液组成为：水解聚丙烯酰胺、亚硝酸钠、氯化铵、起泡剂、粘土稳定剂、杀菌剂、水；该反应液按重量份组成为：三氯化铝、盐酸、水。该发明具有以下优点：反应时释放出大量的惰性气体，增加了储层的压力，具有很好助排能力同时形成泡沫结构，大大降低滤失性，减小压裂液对储层伤害；在弱酸性(pH＝4.0至6.0)条件下交联，防止了碱敏，降低对储层伤害；与“液氮伴注”技术相比，减少了施工费用，简化了施工工序，避免了液氮存放引发的安全问题，但该方法形成的泡沫稳定性不好，无法有效控制泡沫的结构，起泡效率较低。

发明专利《煤层气氮气泡沫压裂液及其制备方法》(申请号201210290466.0)报道了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～C 20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，将氮气注入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。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53-90mPa·s；1-3h破胶，破胶后体系粘度小于5mPa·s，没有残渣，但该发明泡沫压裂液施工设备复杂而昂贵，施工成本高，施工成本的回收期较长。

泡沫要想应用到油气田最先需要克服的就是泡沫的稳定性问题，现在国内多数油气田已经进入了开发后期，油气井含水量逐渐增大，随着我国油气开采技术水平的不断发展和提升，我国油气田深井和超深井越来越多，高矿化度、高温苛刻地层越来越多，使得原本就不稳定的泡沫的应用受到了很大的局限。目前泡沫压裂液研究虽然取得了长足进展，但是高稳定性耐高温泡沫研究比较少，现有的泡沫体系已经不能满足当前高矿化度、高温苛刻油气层的需要，如何进一步提高泡沫压裂液耐温性和内相气泡的稳定性，以进一步提高泡沫压裂液的携砂能力是泡沫压裂液研究发展的主要方向。

三、发明内容

有鉴于此，本发明的目的就是在提供一种空气泡沫压裂液的制备方法，采用纳米及纳米修饰改性技术，以纳米锂皂石为稳泡剂和高温稳定剂，进一步提高空气泡沫压裂液的抗温性、携砂性和稳定性。与普通泡沫仅数小时至几十小时的半衰期相比较，本发明制备的空气泡沫压裂液半衰期最高达768h，具有超强的泡沫稳定性，表观粘度最高达2000mPa·s，耐温性达90℃，具有较高的泡沫强度和耐温性，沉降时间最高达720h，具有极高的携砂能力。

根据本发明的目的，提出了一种空气泡沫压裂液的制备方法，其特征有如下工艺步骤：

1)将2～9g锂皂石加入到50～90℃300mL去离子水中，搅拌30～60min，分散均匀，然后降至室温，静置陈化36～48h，得到锂皂石水分散液。

2)将0.8～3.6g阳离子表面活性剂加入到锂皂右水分散液中，均匀搅拌12～24h，静置陈化6～12h，加入0.6～1.5g起泡剂，然后在高速乳化机上以5000～10000rpm的速度搅拌3～6min，即得到空气泡沫压裂液。

本发明所使用的阳离子表面活性剂选自十六烷基三甲基溴化铵、十八烷基三甲基溴化铵、十六烷基三乙基溴化铵、十八烷基三乙基溴化铵、十六烷基三甲基氯化铵、十六烷基三乙基氯化铵、十二烷基三甲基溴化铵和十二烷基三甲基氯化铵。

本发明所使用的起泡剂选自十二烷基醇聚氧乙烯醚硫酸钠、十二烷基硫酸铵、十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠、十二醇聚氧乙烯醚磺基琥珀酸酯二钠、十二烷基磷酸酯三乙醇胺、十二烷基磷酸酯钾盐和月桂醇聚氧乙烯醚羧酸钠。

本发明制备的空气泡沫压裂液室温表观粘度为200～2000mPa·s，90℃表观粘度为50～400mPa·s，起泡效率为50～100％，半衰期为100～768h，沉降时间为10～720h，水破胶时间为30～60min，水破胶后泡沫压裂液表观粘度低于5mPa·s。

本发明的优点和效果是：

1)与普通泡沫压裂液相比较，本发明制备的泡沫压裂液直接高速搅拌即可形成空气泡沫压裂液，不需要特殊的配气及搅拌装置，不需要控制气液比，配制成本较低，使用简便，可广泛应用于油气田深井、超深井的钻井完井中。

2)本发明制备的泡沫压裂液在长时间放置后，可通过搅拌来起泡，不需要重新加入起泡剂，起泡后体系的各项性能变化不大，仍然能够满足现场压裂的需要，这样可很好地节省压裂液成本。

3)本发明采用纳米及纳米修饰改性技术，以纳米锂皂石为稳泡剂和高温稳定剂，进一步提高空气泡沫压裂液的抗温性、携砂性和稳定性。与普通泡沫仅数小时至几十小时的半衰期相比较，本发明制备的空气泡沫压裂液半衰期最高达768h，具有超强的泡沫稳定性，表观粘度最高达2000mPa·s，耐温性达90℃，具有较高的泡沫强度和耐温性，沉降时间最高达720h，具有极高的携砂能力。

本发明所述的空气泡沫压裂液的起泡效率、半衰期、表观粘度、抗温性、携砂性能和破胶性能的测定方法如下。

空气泡沫压裂液起泡效率的测定

把100mL锂皂石分散体系在高速乳化机上以8000r/min快速搅拌5min制备泡沫，然后将得到的泡沫迅速倒入500mL的量筒中，并读取泡沫液的体积，起泡效率按下式计算：

η＝(V-V₀)/V₀×100％

式中η—起泡效率，％；V₀—初始液体的体积，mL；V—形成泡沫的体积，mL。

空气泡沫压裂液半衰期的测定

把100mL锂皂石分散体系在高速乳化机上以8000r/min快速搅拌5min制备泡沫，然后将得到的泡沫迅速倒入500mL的量筒中，同时开始计时，当500mL量筒中的泡沫析出50mL液体时，记录所消耗的时间，即为泡沫压裂液的半衰期。

空气泡沫压裂液表观粘度的测定

采用NXS-11B型旋转粘度计室温测定空气泡沫压裂液的表观粘度。

空气泡沫压裂液抗温性的测定

采用NXS-11B型旋转粘度计测定不同温度下空气泡沫压裂液表观粘度随温度的变化情况。

空气泡沫压裂液携砂性能的测定

将一定量的空气泡沫压裂液加入到10cm具塞量筒中，然后将直径为0.4～0.8cm的陶粒或者玻璃珠轻轻放入具塞量筒，测定陶粒或者玻璃珠到达具塞量筒底部所用的时间，即为沉降时间。

空气泡沫压裂液破胶性能的测定

在室温下将空气泡沫压裂液与去离子水按1:3的体积比混合，振荡均匀后观察破胶现象，计算破胶时间，采用NXS-11B型旋转粘度计测定破胶后的表观粘度。

四、具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐述本发明的内容，但是本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

实施例1：

将2g锂皂石加入到50℃300mL去离子水中，搅拌60min，分散均匀，然后降至室温，静置陈化36h，得到锂皂石水分散液。将0.8g十六烷基三甲基溴化铵加入到锂皂右水分散液中，均匀搅拌12h，静置陈化6h，加入0.6g十二烷基醇聚氧乙烯醚硫酸钠，然后在高速乳化机上以5000rpm的速度搅拌6min，即得到空气泡沫压裂液。室温表观粘度为200mPa·s，90℃表观粘度为50mPa·s，起泡效率为80％，半衰期为100h，沉降时间为10h，水破胶时间为30min，水破胶后泡沫压裂液表观粘度低于5mPa·s。

实施例2：

将9g锂皂石加入到90℃300mL去离子水中，搅拌30min，分散均匀，然后降至室温，静置陈化48h，得到锂皂石水分散液。将3.6g十八烷基三甲基溴化铵加入到锂皂右水分散液中，均匀搅拌24h，静置陈化12h，加入1.5g十二烷基硫酸铵，然后在高速乳化机上以10000rpm的速度搅拌3min，即得到空气泡沫压裂液。室温表观粘度为2000mPa·s，90℃表观粘度为400mPa·s，起泡效率为50％，半衰期为768h，沉降时间为720h，水破胶时间为60min，水破胶后泡沫压裂液表观粘度低于5mPa·s。

实施例3：

将3g锂皂石加入到60℃300mL去离子水中，搅拌50min，分散均匀，然后降至室温，静置陈化38h，得到锂皂石水分散液。将1.2g十六烷基三乙基溴化铵加入到锂皂右水分散液中，均匀搅拌16h，静置陈化8h，加入1.2g十二烷基硫酸钠，然后在高速乳化机上以8000rpm的速度搅拌5min，即得到空气泡沫压裂液。室温表观粘度为400mPa·s，90℃表观粘度为100mPa·s，起泡效率为100％，半衰期为236h，沉降时间为90h，水破胶时间为35min，水破胶后泡沫压裂液表观粘度低于5mPa·s。

实施例4：

将6g锂皂石加入到70℃300mL去离子水中，搅拌45min，分散均匀，然后降至室温，静置陈化42h，得到锂皂石水分散液。将2.4g十八烷基三乙基溴化铵加入到锂皂右水分散液中，均匀搅拌18h，静置陈化10h，加入1.3g十二烷基苯磺酸钠，然后在高速乳化机上以8000rpm的速度搅拌5min，即得到空气泡沫压裂液。室温表观粘度为900mPa·s，90℃表观粘度为220mPa·s，起泡效率为60％，半衰期为420h，沉降时间为360h，水破胶时间为45min，水破胶后泡沫压裂液表观粘度低于5mPa·s。

实施例5：

将8g锂皂石加入到80℃300mL去离子水中，搅拌35min，分散均匀，然后降至室温，静置陈化45h，得到锂皂石水分散液。将3.2g十二烷基三甲基溴化铵加入到锂皂右水分散液中，均匀搅拌20h，静置陈化11h，加入1.4g十二烷基磷酸酯三乙醇胺，然后在高速乳化机上以8000rpm的速度搅拌5min，即得到空气泡沫压裂液。室温表观粘度为1500mPa·s，90℃表观粘度为360mPa·s，起泡效率为55％，半衰期为660h，沉降时间为600h，水破胶时间为50min，水破胶后泡沫压裂液表观粘度低于5mPa·s。

Claims (2)

1.一种空气泡沫压裂液的制备方法，其特征在于有如下工艺步骤：

1）将2～9g锂皂石加入到50～90℃ 300mL去离子水中，搅拌30～60min，分散均匀，然后降至室温，静置陈化36～48 h，得到锂皂石水分散液；

2）将0.8～3.6g阳离子表面活性剂加入到锂皂石水分散液中，均匀搅拌12～24h，静置陈化6～12h，加入0.6～1.5g起泡剂，然后在高速乳化机上以5000～10000rpm的速度搅拌3～6min，即得到空气泡沫压裂液；所述的阳离子表面活性剂选自十六烷基三甲基溴化铵、十八烷基三甲基溴化铵、十六烷基三乙基溴化铵、十八烷基三乙基溴化铵、十六烷基三甲基氯化铵、十六烷基三乙基氯化铵、十二烷基三甲基溴化铵和十二烷基三甲基氯化铵；所述的起泡剂选自十二烷基醇聚氧乙烯醚硫酸钠、十二烷基硫酸铵、十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠、十二醇聚氧乙烯醚磺基琥珀酸酯二钠、十二烷基磷酸酯三乙醇胺、十二烷基磷酸酯钾盐和月桂醇聚氧乙烯醚羧酸钠。

2.根据权利要求1所述的一种空气泡沫压裂液的制备方法，其特征在于：所述的空气泡沫压裂液室温表观粘度为200～2000 mPa·s，90℃表观粘度为50～400 mPa·s，起泡效率为50～100%，半衰期为100～768h，沉降时间为10～720h，水破胶时间为30～60min，水破胶后泡沫压裂液表观粘度低于5mPa·s。