頁(yè)巖氣井泡沫排水復(fù)合殺菌起泡劑研究

蔣澤銀 李小蓉 羅鑫 陳滿 杜國(guó)佳

1.中國(guó)石油西南油氣田公司天然氣研究院 2.頁(yè)巖氣評(píng)價(jià)與開(kāi)采四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 3.中國(guó)石油西南油氣田公司 4.四川長(zhǎng)寧天然氣開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司

頁(yè)巖氣井通過(guò)大規(guī)模加砂壓裂作業(yè)獲取工業(yè)氣流,單井注入壓裂工作液量超過(guò)4×104m3,經(jīng)試采階段可排出工作液17%左右[1],而剩余的大部分工作液在生產(chǎn)過(guò)程中排出。頁(yè)巖氣井生產(chǎn)初期,壓力、氣產(chǎn)量和水產(chǎn)量較高,但下降速度快,造斜段和水平段易積液,如西南油氣田長(zhǎng)寧區(qū)塊頁(yè)巖氣井投產(chǎn)1.5年后,壓力、氣產(chǎn)量下降大于75%[1-2],水產(chǎn)量下降大于85%,自噴能力減弱,超過(guò)90%的井造斜段和水平段出現(xiàn)明顯積液,需要采取排水采氣措施以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn)。國(guó)內(nèi)泡沫排水采氣技術(shù)自2016年在頁(yè)巖氣井成功應(yīng)用以來(lái),已成為頁(yè)巖氣井穩(wěn)產(chǎn)的主要技術(shù)之一。至2020年下半年,浙江油田昭通示范區(qū)泡沫排水井達(dá)77井、西南油氣田長(zhǎng)寧區(qū)塊泡沫排水井達(dá)95井[3-4]。

頁(yè)巖氣井壓裂時(shí)使用的河水、返排液中均存在硫酸鹽還原菌(SRB)、鐵細(xì)菌(FB)和腐生菌(TGB)[5-6]。SRB和CO2共同作用對(duì)生產(chǎn)管柱造成較大的腐蝕,目前廣泛采取加注殺菌緩蝕劑的方式進(jìn)行細(xì)菌腐蝕的控制[7]。對(duì)于實(shí)施泡沫排水的頁(yè)巖氣井,則需要考慮所用起泡劑與殺菌緩蝕劑的配伍性問(wèn)題,在泡沫排水穩(wěn)產(chǎn)的同時(shí)減輕細(xì)菌對(duì)生產(chǎn)管柱的腐蝕,如北美Barnett頁(yè)巖氣田,開(kāi)展了起泡劑與緩蝕劑的相容性研究及應(yīng)用[8]。

1 復(fù)合殺菌起泡劑

1.1 研究思路

采用高溫、高壓泡沫評(píng)價(jià)系統(tǒng)的CCD相機(jī)[9],放大100倍拍攝在壓力為5 MPa、溫度為120 ℃、復(fù)合殺菌起泡劑的質(zhì)量濃度為2.0 g/L時(shí)泡沫的變化過(guò)程,如圖1所示。

圖1中淺色部分為氣泡、深色部分為液膜。在初期,通過(guò)攪動(dòng)氣體而形成的氣泡較均勻地分散于液體中,液體分布于氣泡之間形成液膜,此時(shí)氣泡較小、液膜較厚;5 min時(shí),此時(shí)氣泡變大,液膜因液體的流失而變薄;10 min時(shí),氣泡進(jìn)一步變大,形成不規(guī)則的多面體,而液膜變?yōu)闃O薄一層,氣體易于穿透液膜,致使小氣泡合并成大氣泡并最后破滅。根據(jù)泡沫從生成到破滅的變化過(guò)程,形成了將易于在氣液界面富集且定向排列緊密的表面活性劑優(yōu)選為起泡主劑,能提高液膜表面黏度、減緩液膜中液相流失的低聚物優(yōu)選為穩(wěn)泡助劑,將對(duì)起泡劑分子在氣液界面富集及排列影響小的具有殺菌功能的組分優(yōu)選為殺菌助劑,從而復(fù)配形成復(fù)合殺菌起泡劑的研究思路。

1.2 起泡主劑優(yōu)選

因甜菜堿和硫酸酯鹽類起泡劑具有良好的泡沫性能及抗礦化度能力[10],選取甜菜堿兩性離子及硫酸酯鹽陰離子類起泡劑進(jìn)行對(duì)比評(píng)價(jià),優(yōu)選出性能最優(yōu)的起泡劑為起泡主劑,評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表1。評(píng)價(jià)儀器為Ross-Miles泡沫儀及泡沫攜液量評(píng)價(jià)裝置,水樣為由10 g CaCl2和40 g NaCl配制得到的1 L礦化水(下同)。

表1 起泡劑主劑優(yōu)選評(píng)價(jià)起泡劑用量/(g·L-1)溫度/℃初始泡高/mm5 min泡高/mm15 min攜液量/mL自制甜菜堿表面活性劑復(fù)配物(CⅠ)1.090180.0135.0156.0椰油酰胺丙基甜菜堿(CAB-35)1.090125.060.0147.5十二烷基二甲基甜菜堿(BS-12)1.090185.026.0149.0月桂基羥基磺基甜菜堿(HSB-12)1.09020.00.0149.0月桂醇聚氧乙烯醚硫酸酯鈉鹽(AES)1.090109.05.0153.0

由表1可見(jiàn),在5個(gè)樣品中,自制的甜菜堿兩性表面活性劑復(fù)配物CⅠ因結(jié)合了甜菜堿兩性基團(tuán)形成“內(nèi)鹽”的獨(dú)特分子結(jié)構(gòu)[11],以及不同碳鏈長(zhǎng)度甜菜堿表面活性劑之間的協(xié)同增效作用,具有很好的抗鹽及與其他藥劑的復(fù)配性能,其初始泡高、5 min泡高和15 min攜液量為最優(yōu)。因此,選取該劑為復(fù)合殺菌起泡劑的起泡主劑。

1.3 穩(wěn)泡助劑優(yōu)選

分別用A、B、C、D 4種低聚類穩(wěn)泡助劑配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的水溶液,評(píng)價(jià)質(zhì)量濃度分別為1.0 g/L的CⅠ和0.2 g/L的穩(wěn)泡助劑溶液的泡沫排水性能,結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 穩(wěn)泡助劑優(yōu)選起泡劑質(zhì)量濃度/(g·L-1)溫度/℃初始泡高/mm5 min泡高/mm15 min攜液量/mLCⅠ+5%(w)A1.0+0.290197.0179.0162.0CⅠ+5%(w)B1.0+0.290197.0170.0160.0CⅠ+5%(w)C1.0+0.290190.028.0158.0CⅠ+5%(w)D1.0+0.290200.0138.0150.0

從表2可知,CⅠ中添加A、B助劑后,起始泡高、5 min泡高和15 min攜液量有較大提升。其中,A助劑提升最明顯。因此,選取A助劑為復(fù)合殺菌起泡劑的穩(wěn)泡助劑。

對(duì)不同用量A助劑的5%(w)水溶液與CⅠ復(fù)配的泡沫排水性能進(jìn)行評(píng)價(jià),結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 穩(wěn)泡助劑用量?jī)?yōu)選起泡劑質(zhì)量濃度/(g·L-1)溫度/℃初始泡高/mm5 min泡高/mm15 min攜液量/mLCⅠ+5%(w)A1.0+0.190195.0139.0161.0CⅠ+5%(w)A1.0+0.290197.0179.0162.0CⅠ+5%(w)A1.0+0.390198.0180.0161.0CⅠ+5%(w)A1.0+0.490200.0182.0162.0

從表3可知：5%(w)A助劑的質(zhì)量濃度為0.1～0.4 g/L時(shí),初始泡高及攜液量相當(dāng);5 min泡高在5%(w)A助劑的質(zhì)量濃度為0.1 g/L時(shí),與單獨(dú)使用CⅠ相近;當(dāng)5%(w)A助劑的質(zhì)量濃度增加到0.2 g/L時(shí),5 min泡高大幅度增加,且與質(zhì)量濃度分別為0.3 g/L和0.4 g/L時(shí)相當(dāng)。因此,選取5%(w)A助劑的質(zhì)量濃度為0.2 g/L。

1.4 殺菌助劑優(yōu)選

結(jié)合季銨鹽陽(yáng)離子表面活性劑與細(xì)菌組分絡(luò)合沉淀以及醛基與蛋白質(zhì)中的氨基、羥基發(fā)生親核反應(yīng)的殺菌機(jī)理[12],選取4種季銨鹽陽(yáng)離子和復(fù)合醛類殺菌助劑,進(jìn)行殺菌助劑和CⅠ起泡劑復(fù)配的泡沫排水性能評(píng)價(jià),結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 殺菌助劑優(yōu)選評(píng)價(jià)起泡劑質(zhì)量濃度/(g·L-1)溫度/℃初始泡高/mm5 min泡高/mm15 min攜液量/mLCⅠ+1227(25%(w)水溶液)1.0+0.290198.010.0156.0CⅠ+1631(25%(w)水溶液)1.0+0.290215.020.0167.0CⅠ+醛類殺菌劑1.0+0.290220.020.0160.0CⅠ+自制復(fù)合殺菌劑1.0+0.290170.0115.0155.0

從表4可知,1227、1631和醛類殺菌劑對(duì)CⅠ的5 min泡高影響較大,而自制的復(fù)合殺菌劑是優(yōu)選陽(yáng)離子、醛類殺菌組分及緩蝕組分復(fù)配而成,對(duì)CⅠ的泡沫性能影響較小。因此,選取自制復(fù)合殺菌劑為復(fù)合殺菌起泡劑的殺菌助劑。

2 復(fù)合殺菌起泡劑性能評(píng)價(jià)

2.1 泡沫排水性能

選取長(zhǎng)寧區(qū)塊4口井的水樣對(duì)復(fù)合殺菌起泡劑的泡沫排水性能進(jìn)行評(píng)價(jià),結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 復(fù)合殺菌起泡劑性能現(xiàn)場(chǎng)水樣質(zhì)量濃度/(g·L-1)溫度/℃初始泡高/mm5 min泡高/mm15 min攜液量/mLNH31.090193.0155.0149.0NH101.090187.0122.0149.0NH211.090185.0127.0151.0NH41.090193.0135.0153.0

從表5可知,質(zhì)量濃度為1.0 g/L的復(fù)合殺菌起泡劑在4種現(xiàn)場(chǎng)水樣中的起始泡高均大于185 mm、5 min泡高均大于122 mm、攜液量均大于149 mL/15 min,達(dá)到Q/SY 1815-2015《排水采氣用起泡劑技術(shù)規(guī)范》中起始泡高≥100 mm、5 min泡高≥80 mm、攜液量≥120 mL/15 min的指標(biāo)要求。

2.2 耐溫性能

在溫度分別為120 ℃、135 ℃和150 ℃,壓力為5 MPa的條件下,采用高溫高壓泡沫評(píng)價(jià)裝置對(duì)復(fù)合殺菌起泡劑的發(fā)泡及泡沫穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)(10 g CaCl2和40 g NaCl配制的1 L礦化水、復(fù)合殺菌起泡劑的質(zhì)量濃度為2.0 g/L),評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)圖2。

從圖2可見(jiàn)：復(fù)合殺菌起泡劑在120 ℃、135 ℃和150 ℃時(shí),240 s時(shí)的發(fā)泡體積均大于650 mL,產(chǎn)生的泡沫穩(wěn)定性較好;靜置1 000 s時(shí)的泡沫體積降低率小于10%,表明復(fù)合殺菌起泡劑可用于井底溫度為150 ℃氣井的泡沫排水。

2.3 殺菌性能

選取長(zhǎng)寧區(qū)塊4口頁(yè)巖氣井的水樣,按SY/T 0532-2012《油田注入水細(xì)菌分析方法 絕跡稀釋法》進(jìn)行殺菌性能評(píng)價(jià),結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 殺菌性能評(píng)價(jià)井號(hào)水樣SRB數(shù)量/(個(gè)·mL-1)FB數(shù)量/(個(gè)·mL-1)TGB數(shù)量/(個(gè)·mL-1)CH18-6空白101～10201～101.0 g/L復(fù)合殺菌起泡劑000CH19-4空白104～1051～1001.0 g/L復(fù)合殺菌起泡劑000YH1-2空白>1.1×1060251.0g/L復(fù)合殺菌起泡劑000ZH6空白103～1040102～1031.0 g/L復(fù)合殺菌起泡劑000

從表6可知：4口井水樣中的SRB數(shù)量較高,最高超過(guò)1.1×106個(gè)/mL,FB和TGB數(shù)量相對(duì)較少;加入質(zhì)量濃度為1.0 g/L的復(fù)合殺菌起泡劑后,SRB、FB和TGB的數(shù)量均降至0,殺菌率達(dá)100%。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用試驗(yàn)

3.1 泡沫排水穩(wěn)產(chǎn)效果

以長(zhǎng)寧區(qū)塊的NH4-4和NH41-4兩口頁(yè)巖氣井為例。NH4-4井于2019年3月投產(chǎn),完鉆井深5 400 m、A點(diǎn)垂深3 474.20 m、A點(diǎn)斜深3 700.00 m、B點(diǎn)垂深3 825.17 m、B點(diǎn)斜深5 400.00 m、Φ60.3 mm油管下入3 690.42 m,為下傾型水平井;NH41-4井于2020年5月投產(chǎn),井深4 850 m、A點(diǎn)垂深3 041.75 m、A點(diǎn)斜深3 350.00 m、B點(diǎn)垂深2 906.55 m、B點(diǎn)斜深4 850.00 m、Φ60.3 mm油管下入3 124.38 m,為上翹型水平井。NH4-4井于2020年6月21日實(shí)施常規(guī)起泡劑泡沫排水,2020年12月1日使用相同用量的復(fù)合殺菌起泡劑進(jìn)行泡沫排水,NH41-4井于2021年6月20日實(shí)施復(fù)合殺菌起泡劑泡沫排水,兩口井產(chǎn)氣、產(chǎn)水曲線分別見(jiàn)圖3和圖4。

從圖3和圖4可見(jiàn),使用相同用量的常規(guī)起泡劑和復(fù)合殺菌起泡劑的氣產(chǎn)量、水產(chǎn)量相當(dāng),在未實(shí)施泡沫排水的井采用復(fù)合殺菌起泡劑實(shí)施泡沫排水后氣產(chǎn)量、水產(chǎn)量穩(wěn)定,表明研制的復(fù)合殺菌起泡劑能滿足頁(yè)巖氣井泡沫排水的需要。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)殺菌性能

對(duì)長(zhǎng)寧區(qū)塊4口頁(yè)巖氣井加注復(fù)合殺菌起泡劑前后返排水的細(xì)菌數(shù)量進(jìn)行了測(cè)定,結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 現(xiàn)場(chǎng)殺菌性能測(cè)試結(jié)果平臺(tái)號(hào)細(xì)菌類型數(shù)量/(個(gè)·mL-1)使用復(fù)合殺菌起泡劑前使用復(fù)合殺菌起泡劑后殺菌率/%CH20-6SRB45 00045.099.9CH11-2SRB4 5000.4100.0NH4-4SRB>1.1×1060.7100.0NH4-5SRB250.498.4

從表7可知,在使用復(fù)合殺菌起泡劑前,SRB數(shù)量最低,為25 個(gè)/mL,最高超過(guò)1.1×106個(gè)/mL,使用復(fù)合殺菌起泡劑后,SRB數(shù)量降至0.4～45.0 個(gè)/mL,殺菌率達(dá)98.0%以上。

4 結(jié)論

(1) 通過(guò)優(yōu)選甜菜堿表面活性劑復(fù)配物起泡主劑、低聚類穩(wěn)泡助劑及復(fù)合殺菌助劑復(fù)配形成的復(fù)合殺菌起泡劑,在溫度為90 ℃、復(fù)合殺菌起泡劑的質(zhì)量濃度為1.0 g/L時(shí),起始泡高大于185 mm、5 min泡高大于122 mm、攜液量大于149 mL/15 min、對(duì)SRB的殺菌率達(dá)100%,具有較好的泡沫排水穩(wěn)產(chǎn)及殺菌效果。

(2) 在壓力為5 MPa、溫度為150 ℃、復(fù)合殺菌起泡劑的質(zhì)量濃度為2.0 g/L時(shí),復(fù)合殺菌起泡劑的發(fā)泡體積大于650 mL,靜置1 000 s時(shí)的泡沫體積降低率小于10%,泡沫穩(wěn)定性好,可用于井底溫度為150 ℃氣井的泡沫排水。

(3) 在現(xiàn)場(chǎng)井的應(yīng)用中,相同用量的常規(guī)起泡劑和復(fù)合殺菌起泡劑的氣產(chǎn)量、水產(chǎn)量相當(dāng),未實(shí)施泡沫排水的井采用復(fù)合殺菌起泡劑實(shí)施泡沫排水后氣產(chǎn)量、水產(chǎn)量穩(wěn)定,返排水中細(xì)菌數(shù)量大幅度降低,殺菌率達(dá)98.0%以上。