泡沫压裂液常用起泡剂研究综述

2022-09-10

泡沫压裂工艺是油田增产以及完井投产的重要而有效的措施, 具有对地层伤害小、滤失低、返排迅速及携砂能力强等优点。泡沫压裂液所用的起泡体系要求起泡剂具有较长的半衰期和泡沫稳定, 对于一些特殊地层, 也对起泡体系有跟高的要求, 如抗油性、耐高温等。

1 泡沫压裂液的发展

泡沫压裂液是一个大量气体分散于少量液体中的均匀分散体系, 由气相、液相、表面活性剂和其他化学添加剂组成。随着对泡沫压裂液机理和压裂设计理论研究的不断深入, 泡沫裂液经历了用水、盐水作为基液;氮气和起泡剂进行配制, 加入泡沫的稳定剂;加入延迟交联凝胶作泡沫稳定剂三个发展阶段。

1.1 常用起泡剂

常用的起泡剂为表明活性剂。可分为:阴离子起泡剂、阳离子起泡剂、两性离子起泡剂、非离子起泡剂。

综合来看, 阴离子起泡剂的泡沫性能较好、用量少, 适用于水基压裂液, 可作为起泡剂的主剂。阴离子起泡剂泡沫的半衰期 (即稳泡性) 不如阳离子和非离子起泡剂。为进一步提高阴离子起泡剂的起泡性能, 以阴离子表面活性剂为主剂与阳离子表面活性剂进行复配, 当阳离子碳链长度为16时, 效果最佳。

1.2 常用稳泡剂

泡沫稳定剂多为高分子化合物, 按作用机理可分为两类。第一类是增粘剂稳定剂, 第二类主要作用是提高气泡薄膜的质量, 增加薄膜的粘弹性。

通过大量实验[1]可以发现起泡性较好的表面活性剂一般同时具有较好的稳泡性, 常用的稳泡剂为聚合物, 如HPAM、PAM、HXYP等。

2 实验室起泡剂体系配方

单一表面活性剂往往很难满足地层的各种技术指标。将具有优良起泡性能的表面活性剂复配后可以得出具有增泡效应的体系, 如将SDS、AES、ABS、OP-10、SO两两进行复配, 体系的起泡效果明显优于单一表面活性剂, 是实验室常见的压裂液起泡体系。

针对不同储层特点和压裂施工要求, 研究开发了多种适用不同条件的CO2泡沫压裂液配方体系。

2.1 适合低温储层的中性CO2泡沫压裂液

基液:0.4%-0.5%改性瓜尔胶+1%-2%粘土稳定剂+0.2%-0.3%助排剂。交联液:0.5%硼酸盐+FL-36起泡剂+破胶剂。交联比:100:5。CO2泡沫质量:40%-60%。溶液基液粘度为40-50MPa.s, p H值为7.0, 二氧化碳混入后泡沫压裂液p H值降为弱酸性, 5.0-6.0。

2.2 适合中温储层的弱碱性CO2泡沫压裂液

基液:0.4%-0.5%改性瓜尔胶+1%-2%粘土稳定剂+0.2%-0.3%助排剂+p H调节剂。交联液:0.5%硼酸盐+起泡剂+破胶剂。交联比:100:5。CO2泡沫质量:40%-60%。溶液基液粘度为40-50MPa.s, p H值为8.0, 二氧化碳混入后泡沫压裂液p H值降为弱酸性, 6.0-7.0。

2.3 适合高温储层的CO2泡沫压裂液

基液:0.65%-0.75%改性瓜尔胶+1.0%FL-36起泡剂+0.05%SQ-8杀菌剂+1.0%KCL粘土稳定剂+0.3%DL-10助排剂。交联液:AC-8酸性交联剂+过硫酸铵破胶剂。交联比:基液:交联液=100:1.2-100:1.8。溶液基液粘度为90-110MPa.s, p H值为7.0, 二氧化碳混入后泡沫压裂液p H值降为弱酸性, 3.0-4.0。

3 泡沫压裂液应用配方实例

3.1 低压低渗水敏性地层

针对低压、低渗、水敏性地层的压裂改造, 减少压裂液对底层的伤害是压裂工程的重要技术指标。CO2泡沫压裂液具有对地层伤害小、返排率高、油溶性好、低滤失等优点。近几年, 关于低压低渗水敏性地层泡沫压裂的研究取得了很多成果。

3.2 低温高蜡量低能量地层

针对低温高蜡量地层, 蜡的析出对储层造成严重的伤害, 自生热增压类泡沫压裂液是一种新型酸性压裂液, 同时具有水基压裂液和泡沫压裂液的优点, 为低温高蜡量地层压裂提供了解决思路。

研究发现, 自生热增压类泡沫压裂液的基本配方为:1) 基液清水+0.03%p H调节剂+生热剂+0.48%胍胶+0.5%黏土稳定剂+0.3%杀菌剂+0.5%助排剂。2) 酸性液清水:AFC:B10=2:1, p H值为2-3, 催化剂加量浓度为1.7%-3.3%。采用自生热增压类泡沫压裂液进行加砂压裂储层改造取得了较好的效果。

3.3 高温高矿化度地层

针对高温 (90℃-110℃) 和高矿化度 (100000mg/L) 的地层特点, 通过实验室研究筛选出能适用于高温高矿化度井的新起泡剂COM[2]及0.6% (质量分数) 的FP-12。

现场应用方面, 通过优化得到适合80℃至120℃的CO2压裂液的典型配方基液:羟丙基瓜尔胶+起泡剂+杀菌剂+黏土稳定剂+助排剂。交联液:酸性交联剂+破胶剂。要求基液黏度为100-110 MPa.s, p H值为7.0, CO2混入后泡沫压裂液p H值降为3.0-4.0。

此外, 针对高温高压低渗地层, 筛选出了工作液配方:活性水:2%粘土稳定剂 (KCl) +0.5%破乳剂 (SP169) +0.1%杀菌剂 (1227) +清水。在活性水中伴注CO2, 形成泡沫。压裂液冻胶配方:支撑剂:0.09-0.224 mm粉陶 (国产陶粒) , 0.45-0.9mm中陶 (高温度Carbo陶粒) (要求在69 MPa下破碎率低于8%) 。CO2压裂取得了较好的施工效果, 有效的改善了地层条件, 提高了产量。

4 特殊地层泡沫压裂液的应用与发展

4.1 新型类泡沫压裂液

对于低压低渗油气藏, 由于泡沫压裂液本身的弱点, 限制其大规模应用。针对这一现状提出了类泡沫压裂液的研究思路。在地面上时, 它是一种纯液体的压裂液;到了地下, 它逐渐自动发泡而变成类似“泡沫压裂液”的混合物, 具有与泡沫压裂液类似的优良性能。已有学者提出类泡沫压裂液的组成。

4.1.1 基液:

2%KCl+4.9%QA (生热剂) +6.3%QB (生热剂) +0.45%-55%羟丙基胍胶+0.5%黏土稳定剂+0.3%杀菌剂+0.5%助排剂。基液黏度29-35 MPa.s。酸性液:8%缓蚀剂+8%HC21 (p H调节催化剂) 。

4.1.2 基液:

0.20%-0.45%APD-1 (水溶性疏水缔合聚合物) +3%-8%NH4Cl+2.5%-6.5%Na NO2, 其余为水。结构增强液 (引发液) :20%-40%GT-60 (表面活性剂) +20%有机溶剂+10%-30%GTO (产热催化剂) , 其余为水。V基液:V结构增强液=10∶1。施工中泵入0.05%-0.15%过硫酸盐破胶剂。

4.1.3 基液:

0.3%-0.4%羧甲基经丙基胍胶+l.5%-2.0%KCL+ (4.9%+6.3%) 生气生热 (SPA+SPR) +0.3%-0.5%胶联剂CLA+0%-0.6%延迟胶联剂CLS-B+0.5%粘土稳定剂WD-5+0.5%助排剂WD-12+0.02%-0.06%破胶剂YB+0.01%-0.02%杀菌剂SYJ。酸性液:0.5%缓蚀剂EX3-6+0.4%p H调节剂HC

这种低伤害新型类泡沫压裂液技术指标优良, 成本较低, 为中浅层气藏低压气井压裂改造提供了技术支持, 具有广阔的研究前景。

4.2 非常规发泡技术

非常规发泡压裂液一种既能增加黏度, 又能保持液态二氧化碳非破坏性的新型压裂液。通过使用一种液态/超临界CO2可溶性泡沫, 在液态CO2中形成氮气泡沫, 保持压裂液的稳定性, 其不留残余物质比上述CO2/N2系统使用的CO2要少得多。该压裂液使用的是一种不损坏地层的可溶性CO2起泡剂, 可以释放在大气中而不会污染环境, 具有深远的研究意义。

这种非常规泡沫CO2可溶性稳定剂是甲氧基非氟代丁烷, 即一种氢氟代乙烷 (C4F9OCH3) 。它是一种纯净的无色无味的压裂液, 具有零臭氧消耗潜力、超低的升温潜力和在大气中的短半衰期。具有较好的热稳定性好, 对环境污染减小, 毒性低的优点。处理的典型对象是干气井。