清潔泡沫壓裂液研究應(yīng)用現(xiàn)狀及展望

李兆敏，張 昀，李松巖，呂其超，葉金橋

(中國石油大學(xué)，山東 青島 266580)

引 言

隨著油氣勘探開發(fā)時間的延長，常規(guī)油氣產(chǎn)量不斷下降[1]，致密砂巖、煤層氣、頁巖氣等非常規(guī)油氣資源成為當(dāng)前油氣開發(fā)的新熱點，得到了各個國家和石油公司的重視[2]。非常規(guī)油氣資源開發(fā)過程中通常采取的最重要措施是對油藏實施壓裂。由于非常規(guī)油氣藏存在儲層物性較差、烴源巖與儲集層聚集效率高、總體資源豐度低[3]等問題，因此在開采過程中對壓裂液的性能提出了更高的要求[4]，主要有傷害性低、返排性能好、與儲層良好的配伍性等[5]。

1997 年，美國 Schlumberger Dowell公司[6]推出了一種新型壓裂液用于Giovanna油井的修井作業(yè)，其主要由長鏈脂肪酸衍生物季銨鹽表面活性劑組成，因其無聚合物或者其他固體添加物，故不會對地層產(chǎn)生傷害，被稱為清潔壓裂液(又稱黏彈性表面活性劑壓裂液，VES)。清潔壓裂液的使用改變了傳統(tǒng)聚合物壓裂液生產(chǎn)操作方式，大大減少了傳統(tǒng)壓裂液對地層的損害和污染[7]。為了進(jìn)一步減小清潔壓裂液的成本，降低清潔壓裂液的推廣難度，同時提高壓裂液的返排能力，1999年Zhang和Gupta[8]第1次提出將清潔壓裂液與泡沫壓裂液相結(jié)合形成清潔泡沫壓裂液。清潔泡沫壓裂液是在清潔壓裂液的基礎(chǔ)上，加入起泡劑、氣體，形成泡沫，從而組成以氣體為內(nèi)相、清潔壓裂液溶液為外相的低傷害壓裂液體系。

1 清潔泡沫壓裂液的組成與優(yōu)勢

1.1 清潔泡沫壓裂液的組成

清潔泡沫壓裂液主要由黏彈性表面活性劑、鹽溶液、起泡劑和氣體組成。黏彈性表面活性劑分子的獨特膠束結(jié)構(gòu)使溶液具有黏彈性，其膠束呈圓棒狀或者蚯蚓狀，當(dāng)溶液的表面活性劑濃度超過臨界膠束濃度(CMC)時，溶液中的膠束開始纏繞、盤結(jié)，形成了糾纏的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)使得溶液具有了黏彈性[9];鹽溶液可作為防膨劑在地層中抑制黏土膨脹和黏土微粒運移[10];起泡劑作為體系的添加劑決定泡沫壓裂液體系中的起泡能力和穩(wěn)泡能力[11];氣體作為壓裂液體系中的內(nèi)相，在很大程度上可決定體系整體的性質(zhì)，選擇氣體時需要考慮氣體的適應(yīng)性[12]、油藏特點及經(jīng)濟性等因素[13]。通常情況下，選擇不同的氣體會導(dǎo)致不同的壓裂施工參數(shù)。由于N2具有來源充足、可操作性強、可壓縮的特點，因此應(yīng)用較為廣泛[14]。CO2具有低施工壓力，膨脹性強的特點，有助于氣體返排和消除水堵。但超臨界狀態(tài)下的CO2與有機溶劑有相似的特性，可能會進(jìn)入膠束內(nèi)部使其破膠，從而無法形成穩(wěn)定的清潔泡沫壓裂液[15]。

1.2 清潔泡沫壓裂液的優(yōu)勢

目前，國內(nèi)外最常使用的壓裂液為水基壓裂液，其大致可分為天然植物膠壓裂液[16]、纖維素壓裂液[17]、合成聚合物壓裂液[18]。這些壓裂液基本可以滿足生產(chǎn)上的應(yīng)用，但其聚合物具有分子質(zhì)量過大且對地層污染性大等特點。與傳統(tǒng)的水基壓裂液相比，清潔泡沫壓裂液具有以下優(yōu)勢。

(1)配制簡單。清潔泡沫壓裂液配制相對簡單，只需加入表面活性劑以及無機鹽或有機鹽。用于配制清潔泡沫壓裂液的表面活性劑類型很多，包括陽離子型表面活性劑[19]、陰離子型表面活性劑[20]、兩性離子表面活性劑和雙子型表面活性劑(Gemini表面活性劑)[21]。

(2)良好的經(jīng)濟效益。與清潔壓裂液相比，體系中含有大量的氣體，可減少液體的使用，在很大程度上降低了壓裂液的成本[22];體系具有泡沫流體的性質(zhì)，可以降低液體向地層內(nèi)的濾失速度，因此清潔泡沫壓裂液注入過程中，化學(xué)劑溶液的濾失量較低[23]。體系中不具備細(xì)菌可生長的環(huán)境，不需要加入殺菌劑，減少了添加劑的費用[24]，從而改善壓裂效果和降低壓裂成本。

(3)攜砂能力強。清潔泡沫壓裂液為清潔壓裂液與泡沫壓裂液交聯(lián)而成的體系，其黏度高于2種體系，使得支撐劑的懸砂性能加強[25]，大大提高了攜砂濃度[26]，壓裂液攜帶支撐劑進(jìn)入后可有效保持被壓開的裂縫，提高了地層的導(dǎo)流能力，進(jìn)而增加產(chǎn)量。

(4)返排簡便。與清潔壓裂液和常規(guī)壓裂液相比，清潔泡沫壓裂液體系壓開地層后[27]，由于氣體的膨脹作用[28]，使壓裂液體系、殘渣等得到了有效的返排。

(5)傷害性低。清潔泡沫壓裂液與常規(guī)壓裂液相比具有低傷害性，在進(jìn)入含油巖心或地層后，親油性有機物將被膠束增溶，棒狀型膠束逐漸膨脹、崩解成為較小的小球型膠束，黏彈性破壞，形成了黏度很低的溶液，不需要破膠劑就可以很容易地被返排至地面。壓裂液在裂縫中接觸到地層油或天然氣后便會破膠，而且被地層水稀釋后也可以破膠[29]。

2 清潔泡沫壓裂液的室內(nèi)研究現(xiàn)狀

黏彈性表面活性劑泡沫體系的研究始于20世紀(jì)90年代，1993年 Jeffrey[30]首次提出了由起泡劑、黏彈性表面活性劑和水組成黏彈性表面活性劑泡沫體系。其研究了該體系的泡沫起泡條件及泡沫穩(wěn)定的溫度范圍，并證明了體系在相對高的溫度下仍可保持較高的黏度。但該體系最初并不是用于油氣開發(fā)，而是用于工業(yè)印刷、金屬清洗、滅火等方面。1999年 Zhang與 Gupta[8]開發(fā)出一種清潔泡沫壓裂液體系，并首次應(yīng)用于低滲透油藏。此壓裂體系包括一種磺酸型陰離子表面活性劑溶液(如二甲苯磺酸鈉)和一種陽離子型表面活性劑添加劑(如十八烷基三甲基氯化銨)。體系中的氣體可選用CO2或N2，體積含量為50% ～90%。在此體系中，陽離子表面活性劑濃度可以從0.2%增加到6.0%，陰離子表面活性劑濃度也可以從0.2%增加到6.0%，其中陽離子表面活性劑與陰離子表面活性劑用量比例范圍約為1.00∶1.00～1.00∶1.95，適應(yīng)溫度為10～70℃。

2.1 穩(wěn)定性

穩(wěn)定性的研究一直是泡沫類流體研究的核心問題。影響穩(wěn)定性的主要因素有溶液組成、溫度、壓力等。為了了解N2-清潔泡沫壓裂液體系的穩(wěn)定性，Bill、Walt[31]等對體系在較高的溫度和壓力情況下的穩(wěn)定性進(jìn)行了實驗研究。實驗結(jié)果證明，N2-清潔泡沫壓裂液在65℃的情況下半衰期大于12 h，在90℃的情況下半衰期為40 min，穩(wěn)定性較好，滿足施工要求。由于CO2具有高度溶于有機溶劑的特性，其可擾亂清潔泡沫壓裂液體系內(nèi)部膠束的結(jié)構(gòu)，降低體系的穩(wěn)定性。Chen[32]等研制出一種超臨界CO2-清潔泡沫壓裂液，此體系結(jié)合了清潔壓裂液與CO2泡沫壓裂液的優(yōu)點，可擴展應(yīng)用到水敏性地層，并防止?jié)撛诘乃i現(xiàn)象。當(dāng)CO2進(jìn)入溶液后，體系中表面活性劑集團將會遷移到與水相的結(jié)合點處用來穩(wěn)定水相中的CO2(圖1)，防止其影響膠束內(nèi)部結(jié)構(gòu)并改變流體的黏彈性，從而有效保持體系的穩(wěn)定性。

圖1 清潔泡沫壓裂液特征

2.2 流變性

流變性是壓裂液最為重要的性能之一，研究清潔泡沫壓裂液的流變性對實際施工有一定的指導(dǎo)意義。Chen[32]等對清潔泡沫壓裂液體系黏度、泡沫質(zhì)量、摩擦阻力等進(jìn)行了研究。實驗證明:清潔泡沫壓裂液體系與清潔壓裂液和泡沫壓裂液相比更加穩(wěn)定，清潔性能更強。為了提高超低滲透率油藏的采收率，Cawiezel與 Gupta[33]等將清潔壓裂液、泡沫與超輕支撐劑相結(jié)合并應(yīng)用于超低滲透率油藏。其在實驗室條件下對清潔泡沫壓裂液的流變性進(jìn)行測試，確定適合超低滲油藏地層條件的最佳配方，并計算出清潔泡沫壓裂液在低剪切速率下流動指數(shù)與稠度系數(shù)的數(shù)值，測試了清潔泡沫壓裂液在100℃油浴下經(jīng)過914 m油管后的流變性。

2.3 攜砂性能

壓裂的最終目的是利用壓裂液將盡可能多的支撐劑鋪設(shè)到裂縫中，以便獲得高導(dǎo)流能力的裂縫。孫曉[34]等針對溫度、泡沫質(zhì)量及支撐劑濃度對VES-CO2清潔泡沫壓裂液的攜砂性能的影響進(jìn)行了實驗研究。實驗結(jié)果表明，當(dāng)溫度高于特定溫度時，VES-CO2清潔泡沫壓裂液黏度降低，導(dǎo)致支撐劑顆粒開始沉降;隨著泡沫質(zhì)量的提高，體系黏度升高，氣泡之間存在交互作用，導(dǎo)致攜砂能力提高;臨界沉降速度隨著砂比的增大先減小后增大。吳金橋等[35]針對延長油田上古生界氣藏的地質(zhì)特征，篩選出一種與CO2配伍的GRF新型清潔壓裂液體系，并采用大型泡沫循環(huán)裝置對其進(jìn)行特性評價。其結(jié)果表明:泡沫質(zhì)量越高，臨界攜砂流速越低;溫度越高，臨界攜砂流速越高;GRF-CO2清潔泡沫壓裂液具有較強的攜砂性能，完全滿足現(xiàn)場施工的要求。

2.4 低傷害性

清潔泡沫壓裂液不含有聚合物，故不會在支撐劑充填層和裂縫壁面留下殘余物，保留了裂縫和地層間的傳導(dǎo)率，大大減少了地層傷害并改善了負(fù)表皮效應(yīng)。吳金橋等[35]測試了GRF-CO2清潔泡沫壓裂液對巖心的傷害情況。實驗數(shù)據(jù)表明，GRFCO2清潔泡沫壓裂液對延長油田上古生界儲層巖心的基質(zhì)滲透率傷害較低，比常用的聚合物壓裂液體系的傷害率低十幾個百分點，充分說明了清潔泡沫壓裂液的低傷害性。

3 清潔泡沫壓裂液的現(xiàn)場應(yīng)用

據(jù)資料報道，國外石油公司使用清潔泡沫壓裂液已成功進(jìn)行了上百次的壓裂作業(yè)，取得了很好的效果并達(dá)到了增產(chǎn)的目的。國內(nèi)對清潔泡沫壓裂液的應(yīng)用也開始起步，但尚未大批次用于生產(chǎn)。

(1)實例一。2007年在俄羅斯Western Siberian basin[36]進(jìn)行了一次現(xiàn)場試驗。試驗內(nèi)容為:1口油井(編號492)使用清潔泡沫壓裂液進(jìn)行壓裂施工，其他2口油井(編號4416和4454)采用常用的交聯(lián)聚合物壓裂液攜帶支撐劑實施壓裂。根據(jù)地層特點進(jìn)行壓裂施工時，需要注意地層壓力、施工時間和裂縫高度控制等問題。其中N2泡沫具有配制簡單、對施工壓力要求低的特點，應(yīng)用于整個Western Siberian的泡沫壓裂工程。

油井4454采用0.48%交聯(lián)胍膠聚合物壓裂液實施壓裂。壓裂返排持續(xù)了14 d。壓裂施工完成后油井產(chǎn)量為5.5 t/d，生產(chǎn)11個月之后油井停止生產(chǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)樽⑷刖?。油?416采用0.42%交聯(lián)胍膠聚合物壓裂液。壓裂后期返排持續(xù)了12 d。壓裂施工結(jié)束后油井產(chǎn)量為3 t/d，生產(chǎn)3個月后油井停止生產(chǎn)并轉(zhuǎn)變?yōu)樽⑷刖?。油?92采用60%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的VES泡沫壓裂液。壓裂后期，油井返排僅僅持續(xù)了3 d。壓裂后，油井產(chǎn)量增加至30 t/d，生產(chǎn)時間為4個月，其與傳統(tǒng)壓裂方式的產(chǎn)量對比如圖2所示。結(jié)果表明:與使用交聯(lián)胍膠聚合物壓裂液施工的油井相比，使用清潔泡沫壓裂液施工的油井產(chǎn)量較高，且施工結(jié)束后地層清潔無污染，大大減少了完井后清理的技術(shù)難度和強度。

圖2 VES泡沫壓裂方式與傳統(tǒng)壓裂方式對比

(2)實例二。2008年在Wyoming的Waltman油田[37]使用超臨界狀態(tài)下的CO2-清潔泡沫壓裂液進(jìn)行壓裂施工。

Waltman油田共有4口油井使用VES-CO2泡沫壓裂液實施壓裂工程，編號為A1、B1、E1、F1。為了減少不同地層屬性給結(jié)果帶來的影響，在這4口油井的臨近區(qū)域都有采用傳統(tǒng)壓裂液進(jìn)行壓裂施工的對比油井，編號為 A2、A3、B2、E2、F2。其中傳統(tǒng)壓裂液為線性胍膠聚合物壓裂液(LHG)。表1為CO2-清潔泡沫壓裂液施工井與LHG施工井的產(chǎn)量對比。表2為CO2-清潔泡沫壓裂液施工井與LHG施工井有效導(dǎo)流能力的對比結(jié)果。試驗結(jié)果表明，使用VES-CO2泡沫壓裂液的油井產(chǎn)量高于使用聚合物的油井。在生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)，VES-CO2泡沫壓裂液的黏度大于普通壓裂液，且具有清潔性能較強、低摩阻、易返排、導(dǎo)流能力強等優(yōu)點。說明VES泡沫壓裂液在未來油氣田開發(fā)具有較好的應(yīng)用前景。

(3)實例三。2011年在山西省沁水潘河礦區(qū)[38]應(yīng)用N2-清潔泡沫壓裂液進(jìn)行加砂壓裂施工。施工選定了中聯(lián)公司的2口油井 (編號分別為PH1-6、PH1)。壓裂體系氣相選擇N2，液相選擇清潔壓裂液。其技術(shù)指標(biāo)為:基液黏度為15～20 mPa·s，起泡率為210% ～260%，半衰期大于600 min。

表1 VES泡沫壓裂與聚合物壓裂產(chǎn)量對比

表2 壓裂有效導(dǎo)流能力

編號為PH1-6和PH1的2口油井的施工方案見表3。其中PH1-6油井日產(chǎn)氣量為3 000～4 000 m3/d，年累計產(chǎn)氣量為112×104m3。PH1油井日產(chǎn)氣量為2 000～5 800 m3/d，年累計產(chǎn)氣量達(dá)82×104m3，是鄰井產(chǎn)量的1.5倍，增產(chǎn)效果明顯。2口油井壓裂前氣、水產(chǎn)量均為0，壓后排液5～7 d見氣。目前國內(nèi)氮氣泵車配套齊全，應(yīng)用清潔壓裂液配置的N2泡沫，大大提高了壓裂增產(chǎn)的效果，將為中國的非常規(guī)油氣開發(fā)產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展提供有效的技術(shù)支持，應(yīng)在現(xiàn)場開發(fā)中大力推廣應(yīng)用。

表3 油井PH1-6與PH1施工參數(shù)

4 展望

國內(nèi)外的研究和應(yīng)用表明，低成本、高效、低傷害、耐高溫是清潔泡沫壓裂液研究的主題。清潔泡沫壓裂液具有攜砂能力強、濾失低、壓裂效能高、返排能力強、地層傷害小等優(yōu)勢，使其相對于單一的清潔壓裂液體系和單一的泡沫壓裂液體系具有更大的發(fā)展?jié)摿?。但是目前國?nèi)對于清潔泡沫壓裂液的研制和應(yīng)用處于起步階段，有必要研發(fā)適用于中國非常規(guī)油藏特點的新型清潔泡沫壓裂液體系，在此基礎(chǔ)上開展以下研究。

(1)針對不同儲層特點和壓裂施工要求，研究開發(fā)多種適用不同條件的清潔泡沫壓裂液體系?？赏ㄟ^室內(nèi)實驗和現(xiàn)場試驗，對起泡劑、黏土穩(wěn)定劑和氣體等進(jìn)行優(yōu)選，篩選使用不同條件的配方體系，擴大清潔泡沫壓裂液的應(yīng)用前景。

(2)清潔泡沫壓裂液為清潔壓裂液作為基液加入起泡劑及氣體產(chǎn)生泡沫而形成，穩(wěn)泡機理復(fù)雜，應(yīng)加強研究清潔壓裂液中的黏彈性表面活性劑對泡沫發(fā)泡性能及穩(wěn)泡性能的影響，為配方的現(xiàn)場實際應(yīng)用提供依據(jù)。

(3)由于清潔泡沫壓裂液的現(xiàn)場應(yīng)用并不廣泛，故與其配套的泡沫發(fā)生裝置與施工流程技術(shù)并不成熟。加強對清潔泡沫壓裂液的施工配套工藝的研究與設(shè)計，將促進(jìn)其在礦場的大規(guī)模推廣應(yīng)用。

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