CN108130067A - 一种弱含水煤层气井用低伤害氮气泡沫压裂液 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种弱含水煤层气井用低伤害氮气泡沫压裂液及其制备方法，该泡沫压裂液气相为氮气，液相为添加剂溶液，泡沫质量为60～80％。本低伤害氮气泡沫压裂液，按质量百分数计，其由0.5～1.5％的起泡剂、0.3～0.7％的稳泡剂、0.2～0.6％的粘土稳定剂、0.1～1.0％的助解吸剂和96.2～98.9％的水。起泡剂主要是一种阴离子表面活性剂，稳泡剂主要是一种两性离子表面活性剂，粘土稳定剂主要是一种无机盐，助解吸剂主要是一种氟碳表面活性剂。该泡沫压裂液不含大分子添加剂，具有较好的耐温抗剪切性能、悬砂能力强、煤粉分散性能好、煤岩心伤害为负，对弱含水煤层气的高效开发和储层保护具有重大意义。

Description

一种弱含水煤层气井用低伤害氮气泡沫压裂液
技术领域
本发明涉及非常规煤层气开采技术领域，且特别涉及一种适用于弱含水煤层气井开发的低伤害氮气泡沫压裂液。
背景技术
滇东黔西地区地质类型独特，煤层气资源丰富，预测储量达49117.9×108m3，占全国煤层气资源的13％，属煤层气大型富气区。该地区煤层气勘探今年获得显著突破，显示出巨大的开发潜力，且已在多个区块开展了约百余口井的煤层气勘探试采作业，一些地区获得了良好的工业气流。颠东黔西地区将是全国下一步煤层气重点开发的重要区域。
该地区煤储层具有低温、弱含水、构造煤发育等特点，在前期的试采实验中，采用了清水压裂液、线性凝胶压裂液等多种压裂液进行压裂施工，所得结果均不理想，经分析认为是因大量的液态水、添加剂的进入对储层造成了伤害，从而导致增产改造效果不好。
为使颠东黔西地区的弱含水煤层气能得到高效的开发，需要一种含液量少，对储层伤害较小的压裂液。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于弱含水煤层气井开发的低伤害氮气泡沫压裂液，该泡沫压裂液不含大分子添加剂，具有较好的耐温抗剪切性能、悬砂能力强、煤粉分散性能好、煤岩心伤害为负以及具有粘土防膨、缩膨能力，可以用作弱含水煤层的压裂液。
本发明的另一个目的还在于提供一种适用于弱含水煤层气井开发的低伤害氮气泡沫压裂液的制备方法。
本发明解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。
本发明提出一种适用于弱含水煤层气井开发的低伤害氮气泡沫压裂液，按质量百分数计，其包括：0.5～1.5％的起泡剂、0.3～0.7％的稳泡剂、0.2～0.6％的粘土稳定剂、0.1～1.0％的助解吸剂和96.2～98.9％的水。
其中，所述起泡剂选自α-烯烃磺酸钠、十二烷基磺酸钠、十二烷基苯磺酸钠以及十二烷基硫酸钠中的至少一种。
所述稳泡剂选自芥酸酰胺丙基甜菜碱、芥酸酰胺丙基羟基磺基甜菜碱、十六烷基羟丙基磺基甜菜碱以及椰油酰胺丙基甜菜碱中的至少一种。
所述粘土稳定剂为氯化钠、氯化钾中的一种或两种任意比例的混合。
所述助解吸剂选自两性离子氟碳表面活性剂、复合氟碳表面活性剂、阳离子氟碳表面活性剂以及阴离子氟碳表面活性剂中的至少一种。
上述各种添加剂均可以直接从市场购得。
具体地，本发明提出一种适用于弱含水煤层气井开发的低伤害氮气泡沫压裂液的制备方法，其包括如下步骤：将所述的起泡剂、稳泡剂、粘土稳定剂以及助解吸剂加入水中，充分溶解后，高速搅拌搅拌即可得到适用于弱含水煤层气井开发的低伤害氮气泡沫压裂液。
本发明提出的适用于弱含水煤层气井开发的低伤害氮气泡沫压裂液及其制备方法的有益效果是：
本发明的低伤害氮气泡沫压裂液，具有较好的耐温抗剪切性能、悬砂能力强、煤粉分散性能好、煤岩心伤害为负以及具有粘土防膨、缩膨能力，是一种适用于弱含水煤层气井开发的低伤害氮气泡沫压裂液。本发明的泡沫压裂液以氮气为气相，施工条件比CO2泡沫压裂液更简单，对施工工具的要求更低。本发明的氮气泡沫压裂液不使用大分子添加剂，利用表面活性剂间的协同效应来达到稳定泡沫的目的，使制备出的压裂液不会堵塞地层，吸附伤害更小。本发明的原料易得，方法简单易操作，制备时间短，适于工业化生产，可广泛应用于弱含水煤层气井的压裂施工作业。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
图1为本发明提供的低伤害氮气泡沫压裂液的黏度曲线图(测试温度为40℃，剪切速率为170s-1)；
图2为本发明提供的低伤害氮气泡沫压裂液的悬砂性能实验示意图；
图3为本发明提供的低伤害氮气泡沫压裂液的煤粉分散性能实验示意图；
图4为本发明提供的低伤害氮气泡沫压裂液的煤岩心伤害性能实验的渗透率曲线。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
下面对本发明实施例的一种适用于弱含水煤层气井开发的低伤害氮气泡沫压裂液及其制备方法进行具体说明。
本发明实施例提供的低伤害氮气泡沫压裂液，按质量百分数计，其包括：0.5～1.5％的起泡剂、0.3～0.7％的稳泡剂、0.2～0.6％的粘土稳定剂、0.1～1.0％的助解吸剂和96.2～98.9％的水。
具体地，起泡剂选自α-烯烃磺酸钠、十二烷基磺酸钠、十二烷基苯磺酸钠以及十二烷基硫酸钠中的至少一种。
具体地，稳泡剂选自芥酸酰胺丙基甜菜碱、芥酸酰胺丙基羟基磺基甜菜碱、十六烷基羟丙基磺基甜菜碱以及椰油酰胺丙基甜菜碱中的至少一种。
具体地，粘土稳定剂选自氯化钠、氯化钾中的一种或两种任意比例的混合
具体地，助解吸剂选自两性离子氟碳表面活性剂、复合氟碳表面活性剂、阳离子氟碳表面活性剂以及阴离子氟碳表面活性剂中的至少一种。
上述低伤害氮气泡沫压裂液的制备方法，包括如下步骤：
按质量百分数计，将0.5～1.5％的起泡剂、0.3～0.7％的稳泡剂、0.2～0.6％的粘土稳定剂以及0.1～1.0％的助解吸剂加入96.2～98.9％的水中，完全溶解后，高速搅拌得到本低伤害氮气泡沫压裂液。具体地，在制备低伤害氮气泡沫压裂液时，只需要将四种物质加入到水中，充分溶解后，高速搅拌即可。在本发明较佳的实施例中，搅拌的速度为6000r/min～10000r/min，搅拌时间为1min～3min，保证压裂液基液的充分发泡。本低伤害氮气泡沫压裂液中各添加剂的配比影响低伤害氮气泡沫压裂液的泡沫质量。
在本实施例中，优选以氮气为起泡气体，将本低伤害氮气泡沫压裂液基液与氮气同时注入井筒，对地层进行压裂。一方面，避免了使用液态二氧化碳需要高成本专用设备的问题；另一方面，也避免了二氧化碳溶于水中后，生成的碳酸对井筒、管柱的腐蚀问题。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
在机械搅拌条件下，按质量百分数计，配制100mL的低伤害氮气泡沫压裂液基液，包括 0.5％的十二烷基苯磺酸钠，0.7％的芥酸酰胺丙基甜菜碱，0.6％的氯化钾，1％的阳离子氟碳表面活性剂以及97.2％的水。在6000r/min的转速下搅拌3min后得到低伤害氮气泡沫压裂液。
实施例2
在机械搅拌条件下，按质量百分数计，配制100mL的低伤害氮气泡沫压裂液基液，包括 0.5％的十二烷基硫酸钠，0.3％的十六烷基羟丙基磺基甜菜碱，0.2％的氯化钾，0.1％的复合氟碳表面活性剂以及98.9％的水。在10000r/min的转速下搅拌3min后得到低伤害氮气泡沫压裂液。
实施例3
在机械搅拌条件下，按质量百分数计，配制100mL的低伤害氮气泡沫压裂液基液，包括 1.5％的十二烷基磺酸钠，0.6％的芥酸酰胺基羟基磺基甜菜碱，0.6％的氯化钠，0.4％阴离子氟碳表面活性剂以及96.9％的水。在8000r/min的转速下搅拌2min后得到低伤害氮气泡沫压裂液。
实施例4
在机械搅拌条件下，按质量百分数计，配制100mL的低伤害氮气泡沫压裂液基液，包括 1.5％的十二烷基硫酸钠，0.7％的椰油酰胺丙基甜菜碱，0.6％的氯化钾，1％的阴离子氟碳表面活性剂以及96.2％的水。在7000r/min的转速下搅拌2min后得到低伤害氮气泡沫压裂液。
实施例5
在机械搅拌条件下，按质量百分数计，配制100mL的低伤害氮气泡沫压裂液基液，包括 1％的十二烷基硫酸钠，0.5％的椰油酰胺丙基甜菜碱，0.5％的氯化钾，0.5％的两性离子氟碳表面活性剂以及97.5％的水。在8000r/min的转速下搅拌1min后得到低伤害氮气泡沫压裂液。
实施例6
在机械搅拌条件下，按质量百分数计，配制100mL的低伤害氮气泡沫压裂液基液，包括 1％的α-烯烃磺酸钠，0.4％的芥酸酰胺丙基甜菜碱，0.3％的氯化钠，0.5％的两性离子氟碳表面活性剂以及97.8％的水。在8000r/min的转速下搅拌3min后得到低伤害氮气泡沫压裂液。
实施例7
在机械搅拌条件下，按质量百分数计，配制100mL的低伤害氮气泡沫压裂液基液，包括 1.5％的十二烷基苯磺酸钠，0.5％的十六烷基羟丙基磺基甜菜碱，0.2％的氯化钠，0.2％的氯化钾，0.5％的复合氟碳表面活性剂以及97.1％的水。在7000r/min的转速下搅拌1min后得到低伤害氮气泡沫压裂液。
实施例8
在机械搅拌条件下，按质量百分数计，配制100mL的低伤害氮气泡沫压裂液基液，包括0.8％的十二烷基磺酸钠，0.4％的芥酸酰胺丙基羟基磺基甜菜碱，0.2％的氯化钠，0.3％的氯化钾，0.2％的阳离子氟碳表面活性剂以及98.1％的水。在9000r/min的转速下搅拌1min后得到低伤害氮气泡沫压裂液。
实施例9
在机械搅拌条件下，按质量百分数计，配制100mL的低伤害氮气泡沫压裂液基液，包括 0.8％的α-烯烃磺酸钠，0.6％的芥酸酰胺丙基甜菜碱，0.1％的氯化钠，0.4％的氯化钾，0.4％的复合氟碳表面活性剂以及97.7％的水。在9000r/min的转速下搅拌2min后得到低伤害氮气泡沫压裂液。
实施例10
在机械搅拌条件下，按质量百分数计，配制100mL的低伤害氮气泡沫压裂液基液，包括 1％的十二烷基苯磺酸钠，0.4％的十六烷基羟丙基磺基甜菜碱，0.6％的氯化钾，0.5％的阴离子氟碳表面活性剂以及97.5％的水。在7000r/min的转速下搅拌3min后得到低伤害氮气泡沫压裂液。
试验例
采用实施例1～10的方法制得的低伤害氮气泡沫压裂液，测试低伤害氮气泡沫压裂液的起泡体积、半衰期以及黏度。
低伤害氮气泡沫压裂液制备完成后，在25℃下，测得低伤害氮气泡沫压裂液的起泡体积和半衰期；在40℃，170s-1下，通过高温高压流变仪(型号为：HAAKE RS600；生产厂商为：德国HAAKE公司)测得低伤害氮气泡沫压裂液在1h内黏度(本试验例中均为表观黏度)变化。测得的起泡体积、半衰期以及黏度数据见表1。
表1.低伤害氮气泡沫压裂液的各项指标检测数据
从表1可以看出，本发明实施例1～10的方法制得的低伤害氮气泡沫压裂液在25℃下起泡体积均超过390mL，半衰期均大于1000s，在40℃，170s-1下，1h内测得的表观黏度均超过50mPa·s，适用于水敏性非常储层的压裂改造。
应用例
在机械搅拌条件下，按质量百分数计，配制100mL的低伤害氮气泡沫压裂液基液，包括1.1％的α-烯烃磺酸钠，0.4％的芥酸酰胺丙基甜菜碱，0.5％的氯化钾，0.5％的两性离子氟碳表面活性剂以及97.5％的水。在7000r/min的转速下搅拌1min后得到低伤害氮气泡沫压裂液。
测得起泡后的低伤害氮气泡沫压裂液的总体积为455mL，半衰期为1110s，计算其泡沫质量为：(455mL-100mL)/455mL×100％＝78％。说明该氮气泡沫压裂液具有较好的起泡性能和稳泡性能。
本发明提供的低伤害氮气泡沫压裂液的耐温抗剪切性能评价如下：
实验背景：由于甜菜碱型两性离子表面活性剂具有黏弹性，加入了甜菜碱型两性离子表面活性剂后的氮气泡沫压裂液的黏弹性增强了，使得氮气泡沫压裂液具有较好的耐温抗剪切性能。
实验方法及结果：具体地，在40℃，170s-1下，通过高温高压流变仪测得低伤害氮气泡沫压裂液在2h内黏度变化曲线如图1所示。其黏度2h内在54～89mPa·s之间先增大后减小，说明该低伤害氮气泡沫压裂液具有良好的耐温抗剪切性能。
本发明提供的低伤害氮气泡沫压裂液的悬砂性能评价如下：
实验背景：由于甜菜碱型两性离子表面活性剂的加入，使得本发明的低伤害氮气泡沫压裂液的液相黏度提高，同时气泡尺寸、形状分布均匀，使该氮气泡沫压裂液具有较好的稳泡性能，从而提高了低伤害氮气泡沫压裂液的悬砂性能。
实验方法及结果：具体地，支撑剂沉降实验方法为，在25℃下，将1g20/40目的陶粒支撑剂加入100mL低伤害氮气泡沫压裂液基液中，共同起泡后，导入500mL量筒中进行观察。通过实验发现在80min(远超过低伤害氮气泡沫压裂液的半衰期)后泡沫中仍有超过50％的支撑剂没有发生沉降，实验结果如图2所示。说明本发明提供的低伤害氮气泡沫压裂液具有良好的悬砂性能。
本发明提供的低伤害氮气泡沫压裂液的煤粉性能评价如下：
实验目的：在压裂施工过程中，由于裂缝的产生、延伸，压裂液对煤岩的冲蚀、剪切、磨蚀作用，都会使煤岩破碎并半生煤粉。而煤粉易聚集堵塞，导致压裂施工压力过高；或在施工结束后，残留在煤层中的煤粉，堵塞渗流通道，使渗透率降低，导致改造失败。所以压裂液对煤粉的分散悬浮能力就显得尤为重要。
实验方法及结果：具体地，在25℃下，将10g煤粉加入100mL低伤害氮气泡沫压裂液基液中，共同起泡后，导入500mL量筒中进行观察。通过实验观察发现煤粉在泡沫中分散均匀，在24h后，即便所有的泡沫都破灭后，煤粉在低伤害氮气泡沫压裂液基液中仍然分散良好，实验结果如图3所示。说明本发明提供的低伤害氮气泡沫压裂液具有良好的煤粉分散性能。
本发明提供的低伤害氮气泡沫压裂液的伤害性能评价如下：
实验目的：由于目标区域煤层为弱含水，且在前期现场压裂施工试验中，存在有线性凝胶等压裂液对储层渗透率有较强伤害的现象，为确保本研究中所形成的泡沫压裂液对煤层渗透率的损害率能够满足施工需求，故需进行煤岩心伤害性能测试。
实验方法及结果：本实验方法参照据标准SY/T 5107-2005《水基压裂液性能评价方法》。具体地，将烘干后饱和了标准盐水的煤岩心放入岩心夹持器，用标准盐水从夹持器的反向端，以低于临界流速的速度挤入煤岩心，进行驱替，至流量及压差稳定后，读取数据，根据达西定律计算损害前煤岩心的渗透率K1；将压裂液基液从夹持器正向端挤入煤岩心，挤完后，关闭夹持器两端阀门，使压裂液在煤岩心中停留2h；按照第一步的方法，测定损害后煤岩心的渗透率K2；根据公式D＝(K1-K2)/K1×100％可计算出压裂液基液对煤岩心的伤害率。实验结果如图4所示，本发明提供的低伤害氮气泡沫压裂液的伤害率为负。
综上所述，本发明提供的低伤害氮气泡沫压裂液是一种起泡性能强，稳定性较好，耐温抗剪切性能良好，悬砂性能强，煤粉分散能力优秀，对煤岩心伤害率为负的氮气泡沫压裂液，对于弱含水煤层气的增产改造和储层保护，具有重要意义。
以上所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种适用于弱含水煤层气井开发的低伤害氮气泡沫压裂液，其特征在于，其主要是以氮气为气相，以添加剂溶液为液相配制而成，其泡沫质量为60～80％；
其中，所述添加剂溶液，其特征在于，按质量百分数计，由0.5～1.5％的起泡剂、0.3～0.7％的稳泡剂、0.2～0.6％的粘土稳定剂、0.1～1.0％的助解吸剂和96.2～98.9％的水制备而成。
2.根据权利要求1所述的适用于弱含水煤层气井开发的低伤害氮气泡沫压裂液，其特征在于，所述起泡剂为阴离子表面活性剂。
3.根据权利要求2所述的适用于弱含水煤层气井开发的低伤害氮气泡沫压裂液，其特征在于，所述阴离子表面活性剂选自α-烯烃磺酸钠、十二烷基磺酸钠、十二烷基苯磺酸钠以及十二烷基硫酸钠中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的适用于弱含水煤层气井开发的低伤害氮气泡沫压裂液，其特征在于，所述稳泡剂为两性离子表面活性剂。
5.根据权利要求4所述的适用于弱含水煤层气井开发的低伤害氮气泡沫压裂液，其特征在于，所述两性离子表面活性剂选自芥酸酰胺丙基甜菜碱、芥酸酰胺丙基羟基磺基甜菜碱、十六烷基羟丙基磺基甜菜碱以及椰油酰胺丙基甜菜碱中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的适用于弱含水煤层气井开发的低伤害氮气泡沫压裂液，其特征在于，所述粘土稳定剂为无机盐。
7.根据权利要求6所述的适用于弱含水煤层气井开发的低伤害氮气泡沫压裂液，其特征在于，所述无机盐为氯化钠、氯化钾中的一种或两种任意比例的混合。
8.根据权利要求1所述的适用于弱含水煤层气井开发的低伤害氮气泡沫压裂液，其特征在于，所述助解吸剂为氟碳表面活性剂。
9.根据权利要求8所述的适用于弱含水煤层气井开发的低伤害氮气泡沫压裂液，其特征在于，所述氟碳表面活性剂选自两性离子氟碳表面活性剂、复合氟碳表面活性剂、阳离子氟碳表面活性剂以及阴离子氟碳表面活性剂中的至少一种。
10.根据权利要求1所述的适用于弱含水煤层气井开发的低伤害氮气泡沫压裂液的制备方法，其特征在于，其包括以下步骤：
步骤1.按质量百分数计，将0.5～1.5％的起泡剂加入96.2～98.9％的水中，搅拌至完全溶解，配制成第一混合液；
步骤2.将0.3～0.7％的稳泡剂加入所述第一混合液中，完全溶解后制成第二混合液；
步骤3.将0.2～0.6％的粘土稳定剂加入所述第二混合液，溶解制成第三混合液；
步骤4.将0.1～1.0％的助解吸剂加入所述第三混合液，充分溶解后，配制成添加剂溶液；
步骤5.将添加剂溶液进行高速搅拌，即可得到所述适用于弱含水煤层气井开发的低伤害氮气泡沫压裂液。
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