CO2泡沫压裂液浅析

摘要：对于目前石油资源日渐紧张的国际社会而言，CO2泡沫压裂液由于其巨大的经济效益和社会效益必将成为国际关注的必需发展的重大技术。本文主要从泡沫压裂液技术状况、CO2泡沫压裂液基本原理及特点和影响CO2泡沫压裂液性能的主要因素等方面介绍CO2泡沫压裂液的研究与应用。

关键词：CO2泡沫压裂液 泡沫质量 液包气乳状液

1.泡沫压裂液技术状况

泡沫压裂液是一种液包气乳状液，是大量气体在少量液体中的均匀分散体。泡沫体按气体含量的多少分为两种体系。泡沫质量fgtp<52%的为增能体系，一般用做常规压裂后的尾随液（后置液）帮助反排；52%

按所用气体种类分为N2泡沫液和CO2泡沫液。N2泡沫可与一切基液（水、盐水、甲醇、乙醇、酸类、凝析油、矿产原油、二甲苯、精炼油等）配伍。CO2泡沫是在1982年后才发展起来的，与N2泡沫相比，与地层流体的相容性更好，并能降低界面张力，但只能与水、甲醇、乙醇配伍。

泡沫压裂液由基液、气体、起泡剂、稳定剂及其他添加剂组成。

概括起来，国外泡沫压裂液发展经历了下列四个阶段：

第一代泡沫压裂液：水+起泡剂（上世纪70年代），N2,携砂比1~2lb/gal（120~240kg/m3），压后易反排，可用于低压气井压裂；

第二代泡沫压裂液：水+起泡剂+聚合物（上世纪80年代），N2,CO2，压裂液粘度较高，稳定性较大，砂液比4~5lb/gal（480~600kg/m3），适用于高压油气藏压裂；

第三代泡沫压裂液：水+起泡剂+聚合物+交联剂（上世纪80年代末至90年代初），以N2泡沫压裂液为主，粘度和稳定性进一步提高，造缝和携砂能力增强，适用于高温深井大型水力压裂，砂液比达到5lb/gal（600kg/m3）；

第四代泡沫压裂液：恒定内相，控制内相体积，降低施工摩阻，可满足大型压裂施工，最高砂液比达12lb/gal（1440kg/m3）以上，加砂量达150吨以上。

2.CO2泡沫压裂液基本原理及特点

（1）CO2泡沫压裂基本原理

在物理中，CO2有三种不同的相态，即气、液、固。气态临界温度和压力分别为31°C和1071Psi，在18°C液态条件下其密度为1.02g/cm3,1m3转化为0°C，1atm的气态标准体积为517m3.

CO2泡沫压裂是由液态CO2和增稠剂及多种化学添加剂组成的液—液混合物，携带支撑剂迅速进入地层，随着液体在井筒和地层中温度的升高，当温度达到31°C的临界点以后液态的CO2开始汽化，形成以CO2为内相、含高分子聚合物的水基压裂液为外相的气液两相分散体系。由于泡沫两相体系的出现，流体粘度显著增加，通过起泡剂和高分子聚合物的作用，大大增加了泡沫流体的稳定性，形成了低滤失、低密度和易反排的压裂液特性。因此，CO2泡沫压裂液流体具备了压裂液的必要条件，并拥有了常规水基压裂液不能相比的多种优势。

（2）CO2泡沫压裂的特点

CO2泡沫是CO2液体分散于水基冻胶液中的分散体系，CO2是分散相，水基冻胶液是连续相，当温度超过31°C时，气化的CO2泡沫迅速膨胀后，则CO2变成连续相，水基液变成分散相。

CO2泡沫的加入，可降低液体的界面张力，从而增加了压裂液的反排能力，减少毛管力的作用。

减少了水基压裂液的用量。

CO2的加入，可使压裂液的PH值降低，对防止粘土膨胀及三价铁、铝盐的沉淀都有一定的作用。

由于CO2泡沫增加了压裂液的粘度，可以起到控制压裂液滤失的作用。

CO2泡沫液的摩阻大，施工时液柱压力低，因而施工压力高，不利于施工。

3.影响CO2泡沫压裂液性能的主要因素

（1）泡沫质量

泡沫质量的高低影响CO2泡沫压裂液的流变性。增能体系的粘度降低，且泡沫质量的高低对粘度的影响较小。泡沫质量对CO2泡沫体系的粘度影响较大，粘度随泡沫质量的增加而快速增加。

（2）温度

起造缝和携砂作用的压裂液的性能不可避免地受地层温度的影响。由于气相的存在，泡沫压裂液对温度的变化更为敏感。温度升高时泡沫体积增大，稳定性减弱，易破裂。温度升高将影响压裂液的流变性能，使粘度降低，造缝及携砂性能降低。

（3）压力

与温度的影响相反，压力的升高使泡沫的体积减小，且泡沫体积对压力的敏感性更强。压力越高，形成高泡沫质量的泡沫压裂液越困难，只有增加液体CO2的泵注比例，才能获得较高的泡沫质量，这为高砂比施工带来一定的困难。

（4）稠化剂类型与浓度

稠化剂从两个方面提高CO2泡沫压裂液的流变性：稠化剂本身的增粘作用；稠化剂对泡沫的稳定作用。

不同稠化剂具有不同分子量和增粘能力，稳泡效能也有一定差异，但都能提高CO2泡沫压裂液的粘度，减弱温度和压力对CO2泡沫压裂液流变性的影响。随着稠化剂浓度的增加，CO2泡沫压裂液的粘度增大，考虑到现场配液以及压裂液材料费用等诸多因素，其加量不能超过一定限度。

（5）酸性交联剂

通常水基压裂液在碱性条件下交联性能较好，这主要与植物胶多糖稠化剂的顺式羟基分子结构有关。在酸性条件下实现理想交联有较大困难，主要表现在：

①酸性介质对常规交联压裂液是性能良好的破胶剂，使增粘或交联不易实现；

②在酸性介质中可供顺式羟基交联的离子基团很少；

③满足现场应用、无毒无污染、易水溶及可操作性强的酸性交联剂不易开发，目前还没有形成较完善的技术。

4.认识与建议

从CO2泡沫压裂的原理可以看出CO2压裂对保护油层是切实有效的，特别是对低压低渗油层可减少压裂液对地层液体不配伍而造成的伤害。 CO2泡沫压裂液的研究，解决了酸性环境下的交联问题，为工艺试验提供了技术保障。

建议加强储层的地质研究工作，精细选井选层；进一步加强室内研究工作，尤其是CO2泡沫液的气、液、固三相流变性的研究，特别是CO2由液相到气相转化过程中，对储层的影响作用以及热力学性质方面的变化规律；应在研究的基础上加大试验规模，扩大试验范围。

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