CN110540833A - 一种稳定的二氧化碳水基泡沫压裂液及其制备方法与在提高页岩气采收率上的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种稳定的二氧化碳水基泡沫压裂液及其制备方法与在提高页岩气采收率上的应用，该水基泡沫压裂液以疏水改性聚合物复配纳米颗粒，或以表面活性剂为主要起泡剂复配聚合物及纳米颗粒制得，该二氧化碳水基泡沫压裂液制备方法简单，且体系具有较好的稳定性及泡沫粘弹性，能够很好应用于二氧化碳泡沫压裂提高页岩气采收率。
Description
技术领域
本发明涉及一种稳定的二氧化碳水基泡沫压裂液及其制备方法与在提高页岩气采收率上的应用，属于油气开发技术领域。
背景技术
页岩气是蕴藏于页岩层中的能源气体，是一种清洁、高效地非常规天然气资源，其主要成分是甲烷。页岩气藏属于“自生自储”气藏，连续型分布且运移距离有限或无运移。页岩气的储存形式主要分为游离态与吸附态，其中绝大多数以吸附态的形式吸附存储于泥页岩纳米孔隙及页岩夹层中。由于页岩储层的超低渗透性，因此进行开采页岩气时必须要进行压裂后页岩储层才具有产能。
水平井水力压裂技术是目前开采气资源最普遍的压裂技术，但对于低压、低渗、水敏性严重的地层，这种压裂液的压裂效果较差，水敏性严重，地层渗透率降低、压裂施工结束后返排困难，二次污染较大，严重影响油层的增产效果。
泡沫压裂技术是针对低压、低渗油层压裂效果不好，水基压裂液对地层伤害较大，排液困难而研发的一项新的压裂工艺，该技术是在常规水基压裂液的基础上加入起泡剂、氮气或二氧化碳气体，形成泡沫流体，得到以气体为内相，液体为外相的低伤害压裂体系，此体系相比常规的水基压裂液粘度大、携砂能力强、滤失低、返排快、对地层伤害小，适合低压、低渗透、水敏性等复杂地层，其压裂效果要比常规水基压裂效果提高两倍以上。
二氧化碳泡沫压裂始于70年代的美国，相对于氮气泡沫，二氧化碳泡沫与地层流体的相容性更好，降低界面张力的能力更强；且二氧化碳泡沫压裂液的粘度比氮气泡沫压裂液的粘度大，所以其携砂能力比氮气泡沫要高，且滤失量低；同时二氧化碳溶于水，生成弱酸性碳酸，可有效抑制黏土膨胀，对地层和裂缝伤害小。但是二氧化碳泡沫压裂体系，对压裂设备要求严格，另外二氧化碳泡沫自身的稳定性及粘弹性也是制约这项技术应用的瓶颈。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种稳定的二氧化碳水基泡沫压裂液及其制备方法与在提高页岩气采收率上的应用，该泡沫压裂液以疏水改性聚合物复配纳米颗粒，或以表面活性剂为主要起泡剂复配聚合物及纳米颗粒，该泡沫体系具有较好的稳定性及粘弹性，应用于二氧化碳泡沫压裂可大大提高页岩气的采收率。
本发明的技术方案如下：
一种稳定的二氧化碳水基泡沫压裂液，该水基泡沫压裂液以二氧化碳为气相，以压裂液为液相经发泡形成的水基泡沫，其泡沫质量为52～75wt％；
其中，所述压裂液由聚合物、阴离子表面活性剂或两性离子表面活性剂、纳米颗粒和水组成或聚合物、纳米颗粒和水组成，聚合物、阴离子表面活性剂或两性离子表面活性剂、纳米颗粒和水组成的压裂液中，聚合物的浓度为0.01～1wt％，阴离子表面活性剂或两性离子表面活性剂的浓度为0.05～5.0wt％，纳米颗粒的浓度为0.5～5.0wt％；聚合物、纳米颗粒和水组成的压裂液中，聚合物浓度为0.05～5.0wt％，纳米颗粒浓度为0.5～5.0wt％。
根据本发明优选的，聚合物为亲水型聚合物，分子量为10000～50000。
根据本发明优选的，聚合物为疏水改性聚丙烯酸、疏水改性甲基纤维素、疏水改性羟丙基甲基纤维素或聚丙烯酰胺中的一种或两种以上混合。
根据发明优选的，所述的阴离子表面活性剂为十二烷基硫酸钠或α-烯基磺酸钠。
根据发明优选的，所述的两性离子表面活性剂为月桂酰胺丙基甜菜碱。
根据发明优选的，所述的纳米颗粒为亲水型二氧化硅纳米颗粒。
根据发明优选的，所述的纳米颗粒尺寸为10nm～10μm。
根据发明优选的，聚合物、纳米颗粒和水组成的压裂液中，聚合物浓度为0.05～2.0wt％，纳米颗粒浓度为0.5～3.0wt％。
根据发明优选的，聚合物、阴离子表面活性剂或两性离子表面活性剂、纳米颗粒和水组成的压裂液中，表面活性剂的浓度0.05～2.0wt％，聚合物浓度为0.01～0.5wt％，纳米颗粒的浓度为0.5～3.0wt％。
根据本发明，稳定的二氧化碳水基泡沫压裂液的制备方法，包括步骤如下：
(1)按聚合物、表面活性剂、纳米颗粒的浓度或按聚合物、纳米颗粒的浓度配制压裂液；
(2)将压裂液移入发泡设备中，底部通入二氧化碳气体发泡，发泡气体气流速度控制在0.1～0.5L/min，压力为常压，温度控制在20～50℃，通气时间为40～80s，得到稳定的二氧化碳水基泡沫压裂液。
稳定的二氧化碳水基泡沫压裂液的应用，在页岩气的开采过程中向页岩储气层注入二氧化碳泡沫进行压裂，进而开采页岩气，应用温度20～100℃，应用压力0.1～30MPa。
本发明的原理如下：
本发明的聚合物为疏水改性聚合物，疏水改性聚合物的种类及用量可以使体系形成稳定的、高粘弹性的二氧化碳泡沫，在形成泡沫的过程中，疏水改性聚合物与表面活性剂及纳米粒子共同吸附于气液界面，其中，疏水改性聚合物之间相互交织在一起使得泡沫液膜的疏水层交织的更加密集，密集的疏水层使形成的二氧化碳泡沫泡沫，同时配合纳米颗粒的引入，使得二氧化碳气体通过泡沫液膜的能力变弱，因此形成稳定的、高粘弹性的二氧化碳泡沫。
根据本发明，优选的，所述二氧化碳泡沫体系具有非常好的稳定性及泡沫粘弹性。
根据本发明，优选的，所述二氧化碳泡沫体系应用于二氧化碳泡沫压裂提高页岩气采收率。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明的稳定的二氧化碳水基泡沫压裂液，疏水改性聚合物之间相互交织在一起使得泡沫液膜的疏水层交织的更加密集，密集的疏水层赋予泡沫体系非常好的稳定性。
2、本发明的稳定的二氧化碳水基泡沫压裂液，纳米颗粒的引入，使得二氧化碳气体通过泡沫液膜的能力变弱，泡沫之间接触，提高了体系的粘弹性。
3、本发明的稳定的二氧化碳水基泡沫压裂液同时具有较好的耐温性和耐盐性。
4、本发明的稳定的二氧化碳水基泡沫压裂液体系所需的添加剂简单易得，体系构筑方便。
5、3、本发明的稳定的二氧化碳水基泡沫压裂液，应用于二氧化碳泡沫压裂，高稳定的、高粘弹性的泡沫大大提高页岩气采收率。
附图说明
图1为实施例1中CO2水基泡沫的半衰期随疏水改性聚丙烯酸的浓度的变化曲线图，温度为50℃。
具体实施方式
为了更好理解本发明，以下结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
实施例中的疏水改性聚丙烯酸、疏水改性甲基纤维素、疏水改性羟丙基甲基纤维素、聚丙烯酰胺均为常规市售产品。
实施例1：
一种稳定的二氧化碳水基泡沫压裂液，该水基泡沫压裂液以二氧化碳为气相，以压裂液为液相经发泡形成的水基泡沫，其泡沫质量为52～75wt％；
其中，所述压裂液由疏水改性聚丙烯酸、亲水型二氧化硅纳米颗粒和水组成，疏水改性聚丙烯酸浓度为0.15wt％，纳米颗粒浓度为1.0wt％。
稳定的二氧化碳水基泡沫压裂液的制备方法，包括步骤如下：
(1)按聚合物、纳米颗粒的浓度配制压裂液；
(2)将压裂液移入发泡设备中，底部通入二氧化碳气体发泡，发泡气体气流速度控制在0.1L/min，压力为常压，温度控制在50℃，通气时间为60s，得到稳定的二氧化碳水基泡沫压裂液。
水基泡沫压裂液泡沫性能测试：
测试条件：矿化度范围为0～10000ppm，测试温度为50℃，测试压力为常压。
改变体系中疏水改性聚丙烯酸的浓度，改性聚丙烯酸的浓度分别为0.05wt％、0.1wt％，得到的二氧化碳水基泡沫压裂液与实施例1的泡沫压裂液测试其泡沫性质，测试结果如下：
体系的泡沫稳定性随疏水改性聚丙烯酸浓度的升高而增强(如图1所示)，在疏水改性聚丙烯酸浓度为0.15wt％时，纳米颗粒浓度为1.0wt％，矿化度为0ppm时，泡沫静态稳定性达到6小时以上，此时泡沫具有非常好的粘弹性，其粘弹性应力范围在0.5～0.7N。改变矿化度，泡沫稳定性随矿化度的增大而减弱，在疏水改性聚丙烯酸浓度为0.15wt％，矿化度为10000ppm时，泡沫稳定性可达30～40分钟以上。综上所述，基于疏水改性聚丙烯酸的二氧化碳泡沫体系具有良好的稳定性及粘弹性，且具有一定的耐温耐盐性。
实施例2：
一种稳定的二氧化碳水基泡沫压裂液，该水基泡沫压裂液以二氧化碳为气相，以压裂液为液相经发泡形成的水基泡沫，其泡沫质量为52～75wt％；
其中，所述压裂液由疏水改性甲基纤维素、亲水型二氧化硅纳米颗粒和水组成，疏水改性甲基纤维素浓度为1.0wt％，纳米颗粒浓度为1.0wt％。
制备方法同实施例1。
水基泡沫压裂液泡沫性能测试：
测试条件：矿化度范围为0～10000ppm，试温度为30℃，测试压力为常压。
改变体系中疏水改性甲基纤维素的浓度，疏水改性甲基纤维素的浓度分别为0.05wt％、0.1wt％、0.5wt％，得到的二氧化碳水基泡沫压裂液与实施例2的泡沫压裂液测试其泡沫性质，测试结果如下：
体系的泡沫稳定性随聚合物浓度的升高而增强，在疏水改性甲基纤维素的浓度为1.0wt％，纳米颗粒为1.0wt％，矿化度为0ppm时，泡沫静态稳定性达到1小时以上，此时泡沫具有非常好的粘弹性，其粘弹性应力范围在0.4～0.6N。泡沫稳定性随矿化度的增大而减弱，在体疏水改性甲基纤维素的浓度为1.0wt％，矿化度为5000ppm时，泡沫稳定性可达15～30分钟以上。综上所述，该二氧化碳泡沫体系具有良好的稳定性及粘弹性，且具有一定的耐温耐盐性。
实施例3：
一种稳定的二氧化碳水基泡沫压裂液，该水基泡沫压裂液以二氧化碳为气相，以压裂液为液相经发泡形成的水基泡沫，其泡沫质量为52～75wt％；
其中，所述压裂液由疏水改性羟丙基甲基纤维素、亲水型二氧化硅纳米颗粒和水组成，疏水改性羟丙基甲基纤维素的浓度为1.0wt％，纳米颗粒浓度为1.0wt％。
制备方法同实施例1。
水基泡沫压裂液泡沫性能测试：
测试条件：矿化度范围为0～10000ppm，试温度为30℃，测试压力为常压。
改变体系中疏水改性羟丙基甲基纤维素的浓度，疏水改性羟丙基甲基纤维素的浓度分别为0.05wt％、0.1wt％、0.5wt％，得到的二氧化碳水基泡沫压裂液与实施例3的泡沫压裂液测试其泡沫性质，测试结果如下：
体系的泡沫稳定性随聚合物浓度的升高而增强，在疏水改性羟丙基甲基纤维素浓度为1.0wt％，纳米颗粒为1.0wt％，矿化度为0ppm时，泡沫静态稳定性达到1小时以上，此时泡沫具有非常好的粘弹性，其粘弹性应力范围在0.4～0.6N。泡沫稳定性随矿化度的增大而减弱，在疏水改性羟丙基甲基纤维素浓度为1.0wt％，矿化度为7000ppm时，泡沫稳定性可达15～30分钟以上。综上所述，该二氧化碳泡沫体系具有良好稳定性及粘弹性，且具有一定的耐温耐盐性。
实施例4：
一种稳定的二氧化碳水基泡沫压裂液，该水基泡沫压裂液以二氧化碳为气相，以压裂液为液相经发泡形成的水基泡沫，其泡沫质量为52～75wt％；
其中，所述压裂液由聚丙烯酰胺、阴离子表面活性剂α-烯基磺酸钠、亲水型二氧化硅纳米颗粒和水组成，阴离子表面活性剂的浓度为0.2wt％，复配聚丙烯酰胺的浓度为0.01wt％，纳米颗粒的用量为1.0wt％。
制备方法同实施例1。
水基泡沫压裂液泡沫性能测试：
测试条件：矿化度为0ppm，试温度为30℃，测试压力为常压。
泡沫稳定性可达20～30分钟以上，泡沫粘弹性可达0.1～0.3N。综上所述，该二氧化碳泡沫体系具有良好稳定性及粘弹性，且具有一定耐温性。
实施例5：
一种稳定的二氧化碳水基泡沫压裂液，该水基泡沫压裂液以二氧化碳为气相，以压裂液为液相经发泡形成的水基泡沫，其泡沫质量为52～75wt％；
其中，所述压裂液由聚丙烯酰胺、阴离子表面活性剂十二烷基硫酸钠、亲水型二氧化硅纳米颗粒和水组成，阴离子表面活性剂的浓度为0.15wt％，复配聚丙烯酰胺的浓度为0.01wt％，纳米颗粒的用量为1.0wt％。
制备方法同实施例1。
水基泡沫压裂液泡沫性能测试：
测试条件：矿化度为0ppm，试温度为30℃，测试压力为常压。
泡沫稳定性可达20～30分钟以上，泡沫粘弹性可达0.1～0.3N。综上所述，该二氧化碳泡沫体系具有良好稳定性及粘弹性。
实施例6：
一种稳定的二氧化碳水基泡沫压裂液，该水基泡沫压裂液以二氧化碳为气相，以压裂液为液相经发泡形成的水基泡沫，其泡沫质量为52～75wt％；
其中，所述压裂液由聚丙烯酰胺、两性离子表面活性剂月桂酰胺丙基甜菜碱、亲水型二氧化硅纳米颗粒和水组成，两性离子表面活性剂月桂酰胺丙基甜菜碱的浓度为0.3wt％，复配聚丙烯酰胺的浓度为0.01wt％，纳米颗粒的用量为1.0wt％。
制备方法同实施例1。
水基泡沫压裂液泡沫性能测试：
测试条件：矿化度为0ppm，试温度为30℃，测试压力为常压。
泡沫稳定性可达20～30分钟以上，泡沫粘弹性可达0.1～0.3N。综上所述，该二氧化碳泡沫体系具有良好稳定性及粘弹性。
Claims (10)
1.一种稳定的二氧化碳水基泡沫压裂液，该水基泡沫压裂液以二氧化碳为气相，以压裂液为液相经发泡形成的水基泡沫，其泡沫质量为52～75wt％；
其中，所述压裂液由聚合物、阴离子表面活性剂或两性离子表面活性剂、纳米颗粒和水组成或聚合物、纳米颗粒和水组成，聚合物、阴离子表面活性剂或两性离子表面活性剂、纳米颗粒和水组成的压裂液中，聚合物的浓度为0.01～1wt％，阴离子表面活性剂或两性离子表面活性剂的浓度为0.05～5.0wt％，纳米颗粒的浓度为0.5～5.0wt％；聚合物、纳米颗粒和水组成的压裂液中，聚合物浓度为0.05～5.0wt％，纳米颗粒浓度为0.5～5.0wt％。
2.根据权利要求1所述的稳定的二氧化碳水基泡沫压裂液，其特征在于，聚合物为亲水型聚合物，分子量为10000～50000。
3.根据权利要求1所述的稳定的二氧化碳水基泡沫压裂液，其特征在于，聚合物为疏水改性聚丙烯酸、疏水改性甲基纤维素、疏水改性羟丙基甲基纤维素或聚丙烯酰胺中的一种或两种以上混合。
4.根据权利要求1所述的稳定的二氧化碳水基泡沫压裂液，其特征在于，所述的阴离子表面活性剂为十二烷基硫酸钠或α-烯基磺酸钠。
5.根据权利要求1所述的稳定的二氧化碳水基泡沫压裂液，其特征在于，所述的两性离子表面活性剂为月桂酰胺丙基甜菜碱。
6.根据权利要求1所述的稳定的二氧化碳水基泡沫压裂液，其特征在于，所述的纳米颗粒为亲水型二氧化硅纳米颗粒，所述的纳米颗粒尺寸为10nm～10μm。
7.根据权利要求1所述的稳定的二氧化碳水基泡沫压裂液，其特征在于，聚合物、纳米颗粒和水组成的压裂液中，聚合物浓度为0.05～2.0wt％，纳米颗粒浓度为0.5～3.0wt％。
8.根据权利要求1所述的稳定的二氧化碳水基泡沫压裂液，其特征在于，聚合物、阴离子表面活性剂或两性离子表面活性剂、纳米颗粒和水组成的压裂液中，表面活性剂的浓度0.05～2.0wt％，聚合物浓度为0.01～0.5wt％，纳米颗粒的浓度为0.5～3.0wt％。
9.权利要求1所述的稳定的二氧化碳水基泡沫压裂液的制备方法，包括步骤如下：
(1)按聚合物、表面活性剂、纳米颗粒的浓度或按聚合物、纳米颗粒的浓度配制压裂液；
(2)将压裂液移入发泡设备中，底部通入二氧化碳气体发泡，发泡气体气流速度控制在0.1～0.5L/min，压力为常压，温度控制在20～50℃，通气时间为40～80s，得到稳定的二氧化碳水基泡沫压裂液。
10.权利要求1所述的稳定的稳定的二氧化碳水基泡沫压裂液的应用，在页岩气的开采过程中向页岩储气层注入二氧化碳泡沫进行压裂，进而开采页岩气，应用温度20～100℃，应用压力0.1～30MPa。
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