煤層氣儲層改造中生物酶破膠技術的研究與應用

梁 利 劉 萍 管保山 劉 靜 呂海燕 周曉群

(1. 中國石油勘探開發研究院廊坊分院, 河北 060507; 2. 長慶油田分公司油氣工藝技術研究院, 陜西 710021)

煤層氣儲層改造中生物酶破膠技術的研究與應用

梁 利1劉 萍1管保山1劉 靜2呂海燕2周曉群2

(1. 中國石油勘探開發研究院廊坊分院, 河北 060507; 2. 長慶油田分公司油氣工藝技術研究院, 陜西 710021)

針對目前國內煤層氣井溫度較低, 使用交聯凍膠壓裂液因難于破膠或破膠不徹底等對儲層造成較大傷害的問題, 介紹了生物酶破膠劑FYPJ-1 的低溫破膠特性及其在煤層氣井中的應用情況。該破膠劑具有在低溫 (小于50 ℃) 下活性高、破膠快、殘渣含量低、粒徑小、不影響壓裂液流變性及與其它添加劑配伍性良好等優點, 是非常適合煤層氣井壓裂用的破膠劑, 現場應用取得了較好的效果。

壓裂液 生物酶 破膠劑 過硫酸銨 煤層氣

水力壓裂是煤層氣的主要增產措施之一。實踐證明, 對煤層進行水力壓裂, 能夠有效地提高煤層氣的產量。煤儲層改造施工過程中, 壓裂液是壓裂過程中使煤層形成有足夠長度和寬度的裂縫并將支撐劑 (細砂) 順利帶入其中的介質, 它是壓裂成敗的重要因素。交聯凍膠壓裂液因其具有較高的造縫效率和攜砂能力, 一直受到人們的青睞, 施工規模和加砂量都有較大提高, 但實驗表明其對煤層滲透率傷害達50%～90%, 主要原因是煤層溫度低(大多處于20～60 ℃) , 用常規氧化破膠劑破膠不徹底, 交聯凍膠壓裂液在裂縫壁表面形成濾餅及縫內殘膠難以解除所造成的。常用的氧化破膠劑如APS, 由于其活性和溫度有關, 一般當溫度低于49 ℃時, 反應的速度就很慢, 需要加入活化劑和提高使用濃度, 實驗表明, 當APS 的使用濃度超過0．15%時, 基液交聯性能受到影響, 不能形成可挑掛的凍膠, 僅有增稠感, 攜砂性能大大降低。因而, 在低溫下APS 的使用受到限制。生物酶破膠劑FYPJ-1 具有良好的低溫破膠性能。本文通過室內實驗, 研究了FYPJ-1 的低溫破膠特性, 得到比較好的實驗結果。經現場應用, 效果良好, 并獲得了壓裂成功。

1 室內實驗內容及結果分析

1．1 生物酶破膠劑FYPJ-1 的活性實驗

酶破膠劑的活性是其破膠性能的重要保證, 壓裂液的pH 和使用溫度是影響酶破膠劑活性的兩個重要因素, 同等條件下, 活性越高, 破膠速度越快, 利用此關系可以評價酶破膠劑在不同pH 和溫度下的活性。設定破膠時間 (破膠液粘度為5MPa·s 時的時間) 最快時, 破膠劑活性最大, 即活性為100%, 活性= 破膠時間 (最短) /破膠時間×100%。測定活性實驗步驟如下： 將相同量的生物酶破膠劑FYPJ-1 分別加入100mL 不同pH 瓜膠基液中, 按交聯比加入硼砂交聯劑交聯成凍膠, 置于密閉容器內放入恒溫水浴中, 用平式毛細管粘度計測完全破膠 (破膠液粘度5MPa·s) 時間, 可得到酶破膠劑活性實驗數據。依據此方法可以測定不同溫度下生物酶破膠劑FYPJ-1 的活性。實驗結果分別見圖1、圖2。

圖1 生物酶破膠劑FYPJ-1 的在不同pH 值下的活性

圖2 生物酶破膠劑FYPJ-1 的在不同溫度下的活性

由圖可知, 當pH 在6～9 時, 生物酶破膠劑FYPJ-1 的活性保持在80%以上, 在pH=7 時達到最高; 在50 ℃時生物酶破膠劑FYPJ-1 活性最高,30 ℃仍能夠保持60%的活性, 70 ℃保持80%以上活性?？梢? 生物酶破膠劑FYPJ-1 在pH 5～10、溫度20 ℃～70 ℃條件下均適用, 最佳活性條件pH為7～8、溫度50 ℃, 這一條件符合目前煤層氣用交聯凍膠壓裂液的破膠要求。

1．2 生物酶破膠劑FYPJ-1 的破膠實驗

在30 ℃下、pH=7 的條件下依據《水基壓裂液性能評價方法》SY/T5107-2005 進行破膠實驗。實驗結果見表1。

表1 破膠實驗結果

從以上破膠實驗可以得出, 生物酶破膠劑FYPJ-1 與APS 復配時, 用量大大降低, 破膠速度最快。通過優化FYPJ-1 與APS 的用量, 可滿足不同溫度下破膠要求。

1．3 破膠液殘渣及粒徑實驗

以下四個配方分別在30 ℃下破膠2 小時, 破膠液粘度及粒徑大小分布見表2 和圖3～圖6。

表2 粒徑分析數據

圖3 配方1 粒度母體分解圖

壓裂液中稠化劑是壓裂液殘渣的主要來源, 殘渣會隨著液相一起被壓入煤儲層中, 堵塞裂縫和割理, 從而縮小甚至堵死氣體通過的通道, 造成基質滲透率下降。為滿足壓裂施工設計要求條件下, 破膠液中殘渣含量盡可能低, 殘渣粒徑盡可能小。由以上圖表數據可以看出, 同等條件下, 用酶破膠劑FYPJ-1 破膠的液體殘渣比用APS 破膠的殘渣低一倍還多, 殘渣粒徑明顯變小, 細小的殘渣有可能被返排液體攜帶出儲層, 減小了在割理及裂縫中的滯留的固相顆粒, 減少對儲層的傷害。

圖4 配方2 粒度母體分解圖

圖5 配方3 粒度母體分解圖

圖6 配方4 粒度母體分解圖

1．4 生物酶破膠劑FYPJ-1 對凍膠流變性能的影響

壓裂液的流變性能是衡量其在流動狀態下攜砂性能的主要指標。根據《水基壓裂液性能評價方法》SY/T5107-2005 評價方法, 對加入兩種破膠劑的壓裂液的耐溫抗剪切性能進行了評價。在170s-1、45 ℃下, 測壓裂液粘度與剪切時間變化關系,實驗結果見圖7。

從圖中可以看出, 單獨加FYPJ-1 和與APS 復合應用的壓裂液流變曲線的粘度相當, 說明二者有較好的協同作用。加FYPJ-1 的液體在前20min 的粘度大100MPa·s, 比加APS 的要高, 40min 后壓裂液粘度很快降到10MPa·s 以下, 直至完全破膠; 與APS 復配的壓裂液粘度剪切初期就很快降低, 這很容易產生提前降粘或破膠不徹底的問題, 所以優化二者用量, 特別是FYPJ-1 用量的優化對解決這一矛盾是至關重要的。

圖7 壓裂液流變曲線

1．5 生物酶破膠劑FYPJ-1 對基液交聯性能的影響

常規氧化破膠劑APS 通過熱解生成極活躍的硫酸基侵蝕聚合物, 使瓜膠類物質分子量及增稠能力下降：APS 的活性及其反應時間主要依賴于溫度, 溫度低于50 ℃時, 其活性受限, 熱解速度非常慢,破膠效果不理想, 須有胺催化加速游離根的生成,并提高APS 用量。實驗表明, 當APS 破膠劑用量大于0．15%時, 會影響基液的交聯性能, 基液不能形成可挑掛的交聯凍膠, 只是稍微增稠一些, 這樣嚴重影響了液體的攜砂性能, 使凍膠壓裂液優勢大打折扣。將生物酶破膠劑FYPJ-1 與APS 復配使用, 控制APS 用量不大于0．15%, 可解決這一矛盾, 獲得滿意的交聯效果。實驗結果見表3。實驗所用基液配方為： 0．25%HPG+2．0%KCl +0．1%低溫活化劑, 實驗溫度為30 ℃。

表3 壓裂液交聯性能實驗結果

1．6 生物酶破膠劑FYPJ-1 與其它添加劑配伍性能

生物酶是一種蛋白質, 一般情況下, 酶制劑對化學物質比較敏感, 有些物質可顯著影響其活性,甚至使其失活。為了保證壓裂施工的效果, 常常在增稠劑中加入其它添加劑, 如助排劑、防膨劑、殺菌劑等常規添加劑, 評價這些添加劑與FYPJ-1 的配伍性實驗結果如下, 生物酶加量均為20ppm。

從圖7 中的2 條曲線對比可知, FYPJ 對含有添加劑的壓裂液仍有很好的破膠效果。與未加添加劑相比, 破膠后粘度變化差別不大, 這說明生物酶與壓裂液的各種添加劑配伍性良好。

圖8 FYPJ - 1 與添加劑配伍性

2 壓裂液的現場使用效果

山西省婁煩縣寧武盆地南部斜坡帶靜游區塊武試5 井組由武試5、武試5- 1、武試5 - 2、武試5- 3、武試5- 4、武試5- 5 共6 口煤層氣試驗井組成。2008 年11 月15 日～19 日對武試5- 2 井、5-3 井和5- 5 井3 口井進行凍膠加砂壓裂, 其中2 口應用FYPJ-1 與APS 復合破膠。井埋深在966m～1012m, 單井最高加砂51．67m3; 壓裂施工順利,返排液粘度在3MPa·s 以下。施工情況及施工曲線見表4 和圖9～圖11。

武試5- 2 井, 加石英砂33．12m3, 破裂壓力不明顯, 施 工 壓 力 36．0 ～40．0MPa, 停 泵 壓 力34．51MPa, 排量4．0～5．5m3/min, 入地液477．8m3,2．5L 破膠劑FYPJ-1, APS 破膠劑450kg。

圖9 武試5- 2 井施工曲線

圖10 武試5- 3 井施工曲線

武試5- 3 井, 加石英砂51．67m3, 破裂壓力不明顯, 施 工 壓 力 29．0 ～22．7MPa, 停 泵 壓 力18．7MPa, 排量4．7～5．5m3/min, 入地液434．8m3,2．5L 破膠劑FYPJ-1, APS 破膠劑425kg。

武試5 - 5 井, 加石英砂45．3m3, 破裂壓力23．1MPa, 施工壓 力23．9 ～20．0MPa, 停 泵 壓 力14．5MPa, 排量3．5～4．0m3/min, 入地液340．4m3,APS 破膠劑425kg。

進行返排液粘度檢測。放噴50min 測得返排液粘度小于3MPa·s, 不加FYPJ-1 破膠劑的返排液粘度為4．87MPa．s。統計資料表明, 破膠液粘度低,有利于液體的返排, 均一次噴通, 也說明FYPJ-1有降低大分子的功效, 在儲層深度、產氣量相當的條件下, 生物酶破膠劑試驗井壓裂返排程度、返排速度都得到了一定程度的改善。

3 結論與建議

圖11

(1)室內實驗研究表明,使用生物酶破膠劑FYPJ-1 可有效降低液體粘度和殘膠含量及粒徑,有助于液體的返排;

(2) 生物酶破膠劑FYPJ-1 與APS 有很好的協同效應, 優化二者用量, 可在低溫下達到高效破膠的目的;

(3) 通過煤層氣井的壓裂液破膠粘度、壓后排液等現場試驗數據分析, 生物酶破膠劑FYPJ-1 在一定程度上達到了提高單井產量的目的。

表5 返排液粘度測試結果

[1] Almond, S．W．, Bland, W．E． and Ripley, H．E．：“The Effect of Break Mechanisms on Gelling Agent Residue and Flow Impairment in 20/40 Mesh Sand,”paper CIM 84- 35- 30, presented at the 35th Annual Technical Meeting of Petroleum Society of CIM and Canadian Association of Drlling Engineers, Calgary, Alberta, Canada (June 10 - 13,1984) ．

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Study and Application of Bio-Enzyme Gel Breaking Technology in Coal Reservoir Stimulation

Liangli1,Liu Ping1, Guan Baoshan1,Liu Jing2,Lv Haiyan2and Zhou Xiaoqun2
(1. Langfang Branch of China Petroleum Exploration and Development Research Institute, Hebei 060507;2. Oil and Gas Technology Institute of Changqing Oilfield Company, CNPC, Shaanxi 710021)

Because of low temperature in coalbed methane (CBM) wells in China, cross-linked gel fracturing fluid can hardly break the gel or do thoroughly,which causes huge damage to coal reservoirs. To deal with the problem, this paper focuses on the gel breaking characteristic of bio-enzyme gel breaker FYPJ - 1 under low temperature and its application in CBM wells. The breaker features high activity, rapid breaking, low residue content, small diameter, no effect on the rheology of fracturing fluid and good compatibility with other additives, thus it serves well as gel breaker in CBM wells fracturing. Practices also prove this.

Fracturing fluid; bio-enzyme; gel breaker; ammonium persulfate; CBM

梁利, 女, 任職于中國石油勘探開發研究院廊坊分院國家重點實驗室“油氣藏改造實驗中心”, 主要開發后裂液及相關添加劑。

(責任編輯 劉 馨)