清潔泡沫壓裂液研究現(xiàn)狀

清潔泡沫壓裂液研究現(xiàn)狀

清潔壓裂液本理劑隨著油氣勘探和勘探時(shí)間的延長(zhǎng)，傳統(tǒng)油氣量逐漸減少，致密的油氣資源，如砂巖、煤層和黃巖氣，已成為當(dāng)前的石油和天然氣開發(fā)熱點(diǎn)，受到了各國(guó)和石油公司的重視。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(duì)油藏實(shí)施壓裂。由于非常規(guī)油氣藏存在儲(chǔ)層物性較差、烴源巖與儲(chǔ)集層聚集效率高、總體資源豐度低等問題,因此在開采過程中對(duì)壓裂液的性能提出了更高的要求,主要有傷害性低、返排性能好、與儲(chǔ)層良好的配伍性等。1997年,美國(guó)SchlumbergerDowell公司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(zhǎng)鏈脂肪酸衍生物季銨鹽表面活性劑組成,因其無(wú)聚合物或者其他固體添加物,故不會(huì)對(duì)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(duì)地層的損害和污染。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(shí)提高壓裂液的返排能力,1999年Zhang和Gupta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泡沫壓裂液的組成和性能1.1鹽溶液和氣體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(dú)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(shí),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;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(yùn)移;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;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(shí)需要考慮氣體的適應(yīng)性、油藏特點(diǎn)及經(jīng)濟(jì)性等因素。通常情況下,選擇不同的氣體會(huì)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(qiáng)、可壓縮的特點(diǎn),因此應(yīng)用較為廣泛。CO2具有低施工壓力,膨脹性強(qiáng)的特點(diǎn),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(jī)溶劑有相似的特性,可能會(huì)進(jìn)入膠束內(nèi)部使其破膠,從而無(wú)法形成穩(wěn)定的清潔泡沫壓裂液。1.2按表面活性劑的性質(zhì)分類目前,國(guó)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、纖維素壓裂液、合成聚合物壓裂液。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(duì)地層污染性大等特點(diǎn)。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(shì)。(1)配制簡(jiǎn)單。清潔泡沫壓裂液配制相對(duì)簡(jiǎn)單,只需加入表面活性劑以及無(wú)機(jī)鹽或有機(jī)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(yáng)離子型表面活性劑、陰離子型表面活性劑、兩性離子表面活性劑和雙子型表面活性劑(Gemini表面活性劑)。(2)良好的經(jīng)濟(jì)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;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。體系中不具備細(xì)菌可生長(zhǎng)的環(huán)境,不需要加入殺菌劑,減少了添加劑的費(fèi)用,從而改善壓裂效果和降低壓裂成本。(3)攜砂能力強(qiáng)。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(qiáng),大大提高了攜砂濃度,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(jiǎn)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,由于氣體的膨脹作用,使壓裂液體系、殘?jiān)鹊玫搅擞行У姆蹬拧?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(jī)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(huì)破膠,而且被地層水稀釋后也可以破膠。2低滲透聚甲基pa-雙甲基纖維壓裂液體系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(duì)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(yáng)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(yáng)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(yáng)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實(shí)驗(yàn)結(jié)果穩(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等對(duì)體系在較高的溫度和壓力情況下的穩(wěn)定性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明,N2-清潔泡沫壓裂液在65℃的情況下半衰期大于12h,在90℃的情況下半衰期為40min,穩(wěn)定性較好,滿足施工要求。由于CO2具有高度溶于有機(jī)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(diǎn),可擴(kuò)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(tuán)將會(huì)遷移到與水相的結(jié)合點(diǎn)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。2.2低滲透率油藏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(duì)實(shí)際施工有一定的指導(dǎo)意義。Chen等對(duì)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(shí)驗(yàn)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(qiáng)。為了提高超低滲透率油藏的采收率,Cawiezel與Gupta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(shí)驗(yàn)室條件下對(duì)清潔泡沫壓裂液的流變性進(jìn)行測(cè)試,確定適合超低滲油藏地層條件的最佳配方,并計(jì)算出清潔泡沫壓裂液在低剪切速率下流動(dòng)指數(shù)與稠度系數(shù)的數(shù)值,測(cè)試了清潔泡沫壓裂液在100℃油浴下經(jīng)過914m油管后的流變性。2.3grf-ves-2c清潔壓裂液體系的實(shí)驗(yàn)研究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。孫曉等針對(duì)溫度、泡沫質(zhì)量及支撐劑濃度對(duì)VES-CO2清潔泡沫壓裂液的攜砂性能的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)溫度高于特定溫度時(shí),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。吳金橋等針對(duì)延長(zhǎng)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(duì)其進(jìn)行特性評(píng)價(jià)。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(qiáng)的攜砂性能,完全滿足現(xiàn)場(chǎng)施工的要求。2.4改善地層傷害效應(yīng)清潔泡沫壓裂液不含有聚合物,故不會(huì)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)。吳金橋等測(cè)試了GRF-CO2清潔泡沫壓裂液對(duì)巖心的傷害情況。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,GRF-CO2清潔泡沫壓裂液對(duì)延長(zhǎng)油田上古生界儲(chǔ)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(gè)百分點(diǎn),充分說明了清潔泡沫壓裂液的低傷害性。3調(diào)查井的井壓裂施工據(jù)資料報(bào)道,國(guó)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(guó)內(nèi)對(duì)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(shí)例一。2007年在俄羅斯WesternSiberianbasin進(jìn)行了一次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。試驗(yàn)內(nèi)容為:1口油井(編號(hào)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(hào)4416和4454)采用常用的交聯(lián)聚合物壓裂液攜帶支撐劑實(shí)施壓裂。根據(jù)地層特點(diǎn)進(jìn)行壓裂施工時(shí),需要注意地層壓力、施工時(shí)間和裂縫高度控制等問題。其中N2泡沫具有配制簡(jiǎn)單、對(duì)施工壓力要求低的特點(diǎn),應(yīng)用于整個(gè)WesternSiberian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(shí)施壓裂。壓裂返排持續(xù)了14d。壓裂施工完成后油井產(chǎn)量為5.5t/d,生產(chǎn)11個(gè)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12d。壓裂施工結(jié)束后油井產(chǎn)量為3t/d,生產(chǎn)3個(gè)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3d。壓裂后,油井產(chǎn)量增加至30t/d,生產(chǎn)時(shí)間為4個(gè)月,其與傳統(tǒng)壓裂方式的產(chǎn)量對(duì)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(wú)污染,大大減少了完井后清理的技術(shù)難度和強(qiáng)度。(2)實(shí)例二。2008年在Wyoming的Waltman油田使用超臨界狀態(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(shí)施壓裂工程,編號(hào)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(duì)比油井,編號(hào)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(duì)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(duì)比結(jié)果。試驗(yàn)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(qiáng)、低摩阻、易返排、導(dǎo)流能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。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(shí)例三。2011年在山西省沁水潘河礦區(qū)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(hào)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15~20mPa·s,起泡率為210%~260%,半衰期大于600min。編號(hào)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3000~4000m3/d,年累計(jì)產(chǎn)氣量為112×104m3。PH1油井日產(chǎn)氣量為2000~5800m3/d,年累計(jì)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5~7d見氣。目前國(guó)內(nèi)氮?dú)獗密嚺涮R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(guó)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(chǎng)開發(fā)中大力推廣應(yīng)用。4國(guó)內(nèi)清潔泡沫壓裂液研究現(xiàn)狀國(guó)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(qiáng)、濾失低、壓裂效能高、返排能力強(qiáng)、地層傷害小等優(yōu)勢(shì),使其相對(duì)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?guó)內(nèi)對(duì)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(guó)非常規(guī)油藏特點(diǎn)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(duì)不同儲(chǔ)層特點(diǎn)和壓裂施工要求,研