新型CO2 清潔泡沫壓裂液性能研究

吳金橋，王香增，高瑞民，孫曉，秦遠成

(1.陜西延長石油(集團)有限責任公司研究院，陜西 西安 710075;2.陜西延長石油(集團)有限責任公司，陜西 西安 710075;3.陜西延長石油(集團)有限責任公司油氣勘探公司，陜西 延安 716000;)

CO2泡沫壓裂是一種采用液態(tài)CO2與交聯(lián)凍膠混合體系作為攜砂液的新型壓裂工藝，具有用液量少(減少壓裂液中水的用量50% ～80%)、濾失低、攜砂能力強、返排率高、對地層傷害小的特點，特別適合低滲、低壓、水敏性儲層的壓裂改造［1］。國內(nèi)常采用酸性交聯(lián)胍膠作為壓裂液的穩(wěn)泡體系，胍膠用量達到0.65% ～0.75%［2-4］，酸性凍膠破膠后殘渣含量大，對支撐裂縫的導流能力存在傷害，影響壓裂改造效果。

近幾年，國外Schlumberger、BJ 等公司將粘彈性表面活性劑清潔壓裂液與CO2泡沫壓裂結(jié)合，成功應用于低滲、低壓砂巖氣藏的壓裂改造，取得了非常顯著的增產(chǎn)效果，受到極大關注［5-6］。

本文針對延長上古生界氣藏的地質(zhì)特征，篩選了與CO2配伍的新型清潔壓裂液體系，采用大型泡沫循環(huán)裝置分別評價了CO2清潔泡沫壓裂液動態(tài)性能和靜態(tài)性能，形成了適應延長上古生界氣藏的新型CO2清潔泡沫壓裂液體系。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

GRF-1(增稠劑)、GRF-2(流變助劑)、氯化鉀、過硫酸銨均為工業(yè)品;YCQP-1 起泡劑，自制。

pHS-3C 精密pH 酸度計;ZNN-D6 六速旋轉(zhuǎn)粘度計;Haake RS6000 旋轉(zhuǎn)流變儀;KRUSS K100C 全自動表界面張力儀;LDY 自動巖心流動實驗儀;大型泡沫循環(huán)回路。

1.2 清潔壓裂液的配制

1.2.1 GRF 清潔壓裂液配制 按比例配制KCl 溶液，緩慢加入GRF-1 增稠劑，攪拌5 min，加入YCQP-1 起泡劑、GRF-2 流變助劑，攪拌均勻，即得GRF清潔壓裂液。

1.2.2 CO2清潔泡沫壓裂液配制 在大型高壓泡沫循環(huán)回路(見圖1)中，CO2氣瓶的CO2經(jīng)制冷設備變成液態(tài)后進入柱塞泵增壓達到合適壓力，與經(jīng)柱塞泵泵出的GRF 清潔壓裂液在三通處充分混合，形成CO2清潔泡沫壓裂液，進入測試段進行測試。

圖1 實驗系統(tǒng)圖Fig.1 Experimental system

1.3 壓裂液性能評價

1.3.1 動態(tài)評價 采用大型泡沫循環(huán)回路(見圖1)測試CO2清潔泡沫壓裂液的流變特性、攜砂性能。

1.3.1.1 流變特性測試［7］采用大型高壓泡沫循環(huán)回路中的細管式流變儀(圖1 中水平流變測試段)，通過測量CO2清潔泡沫壓裂液恒定剪切流動時的壓降和流量，來計算剪切應力與剪切速率的關系，以確定流變特性。

1.3.1.2 動態(tài)攜砂性能測試［8］CO2清潔泡沫壓裂液與經(jīng)螺旋輸送機泵出的陶粒支撐劑混合，形成攜砂泡沫壓裂液，進入圖1 中水平、豎直觀測段，通過觀測攜砂泡沫壓裂液流動時支撐劑的沉降情況，確定不同實驗條件下泡沫壓裂液的臨界攜砂流速，并轉(zhuǎn)換為現(xiàn)場壓裂施工管柱所對應的臨界排量，以此用來表征CO2清潔泡沫壓裂液不同實驗條件下的動態(tài)攜砂性能。

1.3.2 靜態(tài)性能評價 CO2清潔泡沫壓裂液的破膠性能、破膠殘渣含量、破膠液表/界面張力、巖心傷害實驗等均按照石油天然氣行業(yè)標準SY/T 5107—2005《水基壓裂液性能評價方法》和SY/T 6376—2008《壓裂液通用技術條件》方法進行。

2 結(jié)果與討論

2.1 CO2 清潔泡沫壓裂液組成

本文研究的CO2清潔泡沫壓裂液由一定比例的CO2與GRF 清潔壓裂液組成。GRF 清潔壓裂液是一類基于“結(jié)構(gòu)流體”理論開發(fā)出的疏水締合物/表面活性劑型清潔壓裂液，由GRF-1(增稠劑)、GRF-2(流變助劑)等主劑組成，根據(jù)現(xiàn)場應用條件，優(yōu)選了粘土穩(wěn)定劑和起泡劑，GRF 清潔壓裂液配方設計為1.0%KCl +0.4% ～0.5%GRF-1 +0.2% ～0.3%GRF-2 +0.4% ～0.5%YCQP-1。

2.2 CO2 清潔泡沫壓裂液動態(tài)性能評價

2.2. 1 流變特性 CO2的臨界溫度，壓力為31.2 ℃，7. 38 MPa，通常以液態(tài)形式儲存、運輸。CO2泡沫壓裂時，液態(tài)CO2與GRF 清潔壓裂液在井口為液-液混合，進入井筒后，混合體系不斷吸熱，在某一位置液態(tài)CO2氣化，形成泡沫流體。本文分別測試了不同溫度、泡沫質(zhì)量GRF-CO2清潔壓裂液體系在20 MPa，170 s－1下的有效粘度，結(jié)果見圖2。

由圖2 可知，20 MPa 下，當溫度低于31.2 ℃，GRF 清潔壓裂液與液態(tài)CO2為液-液兩相混合狀態(tài)，液態(tài)CO2對GRF 清潔壓裂液具有稀釋作用，泡沫質(zhì)量越高，GRF-CO2清潔壓裂液體系有效粘度越低。當溫度超過31.2 ℃，液態(tài)CO2開始氣化，GRFCO2清潔壓裂液開始形成泡沫體系，隨著泡沫質(zhì)量的增加，有效粘度逐漸增大。為滿足泡沫壓裂的施工要求，CO2泡沫質(zhì)量保持在55% ～75%較好。

圖2 GRF-CO2 清潔壓裂液體系有效粘度測試Fig.2 Apparent viscosity of CO2 clean fracturing fluid

2.2.2 攜砂性能 壓裂液的攜砂性能目前尚無統(tǒng)一的測量方法和衡量標準。本文采用臨界攜砂流速表征泡沫壓裂液的攜砂性能，與靜態(tài)測量支撐劑在壓裂液中的自由沉降速度相比，能更準確地衡量壓裂液在流動過程中的攜砂能力。本文分別測試了壓力0. 5 MPa，溫度40，50，60，80 ℃下，泡沫質(zhì)量25%，55%，75% GRF-CO2清潔泡沫壓裂液砂比30%時的臨界攜砂流速，結(jié)果見圖3、圖4。

圖3 支撐劑在GRF-CO2 清潔泡沫壓裂液懸浮流動Fig.3 Proppant in CO2 clean fracturing fluid while flowing

由圖3 可知，在一定流速下，GRF-CO2清潔壓裂液形成泡沫體系具有較好的攜砂能力。

由圖4 可知，泡沫質(zhì)量越高，臨界攜砂流速越低，同時，隨著溫度升高，臨界攜砂流速逐漸增大。當泡沫質(zhì)量在55% ～75%時，GRF-CO2清潔泡沫壓裂液30%砂比下的臨界攜砂流速小于1.2 m/s。經(jīng)測算，對應的地面最小泵注排量均小于1 m3/min，反映了GRF-CO2清潔泡沫壓裂液較強的攜砂性能，完全滿足現(xiàn)場施工的要求。

圖4 GRF-CO2 清潔泡沫壓裂液臨界攜砂流速(30%砂比)Fig.4 Critical sand-carrying flow rate of CO2 clean fracturing fluid

2.3 CO2 清潔泡沫壓裂液靜態(tài)性能評價

2.3.1 破膠性能 GRF 清潔壓裂液增稠劑是一種疏水締合型聚合物，加入氧化類破膠劑(如過硫酸銨)能使其破膠。在60，70，80 ℃下，考察了不同過硫酸銨加量下GRF-CO2清潔泡沫壓裂液的破膠性能，結(jié)果見表1。

表1 GRF-CO2 清潔泡沫壓裂液的破膠性能Table 1 Gel breaking performance of GRF-CO2 clean fracturing fluid

由表1 可知，加入一定量的過硫酸銨破膠劑，GRF-CO2清潔泡沫壓裂液可以完全破膠水化。根據(jù)不同儲層溫度，通過調(diào)整破膠劑加量，可以滿足不同規(guī)模的壓裂施工要求。

2.3.2 破膠殘渣及破膠液表/界面張力 GRF-CO2清潔泡沫壓裂液完全破膠水化后，破膠液清澈透亮，采用離心法測試破膠液的殘渣含量，檢測不出，無殘渣，表 面 張 力 為 26. 82 mN/m，界 面 張 力 為0.53 mN/m，反映出較好的助排能力。

2.3.3 巖心傷害特性 測試了GRF-CO2清潔泡沫壓裂液破膠液對盒8、山2 氣層巖心的傷害情況，結(jié)果見表2。

表2 巖心傷害實驗結(jié)果Table 2 Results of sand core

由表2 可知，GRF-CO2清潔泡沫壓裂液對延長上古生界儲層巖心的基質(zhì)滲透率傷害率較低，比目前常用的胍膠壓裂液體系的傷害率低10 個百分點以上，充分說明CO2清潔泡沫壓裂液的低傷害性特點。

3 結(jié)論

(1)采用大型泡沫循環(huán)回路測試了GRF-CO2清潔泡沫壓裂液體系的動態(tài)性能，結(jié)果顯示，新型CO2清潔壓裂液流變性能好，攜砂能力強，可以滿足現(xiàn)場施工的技術要求。

(2)新型CO2清潔泡沫壓裂液易破膠，破膠后無殘渣，表/界面張力低，反映具有較好的助排性能，同時對延長上古生界儲層巖心的基質(zhì)滲透率傷害率較低，是一種低傷害清潔壓裂液體系。

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