CN111569749B - 一种非常规气藏压裂用纳米颗粒强化泡沫发生装置及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种非常规气藏压裂用纳米颗粒强化泡沫发生装置及其应用。所述泡沫发生装置的结构如下：泡沫基液超声分散部包括超声波振荡杆、振荡管和集束管，振荡管环绕于超声波振荡杆表面，与集束管连接，集束管固定于内管上；气液混合部包括涡轮扇叶、气体喷射球和配气管，配气管与气体喷射球连接，气体喷射球表面分布喷射孔；纳米颗粒强化泡沫生成部包括多个振荡单元，每个振荡单元包括内管、超声波振荡短节和发泡滤网。本发明通过振荡管对泡沫基液充分振荡混合，能使纳米颗粒在泡沫基液中均匀分散，可根据需要调整振荡单元数量完成多级超声振荡，使气体与泡沫基液充分混合生成致密均匀稳定的纳米颗粒强化泡沫压裂液，有助于非常规气藏的压裂增产改造。
Description
技术领域
本发明涉及一种非常规气藏压裂用纳米颗粒强化泡沫发生装置及其应用，属于页岩气开采设备、煤层气压裂增产装备制造及应用的技术领域。
背景技术
我国页岩气、煤层气等非常规气藏资源丰富，开采潜力巨大。然而，由于页岩气藏、煤层气藏的地质条件复杂，储层物性普遍较差，一般难以形成高渗流通道，这决定了压裂增产改造是其高效开发的必要选择。泡沫压裂液是一种性能优异的非常规气藏开发压裂液体系，泡沫压裂液具有粘度高、携砂能力强、返排迅速等优势。此外，泡沫压裂液耗水量低，对水资源污染风险小、环保性强，同时减轻了水相侵入对地层造成的伤害。泡沫压裂液的使用对页岩气、煤层气的高效开发具有重要意义。
然而泡沫是一种热力学不稳定体系，在地层高温高盐条件下，泡沫的液膜排液和歧化现象加剧，导致气泡聚并和破裂，造成泡沫压裂液流动的不稳定性，不利于泡沫压裂液的高效利用。随着纳米技术的发展，纳米材料在油气田开发领域应用逐渐广泛，学者研究发现纳米颗粒能够吸附在气液界面，抑制气泡聚并和歧化现象的发生，液膜中的纳米颗粒骨架结构提高了泡沫的稳定性。如中国专利文件CN102746841B(申请号：201210223060.0)公开了一种油气田用添加纳米颗粒的复合泡沫体系及其制备方法。复合泡沫体系质量组成为0.3～0.5份的阴离子表面活性剂，1～1.5份的改性二氧化硅纳米颗粒，0.03～2.3份的反离子盐，余量为水。按配比混合制得泡沫基液，采用Waring Blender方法进行搅拌起泡。该泡沫体系采用改性二氧化硅纳米颗粒作为稳泡剂，耐盐和耐温稳定性与普通表面活性剂生成的泡沫相比获得了很大的提高，且对地层产生的伤害非常小，能适应复杂的油藏条件。如Industrial&Engineering Chemistry Research期刊2015年第54卷中，记载了吕其超等人发表的《Study of Nanoparticle-Surfactant-Stabilized Foam as a FracturingFluid》一文，文章中报道了一种改性二氧化硅纳米颗粒作为稳泡剂、十二烷基苯磺酸钠作为起泡剂的复配体系，该复配体系制备的泡沫在高温条件下仍保持高稳定性和高粘度，携砂能力强，滤失控制能力强。纳米颗粒强化泡沫用于非常规气藏的压裂增产改造，能有效地降低对储层的伤害，而且泡沫压裂液返排能力强。
然而，传统泡沫压裂液发生设备主要用于常规泡沫的生成，泡沫基液中的添加剂易溶于水，因此泡沫基液是均匀稳定的体系，气体和泡沫基液混合后易形成致密均匀的泡沫。纳米颗粒强化泡沫与之相比则存在较大差异，在常规泡沫基液中加入固体纳米颗粒作为稳泡剂，而纳米颗粒具有尺度小、吸附性能强、易发生聚集沉降等特点。传统泡沫发生装置的搅拌混合难以将纳米颗粒均匀地分散于起泡剂溶液中，也无法提供足够的纳米颗粒吸附于气液界面所需要的能量，从而难以形成稳定性良好的泡沫压裂液。另外，纳米颗粒聚集体较大会堵塞非常规气藏的微小孔喉，对储层造成伤害。目前尚没有针对纳米颗粒强化泡沫发生装置的研究报道。泡沫基液中纳米颗粒的均匀分散、致密均匀的纳米颗粒强化气泡的生成，是解决纳米颗粒强化泡沫压裂液的稳定性和对非常规气藏储层的适应性的关键问题。因此，需设计新型纳米颗粒强化泡沫发生装置，制备致密均匀的纳米颗粒强化泡沫压裂液，改善页岩气、煤层气等非常规气藏的压裂增产改造效果。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种非常规气藏压裂用纳米颗粒强化泡沫发生装置，该泡沫发生装置可以使纳米颗粒在泡沫基液中均匀地分散，制备致密均匀的纳米颗粒强化泡沫体系，进而改善页岩气、煤层气等非常规气藏的压裂效果。
本发明所提供的非常规气藏压裂用纳米颗粒强化泡沫发生装置，包括泡沫基液超声分散部、气液混合部和纳米颗粒强化泡沫生成部，均设于一外管内；
所述外管内设有一内管，所述气液混合部和所述纳米颗粒强化泡沫生成部设于所述内管内；
所述泡沫基液超声分散部包括超声波振荡杆、振荡管和集束管；所述超声波振荡杆外接超声波供能装置；所述振荡管环绕于所述超声波振荡杆的外表面，所述振荡管的泡沫基液的注入端设于所述外管外部用于与泡沫基液注入管连接，所述振荡管的泡沫基液流出端与所述集束管连接，所述集束管与所述内管配合，且设于内管内部；
所述气液混合部包括涡轮扇叶和气体喷射球；沿所述振荡管的泡沫基液流出方向，所述涡轮扇叶和所述气体喷射球依次设置；所述涡轮扇叶固定于所述内管的内壁上，所述气体喷射球上设有气体喷射孔，其配合至少两个配气管，所述配气管延伸至所述穿过所述内管和所述外管与外界相通；
所述纳米颗粒强化泡沫生成部包括若干振荡单元，所述振荡单元包括超声波振荡短节和发泡滤网；所述发泡滤网固定于所述内管内，所述超声波振荡短节套设于所述发泡滤网的中部，并通过能量传输电缆与外部超声波供能装置连接。
上述的泡沫发生装置中，设置1～3层所述振荡管，具体根据所需泡沫生成量确定；
所述振荡管与所述外管的配合处设有缓震垫圈，以减少所述振荡管振荡过程与所述外管接触所造成的能量损失；
所述振荡管通过耐压接头与所述泡沫基液注入管和所述集束管连接。
上述的泡沫发生装置中，所述集束管的作用为汇集已振荡分散均匀的泡沫基液并流入所述气液混合部；
所述集束管包括小径管和大径管，所述小径管通过环形丝堵与所述内管配合，所述环形丝堵与所述内管螺纹配合，且所述小径管与所述大径管形成的凸台与所述环形丝堵之间设有密封垫圈，确保连接处的密闭性。
上述的泡沫发生装置中，所述涡轮扇叶通过支架固定于所述内管的内壁上，在液流冲击作用下旋转，在气液混合区域内产生涡流，有助于气液充分混合；
两个所述配气管对称设置；
两个所述配气管通过螺纹与所述气体喷射球连接；
所述气体喷射孔均匀分布于所述气体喷射球的表面，使气体被充分分散至泡沫基液内，提高泡沫的生成效率。
上述的泡沫发生装置中，所述发泡滤网的数量、类型和孔眼尺寸可根据需要进行优选，有助于快速生成合适粒径的泡沫；
所述发泡滤网为正方形发泡滤网、三角形发泡滤网、菱形发泡滤网、六边形发泡滤网、矩形发泡滤网或筛孔形发泡滤网，采用不同类型的所述发泡滤网交错排布设置，在生成泡沫时起到更优的剪切、分割、振荡扰动及重混效果，生成致密均匀的纳米颗粒强化泡沫。
上述的泡沫发生装置中，所述超声波振荡短节位于所述发泡滤网的中心位置，与所述发泡滤网连接，通过能量传输电缆与外部超声波供能装置连接，获得一定功率的超声波能量此处设计的优势在于：超声波能量从所述发泡滤网中心向四周传播，在控制合适功率的基础上，可以最大效率地利用超声波能量作用于发泡滤网，进而振荡起泡。
上述的泡沫发生装置中，与所述振荡单元对应的所述内管之间通过法兰连接，即各所述振荡单元之间通过环形法兰连接，此处设计的优势在于：所述振荡单元可以根据实际需要选择数量进行级联，在最短时间内形成压裂作业需要的最优质量的泡沫；最后一级振荡单元通过环形法兰与泡沫压裂液排出管连接，泡沫压裂液直接流入压裂用管路；
所述外管分为多段，分布于泡沫基液注入端、所述泡沫基液超声分散部和所述气液混合部连接位置、各振荡单元连接处，每段外管之间通过环形法兰连接，此处设计的优点为便于该泡沫发生装置的组装和拆卸。
上述的泡沫发生装置中，所述能量传输电缆与所述内管和所述外管之间分别通过内管密封垫圈和外管密封垫圈密封，此处设计的作用有两个：一是避免能量传输电缆与内管、外管刚体硬接触，造成能量传输电缆磨损，二是确保气液流动通道的密闭性，避免流体漏失；
所述内管与所述外管于装置中间部位及泡沫压裂液出口部位通过内外管固定支架连接，所述内外管固定支架为抗疲劳合金材料，确保内外管牢固连接。
上述的泡沫发生装置中，所述内管为变径管，能够有效利用流动空间；
所述泡沫基液超声分散部与所述气液混合部的连接处为细管径段，确保连接牢固以及良好的密闭性，所述气液混合部外为变径段，能够有效利用流动空间，所述振荡单元处为粗管径段，确保泡沫基液和气体经过所述发泡滤网获得充分的振荡、混合，生成致密均匀的纳米颗粒强化泡沫体系。
本发明纳米颗粒强化泡沫发生装置能够用于生成页岩气、煤层气等非常规气藏压裂用稳定的纳米颗粒强化泡沫压裂液。
采用本发明装置制备非常规气藏压裂用纳米颗粒强化泡沫时，可按照下述步骤进行：
(1)试压：将所述纳米颗粒强化泡沫发生装置的泡沫压裂液出口与泡沫压裂液排出管连接，将所述泡沫压裂液排出管连接到装配阀门的压裂用高压管线上，关闭阀门，向所述振荡管内通入泡沫基液，保持最高施工压力30～40min，进行憋压，合格的标准为不刺不漏；
(2)泡沫基液超声分散：将含纳米颗粒的泡沫基液通过泡沫基液注入管注入所述振荡管，开启超声波供能装置电源，为所述超声波振荡杆和所述超声波振荡短节提供能量，对泡沫基液进行振荡，使纳米颗粒在泡沫基液中充分分散；
(3)注气形成泡沫：气体通入所述配气管，保持所述配气管的压力大于泡沫基液注入压力，且保持所述泡沫基液注入压力和气体注入压力差小于1MPa，泡沫基液和气体流经所述发泡滤网，在振荡、剪切作用下产生泡沫，直至泡沫生成作业结束，完成压裂施工。
(4)卸压清洁：泡沫生成作业结束后，切断超声供能装置电源，将所述非常规气藏压裂用纳米颗粒强化泡沫发生装置卸去压力，打开环形法兰，拆卸各部件并清洁；
所述纳米颗粒可为二氧化硅(SiO2)纳米颗粒、氧化铝(Al2O3)纳米颗粒或三氧化二铁(Fe2O3)纳米颗粒等，粒径为10～20纳米。
本发明具有如下有益效果：
(1)本发明采用泡沫基液超声振荡分散、纳米颗粒强化泡沫超声振荡生成双重振荡混合方式，可以获得稳定性高、致密均匀的纳米颗粒强化泡沫体系，提升纳米颗粒强化泡沫对页岩气、煤层气储层的压裂效果；
(2)本发明振荡管环绕于超声波振荡杆表面的设计，提高了超声波能量的利用效率，增强了纳米颗粒在泡沫基液中的分散程度，避免了在页岩气、煤层气储层的压裂应用中产生聚集沉积，减轻了对非常规气藏储层的伤害；
(3)本发明可以根据需要调整振荡单元数量完成多级超声振荡，不同类型发泡滤网的交错组合，能强化对气体和泡沫基液的剪切、分割、振荡扰动及重混效果，使气体和泡沫基液充分混合，产生致密均匀的气泡，获取更好的压裂效果，又能提升超声波能量的利用效率；
(4)本发明操作简单，安装方便，放置和使用对油气田压裂现场条件要求不高，可以满足各种环境非常规气藏用泡沫压裂液的快速制备。
附图说明
图1是本发明非常规气藏压裂用纳米颗粒强化泡沫发生装置的结构示意图；
图2是本发明纳米颗粒强化泡沫发生装置中超声波振荡杆与振荡管的装配示意图；
图3是本发明纳米颗粒强化泡沫发生装置中气体喷射球处的局部放大图；
图4是本发明纳米颗粒强化泡沫发生装置中发泡滤网的结构示意图。
图中各标记如下：
1.超声波振荡杆，2.振荡管，3.耐压接头，4.环形丝堵，5.密封垫圈，6.集束管，7.涡轮扇叶，8.涡轮扇叶支架，9.配气管，10.发泡滤网，11.紧固螺栓，12.环形法兰，13.内外管固定支架，14.泡沫压裂液排出管，15.外管密封垫圈，16.内管密封垫圈，17.能量传输电缆，18.超声波振荡短节，19.内管，20.外管，21.气体喷射球，22.缓震垫圈，23.泡沫基液注入管，24.气体喷射孔。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明，但本发明并不局限于以下实施例。
本发明所提供的非常规气藏压裂用纳米颗粒强化泡沫发生装置，其整体结构示意图如图1所示，该泡沫发生装置包括泡沫基液超声分散部、气液混合部、纳米颗粒强化泡沫生成部。
其中，泡沫基液超声分散部包括超声波振荡杆1、振荡管2和集束管6，其中，振荡管2内径为3mm；超声波振荡杆1外接超声波供能装置，根据需要提供特定功率超声波能量；振荡管2环绕3层于超声波振荡杆1表面，装配示意图如图2所示；振荡管2与外管20接触处设有缓震垫圈22，缓震垫圈22能减少振荡管2振荡过程与外管20接触所造成的能量损失；振荡管2外部通过耐压接头与泡沫基液注入管23连接；振荡管2内部通过耐压接头3与集束管6连接，集束管6包括小径管和大径管，小径管通过环形丝堵4与内管19配合，环形丝堵4与内管19螺纹配合，固定集束管6，且小径管与大径管形成的凸台与环形丝堵4之间设有密封垫圈5，确保连接处的密闭性。
其中，气液混合部包括涡轮扇叶7、气体喷射球21和配气管9；涡轮扇叶7通过涡轮扇叶支架8固定于内管19内表面，在液流冲击作用下旋转，在气液混合区域内形成涡流，有助于气液充分混合；配气管9上下对称设置，通过螺纹与气体喷射球21连接；气体喷射球21表面均匀分布气体喷射孔24，使气相被充分分散至泡沫基液内，提高泡沫的生成效率，局部放大图如图3所示。
其中，纳米颗粒强化泡沫生成部，由多个振荡单元组成，每个振荡单元包括内管19、超声波振荡短节18和发泡滤网10；发泡滤网10的数量、类型和孔眼尺寸可根据需要进行优选，有助于快速生成合适粒径的泡沫，发泡滤网10类型有六种，如图4所示，从左至右依次为正方形发泡滤网、三角形发泡滤网、菱形发泡滤网、六边形发泡滤网、矩形发泡滤网和筛孔形发泡滤网。
其中，超声波振荡短节18位于发泡滤网10中心位置，与发泡滤网10连接，通过能量传输电缆17与外部供能装置连接，获得一定功率的超声波能量；能量传输电缆17与内管19和外管20之间分别通过内管密封垫圈16和外管密封垫圈15密封，一是避免能量传输电缆17与内外管刚体硬接触，造成能量传输电缆磨损，二是确保气液流动通道的密闭性，避免流体漏失。
本发明装置中，振荡单元的数量为多个，振荡单元之间通过环形法兰12连接，环形法兰12由紧固螺栓11固定；振荡单元可以根据实际需要选择数量进行级联，在最短时间内形成压裂作业需要的泡沫；最后一级振荡单元通过环形法兰12与泡沫压裂液排出管14连接。
本发明装置中，外管20分为多段，每段外管之间通过环形法兰12连接，便于该装置的组装和拆卸；内管19与外管20于装置中间部位及泡沫排出部位通过内外管固定支架13连接，内外管固定支架13为抗疲劳合金材料；内管19为变径管，泡沫基液超声分散部和气液混合部连接处为细管径段，内径为20.3mm；气液混合部处为变径段；振荡单元处为粗管径段，内径50.8mm。
采用本发明非常规气藏压裂用纳米颗粒强化泡沫发生装置生成纳米颗粒强化泡沫压裂液时，按照下述步骤进行：
(1)试压：将非常规气藏压裂用纳米颗粒强化泡沫发生装置的泡沫压裂液排出管14连接到装配阀门的压裂用高压管线上，关闭阀门，向非常规气藏压裂用纳米颗粒强化泡沫发生装置通入泡沫基液，保持最高施工压力30～40min，进行憋压，合格的标准为不刺不漏；
(2)泡沫基液超声分散：将含纳米颗粒(如粒径为10～20纳米的SiO2纳米颗粒、Al2O3纳米颗粒或Fe2O3纳米颗粒，)的泡沫基液通过泡沫基液注入管23注入振荡管2，开启超声波供能装置电源，为超声波振荡杆1和超声波振荡短节18提供能量，对泡沫基液进行振荡，使纳米颗粒在泡沫基液中充分分散；
(3)注气形成泡沫：气体通入配气管9，保持配气管9的压力大于泡沫基液注入压力，且保持泡沫基液注入压力和气体注入压力差小于1MPa，泡沫基液和气体流经发泡滤网10，在振荡、剪切作用下产生泡沫，直至泡沫生成作业结束，完成压裂施工；
(4)卸压清洁：泡沫生成作业结束后，切断超声供能装置电源，将非常规气藏压裂用纳米颗粒强化泡沫发生装置卸去压力，打开环形法兰12，拆卸各部件并清洁。
Claims (11)
1.一种非常规气藏压裂用纳米颗粒强化泡沫发生装置，包括泡沫基液超声分散部、气液混合部和纳米颗粒强化泡沫生成部，均设于一外管内；
所述外管内设有一内管，所述气液混合部和所述纳米颗粒强化泡沫生成部设于所述内管内；
所述泡沫基液超声分散部包括超声波振荡杆、振荡管和集束管；所述超声波振荡杆外接超声波供能装置；所述振荡管环绕于所述超声波振荡杆的外表面，所述振荡管的泡沫基液的注入端设于所述外管外部用于与泡沫基液注入管连接，所述振荡管的泡沫基液流出端与所述集束管连接，所述集束管与所述内管配合，且设于内管内部；
所述气液混合部包括涡轮扇叶和气体喷射球；沿所述振荡管的泡沫基液流出方向，所述涡轮扇叶和所述气体喷射球依次设置；所述涡轮扇叶固定于所述内管的内壁上，所述气体喷射球上设有气体喷射孔，其配合至少两个配气管，所述配气管延伸至穿过所述内管和所述外管与外界相通；
所述纳米颗粒强化泡沫生成部包括若干振荡单元，所述振荡单元包括超声波振荡短节和发泡滤网；所述发泡滤网固定于所述内管内，所述超声波振荡短节套设于所述发泡滤网的中部，并通过能量传输电缆与外部超声波供能装置连接。
2.根据权利要求1所述的泡沫发生装置，其特征在于：设置1~3层所述振荡管；所述振荡管与所述外管的配合处设有缓震垫圈；
所述振荡管通过耐压接头与所述泡沫基液注入管和所述集束管连接。
3.根据权利要求1或2所述的泡沫发生装置，其特征在于：所述集束管包括小径管和大径管，所述小径管通过环形丝堵与所述内管配合，所述环形丝堵与所述内管螺纹配合，且所述小径管与所述大径管形成的凸台与所述环形丝堵之间设有密封垫圈。
4.根据权利要求1或2所述的泡沫发生装置，其特征在于：所述涡轮扇叶通过支架固定于所述内管的内壁上；
两个所述配气管对称设置；
两个所述配气管通过螺纹与所述气体喷射球连接；
所述气体喷射孔均匀分布于所述气体喷射球的表面。
5.根据权利要求1或2所述的泡沫发生装置，其特征在于：所述发泡滤网为正方形发泡滤网、三角形发泡滤网、菱形发泡滤网、六边形发泡滤网、矩形发泡滤网或筛孔形发泡滤网。
6.根据权利要求1或2所述的泡沫发生装置，其特征在于：与所述振荡单元对应的所述内管之间通过法兰连接；
所述外管分为多段，每段所述外管之间通过法兰连接。
7.根据权利要求1或2所述的泡沫发生装置，其特征在于：所述能量传输电缆与所述内管和所述外管之间分别通过内管密封垫圈和外管密封垫圈密封；
所述内管与所述外管于装置中间部位及泡沫压裂液出口部位通过内外管固定支架连接。
8.根据权利要求1或2所述的泡沫发生装置，其特征在于：所述内管为变径管，所述泡沫基液超声分散部与所述气液混合部的连接处为细管径段，所述气液混合部外为变径段，所述振荡单元处为粗管径段。
9.权利要求1-8中任一项所述纳米颗粒强化泡沫发生装置在非常规气藏压裂用泡沫流体生成中应用。
10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于：所述非常规气藏包括页岩气气藏和煤层气气藏。
11.一种非常规气藏压裂用纳米颗粒强化泡沫的制备方法，包括如下步骤：
（1）试压：将权利要求1-8中任一项所述纳米颗粒强化泡沫发生装置的泡沫压裂液出口与泡沫压裂液排出管连接，将所述泡沫压裂液排出管连接到装配阀门的压裂用高压管线上，关闭阀门，向所述振荡管内通入泡沫基液，保持最高施工压力30~40min，进行憋压，合格的标准为不刺不漏；
（2）泡沫基液超声分散：将含纳米颗粒的泡沫基液通过泡沫基液注入管注入所述振荡管，开启超声波供能装置电源，为所述超声波振荡杆和所述超声波振荡短节提供能量，对泡沫基液进行振荡，使纳米颗粒充分分散至泡沫基液中；
（3）注气形成泡沫：气体通入所述配气管，保持所述配气管的压力大于泡沫基液注入压力，且保持所述泡沫基液注入压力和气体注入压力差小于1MPa，泡沫基液和气体流经所述发泡滤网，在振荡、剪切作用下产生泡沫，直至泡沫生成作业结束，完成压裂施工。
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