新型CO2 清洁泡沫压裂液性能研究

吴金桥，王香增，高瑞民，孙晓，秦远成

(1.陕西延长石油(集团)有限责任公司研究院，陕西 西安 710075;2.陕西延长石油(集团)有限责任公司，陕西 西安 710075;3.陕西延长石油(集团)有限责任公司油气勘探公司，陕西 延安 716000;)

CO2泡沫压裂是一种采用液态CO2与交联冻胶混合体系作为携砂液的新型压裂工艺，具有用液量少(减少压裂液中水的用量50% ～80%)、滤失低、携砂能力强、返排率高、对地层伤害小的特点，特别适合低渗、低压、水敏性储层的压裂改造［1］。国内常采用酸性交联胍胶作为压裂液的稳泡体系，胍胶用量达到0.65% ～0.75%［2-4］，酸性冻胶破胶后残渣含量大，对支撑裂缝的导流能力存在伤害，影响压裂改造效果。

近几年，国外Schlumberger、BJ 等公司将粘弹性表面活性剂清洁压裂液与CO2泡沫压裂结合，成功应用于低渗、低压砂岩气藏的压裂改造，取得了非常显著的增产效果，受到极大关注［5-6］。

本文针对延长上古生界气藏的地质特征，筛选了与CO2配伍的新型清洁压裂液体系，采用大型泡沫循环装置分别评价了CO2清洁泡沫压裂液动态性能和静态性能，形成了适应延长上古生界气藏的新型CO2清洁泡沫压裂液体系。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

GRF-1(增稠剂)、GRF-2(流变助剂)、氯化钾、过硫酸铵均为工业品;YCQP-1 起泡剂，自制。

pHS-3C 精密pH 酸度计;ZNN-D6 六速旋转粘度计;Haake RS6000 旋转流变仪;KRUSS K100C 全自动表界面张力仪;LDY 自动岩心流动实验仪;大型泡沫循环回路。

1.2 清洁压裂液的配制

1.2.1 GRF 清洁压裂液配制 按比例配制KCl 溶液，缓慢加入GRF-1 增稠剂，搅拌5 min，加入YCQP-1 起泡剂、GRF-2 流变助剂，搅拌均匀，即得GRF清洁压裂液。

1.2.2 CO2清洁泡沫压裂液配制 在大型高压泡沫循环回路(见图1)中，CO2气瓶的CO2经制冷设备变成液态后进入柱塞泵增压达到合适压力，与经柱塞泵泵出的GRF 清洁压裂液在三通处充分混合，形成CO2清洁泡沫压裂液，进入测试段进行测试。

图1 实验系统图Fig.1 Experimental system

1.3 压裂液性能评价

1.3.1 动态评价 采用大型泡沫循环回路(见图1)测试CO2清洁泡沫压裂液的流变特性、携砂性能。

1.3.1.1 流变特性测试［7］采用大型高压泡沫循环回路中的细管式流变仪(图1 中水平流变测试段)，通过测量CO2清洁泡沫压裂液恒定剪切流动时的压降和流量，来计算剪切应力与剪切速率的关系，以确定流变特性。

1.3.1.2 动态携砂性能测试［8］CO2清洁泡沫压裂液与经螺旋输送机泵出的陶粒支撑剂混合，形成携砂泡沫压裂液，进入图1 中水平、竖直观测段，通过观测携砂泡沫压裂液流动时支撑剂的沉降情况，确定不同实验条件下泡沫压裂液的临界携砂流速，并转换为现场压裂施工管柱所对应的临界排量，以此用来表征CO2清洁泡沫压裂液不同实验条件下的动态携砂性能。

1.3.2 静态性能评价 CO2清洁泡沫压裂液的破胶性能、破胶残渣含量、破胶液表/界面张力、岩心伤害实验等均按照石油天然气行业标准SY/T 5107—2005《水基压裂液性能评价方法》和SY/T 6376—2008《压裂液通用技术条件》方法进行。

2 结果与讨论

2.1 CO2 清洁泡沫压裂液组成

本文研究的CO2清洁泡沫压裂液由一定比例的CO2与GRF 清洁压裂液组成。GRF 清洁压裂液是一类基于“结构流体”理论开发出的疏水缔合物/表面活性剂型清洁压裂液，由GRF-1(增稠剂)、GRF-2(流变助剂)等主剂组成，根据现场应用条件，优选了粘土稳定剂和起泡剂，GRF 清洁压裂液配方设计为1.0%KCl +0.4% ～0.5%GRF-1 +0.2% ～0.3%GRF-2 +0.4% ～0.5%YCQP-1。

2.2 CO2 清洁泡沫压裂液动态性能评价

2.2. 1 流变特性 CO2的临界温度，压力为31.2 ℃，7. 38 MPa，通常以液态形式储存、运输。CO2泡沫压裂时，液态CO2与GRF 清洁压裂液在井口为液-液混合，进入井筒后，混合体系不断吸热，在某一位置液态CO2气化，形成泡沫流体。本文分别测试了不同温度、泡沫质量GRF-CO2清洁压裂液体系在20 MPa，170 s－1下的有效粘度，结果见图2。

由图2 可知，20 MPa 下，当温度低于31.2 ℃，GRF 清洁压裂液与液态CO2为液-液两相混合状态，液态CO2对GRF 清洁压裂液具有稀释作用，泡沫质量越高，GRF-CO2清洁压裂液体系有效粘度越低。当温度超过31.2 ℃，液态CO2开始气化，GRFCO2清洁压裂液开始形成泡沫体系，随着泡沫质量的增加，有效粘度逐渐增大。为满足泡沫压裂的施工要求，CO2泡沫质量保持在55% ～75%较好。

图2 GRF-CO2 清洁压裂液体系有效粘度测试Fig.2 Apparent viscosity of CO2 clean fracturing fluid

2.2.2 携砂性能 压裂液的携砂性能目前尚无统一的测量方法和衡量标准。本文采用临界携砂流速表征泡沫压裂液的携砂性能，与静态测量支撑剂在压裂液中的自由沉降速度相比，能更准确地衡量压裂液在流动过程中的携砂能力。本文分别测试了压力0. 5 MPa，温度40，50，60，80 ℃下，泡沫质量25%，55%，75% GRF-CO2清洁泡沫压裂液砂比30%时的临界携砂流速，结果见图3、图4。

图3 支撑剂在GRF-CO2 清洁泡沫压裂液悬浮流动Fig.3 Proppant in CO2 clean fracturing fluid while flowing

由图3 可知，在一定流速下，GRF-CO2清洁压裂液形成泡沫体系具有较好的携砂能力。

由图4 可知，泡沫质量越高，临界携砂流速越低，同时，随着温度升高，临界携砂流速逐渐增大。当泡沫质量在55% ～75%时，GRF-CO2清洁泡沫压裂液30%砂比下的临界携砂流速小于1.2 m/s。经测算，对应的地面最小泵注排量均小于1 m3/min，反映了GRF-CO2清洁泡沫压裂液较强的携砂性能，完全满足现场施工的要求。

图4 GRF-CO2 清洁泡沫压裂液临界携砂流速(30%砂比)Fig.4 Critical sand-carrying flow rate of CO2 clean fracturing fluid

2.3 CO2 清洁泡沫压裂液静态性能评价

2.3.1 破胶性能 GRF 清洁压裂液增稠剂是一种疏水缔合型聚合物，加入氧化类破胶剂(如过硫酸铵)能使其破胶。在60，70，80 ℃下，考察了不同过硫酸铵加量下GRF-CO2清洁泡沫压裂液的破胶性能，结果见表1。

表1 GRF-CO2 清洁泡沫压裂液的破胶性能Table 1 Gel breaking performance of GRF-CO2 clean fracturing fluid

由表1 可知，加入一定量的过硫酸铵破胶剂，GRF-CO2清洁泡沫压裂液可以完全破胶水化。根据不同储层温度，通过调整破胶剂加量，可以满足不同规模的压裂施工要求。

2.3.2 破胶残渣及破胶液表/界面张力 GRF-CO2清洁泡沫压裂液完全破胶水化后，破胶液清澈透亮，采用离心法测试破胶液的残渣含量，检测不出，无残渣，表 面 张 力 为 26. 82 mN/m，界 面 张 力 为0.53 mN/m，反映出较好的助排能力。

2.3.3 岩心伤害特性 测试了GRF-CO2清洁泡沫压裂液破胶液对盒8、山2 气层岩心的伤害情况，结果见表2。

表2 岩心伤害实验结果Table 2 Results of sand core

由表2 可知，GRF-CO2清洁泡沫压裂液对延长上古生界储层岩心的基质渗透率伤害率较低，比目前常用的胍胶压裂液体系的伤害率低10 个百分点以上，充分说明CO2清洁泡沫压裂液的低伤害性特点。

3 结论

(1)采用大型泡沫循环回路测试了GRF-CO2清洁泡沫压裂液体系的动态性能，结果显示，新型CO2清洁压裂液流变性能好，携砂能力强，可以满足现场施工的技术要求。

(2)新型CO2清洁泡沫压裂液易破胶，破胶后无残渣，表/界面张力低，反映具有较好的助排性能，同时对延长上古生界储层岩心的基质渗透率伤害率较低，是一种低伤害清洁压裂液体系。

［1］ 丁云宏，丛连涛，卢拥军.CO2泡沫压裂液的研究与应用［J］.石油勘探与开发，2002，29(4):103-105.

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