專利名稱：煤層氣氮氣泡沫壓裂液及其制備方法
技術領域：
本發明涉及一種煤層氣井壓裂用的水基氮氣泡沫壓裂液及其制備方法，屬于油田化學的技術領域。
背景技術：
煤是一種楊氏模量低、泊松比高、硬度低、易破碎的非常規儲層，它是由基質和裂縫兩部分組成，煤層氣主要以吸附狀態在煤層基質微孔隙內表面上，裂縫系統才是煤層流體(氣和水)運移的主要通道。煤層的裂縫系統受到很多因素的影響，連通性差，滲透率低是煤儲層致命的缺陷，因此需要壓裂改造以改善煤層的導流能力，常規煤層氣直井如果不通過壓裂改造很難獲得產能。

由于煤層氣層具有低孔、低滲、易受污染等特點，因此壓裂時需要特別注意降低壓裂液對煤層的傷害。在煤層氣井壓裂中，壓裂液與煤層接觸造成的滲透率降低，一般是由煤基質的割理被堵塞及液體吸附造成的，此外煤層的水化膨脹和其它不良化學反應也是造成儲層滲透率降低的原因。但從傷害的主要成分分析以堵塞和吸附為主，因此要求壓裂液以不形成濾餅，殘渣和主要添加劑具有較小的吸附性能、小分子為特點。同時它也得具有一定的粘度，以提高壓裂液攜砂能力。煤層氣開采開發一般有低投入、低產出的特點，就要求壓裂液必須成本低、易實施、傷害小、攜砂性能好等特點，才能在煤層氣壓裂中得到大規模推廣。由于煤儲層的滲透率低，目前大規模應用于常規砂巖儲層的胍膠和聚合物凍膠壓裂液，由于聚合物分子量大，在水中分散溶解性差，水不溶性高，壓裂結束后，有相當一部分水不溶物(20% 60%)和未徹底破膠的大分子駐留在地層裂縫中，返排率較差，使地層滲透率下降，降低了壓裂改造效果，所以一般不用于煤層氣的儲層改造。煤層氣層主要使用活性水壓裂液，目前占到了煤層氣壓裂液市場的90%以上，但是其攜砂能力較差。而油氣田壓裂中普遍使用的清潔壓裂液雖然具有低傷害，攜砂性能好等特點，但其成本較高，普遍高于800元/m3以上，這些均無法滿足煤層氣井壓裂的需要。CN101805600A (CN201010150239. 9)公開了一種適合煤層氣儲層的凍膠壓裂液，由質量分數為0.3% 0.5%的非離子聚丙烯酰胺、0.014% 0. 04%的氧氯化鋯(Zr0C12)作交聯劑、0. 01% 0. 12%的鹽酸作pH調節劑、0. 06% 0. 12%的破膠劑和余量水組成，破膠劑是由過硫酸銨和亞硫酸鈉按質量比為(I. 0 3. 0) I所組成的氧化還原體系，能使凍膠在低溫條件破膠。該發明所提出的凍膠壓裂液成凍時間和破膠時間可調，具有低溫交聯速度快、粘度大、低濾失、破膠徹底且破膠液無殘渣、易返排的特點，能有效地提高煤層氣產能。CN101948684A (CN201010296038. X)提供了一種煤層氣井壓裂用新型活性水壓裂液，常用的活性水壓裂液一般由清水、防膨劑(常用氯化鉀)和助排劑(通常是表面活性劑的復配物，油田常用助排劑有D-60和HP-8等)按一定比例配制而成。該活性水壓裂液在壓裂施工時表現出摩阻高及對壓裂施工過程中產生的煤粉無分散作用的缺陷。本發明是在常用的活性水壓裂液中添加降阻劑(陰離子或非離子聚丙烯酰胺)和煤粉分散劑(木質素磺酸鹽，如木質素磺酸鈉)配制而成。按質量百分比，氯化鉀占I % 2 %，降阻劑占0. 02 % 0. 06%,分散劑占0. 01 % 0. 03%。本發明具有配方簡單，降低施工管柱摩阻，均勻分散煤粉的作用，對煤層的傷害小、易返排的特點。CN102031103A (CN201010548539. 2) 一種CO2清潔泡沫壓裂液體系，該壓裂液體系由下述質量百分數的組分組成水溶性疏水締合聚合物為0. 3-0. 8%、流變助劑為0. 25-0. 55%、粘土穩定劑為0. 5-3. 0%、起泡劑為0. 1-0. 5%、破膠劑為0. 01-0. 2%、液態CO2為30. 0-80. 0%、余量為水。該發明用液態CO2清潔泡沫壓裂液體系無需交聯劑，起泡性好、穩泡能力高、攜砂能力強，而且破膠易控制，破膠后無殘渣，破膠液表/界面張力低，對地層傷害小，可用于60-140°C低滲、低壓、水敏性儲層的壓裂改造。

發明內容
針對以上現有技術的不足，本發明提供一種壓裂效果較好的煤層氣氮氣泡沫壓裂液及其制備方法。術語說明

氣液比，指氮氣體積與液相體積比。本發明的技術方案如下一種煤層氣氮氣泡沫壓裂液，包括氣相和液相，氣相是氮氣，液相是含有0. 20^0. 50wt%起泡劑、0. 4 1. 0wt%穩泡劑、0. 1(H). 30wt%破膠劑的水溶液，氣相和液相的氣液比為(2 4) I體積比，其中起泡劑是由十二烷基硫酸鈉和N- (2-羥基丙基)全氟辛酰胺按質量比(8 10) I組成的復配體系，穩泡劑為ClfTc2tl烷基三甲基氯化銨，破膠劑是由過硫酸銨和亞硫酸鈉按質量比(l.(T2.0) I組成的氧化還原體系。本發明的壓裂液中，氮氣具有較強的穩定性，且不改變液相體系的pH值，氣液比(氮氣體積與液相體積比)控制在(2 4) I范圍內，相應泡沫質量為65% 80%。優選的，氣液比為4 I體積比，相應泡沫質量為80%。本發明的壓裂液中，起泡劑是由十二烷基硫酸鈉(SDS)和N- (2-羥基丙基)全氟辛酰胺(FCS-I)按照質量比(8 10) I組成的復配體系，該復配體系不僅降低了起泡劑使用濃度，而且產生的泡沫具有較大的起泡體積和較長的半衰期，在壓裂液液相(水溶液)中的質量分數為0. 209T0. 50% ;優選的，起泡劑在壓裂液液相(水溶液)中的含量為 0. 22 0. 45wt%0本發明的壓裂液中，穩泡劑C16I2tl烷基三甲基氯化銨為粘彈性表面活性劑VES-A，通過形成具有一定體系結構的粘彈性溶液從而實現穩泡作用，VES-A在壓裂液液相(水溶液)中的質量分數為0. 49T1. 0% ;優選的穩泡劑為十六烷基三甲基氯化銨或十八烷基三甲基氯化銨；優選的穩泡劑在壓裂液液相(水溶液)中的含量為0. 22、. 45wt%0本發明的壓裂液中，破膠劑是由過硫酸銨(NH4S2O8)和亞硫酸鈉(Na2SO3)按質量比為(l.(T2.0) I所組成的氧化還原體系，能使泡沫壓裂液消泡后的基液粘度小于5mPa*s，破膠劑在壓裂液液相(水溶液)中的質量分數為0. 109T0. 30%，30°C下破膠時間為I. 0^3. Oh ；優選的，破膠劑在壓裂液液相(水溶液)中的含量為0. 2^0. 3wt%，過硫酸銨(NH4S2O8)和亞硫酸鈉(Na2SO3)質量比優選1:1。上述含有起泡劑、穩泡劑、破膠劑的水溶液也稱起泡液,本發明的煤層氣氮氣泡沫壓裂液通過將氮氣與起泡液同時注入泡沫發生器而制得。根據本發明，一種煤層氣氮氣泡沫壓裂液的制備方法，步驟如下按配比，配制含有起泡劑、穩泡劑、破膠劑的水溶液作為液相，放入藥劑容器中，通過泵注入泡沫發生器；與此同時，將氮氣通過氣體質量流量計，注入泡沫發生器；控制氮氣和液相各自的注入速度，使氣液比為(2 4) I體積比，即可獲得本發明的泡沫壓裂液。以上氮氣泡沫壓裂液的制備方法中，優選的，氮氣注入速度為l(T40ml/min，液相注入速度為5 10ml/min，且使氣液比在(2 4) : I體積比范圍內。進一步優選的，控制氮氣注入速度為l(T20ml/min，液相注入速度為5ml/min。本發明的氮氣泡沫壓裂液的應用，作為煤層氣儲層改造用處理劑，可用于水敏、低溫的煤層氣井壓裂，是一種低傷害、高攜砂能力的水基氮氣泡沫壓裂液。
本發明的氮氣泡沫壓裂液是由氮氣、起泡劑、穩泡劑、破膠劑和水組成。與活性水壓裂液和植物膠壓裂液相比，氮氣泡沫壓裂液體系具有摩阻小，濾失系數低、液體濾失量小，良好的攜砂和流變性能，破膠徹底且破膠液無殘渣、對地層傷害小，表面張力低、易于返排，壓裂液返排速度快、排出程度高等特點，因此，能有效地提高煤層氣產能。本發明穩泡劑選用粘彈性表面活性劑VES-A，通過形成具有一定體系結構的粘彈性溶液從而實現穩泡作用。本發明的氮氣泡沫壓裂液加入了泡沫的成分，增加了壓裂液的攜砂性能和降低了壓裂液的濾失性能，同時泡沫的加入降低了壓裂液體系液相的比例，減小了配液量。它具有配液簡單、流變性能好、傷害小、攜砂好、易返排等優點，易于在煤層氣儲層壓裂液改造中推廣，它是一種無殘渣的低傷害氮氣泡沫壓裂液。


圖I是氮氣泡沫壓裂液的制備流程示意圖。I、氮氣瓶，2、壓力表，3、氣體質量流量計，4、藥劑容器，5、起泡液(液相)，6、泵，7、泡沫發生器，8、泡沫收集容器。圖2是實施例中使用的現有FG-I型泡沫發生器裝置示意圖。11、堵頭；12、不銹鋼軸片孔隙網；13、泡沫發生器主體；14、反紋螺絲。
具體實施例方式下面結合實施例對本發明做進一步說明，但并不限制本發明。各實施例中的百分比均為質量百分比，所用的化學藥品均為工業品。實施例中使用的泡沫發生器為FG-I型，結構如圖2所示(江蘇海安華安科研儀器有限公司)，該泡沫發生器主要由泡沫發生器主體13、堵頭11、反紋螺絲14和不銹鋼軸片孔隙網12組成。當起泡液和氣體分別通過進液口和進氣口進入主體內，由于反紋螺絲作用使其充分混合，再經過孔隙網讓產生的泡沫剪切成體積大小相對均一的泡沫從出口出去。實施例I :一種煤層氣氮氣泡沫壓裂液,包括氣相和液相，氣相是氮氣，液相是含有0. 45wt%起泡劑、I. 0被％穩泡劑、0. 20被％破膠劑的水溶液，氣相和液相的氣液比為3 I體積比，通過泡沫發生器制得；其中起泡劑是由十二烷基硫酸鈉和N- (2-羥基丙基)全氟辛酰胺按質量比8 I組成的復配體系，穩泡劑為粘彈性表面活性劑十六烷基三甲基氯化銨，破膠劑是由過硫酸銨和亞硫酸鈉按質量比I:I組成的氧化還原體系。制備方法制備流程示意圖如圖I所示。配制含有0.05%N_ (2-羥基丙基)全氟辛酰胺(FCS_1)，0. 4%十二烷基硫酸鈉(SDS)，I. 0%十六烷基三甲基氯化銨(VES-A)，0. l%NH4S20jP0. l%Na2S03水溶液，放入藥劑容器4中，通過泵6以5ml/min速度注入泡沫發生器7，與此同時，將氮氣從氮氣瓶I放出，通過設置氣體質量流量計3的流量，將氮氣以15ml/min速度注入泡沫發生器7 ;將起泡液5和氮氣以各自注入速度同時注入泡沫發生器中，控制氮氣與液相體積比為3 1，即泡沫質量為75%，通過泡沫發生器獲得氮氣泡沫壓裂液。
將上述氮氣泡沫壓裂液在30°C，I. 5MPa，170s—1下剪切30min，體系粘度基本保持在87mPa s ；3h破膠，破膠后體系粘度小于5mPa s，沒有殘渣，破膠后體系的表面張力為
15.42mN/m,具有較強的返排能力。實施例2:配制含有0. 02%N- (2-羥基丙基)全氟辛酰胺，0. 2%十二烷基硫酸鈉，0. 4%十六烷基三甲基氯化銨，0. 15%NH4S208和0. 15%Na2S03的起泡液水溶液，放入藥劑容器中，通過泵以5ml/min速度注入泡沫發生器，同時，將氮氣從氮氣瓶放出，通過設置氣體質量流量計的流量，將氮氣以10ml/min速度注入泡沫發生器；將起泡液和氮氣以各自注入速度同時注入泡沫發生器中，控制氮氣與液相體積比為2 I，即泡沫質量為67%，通過泡沫發生器獲得氮氣泡沫壓裂液。將上述氮氣泡沫壓裂液在30°C，I. 5MPa，170s—1下剪切30min，體系粘度基本保持在53mPa S。2h破膠，破膠后體系粘度小于5mPa s，破膠后體系均一，沒有殘渣，破膠后體系的表面張力為16. 59mN/m，具有較強的返排能力。實施例3 配制含有0. 02%FCS-1,0. 2%SDS,0. 4%十八烷基三甲基氯化銨，0. 15%NH4S208和0. 15%Na2S03的起泡液(液相水溶液)，放入藥劑容器中，通過泵以5ml/min速度注入泡沫發生器；與此同時將氮氣從氮氣瓶放出，通過設置氣體質量流量計的流量，將氮氣以20ml/min速度注入泡沫發生器；將起泡液和氮氣以各自注入速度同時注入泡沫發生器中，控制氮氣與液相體積比為4 1，即泡沫質量為80%，通過泡沫發生器獲得氮氣泡沫壓裂液。將上述氮氣泡沫壓裂液在30°C，I. 5MPa，170s—1下剪切30min，體系粘度基本保持在90mPa s. Ih破膠，破膠后體系粘度小于5mPa s,沒有殘渣，破膠后體系的表面張力為
16.23mN/m,具有較強的返排能力。
權利要求
1.一種煤層氣氮氣泡沫壓裂液，包括氣相和液相，其特征在于，氣相是氮氣，液相是含有0. 2(T0. 50wt%起泡劑、0. 4 I. 0wt%穩泡劑、0. 1(T0. 30wt%破膠劑的水溶液，氣相和液相的氣液比為(2 4) I體積比，其中 起泡劑是由十二烷基硫酸鈉和N- (2-羥基丙基)全氟辛酰胺按質量比(8 10) I組成的復配體系，穩泡劑為ClfTC2tl烷基三甲基氯化銨粘彈性表面活性劑(VES-A)，破膠劑是由過硫酸銨和亞硫酸鈉按質量比(I. (T2.0) I組成的氧化還原體系。
2.如權利要求I所述的煤層氣氮氣泡沫壓裂液，其特征在于，氣相和液相的氣液比為4 I體積比。
3.如權利要求I所述的煤層氣氮氣泡沫壓裂液，其特征在于，起泡劑在壓裂液液相中的含量為0. 22 0. 45wt%0
4.如權利要求I所述的煤層氣氮氣泡沫壓裂液，其特征在于，穩泡劑為十六烷基三甲基氯化銨或十八烷基三甲基氯化銨。
5.如權利要求I或4所述的煤層氣氮氣泡沫壓裂液，其特征在于，穩泡劑在壓裂液液相中的含量為0. 22 0. 45wt%。
6.如權利要求I所述的煤層氣氮氣泡沫壓裂液，其特征在于，穩泡劑破膠劑在壓裂液液相中的含量為0. 2^0. 3wt%,過硫酸銨(NH4S2O8)和亞硫酸鈉(Na2SO3)質量比為1:1。
7.權利要求1飛任一項所述的煤層氣氮氣泡沫壓裂液的制備方法，步驟如下 按配比，配制含有起泡劑、穩泡劑、破膠劑的水溶液作為液相，放入藥劑容器中，通過泵注入泡沫發生器；與此同時，將氮氣通過氣體質量流量計，注入泡沫發生器；控制氮氣和液相各自的注入速度，使氣液比為(2 4) I體積比，即得氮氣泡沫壓裂液。
8.如權利要求7所述的煤層氣氮氣泡沫壓裂液的制備方法，其特征在于，氮氣注入速度為l(T20ml/min，液相注入速度為5ml/min。
全文摘要
本發明涉及一種煤層氣氮氣泡沫壓裂液及其制備方法。氮氣泡沫壓裂液，包括氣相和液相，氣相是氮氣，液相是含有0.20～0.50wt%起泡劑、0.4～1.0wt%穩泡劑、0.10～0.30wt%破膠劑的水溶液，氣液比為(2～4)∶1體積比，相應泡沫質量為65%～80%；起泡劑是由十二烷基硫酸鈉和N-(2-羥基丙基)全氟辛酰胺按質量比(8～10)∶1組成的復配體系，穩泡劑為C16～C20烷基三甲基氯化銨，破膠劑是由過硫酸銨和亞硫酸鈉按質量比(1.0～2.0)∶1組成的氧化還原體系。通過泡沫發生器獲得氮氣泡沫壓裂液。該氮氣泡沫壓裂液具有配液簡單，對煤層的傷害小，濾失低，摩阻小，返排迅速和攜砂能力強等優點。
文檔編號C09K8/70GK102766450SQ20121029046
公開日2012年11月7日 申請日期2012年8月15日 優先權日2012年8月15日
發明者丁云宏, 丁昊明, 劉欣梅, 劉萍, 戴彩麗, 梁利, 王欣, 由慶, 管保山, 趙光, 趙明偉 申請人:中國石油大學(華東)