煤层气储层改造中生物酶破胶技术的研究与应用

梁 利 刘 萍 管保山 刘 静 吕海燕 周晓群

(1. 中国石油勘探开发研究院廊坊分院, 河北 060507; 2. 长庆油田分公司油气工艺技术研究院, 陕西 710021)

煤层气储层改造中生物酶破胶技术的研究与应用

梁 利1刘 萍1管保山1刘 静2吕海燕2周晓群2

(1. 中国石油勘探开发研究院廊坊分院, 河北 060507; 2. 长庆油田分公司油气工艺技术研究院, 陕西 710021)

针对目前国内煤层气井温度较低, 使用交联冻胶压裂液因难于破胶或破胶不彻底等对储层造成较大伤害的问题, 介绍了生物酶破胶剂FYPJ-1 的低温破胶特性及其在煤层气井中的应用情况。该破胶剂具有在低温 (小于50 ℃) 下活性高、破胶快、残渣含量低、粒径小、不影响压裂液流变性及与其它添加剂配伍性良好等优点, 是非常适合煤层气井压裂用的破胶剂, 现场应用取得了较好的效果。

压裂液 生物酶 破胶剂 过硫酸铵 煤层气

水力压裂是煤层气的主要增产措施之一。实践证明, 对煤层进行水力压裂, 能够有效地提高煤层气的产量。煤储层改造施工过程中, 压裂液是压裂过程中使煤层形成有足够长度和宽度的裂缝并将支撑剂 (细砂) 顺利带入其中的介质, 它是压裂成败的重要因素。交联冻胶压裂液因其具有较高的造缝效率和携砂能力, 一直受到人们的青睐, 施工规模和加砂量都有较大提高, 但实验表明其对煤层渗透率伤害达50%～90%, 主要原因是煤层温度低(大多处于20～60 ℃) , 用常规氧化破胶剂破胶不彻底, 交联冻胶压裂液在裂缝壁表面形成滤饼及缝内残胶难以解除所造成的。常用的氧化破胶剂如APS, 由于其活性和温度有关, 一般当温度低于49 ℃时, 反应的速度就很慢, 需要加入活化剂和提高使用浓度, 实验表明, 当APS 的使用浓度超过0．15%时, 基液交联性能受到影响, 不能形成可挑挂的冻胶, 仅有增稠感, 携砂性能大大降低。因而, 在低温下APS 的使用受到限制。生物酶破胶剂FYPJ-1 具有良好的低温破胶性能。本文通过室内实验, 研究了FYPJ-1 的低温破胶特性, 得到比较好的实验结果。经现场应用, 效果良好, 并获得了压裂成功。

1 室内实验内容及结果分析

1．1 生物酶破胶剂FYPJ-1 的活性实验

酶破胶剂的活性是其破胶性能的重要保证, 压裂液的pH 和使用温度是影响酶破胶剂活性的两个重要因素, 同等条件下, 活性越高, 破胶速度越快, 利用此关系可以评价酶破胶剂在不同pH 和温度下的活性。设定破胶时间 (破胶液粘度为5MPa·s 时的时间) 最快时, 破胶剂活性最大, 即活性为100%, 活性= 破胶时间 (最短) /破胶时间×100%。测定活性实验步骤如下： 将相同量的生物酶破胶剂FYPJ-1 分别加入100mL 不同pH 瓜胶基液中, 按交联比加入硼砂交联剂交联成冻胶, 置于密闭容器内放入恒温水浴中, 用平式毛细管粘度计测完全破胶 (破胶液粘度5MPa·s) 时间, 可得到酶破胶剂活性实验数据。依据此方法可以测定不同温度下生物酶破胶剂FYPJ-1 的活性。实验结果分别见图1、图2。

图1 生物酶破胶剂FYPJ-1 的在不同pH 值下的活性

图2 生物酶破胶剂FYPJ-1 的在不同温度下的活性

由图可知, 当pH 在6～9 时, 生物酶破胶剂FYPJ-1 的活性保持在80%以上, 在pH=7 时达到最高; 在50 ℃时生物酶破胶剂FYPJ-1 活性最高,30 ℃仍能够保持60%的活性, 70 ℃保持80%以上活性。可见, 生物酶破胶剂FYPJ-1 在pH 5～10、温度20 ℃～70 ℃条件下均适用, 最佳活性条件pH为7～8、温度50 ℃, 这一条件符合目前煤层气用交联冻胶压裂液的破胶要求。

1．2 生物酶破胶剂FYPJ-1 的破胶实验

在30 ℃下、pH=7 的条件下依据《水基压裂液性能评价方法》SY/T5107-2005 进行破胶实验。实验结果见表1。

表1 破胶实验结果

从以上破胶实验可以得出, 生物酶破胶剂FYPJ-1 与APS 复配时, 用量大大降低, 破胶速度最快。通过优化FYPJ-1 与APS 的用量, 可满足不同温度下破胶要求。

1．3 破胶液残渣及粒径实验

以下四个配方分别在30 ℃下破胶2 小时, 破胶液粘度及粒径大小分布见表2 和图3～图6。

表2 粒径分析数据

图3 配方1 粒度母体分解图

压裂液中稠化剂是压裂液残渣的主要来源, 残渣会随着液相一起被压入煤储层中, 堵塞裂缝和割理, 从而缩小甚至堵死气体通过的通道, 造成基质渗透率下降。为满足压裂施工设计要求条件下, 破胶液中残渣含量尽可能低, 残渣粒径尽可能小。由以上图表数据可以看出, 同等条件下, 用酶破胶剂FYPJ-1 破胶的液体残渣比用APS 破胶的残渣低一倍还多, 残渣粒径明显变小, 细小的残渣有可能被返排液体携带出储层, 减小了在割理及裂缝中的滞留的固相颗粒, 减少对储层的伤害。

图4 配方2 粒度母体分解图

图5 配方3 粒度母体分解图

图6 配方4 粒度母体分解图

1．4 生物酶破胶剂FYPJ-1 对冻胶流变性能的影响

压裂液的流变性能是衡量其在流动状态下携砂性能的主要指标。根据《水基压裂液性能评价方法》SY/T5107-2005 评价方法, 对加入两种破胶剂的压裂液的耐温抗剪切性能进行了评价。在170s-1、45 ℃下, 测压裂液粘度与剪切时间变化关系,实验结果见图7。

从图中可以看出, 单独加FYPJ-1 和与APS 复合应用的压裂液流变曲线的粘度相当, 说明二者有较好的协同作用。加FYPJ-1 的液体在前20min 的粘度大100MPa·s, 比加APS 的要高, 40min 后压裂液粘度很快降到10MPa·s 以下, 直至完全破胶; 与APS 复配的压裂液粘度剪切初期就很快降低, 这很容易产生提前降粘或破胶不彻底的问题, 所以优化二者用量, 特别是FYPJ-1 用量的优化对解决这一矛盾是至关重要的。

图7 压裂液流变曲线

1．5 生物酶破胶剂FYPJ-1 对基液交联性能的影响

常规氧化破胶剂APS 通过热解生成极活跃的硫酸基侵蚀聚合物, 使瓜胶类物质分子量及增稠能力下降：APS 的活性及其反应时间主要依赖于温度, 温度低于50 ℃时, 其活性受限, 热解速度非常慢,破胶效果不理想, 须有胺催化加速游离根的生成,并提高APS 用量。实验表明, 当APS 破胶剂用量大于0．15%时, 会影响基液的交联性能, 基液不能形成可挑挂的交联冻胶, 只是稍微增稠一些, 这样严重影响了液体的携砂性能, 使冻胶压裂液优势大打折扣。将生物酶破胶剂FYPJ-1 与APS 复配使用, 控制APS 用量不大于0．15%, 可解决这一矛盾, 获得满意的交联效果。实验结果见表3。实验所用基液配方为： 0．25%HPG+2．0%KCl +0．1%低温活化剂, 实验温度为30 ℃。

表3 压裂液交联性能实验结果

1．6 生物酶破胶剂FYPJ-1 与其它添加剂配伍性能

生物酶是一种蛋白质, 一般情况下, 酶制剂对化学物质比较敏感, 有些物质可显著影响其活性,甚至使其失活。为了保证压裂施工的效果, 常常在增稠剂中加入其它添加剂, 如助排剂、防膨剂、杀菌剂等常规添加剂, 评价这些添加剂与FYPJ-1 的配伍性实验结果如下, 生物酶加量均为20ppm。

从图7 中的2 条曲线对比可知, FYPJ 对含有添加剂的压裂液仍有很好的破胶效果。与未加添加剂相比, 破胶后粘度变化差别不大, 这说明生物酶与压裂液的各种添加剂配伍性良好。

图8 FYPJ - 1 与添加剂配伍性

2 压裂液的现场使用效果

山西省娄烦县宁武盆地南部斜坡带静游区块武试5 井组由武试5、武试5- 1、武试5 - 2、武试5- 3、武试5- 4、武试5- 5 共6 口煤层气试验井组成。2008 年11 月15 日～19 日对武试5- 2 井、5-3 井和5- 5 井3 口井进行冻胶加砂压裂, 其中2 口应用FYPJ-1 与APS 复合破胶。井埋深在966m～1012m, 单井最高加砂51．67m3; 压裂施工顺利,返排液粘度在3MPa·s 以下。施工情况及施工曲线见表4 和图9～图11。

武试5- 2 井, 加石英砂33．12m3, 破裂压力不明显, 施 工 压 力 36．0 ～40．0MPa, 停 泵 压 力34．51MPa, 排量4．0～5．5m3/min, 入地液477．8m3,2．5L 破胶剂FYPJ-1, APS 破胶剂450kg。

图9 武试5- 2 井施工曲线

图10 武试5- 3 井施工曲线

武试5- 3 井, 加石英砂51．67m3, 破裂压力不明显, 施 工 压 力 29．0 ～22．7MPa, 停 泵 压 力18．7MPa, 排量4．7～5．5m3/min, 入地液434．8m3,2．5L 破胶剂FYPJ-1, APS 破胶剂425kg。

武试5 - 5 井, 加石英砂45．3m3, 破裂压力23．1MPa, 施工压 力23．9 ～20．0MPa, 停 泵 压 力14．5MPa, 排量3．5～4．0m3/min, 入地液340．4m3,APS 破胶剂425kg。

进行返排液粘度检测。放喷50min 测得返排液粘度小于3MPa·s, 不加FYPJ-1 破胶剂的返排液粘度为4．87MPa．s。统计资料表明, 破胶液粘度低,有利于液体的返排, 均一次喷通, 也说明FYPJ-1有降低大分子的功效, 在储层深度、产气量相当的条件下, 生物酶破胶剂试验井压裂返排程度、返排速度都得到了一定程度的改善。

3 结论与建议

图11

(1)室内实验研究表明,使用生物酶破胶剂FYPJ-1 可有效降低液体粘度和残胶含量及粒径,有助于液体的返排;

(2) 生物酶破胶剂FYPJ-1 与APS 有很好的协同效应, 优化二者用量, 可在低温下达到高效破胶的目的;

(3) 通过煤层气井的压裂液破胶粘度、压后排液等现场试验数据分析, 生物酶破胶剂FYPJ-1 在一定程度上达到了提高单井产量的目的。

表5 返排液粘度测试结果

[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, 任职于中国石油勘探开发研究院廊坊分院国家重点实验室“油气藏改造实验中心”, 主要开发后裂液及相关添加剂。

(责任编辑 刘 馨)