石油与天然气化工  2023, Vol. 52 Issue (4): 73-76, 82
引用本文
蒋泽银, 李小蓉, 罗鑫, 陈满, 杜国佳. 页岩气井泡沫排水复合杀菌起泡剂研究[J]. 石油与天然气化工, 2023, 52(4): 73-76, 82.   DOI: 10.3969/j.issn.1007-3426.2023.04.012
页岩气井泡沫排水复合杀菌起泡剂研究
蒋泽银1,2 , 李小蓉3 , 罗鑫4 , 陈满4 , 杜国佳1     
1. 中国石油西南油气田公司天然气研究院;
2. 页岩气评价与开采四川省重点实验室;
3. 中国石油西南油气田公司;
4. 四川长宁天然气开发有限责任公司
收稿日期：2023-01-08
基金项目：中国石油天然气股份公司“深层页岩气有效开采关键技术攻关与试验”(2019F-31)；中国石油西南油气田公司科学研究与技术开发项目“长宁页岩气平台井泡排剂加注技术深化研究”(20210303-27)
作者简介：蒋泽银，1975年生，工学学士，工程硕士，高级工程师，1998年毕业于四川大学化学工程系有机化工专业，2010西南石油大学石油与天然气工程专业工程硕士毕业，主要从事天然气井泡沫排水采气研究工作，发表论文近20篇，2次获省级科技奖励。E-mail：jiangzy@petrochina.com.cn.
摘要：目的 针对页岩气井的泡沫排水稳产及细菌腐蚀的控制，研究出150 ℃井温下兼具泡沫排水及杀菌防腐功能的复合杀菌起泡剂。方法 结合对泡沫生成到破灭变化过程的分析，通过对起泡主剂、稳泡助剂及杀菌助剂的优选，复配形成复合杀菌起泡剂并进行现场试验验证。结果 在温度为90 ℃、复合杀菌起泡剂的质量浓度为1.0 g/L时，起始泡高大于185 mm、5 min泡高大于122 mm、携液量大于149 mL/15 min；在压力为5 MPa、温度为150 ℃、复合杀菌起泡剂的质量浓度为2.0 g/L时，发泡体积大于650 mL、1 000 s时泡沫体积降低率小于10%；复合杀菌起泡剂的质量浓度为1.0 g/L时，对SRB的杀菌率达100%；现场试验中，相同用量的常规起泡剂和复合杀菌起泡剂的气产量、水产量相当，未实施泡沫排水的井使用复合杀菌起泡剂后气产量、水产量稳定，杀菌率达98.0%以上。结论 研制的复合杀菌起泡剂兼具泡沫排水及杀菌防腐功能，可用于井底温度为150 ℃页岩气井的泡沫排水稳产及杀菌防腐。
关键词：页岩气井    泡沫排水    起泡剂    杀菌剂    高温    高压    
Study on compound bactericidal foaming agent for foam drainage in shale gas wells
Jiang Zeyin1,2 , Li Xiaorong3 , Luo Xin4 , Chen Man4 , Du Guojia1     
1. Research Institute of Natural Gas Technology, PetroChina Southwest Oil & Gasfield Company, Chengdu, Sichuan, China;
2. Sichuan Province Key Laboratory of Shale Gas Evaluation and Exploitation, Chengdu, Sichuan, China;
3. PetroChina Southwest Oil & Gasfield Company, Chengdu, Sichuan, China;
4. Sichuan Changning Gas Development Co., Ltd., Chengdu, Sichuan, China
Abstract: Objective In order to meet the needs of stable production of foam drainage and control of bacterial corrosion in shale gas wells, a compound bactericidal foaming agent with functions of foam drainage, bactericidal and antiseptic at 150 ℃ well temperature was developed. Methods Combined with the analysis of foam formation to burst process, through the optimization of foaming agent, foam stabilizing agent and bactericidal agent, compound bactericidal foaming agent was formed and verified by field test. Results At 90 ℃ and the mass concentration of 1.0 g/L, the initial bubble height was more than 185 mm, the 5 min bubble height was more than 122 mm, and the liquid carrying capacity was greater than 149 mL/15 min. At 5 MPa, 150 ℃ and the mass concentration of 2.0 g/L, the foaming volume was more than 650 mL, and the foam volume decreases less than 10% at 1 000 s. The bactericidal rate of sulfate reducing bacteria(SRB) was 100% at the the mass concentration of 1.0 g/L. In the field application test, the gas yield and water yields of conventional foamer and compound bactericidal foamer with the same the mass concentration were equal, the gas yield and water yield of the wells without foam drainage were stable after using the compound bactericidal foaming agent, and the bactericidal rate was over 98.0%. Conclusions The compound bactericidal foaming agent has functions of foam drainage, bactericidal and antiseptic. It can be used for stable production and bactericidal antiseptic of foam drainage in 150 ℃ shale gas well.
Key words: shale gas well    foam drainage    foaming agent    bactericide    high temperature    high pressure    

页岩气井通过大规模加砂压裂作业获取工业气流，单井注入压裂工作液量超过4×104 m3，经试采阶段可排出工作液17%左右[1]，而剩余的大部分工作液在生产过程中排出。页岩气井生产初期，压力、气产量和水产量较高，但下降速度快，造斜段和水平段易积液，如西南油气田长宁区块页岩气井投产1.5年后，压力、气产量下降大于75%[1-2]，水产量下降大于85%，自喷能力减弱，超过90%的井造斜段和水平段出现明显积液，需要采取排水采气措施以实现稳产。国内泡沫排水采气技术自2016年在页岩气井成功应用以来，已成为页岩气井稳产的主要技术之一。至2020年下半年，浙江油田昭通示范区泡沫排水井达77井、西南油气田长宁区块泡沫排水井达95井[3-4]。

页岩气井压裂时使用的河水、返排液中均存在硫酸盐还原菌(SRB)、铁细菌(FB)和腐生菌(TGB)[5-6]。SRB和CO2共同作用对生产管柱造成较大的腐蚀，目前广泛采取加注杀菌缓蚀剂的方式进行细菌腐蚀的控制[7]。对于实施泡沫排水的页岩气井，则需要考虑所用起泡剂与杀菌缓蚀剂的配伍性问题，在泡沫排水稳产的同时减轻细菌对生产管柱的腐蚀，如北美Barnett页岩气田，开展了起泡剂与缓蚀剂的相容性研究及应用[8]。

1 复合杀菌起泡剂
1.1 研究思路

采用高温、高压泡沫评价系统的CCD相机[9]，放大100倍拍摄在压力为5 MPa、温度为120 ℃、复合杀菌起泡剂的质量浓度为2.0 g/L时泡沫的变化过程，如图 1所示。

图 1     泡沫变化过程

图 1中浅色部分为气泡、深色部分为液膜。在初期，通过搅动气体而形成的气泡较均匀地分散于液体中，液体分布于气泡之间形成液膜，此时气泡较小、液膜较厚；5 min时，此时气泡变大，液膜因液体的流失而变薄；10 min时，气泡进一步变大，形成不规则的多面体，而液膜变为极薄一层，气体易于穿透液膜，致使小气泡合并成大气泡并最后破灭。根据泡沫从生成到破灭的变化过程，形成了将易于在气液界面富集且定向排列紧密的表面活性剂优选为起泡主剂，能提高液膜表面黏度、减缓液膜中液相流失的低聚物优选为稳泡助剂，将对起泡剂分子在气液界面富集及排列影响小的具有杀菌功能的组分优选为杀菌助剂，从而复配形成复合杀菌起泡剂的研究思路。

1.2 起泡主剂优选

因甜菜碱和硫酸酯盐类起泡剂具有良好的泡沫性能及抗矿化度能力[10]，选取甜菜碱两性离子及硫酸酯盐阴离子类起泡剂进行对比评价，优选出性能最优的起泡剂为起泡主剂，评价结果见表 1。评价仪器为Ross-Miles泡沫仪及泡沫携液量评价装置，水样为由10 g CaCl2和40 g NaCl配制得到的1 L矿化水(下同)。

表 1    起泡剂主剂优选评价

由表 1可见，在5个样品中，自制的甜菜碱两性表面活性剂复配物CⅠ因结合了甜菜碱两性基团形成“内盐”的独特分子结构[11]，以及不同碳链长度甜菜碱表面活性剂之间的协同增效作用，具有很好的抗盐及与其他药剂的复配性能，其初始泡高、5 min泡高和15 min携液量为最优。因此，选取该剂为复合杀菌起泡剂的起泡主剂。

1.3 稳泡助剂优选

分别用A、B、C、D 4种低聚类稳泡助剂配制成质量分数为5%的水溶液，评价质量浓度分别为1.0 g/L的CⅠ和0.2 g/L的稳泡助剂溶液的泡沫排水性能，结果见表 2。

表 2    稳泡助剂优选

从表 2可知，CⅠ中添加A、B助剂后，起始泡高、5 min泡高和15 min携液量有较大提升。其中，A助剂提升最明显。因此，选取A助剂为复合杀菌起泡剂的稳泡助剂。

对不同用量A助剂的5%(w)水溶液与CⅠ复配的泡沫排水性能进行评价，结果见表 3。

表 3    稳泡助剂用量优选

从表 3可知：5%(w)A助剂的质量浓度为0.1~0.4 g/L时，初始泡高及携液量相当；5 min泡高在5%(w)A助剂的质量浓度为0.1 g/L时，与单独使用CⅠ相近；当5%(w)A助剂的质量浓度增加到0.2 g/L时，5 min泡高大幅度增加，且与质量浓度分别为0.3 g/L和0.4 g/L时相当。因此，选取5%(w)A助剂的质量浓度为0.2 g/L。

1.4 杀菌助剂优选

结合季铵盐阳离子表面活性剂与细菌组分络合沉淀以及醛基与蛋白质中的氨基、羟基发生亲核反应的杀菌机理[12]，选取4种季铵盐阳离子和复合醛类杀菌助剂，进行杀菌助剂和CⅠ起泡剂复配的泡沫排水性能评价，结果见表 4。

表 4    杀菌助剂优选评价

从表 4可知，1227、1631和醛类杀菌剂对CⅠ的5 min泡高影响较大，而自制的复合杀菌剂是优选阳离子、醛类杀菌组分及缓蚀组分复配而成，对CⅠ的泡沫性能影响较小。因此，选取自制复合杀菌剂为复合杀菌起泡剂的杀菌助剂。

2 复合杀菌起泡剂性能评价
2.1 泡沫排水性能

选取长宁区块4口井的水样对复合杀菌起泡剂的泡沫排水性能进行评价，结果见表 5。

表 5    复合杀菌起泡剂性能

从表 5可知，质量浓度为1.0 g/L的复合杀菌起泡剂在4种现场水样中的起始泡高均大于185 mm、5 min泡高均大于122 mm、携液量均大于149 mL/15 min，达到Q/SY 1815-2015《排水采气用起泡剂技术规范》中起始泡高≥100 mm、5 min泡高≥80 mm、携液量≥120 mL/15 min的指标要求。

2.2 耐温性能

在温度分别为120 ℃、135 ℃和150 ℃，压力为5 MPa的条件下，采用高温高压泡沫评价装置对复合杀菌起泡剂的发泡及泡沫稳定性进行评价(10 g CaCl2和40 g NaCl配制的1 L矿化水、复合杀菌起泡剂的质量浓度为2.0 g/L)，评价结果见图 2。

图 2     不同温度下复合杀菌起泡剂的泡沫稳定性

从图 2可见：复合杀菌起泡剂在120 ℃、135 ℃和150 ℃时，240 s时的发泡体积均大于650 mL，产生的泡沫稳定性较好；静置1 000 s时的泡沫体积降低率小于10%，表明复合杀菌起泡剂可用于井底温度为150 ℃气井的泡沫排水。

2.3 杀菌性能

选取长宁区块4口页岩气井的水样，按SY/T 0532-2012《油田注入水细菌分析方法绝迹稀释法》进行杀菌性能评价，结果见表 6。

表 6    杀菌性能评价

从表 6可知：4口井水样中的SRB数量较高，最高超过1.1×106个/mL，FB和TGB数量相对较少；加入质量浓度为1.0 g/L的复合杀菌起泡剂后，SRB、FB和TGB的数量均降至0，杀菌率达100%。

3 现场应用试验
3.1 泡沫排水稳产效果

以长宁区块的NH4-4和NH41-4两口页岩气井为例。NH4-4井于2019年3月投产，完钻井深5 400 m、A点垂深3 474.20 m、A点斜深3 700.00 m、B点垂深3 825.17 m、B点斜深5 400.00 m、Φ60.3 mm油管下入3 690.42 m，为下倾型水平井；NH41-4井于2020年5月投产，井深4 850 m、A点垂深3 041.75 m、A点斜深3 350.00 m、B点垂深2 906.55 m、B点斜深4 850.00 m、Φ60.3 mm油管下入3 124.38 m，为上翘型水平井。NH4-4井于2020年6月21日实施常规起泡剂泡沫排水，2020年12月1日使用相同用量的复合杀菌起泡剂进行泡沫排水，NH41-4井于2021年6月20日实施复合杀菌起泡剂泡沫排水，两口井产气、产水曲线分别见图 3和图 4。

图 3     NH4-4井现场试验情况

图 4     NH41-4井现场试验情况

从图 3和图 4可见，使用相同用量的常规起泡剂和复合杀菌起泡剂的气产量、水产量相当，在未实施泡沫排水的井采用复合杀菌起泡剂实施泡沫排水后气产量、水产量稳定，表明研制的复合杀菌起泡剂能满足页岩气井泡沫排水的需要。

3.2 现场杀菌性能

对长宁区块4口页岩气井加注复合杀菌起泡剂前后返排水的细菌数量进行了测定，结果见表 7。

表 7    现场杀菌性能测试结果

从表 7可知，在使用复合杀菌起泡剂前，SRB数量最低，为25个/mL，最高超过1.1×106个/mL，使用复合杀菌起泡剂后，SRB数量降至0.4~45.0个/mL，杀菌率达98.0%以上。

4 结论

(1) 通过优选甜菜碱表面活性剂复配物起泡主剂、低聚类稳泡助剂及复合杀菌助剂复配形成的复合杀菌起泡剂，在温度为90 ℃、复合杀菌起泡剂的质量浓度为1.0 g/L时，起始泡高大于185 mm、5 min泡高大于122 mm、携液量大于149 mL/15 min、对SRB的杀菌率达100%，具有较好的泡沫排水稳产及杀菌效果。

(2) 在压力为5 MPa、温度为150 ℃、复合杀菌起泡剂的质量浓度为2.0 g/L时，复合杀菌起泡剂的发泡体积大于650 mL，静置1 000 s时的泡沫体积降低率小于10%，泡沫稳定性好，可用于井底温度为150 ℃气井的泡沫排水。

(3) 在现场井的应用中，相同用量的常规起泡剂和复合杀菌起泡剂的气产量、水产量相当，未实施泡沫排水的井采用复合杀菌起泡剂实施泡沫排水后气产量、水产量稳定，返排水中细菌数量大幅度降低，杀菌率达98.0%以上。

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