煤层气氮气泡沫压裂技术的研究与试验
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发布时间：2022-05-01 00:11
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时间：2022-06-21 04:10
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）
作者简介：孙晗森，1973年生，男，浙江义乌入；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：100011；E-mail：hssun cbm@yahoo.com。
攻关项目：国家科技部“十五”科技攻关项目部分成果。
摘要 氮气泡沫压裂工艺技术特别适用于低压、低渗和水敏性地层（煤层）的压裂改造。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。本文提出一种新的粘弹性表面活性剂泡沫压裂液。通过室内实验研究及现场应用试验，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；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 Stimulation Technology for CBM
Sun Hansen，He Chenzhu
（1.China United Coalbed Methane Corp.，Ltd，Beijing 100011；2.Cheng University of Technology，cheng 610059）
Abstract：Nitrogen foam stimulation technology particularly applies to stimulation operations of coal seams with low pressure，low permeability and water sensitivity.Some researches indicate that macromolecular polymers as steady agent of bubble and certain surface-active agents as generating agent of bubble in foam fracture liquid may damage coal reservoir and proce negative effects on stimulation.A new type of nitrogen foam fracture liquid called visco-elastic surface-active agent was introced in this paper.The optimized nitrogen foal fracture liquid through indoor study and field application test not only has good physical performance and virtues of low damage to coal seams，but also can proce liquid without glue-broken agent after stimulation operations.The application of this type of nitrogen foam fracture liquid in the practical operations of CBM fields showed very obvious stimulation results.
Keywords：coal reservoir；nitrogen foam；fracture liquid；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量[1]。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[2，3]。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工艺技术。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。入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[3]。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[5]，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
1.1 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。
1.2 实验方法[5，6］
1.2.1 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。
1.2.2 泡沫的结构和性质
用高速搅拌法（≥100转/min，2min）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
2.1 氮气泡沫压裂液的结构
研究者[3]根据等球体最紧密堆积时，球体所占空间体积为0.74 这一几何原理，认为泡沫质量≤0.74时泡沫中的气泡为球形，泡沫质量＞0.74 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0.80 时气泡仍为球形，显微相片如图1所示。仅在泡沫质量大于0.90 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0.04～0.10mm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0.74时气泡仍可保持球形。
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
2.2 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[14]。
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）[14，15]。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1～2h。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。
2.3 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=0.41，K=2.23mPa·s，泡沫压裂液的流变曲线如图3所示。
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。
2.4 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[15]，沉降速度小于0.50cm/min时最佳，介于0.5～5cm/min 可以接受，大于5cm/min时不可接受。该泡沫压裂液基液的粘度（约为4～5mPa·s）高于清水和活性水压裂液（约为1mPa·s），低于聚合物压裂液（＞40mPa·s）；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4～10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0.25mm）的砂粒放入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5/6，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。
2.5 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V同时间t有如下关系：
中国煤层气勘探开发利用技术进展：2006年煤层气学术研讨会论文集
式中C称为滤失系数。该泡沫压裂液的
,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，将氮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 4.5～6.0m3/min；氮气泵注排量达到 600m3/min；氮比大于340m3/m3SPACE；泡沫质量在60%～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 P H1和PH1-006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1.5d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，PH1 井含气量在 12m3/t，PH1-006井约为16m3/t。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 PH1-006井周围井产量与含气量变化图
图5 PH1井周围井产量与含气量变化图
图例说明：★PH1006为氮气泡沫压裂井，其余为活性水加砂压裂井；
—产气量（m3/d）
图6 PH1井与周边井的产量对比图
图7 PH1-006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1～2h。
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。
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