CN109517592B - 一种油气田用超高特征值三相烟道气泡沫及其制备方法 - Google Patents

一种油气田用超高特征值三相烟道气泡沫及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种油气田用超高特征值三相烟道气泡沫及其制备方法。所述三相烟道气泡沫，由气相、液相和固相制成；气相为燃煤电厂产生的烟道气；液相为表面活性剂、pH值调剂和无机盐的水溶液；固相为粉煤灰和纳米二氧化硅的复合物；泡沫特征值为90％～99％。本发明超高特征值三相烟道气泡沫所使用的固相稳泡剂为粉煤灰颗粒与纳米二氧化硅颗粒的复配体系，不仅成本较低，而且可以在泡沫液膜上形成稳固的固相颗粒吸附层，大幅减弱泡沫的液膜破裂、气体扩散和气泡聚并等不稳定特征，有效提高泡沫的稳定性。本发明超高特征值三相烟道气泡沫体系可适应230℃高温，且其稳定性随压力升高而增强，具有良好的耐温性和耐压性，可适用于高温高压油气层的开发作业。

Description

一种油气田用超高特征值三相烟道气泡沫及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种油气田用超高特征值三相烟道气泡沫及其制备方法，属于油气田开发工程技术领域。
背景技术
泡沫是一种被国内外油气田开发工业广泛使用的作业流体，由于其具备独特的气液混合结构、复杂的液膜形态、可变的物性特征，在石油工程中发挥着不可替代的作用，并被评为高效智能流体。目前，泡沫几乎被应用到了油气开发的全过程中，在钻完井工程中，泡沫钻井液、泡沫完井液、泡沫压裂液已被成功应用；在采油工程中，各类氮气及二氧化碳泡沫被应用于调剖、堵水、驱油、酸化等作业，并不断被证明其在提高采收率过程中的独特作用；此外，泡沫也在冲砂、洗井、排液、诱喷等多种修井工艺中也发挥着突出优势。
随着我国经济快速发展，油气能源消耗日益增长，油气开发工业面临更大的挑战，特别是针对现阶段东部各大老油田已进入减产的特殊时期，中西部油田大规模开发持续加大，地面上荒漠、戈壁、高原环境面临极度缺水、高材料成本、生态脆弱等问题，地下深井和超深井增多，高温、超高温等苛刻油气藏环境增多，这也对各类油气开采工艺提出了更高的要求。目前，传统泡沫流体在新的油气开发形式下面临一些突出问题。首先，虽然泡沫中气体的存在一定程度降低了用水量，但泡沫的特征值较低(约为50％～80％)，即液体在泡沫中占比较高，约为20％～50％。这就意味着泡沫作业过程中仍然会消耗不少的水资源，使其在极度缺水地区的应用受到限制。例如在中国专利文件CN102766450B(申请号：201210290466.0)公开了一种煤层气氮气泡沫压裂液及其制备方法，该泡沫包括气相和液相两相，气相是氮气，液相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，液相为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％，该泡沫压裂液体系具有对煤层伤害小，滤失低，摩阻小，反排迅速和携砂能力强的有点。然而，这一技术在应用过程中，平均每注入2m3气体要至少消耗1m3的水，在大规模泡沫压裂中耗水量仍然较高，难以满足缺水地区的压裂要求。此外，泡沫中气相所采用的氮气也会进一步增加泡沫的整体应用成本，有必要为泡沫体系寻求一种的低成本的内相气体作为替代品。
同时，由于泡沫在高温刻地层条件下稳定性面临更大挑战，传统发泡液中通过添加的各类有机稳泡剂如植物胶、聚丙烯酰胺、胶束来提升泡沫基液粘度进而强化泡沫稳定性，但有机强化剂的耐温性能有限，泡沫的稳定性受到强化剂有效性的制约。近年来，无机纳米材料强化泡沫技术开始应用于石油工程行业，其作为新型强化泡沫体系越来越得到人们的关注，主要因为：无机纳米颗粒具有小尺寸、高表面自由能、耐受高温等优异的性质，能吸附在液液和气液界面上，增加液膜粘弹性，达到稳定和强化泡沫性能的目的。例如在中国专利文件CN105038756B(申请号：201510398725.5)公开了一种驱油用添加亲水型纳米颗粒的二氧化碳泡沫体系及其制备方法，该泡沫有质量组分包括非离子表面活性剂0.1～0.3份，亲水型纳米颗粒1～2份，无机盐0.01～0.2份，二氧化碳0.2～0.8份，水100份。经过亲水纳米颗粒强化的二氧化碳泡沫相比仅含有普通表面活性剂的二氧化碳泡沫具有更强的耐温耐盐能力。然而，目前纳米颗粒作为泡沫强化剂的应用成本依然较高，特别是纳米颗粒表面的亲疏水改性修饰进一步提高的纳米颗粒的应用成本。此外，当发泡液中强化剂添加浓度保持恒定时，泡沫特征值越低，泡沫中液相含量就越高，所使用的强化剂总量越大，泡沫的使用成本也越高。因此，在保证泡沫稳定性和其他作业性能的基础上，升高泡沫特征值是降低泡沫应用成本的有效手段。
发明内容
本发明的目的是提供一种油气田用超高特征值三相烟道气泡沫及其制备方法，所制备的三相烟道气泡沫的泡沫特征值为90％～99％，具有高的泡沫特征值。
本发明所述的泡沫特征值，指的是泡沫中气相体积占泡沫总体积的百分比。
本发明所提供的油气田用三相烟道气泡沫，由气相、液相和固相制成；
所述气相为燃煤电厂产生的烟道气；
所述液相为表面活性剂、pH值调剂和无机盐的水溶液；
所述固相为粉煤灰和纳米二氧化硅的复合物；
所述油气田用三相烟道气泡沫的泡沫特征值为90％～99％，具有高的泡沫特征值。
上述的油气田用三相烟道气泡沫中，所述烟道气经过脱硫、脱硝和脱氧处理；
所述烟道气中氮气和二氧化碳的总体积分数≥90％。
上述的油气田用三相烟道气泡沫中，所述表面活性剂为α-烯烃磺酸钠与十二烷基苯磺酸钠的复合物；
所述α-烯烃磺酸钠与所述十二烷基苯磺酸钠的质量比为1：4～5；
所述α-烯烃磺酸钠的碳原子数为14～18。
上述的油气田用三相烟道气泡沫中，所述pH调节剂为碳酸氢钠、碳酸钠或碳酸钾；所述无机盐为氯化钾，主要用于防止地层中的粘土膨胀。
上述的油气田用三相烟道气泡沫中，所述液相的质量百分比组成如下：
上述的油气田用三相烟道气泡沫中，所述油气田用三相烟道气泡沫中，所述固相与所述表面活性剂的浓度比为1.5～1.75：1，具体可为1.5：1。
由于过高的表面活性剂浓度会与固相在泡沫气液界面上产生竞争吸附，致使泡沫稳定性较差，而过低的表面活性剂浓度则无法起到良好的发泡效果。本发明设计的浓度比例下，表面活性剂既可以起到良好的发泡效果，同时表面活性剂也可以提升固相在泡沫气液界面上的吸附稳定性。
上述的油气田用三相烟道气泡沫中，所述粉煤灰由燃煤火电厂静电捕集得到。
上述的油气田用三相烟道气泡沫中，所述粉煤灰呈球形，平均粒径≤15μm，其中石英(SiO2)、莫来石(Al6Si2O13)、氧化铁(Fe2O3)三种物质总共所占质量比例≥80wt％；
所述纳米二氧化硅颗粒的粒径为8～30nm，比表面积为100～300m2/g；
所述纳米二氧化硅颗粒表面对水的润湿角为30°～65°，可以较为良好的分散在自来水和地下水中。
所述粉煤灰与所述纳米二氧化硅颗粒的质量比为8～9：1，如8.5：1，该比值下，粉煤灰颗粒可以替代纳米二氧化硅颗粒起到稳定泡沫作用，同时大幅降低纳米二氧化硅颗粒的使用量，减少应用成本。此外，固相中少量的纳米二氧化硅颗粒也可以加强粉煤灰颗粒稳泡效果，两者在泡沫气液界面上形成更为稳定的固相颗粒吸附层，减弱泡沫的液膜破裂、气体扩散和气泡聚并等不稳定特征，有效提高泡沫的稳定性。
本发明进一步提供了所述油气田用三相烟道气泡沫的制备方法，包括如下步骤：
1)取部分量的所述表面活性配制水溶液，得到表面活性剂水溶液；
2)将所述固相加入至所述表面活性剂水溶液中，充分搅拌使所述固相均匀分散，得到第一混合液；
3)将剩余量的所述表面活性剂加入至所述第一混合液中，缓慢搅拌至所述表面活性剂完全溶解，得到第二混合液；
4)将所述pH值调节剂和所述无机盐加入至所述第二混合液中，缓慢搅拌至所述pH调节剂和所述无机盐完全溶解，得到第三混合液；
5)将所述烟道气和所述第三混合液同时注入至泡沫发生器中，经混合后即得到所述油气田用三相烟道气泡沫；
所述烟道气的注入速度不低于所述第三混合液的注入速度的9倍，即单位时间内所述烟道气的注入量不低于所述第三混合液的注入量的9倍。
上述的制备方法中，步骤1)中，具体可取1/4～1/2的所述表面活性剂，如1/3。
本发明具有如下有益效果：
(1)本发明制备的超高特征值三相烟道气泡沫体系中含水量极少，且配置过程中耗水量也极低，适合在缺水地区的油气田开发中使用；
(2)本发明制备的高特征值三相烟道气泡沫同时兼容使用了烟道气和粉煤灰两种工业排放物作为原材料，变废为宝，不仅有利于减少大气环境工业污染源，而且降低了油气田用泡沫流体的作业成本。
(3)本发明制备的超高特征值三相烟道气泡沫具有配置工艺简单、粘度高等特点，可适用于压裂、驱油、调剖、排液、冲砂、洗井等多种油气田开发作业。
(4)本发明制备的超高特征值三相烟道气泡沫所使用的固相稳泡剂为粉煤灰颗粒与纳米二氧化硅颗粒的复配体系，不仅成本较低，而且可以在泡沫液膜上形成稳固的固相颗粒吸附层，大幅减弱泡沫的液膜破裂、气体扩散和气泡聚并等不稳定特征，有效提高泡沫的稳定性。
(5)本发明制备的超高特征值三相烟道气泡沫体系可适应230℃高温，且其稳定性随压力升高而增强，具有良好的耐温性和耐压性，可适用于高温高压油气层的开发作业。
具体实施方式
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。
下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
实施例1、油气田用超高特征值三相烟道气泡沫
原料为气相、液相和固相，具体成分如下：
气相为燃煤电厂产生的烟道气，已经过脱硫、脱硝和脱氧工艺，烟道气中氮气和二氧化碳的总体积分数≈93％。
固相中粉煤灰粒径最大为46μm，平均粒径1.3μm，SiO2占比为63wt％，Al6Si2O13占比为26wt％，Fe2O3占比为6wt％，粉煤灰颗粒对蒸馏水润湿角为57°；固相中纳米二氧化硅平均粒径约为15nm，比表面积160m2/g，纳米二氧化硅颗粒对蒸馏水润湿角为63°，粉煤灰与纳米二氧化硅颗粒的质量比为8.5：1。
液相的质量百分比组成如下：0.4wt％的表面活性剂，0.025wt％的NaHCO3，0.5wt％的KCl，余量为水，其中表面活性剂为α-烯烃磺酸钠和十二烷基苯磺酸钠按质量比1：4组成的复配体系，其中α-烯烃磺酸钠中碳原子数为14～18。
按照下述方法进行制备：
将1/3预设百分比的表面活性剂和水混合，搅拌至表面活性剂完全溶解，配置成表面活性剂溶液；将质量分数0.6wt％的固相(形成的泡沫中，固相与表面活性剂的浓度比为1.5：1)加入表面活性剂溶液中，充分搅拌直至，固相颗粒均匀分散，制成第一混合液；将2/3预设百分比的表面活性剂加入第一混合液，缓慢搅拌至表面活性剂完全溶解，制成第二混合液；将预设百分比的NaHCO3和KCl加入第二混合液，缓慢搅拌至NaHCO3和KCl完全溶解，制成第三混合液；将燃煤电厂烟道气和第三混合液同时注入泡沫发生器中，其中燃煤电厂烟道气的注入速度应控制为第三混合液注入速度的9倍，在常温常压下经过泡沫发生器充分混合后制成超高特征值三相烟道气泡沫，泡沫特征值为90％。
泡沫制成完成后注入可视化裂缝模型中，静止泡沫流动，观测并记录泡沫粒径的随时间的变化，具体观测方法参照中南大学学报(自然科学版)2017年第48卷第9期中《泡沫在裂缝中流动特征的物理模拟》一文中实验方法。所形成的泡沫致密均匀，静止5分钟、15分钟、60分钟所观测到的平均泡沫粒径分别为52μm、61μm、96μm，泡沫中含水量仅约为10％，液膜薄而稳定，气泡之间聚并速度慢，泡沫表现出良好的稳定性。
泡沫制备完成后注入安东帕MCR302流变仪的同轴圆筒测试单元中，在转子剪切速率170s-1，温度为常温，压力为常压下，泡沫的初始时刻表观粘度约为85mPa.s，60分钟时泡沫的表观粘度约为52mPa.s。在相同条件下所述第三混合液(即泡沫发泡液)的表观粘度粘度稳定在2.6mPa.s，泡沫相对于第三混合液的粘度大幅提升。
泡沫制备完成后在10MPa的回压下注入安东帕MCR302流变仪的同轴圆筒测试单元中，在转子剪切速率170s-1，温度为常温下，泡沫的初始时刻表观粘度约为96mPa.s，60分钟时的表观粘度约为87mPa.s。高压下泡沫相对于常压下泡沫的粘度更高，稳定时间更长，泡沫表现出了良好的耐压性。
泡沫制备完成后在10MPa的回压下注入安东帕MCR302流变仪的同轴圆筒测试单元中，在转子剪切速率170s-1，温度为230℃时泡沫的初始时刻表观粘度约为62mPa.s，60分钟时泡沫的表观粘度约为30mPa.s，泡沫特征值为90％的泡沫体系在230℃高温条件仍然可以存在并表现出一定的粘度，泡沫表现出了良好的耐温性。
实施例2、油气田用超高特征值三相烟道气泡沫
原料为气相、液相和固相，具体成分如下：
气相为燃煤电厂产生的烟道气，已经过脱硫、脱硝和脱氧工艺，烟道气中氮气和二氧化碳的总体积分数≈93％。
固相中粉煤灰粒径最大为13μm，平均粒径0.5μm，SiO2占比为71wt％，Al6Si2O13占比为18wt％，Fe2O3占比为3％，粉煤灰颗粒对蒸馏水润湿角为54°；固相中纳米二氧化硅平均粒径约为15nm，比表面积160m2/g，纳米二氧化硅颗粒对蒸馏水润湿角为63°。—粉煤灰与纳米二氧化硅颗粒的质量比为8.5：1。
液相的质量百分比组成如下：0.4wt％的表面活性剂，0.025wt％的NaHCO3，0.5wt％的KCl，余量为水，其中表面活性剂为α-烯烃磺酸钠和十二烷基苯磺酸钠按质量比1：4组成的复配体系，其中α-烯烃磺酸钠中碳原子数为14～18。
按照下述方法进行制备：
将1/3预设百分比的表面活性剂和所述水混合，搅拌至表面活性剂完全溶解，配置成表面活性剂溶液；将质量分数0.6wt％的固相(形成的泡沫中，固相与表面活性剂的浓度比为1.5：1)加入表面活性剂溶液中，充分搅拌直至，固相颗粒均匀分散，制成第一混合液；将2/3预设百分比的表面活性剂加入第一混合液，缓慢搅拌至表面活性剂完全溶解，制成第二混合液；将预设百分比的NaHCO3和KCl加入第二混合液，缓慢搅拌至NaHCO3和KCl完全溶解，制成第三混合液；将燃煤电厂烟道气和第三混合液同时注入泡沫发生器中，其中燃煤电厂烟道气的注入速度应控制为第三混合液注入速度的12倍，在温度95℃和常压下经过泡沫发生器充分混合后制成超高特征值三相烟道气泡沫，泡沫特征值为90％。
泡沫制备完成后注入可视化裂缝模型中，静止泡沫流动，观测并记录泡沫粒径的随时间的变化，具体观测方法参照中南大学学报(自然科学版)2017年第48卷第9期中《泡沫在裂缝中流动特征的物理模拟》一文中实验方法。所形成的泡沫致密均匀，静止5分钟、15分钟、60分钟所观测到的平均泡沫粒径分别为47μm、64μm、118μm，泡沫中含水量仅约为7.7％，泡沫液膜薄而稳定，气泡之间聚并速度慢，泡沫表现出良好的耐温稳定性。
泡沫制备完成后注入安东帕MCR302流变仪的同轴圆筒测试单元中，在转子剪切速率170s-1，温度为常温，压力为常压下，泡沫的初始时刻表观粘度约为76mPa.s，60分钟时泡沫的表观粘度约为49mPa.s。在相同条件下所述第三混合液(即泡沫发泡液)的表观粘度粘度稳定在2.1mPa.s，泡沫相对于第三混合液的粘度大幅提升。
泡沫制备完成后在10MPa的回压下注入安东帕MCR302流变仪的同轴圆筒测试单元中，在转子剪切速率170s-1，温度为常温下，泡沫的初始时刻表观粘度约为85mPa.s，60分钟时的表观粘度约为71mPa.s。高压下泡沫相对于常压下泡沫的粘度更高，稳定时间更长，泡沫表现出了良好的耐压性。
泡沫制备完成后在10MPa的回压下注入安东帕MCR302流变仪的同轴圆筒测试单元中，在转子剪切速率170s-1，温度为230℃时泡沫的初始时刻表观粘度约为53mPa.s，60分钟时泡沫的表观粘度约为29mPa.s，泡沫特征值为90％的泡沫体系在230℃高温条件仍然可以存在并表现出一定的粘度，泡沫表现出了良好的耐温性。

Claims (9)

1.一种油气田用超高特征值三相烟道气泡沫，由气相、液相和固相制成；
所述气相为燃煤电厂产生的烟道气；
所述液相为表面活性剂、pH值调剂和无机盐的水溶液；
所述表面活性剂为α-烯烃磺酸钠与十二烷基苯磺酸钠的复合物；
所述α-烯烃磺酸钠与所述十二烷基苯磺酸钠的质量比为1：4~5；
所述α-烯烃磺酸钠的碳原子数为14~18；
所述固相为粉煤灰和纳米二氧化硅的复合物；
所述三相烟道气泡沫的泡沫特征值达到90%。
2.根据权利要求1所述的油气田用超高特征值三相烟道气泡沫，其特征在于：所述烟道气经过脱硫、脱硝和脱氧处理；
所述烟道气中氮气和二氧化碳的总体积分数≥90%。
3.根据权利要求1或2所述的油气田用超高特征值三相烟道气泡沫，其特征在于：所述pH调节剂为碳酸氢钠、碳酸氢钠或碳酸钾；所述无机盐为氯化钾。
4.根据权利要求1或2所述的油气田用超高特征值三相烟道气泡沫，其特征在于：所述液相的质量百分比组成如下：
表面活性剂0.1~0.5%；
pH调节剂0.025~0.085%；
无机盐0.5~2%；
余量的水。
5.根据权利要求3所述的油气田用超高特征值三相烟道气泡沫，其特征在于：所述液相的质量百分比组成如下：
表面活性剂0.1~0.5%；
pH调节剂0.025~0.085%；
无机盐0.5~2%；
余量的水。
6.根据权利要求1或2所述的油气田用超高特征值三相烟道气泡沫，其特征在于：所述油气田用三相烟道气泡沫中，所述固相与所述表面活性剂的浓度比为1.5~1.75：1。
7.根据权利要求1或2所述的油气田用超高特征值三相烟道气泡沫，其特征在于：所述粉煤灰由燃煤火电厂静电捕集得到。
8.根据权利要求1或2所述的油气田用超高特征值三相烟道气泡沫，其特征在于：所述粉煤灰呈球形，平均粒径≤15μm；
所述纳米二氧化硅颗粒的粒径为8~30nm，比表面积为100~300m2/g；
所述纳米二氧化硅颗粒表面对水的润湿角为30°~65°；
所述粉煤灰与所述纳米二氧化硅颗粒的质量比为8~9：1。
9.权利要求1-8中任一项所述油气田用超高特征值三相烟道气泡沫的制备方法，包括如下步骤：
1）取部分量的所述表面活性配制水溶液，得到表面活性剂水溶液；
2）将所述固相加入至所述表面活性剂水溶液中，得到第一混合液；
3）将剩余量的所述表面活性剂加入至所述第一混合液中，得到第二混合液；
4）将所述pH值调节剂和所述无机盐加入至所述第二混合液中，得到第三混合液；
5）将所述烟道气和所述第三混合液同时注入至泡沫发生器中，经混合后即得到所述油气田用超高特征值三相烟道气泡沫；
所述烟道气的注入速度不低于所述第三混合液的注入速度的9倍。
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