高效泡沫壓裂液體系研究與應(yīng)用

趙文凱，劉永，張成娟，王志晟，趙科

1.中國石油青海油田鉆采工藝研究院（甘肅 敦煌 736202）

2.中國石油青海油田井下作業(yè)公司（青海 茫崖 816400）

0 引言

牛東、澀北等氣藏隨著采出程度的不斷深入，地層能量（地層壓力）逐步降低，加之該類氣藏具有低孔、低滲、低壓、水敏性中-強等特征，在常規(guī)加砂壓裂改造后，壓裂液依靠儲層自身能量返排的能力越來越差、返排速度越來越慢，返排率也逐漸降低，滯留地層的壓裂液對儲層的傷害也隨之增大?，F(xiàn)場情況表明，常規(guī)壓裂技術(shù)已不能適應(yīng)牛東、澀北等低壓、低滲氣藏開發(fā)的需要，需引進新工藝、新技術(shù)來提高壓裂液的返排速度和返排率，進而降低壓裂液對儲層的傷害，提高壓裂改造的增產(chǎn)效果。

泡沫壓裂是20世紀70年代發(fā)展起來的一項新型壓裂工藝技術(shù)，其所使用的泡沫壓裂液是一種由氣相、液相、發(fā)泡劑和其他化學添加劑組成的壓裂液體系，其中氣體約占65%～85%，為內(nèi)相；液體（含添加劑）占15%～35%，為外相[1-3]。當泡沫質(zhì)量大于52%時稱之為泡沫壓裂，泡沫質(zhì)量小于52%時稱之為增能壓裂[4]。泡沫壓裂在減少油氣井的傷害、加速和徹底返排等方面具有常規(guī)壓裂所無法比擬的優(yōu)越性，其工藝技術(shù)在國內(nèi)外低滲油氣藏和水敏性地層得到了廣泛的應(yīng)用，增產(chǎn)效果也得到了驗證[5-6]。其非常適用于青海油田牛東、澀北等具有低孔、低滲、低壓、水敏性中-強等特征的儲層措施改造增產(chǎn)工藝中。

1 實驗部分

1.1 材料及器材

實驗材料：澀北用泡沫排水劑、抗油泡沫排水劑、酸化用起泡劑、QNW-1黏土穩(wěn)定劑、QZP-1破乳助排劑、NaOH、KCl，低分子聚合物，工業(yè)品；抗鹽泡沫排水劑，工業(yè)品；QP-87起泡劑，胍膠（HPG），變黏滑溜水。

實驗器材：JJ-1精密增力電動攪拌器、DCAT-11表界面張力儀、MARS60旋轉(zhuǎn)流變儀、靜態(tài)濾失儀、恒溫水浴、恒溫干燥箱、電子天平、玻璃燒杯、玻璃量筒、2 mL移液管、秒表。

1.2 實驗方法

1）發(fā)泡劑的篩選。發(fā)泡劑的篩選采用Waring Blender實驗方法進行，在相同液量的自來水中加入同一濃度的不同發(fā)泡劑，在JJ-1精密增力電動攪拌器轉(zhuǎn)速3 000 r/min的條件下攪拌3 min,攪拌結(jié)束后迅速倒入玻璃量筒，在常溫常壓條件下讀取泡沫體積并計算出泡沫質(zhì)量，記錄泡沫中析出自來水一半體積所需的時間來表征泡沫析液半衰期，綜合泡沫質(zhì)量和析液半衰期優(yōu)選出高效發(fā)泡劑[7-8]。

2）穩(wěn)泡劑的優(yōu)選。根據(jù)發(fā)泡劑篩選結(jié)果，首先將篩選出的發(fā)泡劑加入到不同的穩(wěn)泡劑體系中，觀察液體變化情況，判斷發(fā)泡劑與穩(wěn)泡劑是否有配伍性，根據(jù)配伍性初步選出合適的穩(wěn)泡劑；繼而將配伍性較好溶液在JJ-1精密增力電動攪拌器轉(zhuǎn)速3 000 r/min的條件下攪拌3 min,攪拌結(jié)束后迅速倒入玻璃量筒，在常溫常壓條件下測定泡沫質(zhì)量和析液半衰期。最后綜合配伍性、泡沫質(zhì)量和析液半衰期優(yōu)選出優(yōu)質(zhì)的穩(wěn)泡劑。

3）泡沫壓裂液泡沫性能影響因素評價。①礦化度對泡沫性能的影響：用不同配比的高礦化度水和自來水配制一定的溶液，測定礦化度對泡沫壓裂液影響程度。②溫度對泡沫壓裂液性能的影響：將泡沫液加熱至40、60、80℃并采用Waring Blender實驗方法制得泡沫壓裂液后迅速倒入量筒測取泡沫質(zhì)量，并在恒溫的狀態(tài)下測試析液半衰期，評價溫度對泡沫壓裂液性能的影響[9]。

4）壓裂液性能評價。參照石油天然氣行業(yè)標準SY/T 5107—2016《水基壓裂液性能評價方法》評價泡沫壓裂液的各項性能。①在40～80℃、170 s-1下用MARS60旋轉(zhuǎn)流變儀對泡沫壓裂液剪切80 min，測定泡沫壓裂液表觀黏度隨剪切時間的變化；②靜態(tài)懸砂實驗：在泡沫壓裂液中，按20%體積加入0.3～0.6 mm粒徑（30～50目）石英砂，攪拌均勻后靜置觀察石英砂的沉降情況；③破膠及破膠液性能測試，在泡沫壓裂液中加入一定量的過硫酸銨，在相應(yīng)溫度下破膠，測量破膠后的壓裂液黏度、殘渣含量及表面張力；④靜態(tài)濾失系數(shù)測定，利用靜態(tài)濾失儀測定泡沫壓裂液基液靜態(tài)濾失系數(shù)。

2 結(jié)果與結(jié)論

2.1 發(fā)泡劑的篩選結(jié)果

不同發(fā)泡劑在相同濃度下發(fā)泡后的泡沫質(zhì)量和析液半衰期如圖1所示。由圖1可見,5種發(fā)泡劑在濃度為1%，體積為200 mL的自來水溶液中，經(jīng)JJ-1精密增力電動攪拌器轉(zhuǎn)速為3 000 r/min的條件下攪拌3 min后泡沫體積均超過1 000 mL（泡沫質(zhì)量均大于80%），析液半衰期差別較大，在8～12 min，其中抗油泡沫排水劑發(fā)泡后泡沫質(zhì)量達到84.50%，析液半衰期12 min，表現(xiàn)為最優(yōu)。

圖1 不同發(fā)泡劑在自來水中發(fā)泡后的泡沫質(zhì)量和析液半衰期

2.2 穩(wěn)泡劑的篩選結(jié)果

1）配伍性：穩(wěn)泡劑與發(fā)泡劑的配伍性是選擇穩(wěn)泡劑的一個重要考量標準，在穩(wěn)泡劑體系配方中加入抗油泡沫排水劑后既不能產(chǎn)生沉淀、絮狀物、分層等現(xiàn)象,也不能影響穩(wěn)泡劑體系的交聯(lián)性能[11]。配伍性實驗結(jié)果見表1，由表1可見抗油泡沫排水劑與胍膠壓裂液體系配伍性良好；與低分子聚合物不配伍，主要表現(xiàn)為在含有抗油泡沫排水劑的低分子聚合物溶液中加入相應(yīng)的交聯(lián)劑，液體不起黏，不能正常交聯(lián)；與變黏滑溜水配伍性良好，無沉淀、無絮狀物產(chǎn)生。配伍性實驗優(yōu)選出胍膠壓裂液體系和變黏滑溜水體系為泡沫壓裂液穩(wěn)泡劑。

表1 抗油泡沫排水劑與不同種類的穩(wěn)泡劑配伍性實驗結(jié)果

2）泡沫性能：分別配置含有1%抗油泡沫排水劑的胍膠壓裂液基液、胍膠壓裂液交聯(lián)液和變黏滑溜水壓裂液，并在JJ-1精密增力電動攪拌器轉(zhuǎn)速3 000 r/min的條件下攪拌3 min,攪拌結(jié)束后迅速倒入玻璃量筒，在常溫常壓條件下測定泡沫質(zhì)量和析液半衰期，測定結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，抗油泡沫排水劑與胍膠壓裂液基液、胍膠壓裂液交聯(lián)液、變黏滑溜水壓裂液發(fā)泡后的泡沫質(zhì)量差別較小，析液半衰期相差較大，與胍膠壓裂液交聯(lián)液發(fā)泡后的析液半衰期最長，與變黏滑溜水壓裂液發(fā)泡后的析液半衰期最短，分別為180、19 min。泡沫性能實驗優(yōu)選出胍膠壓裂液體系為泡沫壓裂液穩(wěn)泡劑。

圖2 抗油泡沫排水劑在不同穩(wěn)泡劑中的泡沫質(zhì)量和析液半衰期測定結(jié)果

綜合配伍性和泡沫性能實驗結(jié)果，優(yōu)選胍膠壓裂液體系為最佳穩(wěn)泡劑。最終形成了以抗油泡沫排水劑為發(fā)泡劑，以胍膠壓裂液體系為穩(wěn)泡劑的泡沫壓裂液體系，具體體系配方如下：泡沫壓裂液基液，0.2%胍膠壓裂液體系+1%抗油泡沫排水劑；泡沫壓裂液交聯(lián)液，0.2%胍膠壓裂液體系+1%抗油泡沫排水劑+0.5%有機硼交聯(lián)劑。

2.3 泡沫性能影響因素

1）礦化度對泡沫性能的影響：礦化度與泡沫壓裂液的發(fā)泡體積和析液半衰期有著密切的相關(guān)性，通過改變基液的礦化度可以明顯改變泡沫壓裂液的泡沫質(zhì)量和析液半衰期。不同礦化度對泡沫壓裂液的發(fā)泡體積和析液半衰期的影響如圖3所示。由圖3可見，礦化度對泡沫質(zhì)量影響較小，對析液半衰期影響較大，隨著礦化度的減小，泡沫壓裂液析液半衰期逐漸增大。

圖3 抗油泡沫排水劑在不同礦化度液體中的發(fā)泡體積和析液析液半衰期測定結(jié)果

2）溫度對泡沫性能的影響：溫度對泡沫壓裂液性能的影響不可忽略，不同溫度對泡沫壓裂液基液和交聯(lián)液的泡沫質(zhì)量和析液半衰期的影響如圖4、圖5所示。從圖4、圖5可以看出，泡沫壓裂液的泡沫質(zhì)量和析液半衰期隨著溫度的增加而急劇降低，說明泡沫壓裂液對溫度有著較強的敏感性。

圖4 不同溫度下泡沫壓裂液基液泡沫質(zhì)量和析液半衰期測定結(jié)果

圖5 不同溫度下泡沫壓裂液交聯(lián)液泡沫質(zhì)量和析液半衰期測定結(jié)果

2.4 泡沫壓裂液性能評價

1）流變性能評價：表觀黏度是壓裂液的一個重要的參數(shù)，裂縫形態(tài)、摩阻、濾失控制、懸砂等重要性能均依賴于壓裂液的表觀黏度[12]。在泡沫壓裂液體系中，泡沫壓裂液基液表觀黏度與穩(wěn)泡劑的表觀黏度、泡沫質(zhì)量具有正相關(guān)性，即泡沫壓裂液基液黏度隨穩(wěn)泡劑的黏度和泡沫質(zhì)量的升高而升高，其變化規(guī)律遵循公式（1）。泡沫壓裂液基液黏度測試結(jié)果見表2，由表2可知，在穩(wěn)泡劑濃度相同的情況下，泡沫壓裂液基液表觀黏度遠大于常規(guī)胍膠壓裂液表觀黏度。

式中：μf為泡沫壓裂液基液表觀黏度，mPa·s；μb為穩(wěn)泡劑基液表觀黏度（即常規(guī)水基壓裂液基液表觀黏度），mPa·s；Ff為泡沫壓裂液泡沫質(zhì)量，%。

表2 泡沫壓裂液基液與胍膠壓裂液基液黏度對比

泡沫壓裂液表觀黏度在不同溫度下隨剪切時間變化如圖6所示。由圖6可見，泡沫壓裂液交聯(lián)液在40～80℃下持續(xù)剪切80 min后，泡沫壓裂液的最終黏度均大于50 mPa·s，剪切穩(wěn)定后每條曲線都較為平滑，表明泡沫壓裂液體系具有較高的耐剪切與熱穩(wěn)定性。

圖6 泡沫壓裂液耐溫耐剪切實驗結(jié)果

2）靜態(tài)懸砂性能評價：壓裂液的一個重要作用就是將支撐劑輸送至裂縫及裂縫末端，支撐劑在壓裂液中應(yīng)具有較低的沉降速率。對比常規(guī)胍膠壓裂液與泡沫壓裂液靜態(tài)懸砂性能，對比結(jié)果見表3。由表3可見，20%體積砂比的石英砂在胍膠壓裂液基液、泡沫壓裂液基液、胍膠壓裂液交聯(lián)液、泡沫壓裂液交聯(lián)液中的沉降速率分別為43.57、13.86、0.51、0.17 cm/min，泡沫壓裂液具有很強的懸砂能力。

表3 常規(guī)胍膠壓裂液與泡沫壓裂液靜態(tài)懸砂性能對比

3）破膠性能及破膠液性能評價：壓裂液的破膠性能和破膠液性能直接影響到儲層改造的效果，破膠徹底、殘渣含量少、表界面張力低等都可以有效減少措施液對儲層和支撐裂縫的傷害，提高導流能力。泡沫壓裂液交聯(lián)液破膠及破膠液性能測試結(jié)果見表4。由表4可知，在相同的條件下泡沫壓裂液交聯(lián)液破膠后的表觀黏度和表面張力、殘渣含量明顯低于胍膠壓裂液交聯(lián)液。

表4 80℃下胍膠壓裂交聯(lián)液與泡沫壓裂液交聯(lián)液破膠液性能對比

4）濾失系數(shù)測定：將泡沫壓裂液基液置于濾失儀中，在0.5 MPa下測定不同時間的濾失情況，并通過回歸分析計算濾失系數(shù)，實驗結(jié)果見表5。由表5可知，泡沫壓裂液基液濾失系數(shù)比常規(guī)胍膠壓裂液基液要低近10倍，濾失量很小。

表5 常規(guī)胍膠壓裂液與泡沫壓裂液靜態(tài)濾失性能對比

3 泡沫壓裂液現(xiàn)場應(yīng)用及效果分析

3.1 現(xiàn)場應(yīng)用

泡沫壓裂液體系配方研制成功后在牛東氣田開展了先導性試驗，試驗井N14井泡沫壓裂施工排量3.00 m3/min，共計加砂35.00 m3,平均砂比19.64%,最高砂比35.00%，施工總液量304.10 m3,凈液量269.10 m3，液氮35.00 m3，發(fā)泡劑15.00 m3，施工全程采用泡沫壓裂液基液施工。對比牛東區(qū)塊泡沫壓裂（未交聯(lián)體系）施工曲線（圖7）和常規(guī)壓裂（交聯(lián)體系）施工曲線（圖8），可發(fā)現(xiàn)泡沫壓裂施工時施工壓力平緩、穩(wěn)定，加砂過程流暢、無明顯壓力波動，現(xiàn)場施工壓力曲線表明了泡沫壓裂液體系懸砂能力強的特點。

圖7 N14井泡沫壓裂施工壓力曲線圖

圖8 牛東區(qū)塊常規(guī)壓裂施工壓力曲線圖

3.2 效果分析

泡沫壓裂能有效提高措施后的返排率，從而大大減少措施液體對儲層的傷害，對比牛東區(qū)塊不同壓裂液體系施工參數(shù)及效果對比結(jié)果見表6。由表6可見，泡沫壓裂液與常規(guī)壓裂液相比，泡沫壓裂液具有液體效率高、返排能力強，返排速度和返排率高等特點。

表6 牛東區(qū)塊不同壓裂液體系施工參數(shù)及效果對比

4 結(jié)論

1）泡沫壓裂施工能否成功，一個重要的因素是施工所用的泡沫壓裂液體系泡沫質(zhì)量能否大于52%。通過室內(nèi)發(fā)泡劑的篩選和穩(wěn)泡劑的優(yōu)選以及性能測試，形成了一套以抗油泡沫排水劑為發(fā)泡劑，以胍膠壓裂液體系為穩(wěn)泡劑的泡沫壓裂液體系；性能測試結(jié)果顯示，形成的泡沫壓裂液體系是可行的。

2）性能測試結(jié)果顯示：研制的泡沫壓裂液體系與常規(guī)胍膠壓裂液相比，泡沫壓裂液具有穩(wěn)定性好，黏度大，懸砂性能強，濾失小、殘渣含量低、儲層傷害小等特點，作為壓裂措施液體系應(yīng)用于措施改造的可行性較高。

3）在N14井采用泡沫壓裂液基液完成加砂壓裂先導性試驗，試驗結(jié)果表明：采用泡沫壓裂液進行措施改造時施工壓力平穩(wěn)、液體效率較高，入井液相數(shù)量相對減少，對儲層的傷害明顯減弱。

4）與同區(qū)塊采用常規(guī)壓裂液施工的井對比壓后效果，泡沫壓裂液在返排能力、返排速度和返排率上都具有明顯的優(yōu)勢，該工藝可完全應(yīng)用于牛東、澀北等具有低壓、低滲、水敏性特征的油氣藏壓裂改造。