清洁泡沫压裂液研究应用现状及展望

李兆敏，张 昀，李松岩，吕其超，叶金桥

(中国石油大学，山东 青岛 266580)

引 言

随着油气勘探开发时间的延长，常规油气产量不断下降[1]，致密砂岩、煤层气、页岩气等非常规油气资源成为当前油气开发的新热点，得到了各个国家和石油公司的重视[2]。非常规油气资源开发过程中通常采取的最重要措施是对油藏实施压裂。由于非常规油气藏存在储层物性较差、烃源岩与储集层聚集效率高、总体资源丰度低[3]等问题，因此在开采过程中对压裂液的性能提出了更高的要求[4]，主要有伤害性低、返排性能好、与储层良好的配伍性等[5]。

1997 年，美国 Schlumberger Dowell公司[6]推出了一种新型压裂液用于Giovanna油井的修井作业，其主要由长链脂肪酸衍生物季铵盐表面活性剂组成，因其无聚合物或者其他固体添加物，故不会对地层产生伤害，被称为清洁压裂液(又称黏弹性表面活性剂压裂液，VES)。清洁压裂液的使用改变了传统聚合物压裂液生产操作方式，大大减少了传统压裂液对地层的损害和污染[7]。为了进一步减小清洁压裂液的成本，降低清洁压裂液的推广难度，同时提高压裂液的返排能力，1999年Zhang和Gupta[8]第1次提出将清洁压裂液与泡沫压裂液相结合形成清洁泡沫压裂液。清洁泡沫压裂液是在清洁压裂液的基础上，加入起泡剂、气体，形成泡沫，从而组成以气体为内相、清洁压裂液溶液为外相的低伤害压裂液体系。

1 清洁泡沫压裂液的组成与优势

1.1 清洁泡沫压裂液的组成

清洁泡沫压裂液主要由黏弹性表面活性剂、盐溶液、起泡剂和气体组成。黏弹性表面活性剂分子的独特胶束结构使溶液具有黏弹性，其胶束呈圆棒状或者蚯蚓状，当溶液的表面活性剂浓度超过临界胶束浓度(CMC)时，溶液中的胶束开始缠绕、盘结，形成了纠缠的网状结构，这种结构使得溶液具有了黏弹性[9];盐溶液可作为防膨剂在地层中抑制黏土膨胀和黏土微粒运移[10];起泡剂作为体系的添加剂决定泡沫压裂液体系中的起泡能力和稳泡能力[11];气体作为压裂液体系中的内相，在很大程度上可决定体系整体的性质，选择气体时需要考虑气体的适应性[12]、油藏特点及经济性等因素[13]。通常情况下，选择不同的气体会导致不同的压裂施工参数。由于N2具有来源充足、可操作性强、可压缩的特点，因此应用较为广泛[14]。CO2具有低施工压力，膨胀性强的特点，有助于气体返排和消除水堵。但超临界状态下的CO2与有机溶剂有相似的特性，可能会进入胶束内部使其破胶，从而无法形成稳定的清洁泡沫压裂液[15]。

1.2 清洁泡沫压裂液的优势

目前，国内外最常使用的压裂液为水基压裂液，其大致可分为天然植物胶压裂液[16]、纤维素压裂液[17]、合成聚合物压裂液[18]。这些压裂液基本可以满足生产上的应用，但其聚合物具有分子质量过大且对地层污染性大等特点。与传统的水基压裂液相比，清洁泡沫压裂液具有以下优势。

(1)配制简单。清洁泡沫压裂液配制相对简单，只需加入表面活性剂以及无机盐或有机盐。用于配制清洁泡沫压裂液的表面活性剂类型很多，包括阳离子型表面活性剂[19]、阴离子型表面活性剂[20]、两性离子表面活性剂和双子型表面活性剂(Gemini表面活性剂)[21]。

(2)良好的经济效益。与清洁压裂液相比，体系中含有大量的气体，可减少液体的使用，在很大程度上降低了压裂液的成本[22];体系具有泡沫流体的性质，可以降低液体向地层内的滤失速度，因此清洁泡沫压裂液注入过程中，化学剂溶液的滤失量较低[23]。体系中不具备细菌可生长的环境，不需要加入杀菌剂，减少了添加剂的费用[24]，从而改善压裂效果和降低压裂成本。

(3)携砂能力强。清洁泡沫压裂液为清洁压裂液与泡沫压裂液交联而成的体系，其黏度高于2种体系，使得支撑剂的悬砂性能加强[25]，大大提高了携砂浓度[26]，压裂液携带支撑剂进入后可有效保持被压开的裂缝，提高了地层的导流能力，进而增加产量。

(4)返排简便。与清洁压裂液和常规压裂液相比，清洁泡沫压裂液体系压开地层后[27]，由于气体的膨胀作用[28]，使压裂液体系、残渣等得到了有效的返排。

(5)伤害性低。清洁泡沫压裂液与常规压裂液相比具有低伤害性，在进入含油岩心或地层后，亲油性有机物将被胶束增溶，棒状型胶束逐渐膨胀、崩解成为较小的小球型胶束，黏弹性破坏，形成了黏度很低的溶液，不需要破胶剂就可以很容易地被返排至地面。压裂液在裂缝中接触到地层油或天然气后便会破胶，而且被地层水稀释后也可以破胶[29]。

2 清洁泡沫压裂液的室内研究现状

黏弹性表面活性剂泡沫体系的研究始于20世纪90年代，1993年 Jeffrey[30]首次提出了由起泡剂、黏弹性表面活性剂和水组成黏弹性表面活性剂泡沫体系。其研究了该体系的泡沫起泡条件及泡沫稳定的温度范围，并证明了体系在相对高的温度下仍可保持较高的黏度。但该体系最初并不是用于油气开发，而是用于工业印刷、金属清洗、灭火等方面。1999年 Zhang与 Gupta[8]开发出一种清洁泡沫压裂液体系，并首次应用于低渗透油藏。此压裂体系包括一种磺酸型阴离子表面活性剂溶液(如二甲苯磺酸钠)和一种阳离子型表面活性剂添加剂(如十八烷基三甲基氯化铵)。体系中的气体可选用CO2或N2，体积含量为50% ～90%。在此体系中，阳离子表面活性剂浓度可以从0.2%增加到6.0%，阴离子表面活性剂浓度也可以从0.2%增加到6.0%，其中阳离子表面活性剂与阴离子表面活性剂用量比例范围约为1.00∶1.00～1.00∶1.95，适应温度为10～70℃。

2.1 稳定性

稳定性的研究一直是泡沫类流体研究的核心问题。影响稳定性的主要因素有溶液组成、温度、压力等。为了了解N2-清洁泡沫压裂液体系的稳定性，Bill、Walt[31]等对体系在较高的温度和压力情况下的稳定性进行了实验研究。实验结果证明，N2-清洁泡沫压裂液在65℃的情况下半衰期大于12 h，在90℃的情况下半衰期为40 min，稳定性较好，满足施工要求。由于CO2具有高度溶于有机溶剂的特性，其可扰乱清洁泡沫压裂液体系内部胶束的结构，降低体系的稳定性。Chen[32]等研制出一种超临界CO2-清洁泡沫压裂液，此体系结合了清洁压裂液与CO2泡沫压裂液的优点，可扩展应用到水敏性地层，并防止潜在的水锁现象。当CO2进入溶液后，体系中表面活性剂集团将会迁移到与水相的结合点处用来稳定水相中的CO2(图1)，防止其影响胶束内部结构并改变流体的黏弹性，从而有效保持体系的稳定性。

图1 清洁泡沫压裂液特征

2.2 流变性

流变性是压裂液最为重要的性能之一，研究清洁泡沫压裂液的流变性对实际施工有一定的指导意义。Chen[32]等对清洁泡沫压裂液体系黏度、泡沫质量、摩擦阻力等进行了研究。实验证明:清洁泡沫压裂液体系与清洁压裂液和泡沫压裂液相比更加稳定，清洁性能更强。为了提高超低渗透率油藏的采收率，Cawiezel与 Gupta[33]等将清洁压裂液、泡沫与超轻支撑剂相结合并应用于超低渗透率油藏。其在实验室条件下对清洁泡沫压裂液的流变性进行测试，确定适合超低渗油藏地层条件的最佳配方，并计算出清洁泡沫压裂液在低剪切速率下流动指数与稠度系数的数值，测试了清洁泡沫压裂液在100℃油浴下经过914 m油管后的流变性。

2.3 携砂性能

压裂的最终目的是利用压裂液将尽可能多的支撑剂铺设到裂缝中，以便获得高导流能力的裂缝。孙晓[34]等针对温度、泡沫质量及支撑剂浓度对VES-CO2清洁泡沫压裂液的携砂性能的影响进行了实验研究。实验结果表明，当温度高于特定温度时，VES-CO2清洁泡沫压裂液黏度降低，导致支撑剂颗粒开始沉降;随着泡沫质量的提高，体系黏度升高，气泡之间存在交互作用，导致携砂能力提高;临界沉降速度随着砂比的增大先减小后增大。吴金桥等[35]针对延长油田上古生界气藏的地质特征，筛选出一种与CO2配伍的GRF新型清洁压裂液体系，并采用大型泡沫循环装置对其进行特性评价。其结果表明:泡沫质量越高，临界携砂流速越低;温度越高，临界携砂流速越高;GRF-CO2清洁泡沫压裂液具有较强的携砂性能，完全满足现场施工的要求。

2.4 低伤害性

清洁泡沫压裂液不含有聚合物，故不会在支撑剂充填层和裂缝壁面留下残余物，保留了裂缝和地层间的传导率，大大减少了地层伤害并改善了负表皮效应。吴金桥等[35]测试了GRF-CO2清洁泡沫压裂液对岩心的伤害情况。实验数据表明，GRFCO2清洁泡沫压裂液对延长油田上古生界储层岩心的基质渗透率伤害较低，比常用的聚合物压裂液体系的伤害率低十几个百分点，充分说明了清洁泡沫压裂液的低伤害性。

3 清洁泡沫压裂液的现场应用

据资料报道，国外石油公司使用清洁泡沫压裂液已成功进行了上百次的压裂作业，取得了很好的效果并达到了增产的目的。国内对清洁泡沫压裂液的应用也开始起步，但尚未大批次用于生产。

(1)实例一。2007年在俄罗斯Western Siberian basin[36]进行了一次现场试验。试验内容为:1口油井(编号492)使用清洁泡沫压裂液进行压裂施工，其他2口油井(编号4416和4454)采用常用的交联聚合物压裂液携带支撑剂实施压裂。根据地层特点进行压裂施工时，需要注意地层压力、施工时间和裂缝高度控制等问题。其中N2泡沫具有配制简单、对施工压力要求低的特点，应用于整个Western Siberian的泡沫压裂工程。

油井4454采用0.48%交联胍胶聚合物压裂液实施压裂。压裂返排持续了14 d。压裂施工完成后油井产量为5.5 t/d，生产11个月之后油井停止生产转变为注入井。油井4416采用0.42%交联胍胶聚合物压裂液。压裂后期返排持续了12 d。压裂施工结束后油井产量为3 t/d，生产3个月后油井停止生产并转变为注入井。油井492采用60%质量分数的VES泡沫压裂液。压裂后期，油井返排仅仅持续了3 d。压裂后，油井产量增加至30 t/d，生产时间为4个月，其与传统压裂方式的产量对比如图2所示。结果表明:与使用交联胍胶聚合物压裂液施工的油井相比，使用清洁泡沫压裂液施工的油井产量较高，且施工结束后地层清洁无污染，大大减少了完井后清理的技术难度和强度。

图2 VES泡沫压裂方式与传统压裂方式对比

(2)实例二。2008年在Wyoming的Waltman油田[37]使用超临界状态下的CO2-清洁泡沫压裂液进行压裂施工。

Waltman油田共有4口油井使用VES-CO2泡沫压裂液实施压裂工程，编号为A1、B1、E1、F1。为了减少不同地层属性给结果带来的影响，在这4口油井的临近区域都有采用传统压裂液进行压裂施工的对比油井，编号为 A2、A3、B2、E2、F2。其中传统压裂液为线性胍胶聚合物压裂液(LHG)。表1为CO2-清洁泡沫压裂液施工井与LHG施工井的产量对比。表2为CO2-清洁泡沫压裂液施工井与LHG施工井有效导流能力的对比结果。试验结果表明，使用VES-CO2泡沫压裂液的油井产量高于使用聚合物的油井。在生产过程中发现，VES-CO2泡沫压裂液的黏度大于普通压裂液，且具有清洁性能较强、低摩阻、易返排、导流能力强等优点。说明VES泡沫压裂液在未来油气田开发具有较好的应用前景。

(3)实例三。2011年在山西省沁水潘河矿区[38]应用N2-清洁泡沫压裂液进行加砂压裂施工。施工选定了中联公司的2口油井 (编号分别为PH1-6、PH1)。压裂体系气相选择N2，液相选择清洁压裂液。其技术指标为:基液黏度为15～20 mPa·s，起泡率为210% ～260%，半衰期大于600 min。

表1 VES泡沫压裂与聚合物压裂产量对比

表2 压裂有效导流能力

编号为PH1-6和PH1的2口油井的施工方案见表3。其中PH1-6油井日产气量为3 000～4 000 m3/d，年累计产气量为112×104m3。PH1油井日产气量为2 000～5 800 m3/d，年累计产气量达82×104m3，是邻井产量的1.5倍，增产效果明显。2口油井压裂前气、水产量均为0，压后排液5～7 d见气。目前国内氮气泵车配套齐全，应用清洁压裂液配置的N2泡沫，大大提高了压裂增产的效果，将为中国的非常规油气开发产业快速发展提供有效的技术支持，应在现场开发中大力推广应用。

表3 油井PH1-6与PH1施工参数

4 展望

国内外的研究和应用表明，低成本、高效、低伤害、耐高温是清洁泡沫压裂液研究的主题。清洁泡沫压裂液具有携砂能力强、滤失低、压裂效能高、返排能力强、地层伤害小等优势，使其相对于单一的清洁压裂液体系和单一的泡沫压裂液体系具有更大的发展潜力。但是目前国内对于清洁泡沫压裂液的研制和应用处于起步阶段，有必要研发适用于中国非常规油藏特点的新型清洁泡沫压裂液体系，在此基础上开展以下研究。

(1)针对不同储层特点和压裂施工要求，研究开发多种适用不同条件的清洁泡沫压裂液体系。可通过室内实验和现场试验，对起泡剂、黏土稳定剂和气体等进行优选，筛选使用不同条件的配方体系，扩大清洁泡沫压裂液的应用前景。

(2)清洁泡沫压裂液为清洁压裂液作为基液加入起泡剂及气体产生泡沫而形成，稳泡机理复杂，应加强研究清洁压裂液中的黏弹性表面活性剂对泡沫发泡性能及稳泡性能的影响，为配方的现场实际应用提供依据。

(3)由于清洁泡沫压裂液的现场应用并不广泛，故与其配套的泡沫发生装置与施工流程技术并不成熟。加强对清洁泡沫压裂液的施工配套工艺的研究与设计，将促进其在矿场的大规模推广应用。

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