泡沫压裂技术研究现状及发展建议

王寅秋，沈任俊

（1.西安石油大学石油工程学院，陕西西安 710065；2.中国石油天然气股份有限公司长庆油田分公司第九采油厂，陕西吴起 718699）

随着石油工程领域的不断发展，油气资源的勘探和开发面临着越来越多的挑战。特别是在低渗透油气储层和煤层气开发等领域，常规开采方法往往无法满足高产量和高效率的要求。因此，寻找一种能够有效提高产能和改善储层渗透性的增产技术至关重要[1-3]。

在这样的背景下，泡沫压裂技术作为一种新兴的增产方法引起了广泛关注。通过将空气或其他气体与水和化学添加剂混合制成的泡沫压裂液注入储层，泡沫压裂技术可以显著改善油气渗透性、增加有效裂缝面积以及提高产能。然而，泡沫压裂技术的应用仍面临着一些技术难题和挑战，如泡沫压裂液的稳定性、高温高压环境下应用困难等。本文通过对泡沫压裂技术原理、泡沫压裂液的组成和特性进行阐述，对泡沫压裂技术研究现状综合分析，全面了解该技术在不同储层类型中的应用和效果。为进一步发展环保、高效的泡沫压裂技术提供参考，为解决石油工程领域面临的挑战提供新思路。

1 泡沫压裂技术概述

1.1 泡沫压裂技术原理及应用领域

泡沫压裂技术通过将空气或其他气体与水和化学添加剂混合制成的泡沫压裂液注入储层来进行压裂作业，泡沫的特性促进裂缝形成和扩展过程，生成裂缝网络、改善流体流动能力，从而提高油气产能和采收率。该技术主要原理是在泡沫压裂液的作用下，产生的气泡能帮助改善裂缝网络的连通性，增加有效裂缝面积，并降低储层的渗透阻力。泡沫压裂技术相对于传统液相压裂技术具有增加裂缝填充效果、改善液相的驱替能力、降低压力损失和减小环境影响等优势，在低渗透油藏、煤层气、页岩气和高温高压油气藏中均有应用[4]。

1.2 泡沫压裂液的组成和特性

泡沫压裂液是泡沫压裂技术的核心，其组成包括水、表面活性剂、稳定剂及其他化学添加剂。水是泡沫压裂液的主要成分，提供液相基质，形成稳定的泡沫结构。表面活性剂作为增稠剂和降低液体表面张力，有助于形成稳定的泡沫并改善其润湿性。稳定剂的作用是增强泡沫稳定性，延长泡沫的寿命并减少其溃灭。其他化学添加剂则根据实际需求进行选择，以满足不同储层特性和压裂工艺的要求[5-6]。

2 泡沫压裂技术研究现状

2.1 泡沫压裂技术的发展历程

泡沫压裂技术于1968 年首次应用于美国西弗吉尼亚州林肯县的页岩地层。1973 年，泡沫压裂技术进入开发、应用阶段。20 世纪70 年代，开始了CO2泡沫压裂技术的研究，1982 年后有了较大发展。1983 年，泡沫压裂技术发展已趋于成熟，从设计、实施到压裂效果评价已基本形成一套完整的体系。之后该技术被引入我国。1986 年，熊友明[7]开始了泡沫压裂技术和泡沫酸酸压设计技术的理论研究。1988 年，辽河油田与加拿大福瑞克莫斯特公司合作，首次将氮气泡沫压裂技术成功应用在国内压裂施工中。1989 年，大庆油田[8]自主研发了QFL-Ⅱ新型发泡剂，并通过对两口井进行泡沫压裂试验，取得了显著的增产效果。2002 年，丁云宏等[9]通过室内实验成功优选出了起泡性能好、稳泡性强、携砂能力优秀、流变性较高、对储层伤害较低的CO2泡沫压裂液体系，之后在长庆靖安油田和江苏油田的大规模现场施工中取得了成功。2004 年，王振铎等[10]将CO2泡沫压裂技术应用在低渗透低压水敏气藏中，分析CO2泡沫压裂过程中井筒和储层温度场变化对CO2液气转化影响，研究了泡沫压裂的施工工艺。2016 年，周长林等[11]为四川盆地页岩气的压裂改造寻求新的思路和方法，比较CO2泡沫压裂与滑溜水压裂等技术在设备改造、混注工艺和施工难度方面的差异，提出CO2泡沫压裂可大幅减少用水量，有效增产改造页岩气井。2019 年，王绪性等[12]对CO2泡沫压裂技术用于开采深部煤层气以及其适用条件进行研究和分析，考虑深部煤层气开采技术的特点和局限性，认为应有针对性地应用CO2泡沫压裂技术于深部煤层气开采中。2022年，杨琦[13]在沁水盆地煤层气井中应用氮气泡沫压裂技术进行重复压裂，取得了良好的效果。该技术不仅提高了施工效率，还有效避免了地层的污染和堵塞问题，显示出良好的适用性。

2.2 泡沫压裂液的发展及改进技术

泡沫压裂液作为一种压裂介质，伴随着泡沫压裂技术的发展，关于泡沫压裂液的研究分为四个重要阶段：第一代（1970 年）水基泡沫压裂液，泡沫压裂技术首次引入石油工业并在试验井中进行了早期的研究，其稳定性较差，携砂性能较差（仅为120～240 kg/m3）；第二代（1980 年）泡沫压裂液，加入线性凝胶剂，稳定性更好，黏度增大，携砂性能增强，达到400 kg/m3，期间人们开始关注泡沫压裂液的配方优化和改进，发展了一系列新的表面活性剂和添加剂，以提高泡沫稳定性、黏度控制和裂缝扩展的能力；第三代（1980-1990 年）交联泡沫压裂液更加均匀稳定，气泡分散，含砂浓度大于600 kg/m3；第四代（1990 年以后）耐高温泡沫压裂液具有耐温性更好、抗剪切性更好、发泡稳定性更好、携砂能力更强的优点，可满足大型砂层压裂作业的需要[6]。

1983 年，GRUNDMANN 等[14]对泡沫压裂液的起泡剂进行了研究。同年，WATKINS 等[15]研究开发出了一种新的交联泡沫压裂液体系。1996 年，HARRIS 等[16]研究开发出了一种高质量的泡沫压裂液体系。2002 年，许卫等针对氮气泡沫压裂液体系的基本配方和流变性能进行了室内评估研究，重点考察了泡沫质量、表面活性剂类型和浓度、剪切速率、温度、压力等因素对液体流变性能的影响。2011 年，孙晓等[17]研究了VES-CO2清洁泡沫压裂液的携砂性能，发现当支撑剂浓度大于0.25 时，出现颗粒团聚现象。2016 年，郭庆等[18]研制一种抗高温的超分子聚合物清洁CO2泡沫压裂液体系，该体系压裂液破胶充分、残渣含量低，同时兼顾了VES清洁压裂液与CO2的配伍性、耐温耐剪切性。2022 年，刘汉斌等[19]研制出新型自生气冻胶泡沫压裂液体系，该体系具有良好的耐温抗剪切性、泡沫质量高，膨胀体积为初始液量的15 倍以上、最大悬砂比为35%，且作业后可完全破胶。随着对泡沫压裂技术的认识加深，人们不断改进和创新，引入了微尺度泡沫技术、纳米材料和新药剂等，以提高泡沫压裂液的性能和适用性。泡沫压裂液经历了研究、配方改进、实际应用和技术创新等发展阶段。这为泡沫压裂技术的进一步应用和推广奠定了基础。

2.3 新型泡沫压裂液

2.3.1 清洁泡沫压裂液 清洁压裂液（又称为黏弹性表面活性剂压裂液，VES）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。在清洁压裂液的基础上，加入盐、起泡剂、气体，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—清洁泡沫压裂液体系。其具有携砂能力强、滤失低、压裂效能高、返排能力强、地层伤害小等优势，其相对于单一的清洁压裂液体系和泡沫压裂液体系具有更大的发展潜力。申峰等[20]研制的抗高温清洁CO2泡沫压裂液泡沫稳定性强、耐温性好、低pH 值条件下优良的耐温耐剪切性能和携砂性能、表面张力低、液态CO2汽化提高压裂液返排能力、极大地降低了压裂液对储层的伤害。清洁泡沫压裂液在非常规油气资源的开发中有广泛的应用前景。

2.3.2 纳米颗粒强化泡沫压裂液 纳米颗粒强化泡沫压裂液是利用纳米颗粒改善泡沫压裂液性能的技术。通过添加纳米颗粒（常用SiO2）到泡沫压裂液中，以提高液体的黏度、稳定性和流动性，从而增强压裂效果。纳米颗粒具有较大的比表面积和特殊的表面性质，能够增加泡沫液体的稳定性，使得泡沫能够更长时间地存在于压裂液中，延长压裂液的有效作用时间，还可以减少泡沫对岩石表面的脱附，提高泡沫在裂缝中的保持能力，同时显著提高泡沫液体的黏度，改善其流变性。高黏度的泡沫液体可以更好地携带颗粒物质，改善支撑剂的沉降能力，提高砂岩储层的压裂效果[21-23]。

3 泡沫压裂技术的应用

3.1 泡沫压裂技术在低渗透油气储层中的应用

低渗透油气储层由于孔隙度和渗透率较低，导致油气流动性差，开采困难。传统的水力压裂技术在低渗透储层中存在高能耗、产能有限和改造中压裂液返排困难等问题。而泡沫压裂技术以其独特的增产机制，能够显著改善低渗透油气储层的渗透性。泡沫压裂液的低密度能够降低液体进入储层的阻力，使得液体更容易渗透入储层孔隙中，注入的泡沫压裂液能够随着注入压力的增加，充分扩展到储层中的裂缝，填充裂缝空间，增加有效裂缝面积。在低渗透低压水敏气藏的压裂改造中，泡沫压裂技术具有返排率高、地层伤害程度小的特点，有效改善油气渗透性、提高产能，克服了低渗透储层开发难题，为低渗透储层开发提高效率和经济效益，显示出巨大潜力[10]。

3.2 泡沫压裂技术在煤层气开发中的应用

近年来，我国积极进行深部煤层气压裂施工的探索和实践。我国煤层气储层具有低孔隙度、低渗透性和强烈的非均质性特征，而典型的“三低一高”赋存特征使得超过96%的煤层气井需要依靠压裂增产改造技术来连接井筒与节理和天然裂隙。压裂增产改造技术已经成为中国有效开发煤层气的关键技术[24]。煤层气压裂开发中常用压裂液包括活性水压裂液、线性胶压裂液、交联冻胶压裂液、清洁压裂液和泡沫压裂液等。活性水压裂液配制简单、低成本和低污染，而交联冻胶压裂液配制简单、携砂能力强，常用于煤层气压裂中。与交联冻胶压裂液相比，泡沫压裂液对煤层损害较小；与活性水压裂液相比，其储层滤失量更小且携砂能力更强；与清洁压裂液相比，其在经济性和易返排性更具优势。泡沫压裂液的高黏度、低滤失量、良好的携砂性能以及对煤层的低伤害性，能够满足煤层气压裂施工的性能要求，通过注入泡沫压裂液，能够改善煤层气储层的渗透性，泡沫填充煤层孔隙，增加有效载气面积，提高产能，因此，在我国的煤层气勘探和开发中得到广泛应用[25-27]。

4 结论与建议

随着传统石油资源的开发，深层低渗透储层和非常规储层将成为日后石油行业的开发重点，为应对这些特殊储层的挑战，泡沫压裂技术应在压裂液配方、压力控制、注入井筒技术等方面进行调整和优化。同时在高温等苛刻条件下，往往面临泡沫破裂风险，其内相气泡稳定性直接影响着泡沫液体的性能，导致泡沫的稳定性和携砂能力下降。因此，需要不断开发特殊的表面活性剂、表面改性技术和纳米材料等，以增强泡沫的热稳定性和抗破裂能力，从而提高泡沫压裂液的携砂性能。泡沫压裂技术与其他增产技术结合应用也成为发展趋势。例如，结合多段式压裂技术，通过在不同地层应用不同泡沫压裂液，针对特定地质条件和油气储层特征进行增产开发。煤层气是一种重要的非常规天然气资源，开发过程中面临着煤层渗透性低、产能有限等挑战。而泡沫压裂技术在煤层气开发中具有良好的应用前景。同时，泡沫压裂技术在环保性和可持续性方面具备明显优势。随着技术的不断发展创新，研发环保的表面活性剂、优化泡沫压裂液配方、降低有害物质使用量及引入绿色技术等，能够进一步提升优势，有望成为更加环保和高效的油气储层增产技术，为能源行业的可持续发展做出重要贡献。