泡沫压裂液研究进展与展望

李小刚，宋峙潮，宋瑞，沈弼龙

(1.西南石油大学 油气藏地质与开发国家重点实验室，四川 成都 610500；2.中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300457；3.中国石油天然气股份有限公司西南油气田分公司勘探事业部，四川 成都 610041)

泡沫是由液体薄膜隔开的具有多个界面的气泡聚集体。液体薄膜即为泡沫的基液，目前基液可以分为水基、酸基、醇基、液态CO2基4种[1-3]，其中水基泡沫应用最为广泛，但是会对水敏性地层造成损害，所以其他3种非水基体系还有待深入研究[4]。气相主要为二氧化碳和氮气，目前从井口产出后未经加工的混合天然气，也可直接作为泡沫的内相[5]。由于其相对廉价、操作简单的特性，在泡沫压裂液中的应用也有很大前景。泡沫压裂液具有地层伤害小、返排迅速、滤失低、粘度高、摩阻低以及携砂能力强的优点[6]，除此之外WAM等[7]使用水和泡沫分别对粉砂岩进行压裂实验，通过CT和3D扫描对比发现，泡沫压裂还能得到更复杂、表面积更大的裂缝。但是由于地层中的高温高压环境以及泡沫自身为热力学不稳定体系，泡沫压裂液也存在着许多缺陷。如何保证泡沫压裂液的起泡性和稳定性，并最大限度降低对地层的损害是当前研究的主题。

从起泡剂来看，目前研究的主要方向是表面活性剂的复配体系和新型表面活性剂的开发；从稳泡剂来看，围绕清洁、低伤害这个主题，研制出了低伤害的人工聚合物泡沫压裂液[8-10]、纳米压裂液[11]以及VES泡沫压裂液[12-13]。通过对泡沫压裂液体系的稳泡性、携砂性、流变性、滤失性进行评价，对泡沫压裂液各项指标有了更明确的认识，并能定量指出各种体系的优劣。本文作者详细介绍了泡沫的产生与破裂机理，综述了起泡剂和稳泡剂在泡沫压裂液体系中的应用以及泡沫压裂液的宏观评价指标，对今后的研究方向进行了展望。

1 泡沫压裂液的起泡剂

按表面活性剂种类，起泡剂可分为阴离子型、非离子型与两性起泡剂。其中阴离子型起泡剂价格低廉，耐温能力优秀，应用最为广泛，但存在着抗盐能力差，不耐酸碱的缺陷，还可能会与Ca2+生成沉淀，会严重影响起泡性能。非离子型起泡剂在水中不产生电离，而是通过与水分子形成氢键溶解于水中，所以这种起泡剂在酸、碱、高矿化度条件下都比较稳定，但高温会破坏非离子型起泡剂与水分子间的氢键，导致表面活性剂分子从水中析出，影响起泡性能。两性起泡剂具有良好的抗温抗盐能力，但在地层中的吸附损耗较大[14]。室内试验中现有起泡剂抗温能力可达140 ℃，在苏里格高凝析油气田中应用也可达90 ℃；针对江汉的高盐油藏，现有起泡剂的抗矿化度能力达300 g/L；针对高含凝析油气井排液困难的问题，现有起泡剂抗油能力室内试验可达70%，并在<50%的气井中成功应用，针对高含凝析油气井中泡沫驱不稳定问题，现有起泡剂抗油能力最高为30%。如何继续提高起泡剂在井筒地层中高温高压以及高矿化度条件下的起泡性能是当前研究的热点。目前的研究方向主要有两个，其一为研制出新型单一组分起泡剂以适应地层环境；其二为通过对现有起泡剂进行复配，达到性能要求。从经济的角度考虑，笔者认为复配型表面活性剂的应用具有很大前景。

新型单一组分起泡剂主要是氟碳型起泡剂，这种起泡剂具备很好的耐高温、耐高矿化度、耐凝析油等性能，能够满足现场施工要求，但氟碳型起泡剂合成困难，价格较高，使其应用受到限制。复配型起泡剂主要有两种复配方式，其一为将具备不同特性的两种起泡剂混合使用，使混合体系兼具两者的优点，如在高温高矿化度油藏条件下形成的最具代表性的复配体系：阴-非离子型起泡剂。其二为通过连接基团，将两个两亲体在头基或紧靠头基处联接起来的化合物，这种结构增强了碳氢链的疏水作用，也由于化学键的限制削弱了亲水基间的排斥作用[15]。这种新型化合物就叫作双子型(Gemini)表面活性剂。

通过复配的方式，既解决了单一组分起泡剂性能不能满足现场施工要求的问题，相比新型起泡剂的研发合成，也大大节约了成本。但是研究表面活性剂的复配规律发现，并不是每一种随意组合的复配体系都具有协同增效作用，有时甚至会产生对抗作用。由于现在对于复配型起泡剂性质的精确定量描述大多止于二元复配体系，阴/阳/两性/非离子多元复配体系则只能从宏观上获得表面现象的变化。所以为了得到性能更加优良的起泡剂，深入了解多元复配的复配规律是今后一个重要的研究方向。

2 泡沫压裂液的稳泡剂

在泡沫稳定中起到决定性作用的是液膜强度，而表观粘度的大小可以反映液膜强度，所以归结来看，高粘度的泡沫压裂液基液能够产生更加稳定的泡沫体系。想要形成高粘度基液其实很简单，现有的水基冻胶压裂液体系已经非常完善，以冻胶为基液，向其中通入气体可以形成稳定性能优良的泡沫体系。这种压裂液技术已经在现场施工中大量应用，并且取得了很好的效果。但是由于聚合物破胶后存在残渣，滞留在地层中会损害储层。近年来，对于稳泡剂的研究逐渐从天然聚合物转向了人工聚合物和表面活性剂。相比常规HPG泡沫压裂液体系来说，人工聚合物泡沫压裂液破胶后破胶液的表面张力更低，易于返排；在相同破胶剂用量下，破胶时间短，几乎无残渣；由于结构流体的特征，具有更强的携砂能力。该体系在国内外都有一定程度的现场应用，尤其适用于低压低渗敏感性储层，但是其滤失性能以及稳泡性能还有待提高。表面活性剂作为稳泡剂和起泡剂的VES泡沫压裂液体系，没有高分子聚合物，不存在储层损害。但其耐温耐剪切性能差的问题还没有解决，并且只有极少数的现场应用，其配套的技术工艺还不成熟。对于水基泡沫体系来讲，人工聚合物泡沫压裂液破胶后的残渣已经少到不足以对储层造成损害，所以笔者认为进一步提高其滤失性能及稳泡性能比研究VES泡沫压裂液具备更好的前景。但是，面对储层水敏的问题，非水基泡沫体系中，VES泡沫压裂液依然具有很高的研究价值。

2.1 天然聚合物稳泡剂

在冻胶泡沫压裂液中最常用的稳泡剂是胍胶及其衍生物。许卫等[16]经过试验发现未交联的线性凝胶作为泡沫压裂液的基液时，泡沫的稳定性虽有一定改善，但仍不足以满足现场施工要求，所以需要进行交联形成冻胶。从酸性环境下才能稳定存在的三价铁离子或金属锆离子能与聚合物结合形成交联这个机理出发，刘晓明、丁云宏、周继东等[17-19]使用AC-8酸性交联剂，筛选评价出了各自的酸性泡沫压裂液体系。吴金桥[20]自主研制了AL-1酸性交联剂，并通过对其他添加剂优选，确定了AL-1酸性交联CO2泡沫压裂液的典型配方。但是由于泵注设备以及酸性交联剂成本相对较高，所以二氧化碳泡沫压裂液在现场应用中受到一定程度的限制。

综上研究表明，早在很多年前，就已经形成了相当完善的冻胶泡沫压裂液体系，在这个方面已经没有继续研究的必要。相比传统的冻胶压裂液来讲，这种泡沫体系工艺简单、性能优良，将其应用于现场，取得了十分显著的成果，随后泡沫压裂液，尤其是N2泡沫压裂液被广泛应用于现场施工中。但随着页岩气等非常规油气的开发，人们对压裂液的要求也越来越高，这种冻胶泡沫体系具有破胶后残渣含量高，容易对储层造成损害等缺点。所以放弃天然聚合物这个方向，如何合成性能更加优良的人工聚合物是今后的一个重要的研究方向。

2.2 人工聚合物稳泡剂

在泡沫压裂液中，清洁的意义比较广泛，一些不经过交联，人工聚合物作为稳泡剂形成的泡沫压裂液体系也可以叫作清洁泡沫压裂液。申峰[8]研制了BCG-8人工聚合物，通过优选其他添加剂，确定了一种新的清洁泡沫压裂液配方，并将其用于高温页岩储层的开发中。Luo等[21]使用高参泡沫压裂液试验系统，对BCG泡沫压裂液体系的对流换热系数进行了测定，采用拟合公式确定压裂设计中的温度场，对BCG泡沫体系在工程中的应用有重要作用。刘通义[10]以丙烯酰胺、含刚性基团的阴离子单体和十六烷基二甲基烯丙基氯化铵为聚合单体，以水溶液无规共聚的方式合成的人工聚合物DF表现出良好的清洁性，并且通过性能评价验证了DF稳泡剂用于泡沫压裂液的可行性。这些人工聚合物不经交联得到的基液，虽然表观粘度不大，但是会加入一种相应的表面活性剂作为稠化增效剂，不但可以起到发泡的效果，也可以与聚合物溶液产生协同效应，形成具有可逆空间网架的结构流体[22-23]。杨浩珑[12]将目光放在了稠化增效剂上，自主研制了双子型表面活性剂WG-2，形成了一套新的二氧化碳泡沫双子表面活性剂清洁压裂液体。

纵观上述研究表明，当前人工聚合物大多基于聚丙烯酰胺，通过在丙烯酰胺的分子链上添加各种基团，形成丙烯酰胺类多元共聚物，来达到现场施工的需求。但是人工聚合物泡沫体系依然存在着初滤失量大、恶劣条件下稳定性差等问题，所以如何完善这种泡沫体系的性能是今后研究的重点。笔者认为，除了在高分子聚合物上添加各种官能团来提高性能以外，三相泡沫性能的研究也是至关重要的。例如Amit等[24]研究得出，膨润土和聚合物之间具有协同增效作用，向泡沫体系中加入膨润土能有效改善泡沫流变性和热稳定性，提高表观粘度，悬浮支撑剂，能减少聚合物的用量，降低伤害。还有近几年不断涌现的纤维材料压裂技术，也给人带来深思。目前还没有将纤维材料应用于泡沫体系中的案例，但是可以想象，纤维作为一种增强流体结构的物质，势必会增强液膜强度，对泡沫体系的稳泡性能及降滤能力有极大的提升，所以添加纤维材料来提高压裂液性能的方式值得思考。

2.3 VES与纳米稳泡剂

VES又称粘弹性表面活性剂，具有单链疏水基和较小头基的表面活性剂分子易形成具有粘弹性的棒状或蠕虫状胶束[25-26]。Chen[27]研制出一种超临界CO2-清洁泡沫压裂液，当气体进入水后，表面活性剂集团会自动稳定水相中的气体分子，实现了体系的稳定性。吴金桥[28]筛选评价了与二氧化碳配伍的GRF清洁压裂液，这种泡沫压裂液无残渣，将其应用于延长油田现场实施中，效果很好。

纳米技术在泡沫压裂液体系中应用是一种新的思路[29-34]，纳米颗粒可以与表面活性剂产生协同增效作用共同稳定泡沫。Lv等[35]研究了SiO2纳米颗粒和SDBS 稳定下泡沫的性质，实验表明，泡沫悬浮支撑剂和降低液相向地层渗滤的能力有明显的增强。并且，Lv等[36]还发现了SiO2纳米颗粒在泡沫体系中可以用作高性能的降滤剂，它主要可以增大泡沫从喉道向孔隙运移的阻力，提高泡沫抗壁面滑移的能力。除了室内试验，Ali[37]通过结合流体在基质储层与裂缝中的运移规律和岩石力学方程，建立了模拟纳米稳定泡沫体系在储层中运移的数学模型，这套模型可以考虑泡沫对裂缝动态延伸的影响。针对水力压裂淡水大量浪费的问题，现场施工中，Hosseini H[38]利用油田采出水作为超临界CO2泡沫压裂液的基液，选取PECNP作为泡沫稳定剂，实现了高矿化度下的泡沫稳定。

纳米和VES泡沫体系相对聚合物泡沫来讲，存在着很多严重的缺陷，例如纳米材料成本过高、VES苛刻条件下性能太差，但是并不代表二者没有研究价值。随着非常规资源的开发，非水基体系将会占据越来越重要的位置，很多聚合物在非水基条件下的溶胀增稠效果都不是很理想，就不能形成稳定的泡沫。但是VES和纳米稳定泡沫的机理不是通过高分子溶胀实现的，所以这两种泡沫体系也会在未来的压裂施工中占据极其重要的位置。

3 泡沫压裂液性能的评价技术

判断一个泡沫压裂液体系的好坏，主要从以下4个方面评价：稳定性、流变性、携砂性、滤失伤害性。评价手段则可分为数值模拟和室内实验。在数值模拟方面，随着对泡沫流体认识的加深，人们发现由于泡沫独特的结构，使其与单相幂律型流体在携砂性能方面有极大差异。例如Tong等[39]基于CFD建立的用来模拟支撑剂输运的模型，由于将泡沫简化为单相幂律流体，所以在预测结果上就会产生一定偏差。Jing等[40]对多个颗粒在湿泡沫中的相互影响的沉降规律进行了研究，通过数值模拟的方法计算了上下和平行两种排置方式下支撑剂颗粒的沉降速度和沉降阻力，首次从微观角度解释了颗粒间沉降的相互影响主要是泡沫压力变化导致的。

在室内实验方面，学者们一直致力追求更能满足现场施工条件的实验装置和更加精细入微的评价手段。为了模拟地层中高温高压的环境，延长石油研发了一种大型高参数泡沫压裂液流变仪[41]、王树众等[42]研制了一种高温高压泡沫压裂液滤失伤害实验系统，这两套装置能够有效测定泡沫在地层中的流变性和滤失性。为了模拟支撑剂在泡沫中的动态沉降规律，佘朝毅等[43]研发了一种泡沫压裂液携砂性能的评价装置，这套装置能够评价动态条件下的泡沫压裂液携砂性能。在微观评价方面上，吕其超等[44]采用微观气体扩散测定、低温冷冻电镜透射、微观可视化等研究手段，对排液速度、液膜强度、气体扩散速度等进行测试分析，评价了季铵盐双子型表面活性剂泡沫压裂液的稳定性。

在上述评价过程中，其中有一点让人关注。在一定范围内随着泡沫质量的增加，二氧化碳与氮气泡沫压裂液粘度都有所提升，但是流变特性却呈现截然相反的现象。二氧化碳泡沫更接近牛顿流体，更易流动；氮气泡沫却表现出偏离牛顿流体，更难流动的性质，是否由于气体性质的差异导致的，值得深思[45-48]。还有一点，目前关于泡沫流变性的实验都是基于直管或变径管，泡沫流体在裂缝中的流变行为还没有完善的研究，未来可以在这个方面进行更加深入的研究。

4 泡沫压裂液的问题与展望

随着泡沫压裂液体系的愈加成熟，对泡沫压裂液的性能要求也变得苛刻，对泡沫压裂液性能评价手段也变得贴合实际。许多人致力于研究更加稳定更加清洁的泡沫压裂液体系，认为面临的挑战和今后的展望有如下几个方面：

(1)复配型起泡剂应进行深入研究。

起泡剂在高温、高压、高矿化度、含凝析油等复杂苛刻条件下的起泡性能如何有效保障还需要继续深入研究。对于目前经济实用，应用广泛的复配型起泡剂体系来说，精确定量的描述大多止于二元复配体系。阴/阳/两性/非离子多元复配体系则只能从宏观上获得现象，例如邱宁等人对多元复配起泡剂的性能进行了试验研究，并通过红外光谱图尝试性地解释了其作用机理。但是其研究重点是起泡剂的浮选性质，没有关注泡沫压裂液，并且主观忽略了复配体系中的对抗问题。所以定量地优选复配体系是今后研究的主要方向，比如定量的描述哪几种组分、每种组分含量是多少时可以得到最佳起泡性能。

(2)为解决人工聚合物泡沫压裂液中存在的问题，可以考虑引入纤维材料。

由于清洁与低摩阻的要求，人们开始关注结构流体，不再仅仅追求高粘度的冻胶体系，所以过去由于热稳定性差，对盐敏感而被淘汰的纤维素类物质又回到了人们的视野。在压裂液中添加化学纤维材料，可在压裂液中形成空间网状结构，增大携砂性，还能防止支撑剂回流[49-50]。那将这种纤维材料用于泡沫压裂液中能否稳定泡沫、降低滤失，弥补人工聚合物泡沫体系中存在的缺陷，从理论上讲是可行的。所以不同种纤维材料和泡沫压裂液之间的配伍问题需要研究。形成完善的配方后，这种泡沫压裂液也需要进行性能的测试。

(3)非水基泡沫体系中应用表面活性剂稳泡值得深入研究。

现有泡沫体系大多为水基泡沫，但未来的非常规油气开发中，对储层保护的要求会越来越高，由于水基体系对储层存在潜在的伤害，非水基泡沫未来的发展也具有广阔的前景。其实非水基泡沫在室内已形成了成熟的体系，如液态CO2基泡沫，但是存在着配套工艺设备不完善的问题。因为醇类具有很多优越的性能，所以醇基泡沫压裂液具有很大的研究价值。含醇体系有聚合物溶胀困难、不易起泡、泡沫稳定性差等缺点，但如果用粘弹性表面活性剂作为醇基泡沫的增稠剂，将会规避这种缺陷。并且相对液态CO2基泡沫来说，该体系对现场施工设备要求不高。目前还未见这方面的研究，未来可以进行探索性实验。

(4)对泡沫流体性能的模拟应考虑其两相特性。

目前为研究泡沫体系而建立的模型，其最重要的假设是单相幂律型流体。但是由于泡沫的内相结构以及不稳定性，使其性质有别于传统模型中的幂律型流体，今后需要深入地了解泡沫的性质，建立预测更加准确，更贴近实际的数学模型。

(5)泡沫流变性的室内试验还不全面，需要考虑泡沫在裂缝中的流变性。

现在对于泡沫在管流状态下的流变性评价已经相当完善，但是对其流变性的研究仍存在一定缺陷。目前为止，还没有进行过泡沫在狭缝中流变的室内研究。泡沫流体在裂缝中的流动与管流必然存在很大差异，所以关于完善泡沫流变性评价的研究，有待进行。并且对于泡沫这种两相复杂流体，其流量与压差的测定也存在着一定的问题。

(6)需要更多地从微观角度考察泡沫的各项性质，现在除了稳泡性有微观评价案例，其他还有待补充。

对于泡沫滤失性、携砂性的室内实验研究，现有方式大多是用大型可视化实验装置模拟地层现实状况。这种实验手段有一个缺陷，就是只能得到现象，没法从微观的角度解释流体特性，尤其像泡沫这种极其复杂的流体，需要使用透射电镜、原子显微镜等实验仪器对泡沫的滤失以及携砂过程进行深入研究，为一些实验现象提供依据，或提出新的理论与思想。

泡沫压裂液体系在油气开采中应用前景是毋庸置疑的，所以对这方面的研究也应更加深入，相信未来更加清洁、环保、稳定的泡沫压裂液体系会在增产改造中占据很重要的地位。