煤层气氮气泡沫压裂技术的研究与试验.doc

煤层气氮气泡沫压裂技术的研究与试验煤层气氮气泡沫压裂技术的研究与试验孙晗森1贺承祖2(1中联煤层气有限责任公司北京100011；2成都理工大学 成都610059)摘要氯气泡沫压裂工艺技术特剐适用于低压、低渗和水教性地层(煤层)的压裂改造。研究表 明。泡沫压裂液中作为稳泡荆的高分子聚合物和某些作为起泡荆的表面活性荆均可能损害煤储层，影响 压裂效果。本文提出一种新的粘弹性表面活性剂泡沫压裂液。通过室内实验研究压现场应用试验，优选 出的氨气泡沫压裂液具有性能好，施_T-后无需破胶即可排液，对煤层损害小的优点；现场应用后可达到 明显的增产效果。关键词煤储层氮气泡沫压裂液表面活性剂现场应用Study and Experiment on Nitrogen Foam StimulationTechnology for CBMSun Hansen，He Chenzhu(1China United Coalbed Methane Corp，Ltd，Beijing 100011；2Chengdu University of Technology，chengdu 610059)Abstract：Nitrogen foam stimulation technology particularly applies tO stimulation operations of coal seams with low pressure，low permeability and water sensitivitySome researches indicate that macromoleeular P0ly。en a8日te“agent of bubble and certain surface-active agents as generating agent of bubble in foam fracture liquid may dalne coal reservoir and produce negative effects on stimulationAew type of nitrogen foam fractOre liquid called viscoelastic surface-active agent wa8 introduced in this paperThe optimized nitrogen foal 6。acture liquidthmugh indoor study and field application test not only has good physical performance and virtues of low damage to coal Sesxns，but also Call produce liquid without glue-broken agent after stimulation operationsThe application of this type of rlitmgen foam fractm'e liquid in the practical operatiom of CBM fields showed very obvious stimulation msuhsKeywords：coal reservoir；nitrogen foam；fracture tlquid；surface-active agent；site application前言煤层具有致密、低压、低渗的特点，必须经过压裂之后才能获得有工业价值的产攻关项目：国家科技部。十五”科技攻关项目部分成果。 作者简介：孙晗森1973年生，男，浙江义乌人；1998年毕业于成都理工大学石油系，获工学硕士；中联煤层气有限责任公司，高级工程师，从事油气藏数值模拟和增产改造技术研究；地址：北京安外大街甲88号，邮编：10601l；Email：hssun ebmmhtom。 ··149·中国煤层气勘探开发利用技术进展量”J。压裂液的种类很多，其中以泡沫压裂液因其含液量小，易排，对储层损害小，认 为较适合煤层”1。研究表明，泡沫压裂液中作为稳泡剂的高分子聚合物和某些作为起泡 剂的表面活性剂均可能损害煤储层，影响压裂效果。氮气泡沫压裂工艺是20世纪70年代以来发展起来的一项压裂1二艺技术。主要适用范 围是低压、低渗和强水敏性储集层。在低渗油层压裂改造和煤层气压裂增产中，氮气泡沫 压裂工艺在美国应用已经相当普遍，在黑勇士盆地的煤层气开采井中，大多数的施工井都 采用氮气泡沫压裂工艺；而国内由于受到压裂设备、技术工艺和成本等方面因素的影响， 制约了氮气泡沫压裂工艺的发展。泡沫压裂液从工艺和添加剂的更新换代上看，主要发展经历了三代。人们将仅用表面 活性剂水溶液生的泡沫压裂液叫做第一代泡沫压裂液；将加有聚合物和交联聚合物的泡沫 压裂液分别叫做第二和第三代泡沫压裂液”j。第二和第三代泡沫压裂液虽然比第一代泡沫压裂液的稳定性高，但由于引入聚合物，存在低温井破胶不完全以及破胶后对地层的损害问题”1，部分丧失了泡沫压裂液低损害性的优点。本文提出一种新的粘弹性表面活性剂泡沫压裂液。通过室内试验及研究，优选出的氮 气泡沫压裂液具有性能好，施工后无需破胶即可排液，对煤层损害小的优点。1实验条件和方法11试剂及材料 粘弹性表面活性剂：研制产品。氯化钾、过硫酸铵、碳酸盐型阴离子表面活性剂、季铵盐型阳离子表面活性剂、非离子表面活性剂，均为化学试剂。羟丙基瓜胶：工业品。煤样：潘河先导性试验区无烟煤。12实验方法”1121泡沫基液的性质 用毛管粘度计测量粘度，用滴重法测量表面张力，用改进的Bickerman法测量在煤样上的接触角。122泡沫的鲒构扣性质 用高速搅拌法(100转min，2rain)起泡。在显微镜下观察泡沫的结构，测量泡沫的体积，计算泡沫质量(气体体积泡沫体积)。测量液体析出一半的时间，确定泡沫的半衰期。用六速粘度计测量泡沫的流变性。测量砂粒在泡沫中的沉降速度，评价携砂能 力。在失水仪测量泡沫的滤失速度。2泡沫压裂液性能21氨气泡沫压裂液的结构研究者”1根据等球体最紧密堆积时，球体所占空间体积为074这一几何原理，认为 泡沫质量O74时泡沫中的气泡为球形，泡沫质量>074时被挤压为五角十二面体。我 们的观察表明，该粘弹性表面活性剂水溶液所形成的泡沫，在质量高达080时气泡仍为 球形，显微相片如图1所示。仅在泡沫质量大于090时才被挤压为五角十二面体形。由 该图可以看出：泡沫中气泡大小分布比较均匀，大多在0040，lOmm之间，由于小气泡 可填充在大气泡之间的空隙中，所以这种泡沫在质量远大于074时气泡仍可保持球形。·150·煤层气氮气泡沫压裂技术的研究与试验图1 泡沫显微照片图2粘弹性表面活性剂溶液中蠕状胶束网络示意图22稳定性泡沫形成时气液界面增加，气液界面能随之增加。因为高能态均有自发转变为低能态 的趋势，所以泡沫属于热力学不稳定体系，只能靠动力学因素维持有限的生存时间。由于 气液相密度相差大，液膜中的液体会在重力下流失使液膜变薄，液膜薄到一定程度后易在 外力扰动下破裂而使泡沫消失。表面活性剂在气液界面上形成定向吸附层，既可通过降低 界面张力使泡沫容易生成，又可靠这种吸附层的粘弹性，使液膜不易破裂，增加泡沫的稳 定性。本文提出的粘弹性表面活性剂溶于水后，可形成类似于聚合物的蠕虫状胶束结构 (见图2)”4”J。这种胶束在较低浓度时，不会明显增加水的粘度(<5mPa·s)，但可吸 附在气水界面，形成比单独表面活性剂要强得多的吸附层，增加泡沫的稳定性，使氮气泡 沫的半衰期均长达12h。这种粘弹性表面活性剂形成的泡沫压裂液主要靠增加吸附层的 强度，而不是靠增加水的本体粘度来增加泡沫的稳定性，不存在需要破胶以及对储层损害 问题，从而比第二代和第三代泡沫压裂液优越。23流变性 实验表明。氮气在该粘弹性表面活性剂水溶液中形成的泡沫压裂液为假塑性流体，氮气n=041，K=223mPa·s，泡沫压裂液的流变曲线如图3所示。o芒邑磐?tdIu)a磐”，：3：¨。帖o图3泡沫压裂液的流变曲线泡沫流动时气泡之间滑动，气泡还可能变形，需要克服的阻力比基液流动要大，故粘·151·中国煤层气勘探开发利用技术进展 度比基液大。泡沫流动时，随着切力的增加，结构逐渐拆散，阻力减小，表现为剪切稀释性质。泡沫压裂液粘度高，有助于携砂，剪切稀释性有助于减少管输阻力。24携砂能力压裂液的携砂能力取决于砂粒在其中的沉降速度，文献认为”“，沉降速度小于050erarain时最佳，介于055erarain可以接受，大于5cmmin时不可接受。该泡沫 压裂液基液的粘度(约为45mPa·s)高于清水和活性水压裂液(约为lmPa·s)，低于 聚合物压裂液(>40mPa·8)；实验表明，40目砂粒在该粘弹性表面活性剂泡沫中未见沉降，说明携砂能力良好。泡沫压裂液良好的携砂能力，宏观而言归因于泡沫高的粘度，微观而言归因于410 倍于气泡大小的砂粒欲在其中下沉，必需将途中气泡推开和使之变形，而砂粒的重力不足 以克服这些阻力，故其沉降速度很小，甚至趋近于零。将30mL(视体积)60目(粒径025ram)的砂粒放人100mL基液中，在氮气中高速搅拌2min后，将生成的泡沫倾入量 筒中静置下来，观察水和砂粒的沉降速度。研究结果表明，在有砂粒存在时泡沫的半衰期 缩短约为原来的56，并且砂粒的沉降速度约为水沉降速度的80。前者可能是由于砂粒 下沉时的作用力促使液膜破裂；后者说明失水后的泡沫虽然骨架尚在，但已无悬砂能力。 这与破胶后水基或油基压裂液的行为有些相似。25降滤失性 压裂液滤失于裂缝壁会引起传递压力损失，故压裂需要降滤失性。压裂液的滤失速度y同时间t有如下关系：C”万式中C称为滤失系数。该泡沫压裂液的C=404×10-4Invmin，与聚合物凝胶压裂液的 数值相近。泡沫压裂液滤失时无瞬时失水现象，它是靠高粘度降滤失，而不是靠形成滤饼 降滤失。3现场应用在室内研究的基础上，将氦气泡沫压裂技术应用于现场实践。本次现场试验的设计要 求是：施工排量控制在4560m3min；氮气泵注排量达到600m3min；氮比大于340m5m3SPACE；泡沫质量在60一75。2005年12月，在潘河先导性试验区完成了2 口井的氮气泡沫压裂施工。经过一段时间的排采证实，氮气泡沫压裂施工的PHl和 PHI一006井与周边采用活性水加砂压裂完成的煤层气井比较，主要有以下几点优越性：(1)加速排液。压裂后返排速度快，产气速度快，氮气泡沫压裂井平均15d排液完 成后开始产气，并可以在井口点火。(2)氮气泡沫压裂液粘度高，有较好的携砂能力，可以有效控制裂缝形态的发育。 降低压裂液在多裂缝发育的煤层中的滤失性。(3)氮气泡沫压裂施工中，用液量少，对煤层污染较小。 (4)在地质情况基本相同的条件下，通过对周围井的产量对比分析发现，氮气泡沫压裂井的增产效果非常显著。 由上所示，产量与含气量变化图(见图4、5)可见，PHI井含气量在12m3t，-，52·煤层气氨气泡沫压裂技术的研究与试验PHl006井约为16 m3t。通过排采分析发现，氮气泡沫压裂井的产量比周边水力压裂井 增加在3倍以上(见图6、7)。图4 PHI006井周围井产量与含气量变化图图5 PHI井周围井产量与含气量变化图图例说明：PHI一006为氮气泡沫压裂井，其余为活性水加砂压裂井；!；i器盟一产气量(m3d)图6 PHl井与周边井的产量对比图 图7 PHI一006井与周边井的产量对比图4结论本文提出的粘弹性表面活性剂溶于水后，可形成类似于聚合物的蠕虫状胶束结构。这 种胶束在较低浓度时，不会明显增加水的粘度(<5mPa·s)，但可吸附在气水界面，形 成比单独表面活性剂要强得多的吸附层，增加泡沫的稳定性，使半衰期长达12h。该泡沫压裂液的切速为170s。1时的表观粘度远大于50mPa·s，压裂液具有良好的悬砂能力。这种粘弹性表面活性剂形成的泡沫压裂液主要靠增加吸附层的强度，而不是靠增加水 的本体粘度来增加泡沫的稳定性，不存在需要破胶以及对储层损害问题，比第二代和第三 代泡沫压裂液具有优越性。通过在煤层气井中的现场应用，氮气泡沫压裂井的增产效果非常显著。通过排采分析 发现，氮气泡沫压裂井的产量增加在常规水力压裂井产量的3倍以上。在国家“十五”攻关项目资助下，开始进行了氮气泡沫压裂技术的研究，并在潘河·153中国煤层气勘探开发利用技术进展示范项目中进行了工业试验，实践表明，该项技术具有巨大的推广应用前景。参考文献1】Zebtowitz MThomas B D1989Coalbed stimulation are optimized in Alabama basirL OGJ87(4)：61722Bauer fL E Hoeomb D L 1975Foam fracturing shows succin gasoil formatIlnsOEJ 73(31)：576033 Watkins E k Wendoff C L Ainley B凡1983A New cmsslinked foamed fracturing fluid，SPE12127 4贺承祖华明琪2003压裂液对储层的损害麓其抑制方法钻井与完井液20(1)：4953 5贺承祖，华明琪1995油气藏物理化学成都：成都电子科技大学出版社【6贺承祖，单明琪1996水锁效应研究钻井与完并液13(6)：13一15 7Van Krevelen1981Coal Science and TechnologyZlesvicr pal)company【8mghlIliC卫1984Coalbed methane reLlrce AAPG，32(17)：113【9贺承祖，华明琪2005低渗砂岩气藏岩石的孔隙结构与物性特征新疆石油地质26(3)28028410】Conwa?M砒Penny G sSchcaufnagel R D1993Fracturing fluid Leakoff and damage me&rauism in eoalbed methane reservoirs 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