煤层气作为一种洁净而经济的能源, 它的开发和利用在美国、加拿大、澳大利亚、英国、俄罗斯等许多国家都已经得到充分的重视。煤层气(Coalbed gas)是赋存于煤层中的非常规天然气。随着国家经济的快速发展, 对能源的需求量也在日益增大。我国的煤层气资源非常丰富, 但是由于煤层的松软、割理发育、表面积大、吸附性强、压力低、渗透率低等不同于常规油气藏[1, 2], 决定了煤层气开采的难度。既要避免储层的伤害, 又要使开采量具有经济价值。因为这个矛盾的存在, 所以我国对煤层气的开采还处在一个比较落后的阶段。
国内煤层气试验井的压裂施工通常选用的液体多为清水加入相应的添加剂组成, 少数井采用了线性胶、冻胶压裂液[3]。虽然压裂液的种类很多, 但是对于煤层而言都或多或少地会产生伤害。泡沫压裂液因其用液量少、易返排、携带支撑剂能力强、伤害小的特点在煤层的压裂中得到广泛应用。国内外近年来的研究表明, 泡沫压裂液是一种适用于低渗、低压、敏感地层的性能优良的压裂体系[4]。泡沫体系比较常用的是CO2泡沫和氮气泡沫, 因它们在煤层中的吸附能力不同, 所以对置换甲烷的能力也不同。据验证, CO2置换煤中甲烷气的能力优于氮气[5]。CO2进入煤层中后, 可以置换大量的甲烷气出来。不仅如此, CO2还可以增加返排的能力, 尽量缩短水在储层的停留时间, 这样还能大大减小煤层膨胀的几率[6, 7]。本文结合辽河阜新煤矿的地质特点, 为提高煤层气的采收率, 提高经济效益, 开展了CO2混相VES清洁泡沫压裂体系的实验研究。
主要仪器:CVRO200高温高压流变仪、BZY-1全自动界面张力仪、岩心流动实验装置等。
主要药品:季铵盐型阳离子表面活性剂SL-16、阴离子型表面活性剂SW-12, 反离子助剂(无机盐类)、粘土稳定剂、温度稳定剂、自制胶囊破胶剂、稳泡剂V1-CMC等, 煤心取自辽河阜新煤矿。
实验用煤心所处的储层位于300 m~ 1000 m, 辽宁阜新地区地温梯度为3℃/100m, 因此地层的温度大约为40℃~ 45℃, 在此温度下能满足携砂要求的前提下, 使配方中各种物质的加量降到最低, 不但可以节约成本, 还可以减少对煤层的伤害。
最佳配方确定为: 1.5 % SL-16+ 0.5 %盐水+ 1.0 %粘土稳定剂+ 0.4%温度稳定剂+ 0.2% SW-12 + 0.5% V1-CMC + 0.25%胶囊破胶剂。在配制过程中, 温度宜在室温或之上进行, 因为这样能保证表面活性剂和稳泡剂的溶解能力不受到影响。
伴注CO2清洁压裂体系中, CO2分散到压裂液中以后, 以泡沫的形态存在。泡沫的稳定程度受到很多因素的影响, 主要是泡沫质量、温度、发泡剂和稳泡剂浓度等。泡沫的稳定程度通常用半衰期来衡量。半衰期即泡沫体积减少一半所需要的时间, 用t1/2 (min)表示。
(1) 泡沫质量。泡沫的微观结构通过Stemi SV11超长焦距连续变焦视频显微镜进行了观察。泡沫的显微图片见图 1。由图 1可以看出, 该泡沫分布均匀, 大多为六面体或圆形。
有研究指出, 在低压时根据气泡相互作用的不同, 将泡沫质量分为几个区段:泡沫质量低于0.52时, 球形气泡可能分散良好, 相互不接触, 此时粘度较低; 泡沫质量在0.52~0.74时, 气泡致密, 流动期间相互接触, 引起气泡相互干扰, 泡沫粘度较大且比较稳定[8]。泡沫质量在0.74~0.95时, 气泡必须变形以产生流动, 此范围内达到最大粘度。当泡沫质量大于0.9时, 流体接近于雾状。此时液相变为分散相, 粘度大大降低至气体的粘度, 这样在施工中很容易造成砂堵甚至有可能导致施工的失败。
因此, 根据其他研究者现有的研究结论及施工经验, 最终选取了中间较稳定的一系列泡沫质量0.50、0.60、0.65、0.70和0.75进行实验, 结果表明泡沫质量在0.70和0.75时, 半衰期最长(图 2)。
(2) 温度。泡沫是一种热力学不稳定体系, 随着温度的变化, 泡沫的稳定性受到的影响很大。当温度低于20℃时, 起泡剂和稳泡剂的溶解性会相对差一些, 起泡性能受到一定的影响。通入CO2后, 泡沫破裂较快, 泡沫质量较低。20℃起泡后, 泡沫是最稳定的。当温度高于45 ℃以后, 泡沫质量下降, 半衰期也缩短。当温度升高到50℃及以上时, 泡沫稳定性明显下降。泡沫的稳定性随着温度的升高而变差的主要原因是因为泡沫的合并和排液速度变快, 导致泡沫加速破裂[9]。由图 2可以看出, 45℃时, 泡沫质量为0.7和0.75时稳定性较好。
(3) 起泡剂和稳泡剂的浓度。45℃下, 泡沫质量为0.7时起泡剂和稳泡剂的量与半衰期的变化关系见图 3。
泡沫中的起泡剂主要是阴离子表面活性剂, SW-12具有很好的起泡性能。稳泡功能是由纤维素V1-CMC来实现的。在VES体系中, 随着起泡剂浓度的提高, 起泡能力会越来越好。但是当起泡剂浓度达到0.3%或更大时, 起泡能力有所下降。并且所起泡沫半径分布较宽, 液膜较薄, 因此排液快, 极易破裂。随着稳泡剂加量的增大, 发泡能力先增加后下降。稳泡剂的浓度在大于0.8%时, 基本上不形成泡沫。这与基液的粘度是相互关系的。VES体系中SL-16的浓度保持不变时, 随着起泡剂与稳泡剂加量的增加, 基液的粘度会增大。泡沫的液膜在受到气体扩散、重力作用等的冲击时, 液膜会局部变薄, 局部表面张力增大, 表面吸附的分子就会拖带表面下的溶液向液膜变薄处移动, 这时表面张力又会下降到原来的水平, 变薄的液膜也被修复到原来的厚度。当流体的粘度过大时, 溶剂中的分子无法在表面上迁移, 液膜无法修复, 这样使液膜的机械强度低, 反而对起泡能力和泡沫的稳定性来说是不利的[10]。
(1) 剪切稳定性。在地层温度下, 在170 s-1的剪切速率下对配方压裂液进行剪切, 此时粘度为126 mPa·s。其粘度随时间变化的曲线见图 4。温度以3℃/min的速度升高, 达45℃时保持不变。从图中可以看出, 经过90 min的剪切后, 体系的粘度在60 mPa·s, 粘度的保留率为56%。因为清洁压裂液与聚合物压裂液的携砂机理不同, 清洁压裂液的表观粘度在30 mPa·s时即可以有效地携砂[11], 所以剪切后体系的粘度虽然降低了很多, 但是在储层温度下, 仍然可以很好地携砂。
(2) 滤失性能。该配方的泡沫质量为0.70时, 在45℃下对该配方进行静态滤失性测试。测试结果见表 1。
在地层温度下, 该泡沫流体的造壁滤失系数C3为3.7769×10-4m/min1/2。泡沫是气液两相的体系, 本身含液量少, 它是通过泡沫的高粘度来降滤失, 并不是靠形成滤饼来降滤失的。由于VES压裂液不产生滤饼, 所以初滤失量较大。CO2泡沫还能在储层的表面形成一层阻挡层, 阻止液体向裂缝中的大量滤失, 也就是所谓的气阻效应。因此, 泡沫体系可以很好地降低滤失。
(3) 破胶性能。由于清洁压裂液的破胶机理是当它遇到烃类分子时其蠕虫状的胶束会马上变成球状胶束而致使粘度迅速下降, 所以清洁压裂液体系需要使用有机烃类来进行破胶, 而该泡沫体系中主要粘度是由VES提供的。所以有机烃类、过硫酸铵等均可以达到破胶的目的。因为清洁压裂液遇到有机烃类后会马上破坏它的蠕虫结构, 所以需要用胶囊来控制它的破胶时间。自制胶囊的成分主要是有机烃类。在泡沫体系中加入胶囊后, 经实验, 在45℃下, 该体系约在2 h~3 h内完全破胶, 经剪切后上层为非常细小的泡沫, 下层破胶液呈水状, 粘度低于5 mPa·s, 表面张力29.7 mN/m。
(4) 粘弹性。粘弹性实验由CVRO200高温高压流变仪测得。对该配方的控制应力以及频率进行了扫描。实验结果见图 5。
实验结果表明, 在地层温度、剪切应力不变的情况下, 由图 5可以看出, 流体储能模量G′ (弹性)先减小再增大, 耗能模量G″ (粘性)一直在增大, 此时G′一直小于G″。随着不断的剪切, 流体储能模量G′和耗能模量G″都在逐渐增加。随着频率的增大, 体系中弹性开始慢慢占主要地位。G′/ G″经历了由小于1逐渐到大于1的过程。这是体系中粘性和弹性共存的体现。这个粘弹性体系此时即使粘度很低, 它也可以很好地悬砂, 因为它可以由三维网状结构的弹性来实现良好的悬砂性能。
(5) 支撑剂悬浮能力。一般认为, 压裂液静态悬砂实验中, 砂粒的自然沉降速度为0.08 mm/s~0.18 mm/s时压裂液悬砂性能最好[12]。伴注CO2清洁压裂液主要靠VES胶束的弹性来实现携砂的功能, 所以尽管在它的表观粘度很低的情况下, 仍然能很好地悬浮支撑剂。砂粒若想沉降下去, 必须给泡沫液膜内的气体一个力, 将气体排开。因为泡沫液膜的弹性和压裂液本身的粘度, 砂粒的质量还不足以排开气体。在地层温度下, 单个石英砂的静态沉降速率平均为0.128 mm/s, 因此, 该配方压裂液具有很好的支撑剂悬浮能力。
(6) 岩心的损害实验。岩心伤害实验根据SY/T5107-2005“水基压裂液性能评价方法”进行。实验结果见表 2。
岩心的平均伤害率为10.5%, 岩心平均渗透率恢复率达到89.16%。这主要是由于CO2混相体系具有两相流作用, 它减少了压裂液水相的相对含量和进入岩心的水量[13], 破胶后也促进了液体的返排, 减少了伤害的程度。
(1) 伴注CO2清洁压裂液由基液和CO2气体两部分组成。该压裂液具有以下特点:耐剪切(剪切稳定)、滤失低(3.7769×10-4 m/min1/2)、悬砂能力强(平均0.128 mm/s)、伤害率小(平均小于11%)的特点。
(2) 伴注CO2清洁压裂液体系在实验地层温度下, 具有很好的稳定性。泡沫的稳定性受到很多因素的影响, 泡沫质量、温度、起泡剂和稳泡剂的浓度等因素影响较大。泡沫质量在0.5~0.75时, 泡沫质量越大, 泡沫的稳定性越好; 随着温度的升高, 泡沫的稳定性变差; 起泡剂和稳泡剂并不是加量越大泡沫越稳定, 当加量过大时, 反而加速了泡沫的衰变。
2010, Vol. 39 Issue (6): 514-517
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