氮气泡沫压裂液性能及应用评价.docx
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氮气泡沫压裂液性能及应用评价
王智君1詹斌2勾宗武1
（1.中国石化西南油气分公司工程技术研究院2.中国石化西南油气分公司采油气工程处）
摘要针对川西低压气藏低孔、低渗、强水敏和水锁的特征，通过室内实验评价，形成了一套适合于川西低压低渗气藏的N2泡沫压裂液配方体系。
现场应用试验表明,优选的N2泡沫压裂液体系性能良好，与同区块采用常规压裂液施工对比，能有效降低压裂液的滤失和提高压后压裂液残液的返排率，从而降低压裂液对储层的伤害。
可见研究形成的N2泡沫压裂液配方体系对川西浅层低压低渗气藏具有较强的适应性，具有较好的推广应用前景。
图3表11参5
关键词泡沫压裂液低压低渗气藏现场应用
作者简介王智君，女，1986年出生，防理工程师；现工作于中石化西南油气分公司工程技术研究院，从事储层改造设计及研究工作。
地址：
酉川省德阳市龙泉山北路298号。
电话：
15281466215oE-maU:
47265172@
0引言
川西浅层气藏具有低孔、低渗、低压、水敏性中等一强等特征,且气藏随着采出程度的增加，地层能量（地层压力）逐步降低，加砂压裂改造后,压裂液依靠储层自身能量返排的能力越来越差、返排速度越来越慢，返排率也逐渐降低，滞留地层的压裂液对储层的伤害随之增大，因此，常规压裂液技术已不能适应川西低压低渗气藏压裂开发的需要，需另辟储层改造新径而引进或采用具有低伤害性能的优良新型压裂液体系，以降低压裂液的滤失量,提高压裂液的返排速度和返排率，进而降低压裂液对储层的伤害，提高气藏压裂改造的增产效果。
根据国内外研究与现场应用经验，泡沫压裂液具有低滤失和高效返排的低伤害性能，能有效解决低压、低渗油气藏压裂改造中压裂液滤失和滞留地层给储层带来的伤害问题，因此，本文特就泡沫压裂液的性能、配方及其在川西低压、低渗气藏改造中的应用予以评价。
1泡沫压裂的特点
泡沫压裂液具有滤失低、返排能力强、与地层流体配伍性良好等特点，可适用于低压低渗低产气井的压裂改造。
泡沫压裂液是在常规水基高分子聚合物压裂液基础上拌注高浓度泡沫质量的压裂液体系，由于泡沫压裂液体系具有滤失量小,密度小而静水液柱压力低、携砂能力强、返排速度快和返排率高等特点，特别适合低压低渗地层的增产改造。
因此，泡沫压裂在低压低渗气藏压裂改造中具有广泛的应用前景。
1.1泡沫压裂液的优点
泡沫压裂与常规压裂相比，具有如下优点：
（1） 携砂、悬砂能力强
由于泡沫压裂液中气泡对支撑剂的托浮作用，使得泡沫压裂液具有较好的携砂和悬砂能力。
支撑剂在泡沫压裂液中的沉降速度仅是它在水中或凝胶中沉降速度的1/10-1/100,有时在泡沫压裂液中的沉降速度甚至为零。
很容易将支撑剂携带到裂缝中的较远位置，有利于在裂缝顶部和底部之间形成均匀的支撑剂铺垫层而有效提高支撑裂缝的导流能力，配以合理的加砂程序设计，能使泡沫压裂施工的增产倍数比普通压裂大很多。
（2） 滤失很小，有利于造缝
泡沫压裂液体系中含有膨胀性气体（呢或CO2）,进入地层后，一方面气泡可优先占据地层岩石的孔隙与喉道而降低压裂液水相的滤失,另一方面，泡沫压裂液中泡沫的质量比很高，使水相的比例显著降低，压裂液滤失量中可伤害地层的水相比例较少。
表1是采用1mD低渗透岩心对不同压裂液滤失系数的测定结果。
表1不同压裂液滤失系数对比
压裂液类型
典型滤失系数/（m-VrniiT-1）
3%KC1+水+降滤剂
9.144x10^
原油+降滤剂
7.62X10-4
水+硅粉+腿胶
6.096x5
乳化液+硅粉
6.096x10。
泡沫压裂液（泡沫质量75%）
9.144x10-5
从表1可知,75%泡沫质量的泡沫压裂液，其滤失系数比一般的压裂液要低近7~10倍。
由于泡沫压裂液视黏度高，滤失小,压裂液效率高，有利于压裂造缝，所以压裂造出的裂缝又宽又长。
（3） 返排能力强,返排速度和返排率高
泡沫压裂施工结束后，随着压力的释放,地层裂缝中的泡沫压裂液气化引起气相体积膨胀，从而对压裂液施以向井筒的返顶力，这就提供了足够的助推能量使压裂液残液很快排出地层，其增能助排作用强；同时，由于泡沫密度小而静液柱压力低,压裂液返排速度大大加快，不需要抽汲或诱喷等助排工艺措施就能获得压裂液的快速和彻底返排，因此，泡沫压裂液的返排能力强,返排速度和返排率高，压裂液的返排时间明显比常规压裂液短，能使油气井迅速投产。
（4） 地层伤害小
泡沫压裂液与具有同样体积的常规压裂液相比，对地层的伤害小，其原因主要有如下几点：
a. 泡沫压裂液的滤失量比常规压裂液低得多，因此通过裂缝面进入地层的量就少得多，对储层产生的伤害作用也小得多。
b. 泡沫压裂液中气相占约65%~85%，因此水相液体量只有同体积的常规压裂液的15%~35%,引起的液相伤害自然就小。
c. 泡沫压裂液增能助排性强，压后压裂液返排迅速彻底,返排率高，滞留地层的压液裂少，对储层的伤害小。
d. 泡沫压裂中的气相，仅微溶于地层流体，因此它不会引起乳化或沉淀而给储层带来伤害。
（5） 适合于低压、低渗、对液体敏感的油气层
泡沫压裂液由于液相本身少以及滤失量低和返排速度与返排率高，再加上加入的化学添加剂与地层的配伍性好，它进入地层一般不会发生水锁等严重伤害地层的情况，因此泡沫压裂液特别适用于低压、低渗、强敏感性地层的加砂压裂改造。
1.2泡沫压裂液的缺点
与常规压裂相比,泡沫压裂有以下缺点：
（1）受工艺技术特点的限制，目前泡沫压裂在施工井深、施工砂比、施工规模等方面，还与常规压裂有一定的差距。
（2） 泡沫压裂需要专用的罐车、泵车，增加了设备配套的成本;另外，液态气体价格较贵，这在一定程度上也增加了施工成本。
（3） 泡沫压裂中的气相具有动能和势能，而常规压裂液体系只具有动能而没有势能，因而常规压裂液施工安全；同时，泡沫压裂液施工时的施工摩阻较常规压裂高20%~50%,再加之若在井筒内形成部分泡沫,则液柱压力也将降低,必将增加施工泵注压力和施工风险；同时，液态气体的储存和运输也有一定的不安全因素。
2泡沫压裂液配方及其性能评价研究
2.1泡沫压裂液工艺原理
目前广泛应用的泡沫压裂液主要包括C02泡沫压裂液和N2泡沫压裂液两种，中石化西南油气分公司现暂无C02泡沫压裂设备，本文研究的泡沫压裂液主要是N2泡沫压裂液体系。
N2泡沫压裂工艺技术可以分为液氮拌注压裂和泡沫压裂两种工艺。
前者一般在压裂施工的全程或后期拌注液氮，其氮气的质量比一般小于52%；后者是在前置液和携砂液中混入液氮，在井口或井底形成均匀稳定的泡沫压裂液,利用泡沫的结构悬浮和承托支撑剂,达到输送支撑剂的目的，其N2的质量比一般都大于52%。
泡沫压裂液的工艺原理系指液氮被高压注入地层之后，被携砂液和顶替液沿裂缝推入地层深部,巨在地层温度作用下气化形成泡沫，一方面泡沫优先占据岩石孔隙,降低压裂液水相在地层中的滤失量，进而降低压裂液水相对地层的伤害；另一方面,压裂施工结束放喷排液时，由于井底压力降低,受压缩的阳迅速膨胀，推着压裂液进入井筒，达到气液两相混合，从而降低了井筒液柱压力，使压裂液连同氮气一起喷出井口，达到助排而提高压裂液返排速度和返排率的目的，进而降低压裂液滞留地层给储层带来的伤害。
泡沫压裂液中，泡沫质量表示气相在混气液体总体积中所占百分数，是衡量混气液体性质的重要指标。
在特定温度和压力下泡沫质量计算式为：
V
N=k^xlOO%
（1）
上+匕
用密度表达为：
S=（P如-P）/（Pw-P） ⑵
式中；
N—泡沫质量,％；
Ve~某一温度压力下的气相体积,n?
;
S-密度表示的泡沫质量,％;
/”一液相体积,m，；
pg—气体密度，g/cm'；
pw—液体密度,g/cm\
p—混合流体密度,g/cn?
。
由于气体体积是温度和压力的函数，泡沫质量并非一固定值，而是随温度、压力而变化。
同时，气体体积服从真实气体的状态方程：
V=nZRT/P （3）
式中：
R—气体常数,0.008314MPa-m3/（kmol-K）
T-井底温度,K,可使用目的层温度；
尸一井底压力,MPa,可使用目的层延伸压力；
Z—区偏差因子。
当气体从状态1转变为状态2时，有：
七2/V广ZgPSR （4）
计算中氮气体积遵循真实气体定律，可通过计算、查表的方法获取，表2给出了不同压力、温度下1n?
%在标准状况所占体积。
表2不同压力温度下1nrf氮气在标况下所占体积
温度凡-
10
20
压力/MPa
30
40
50
60
70
20
101
187
258
311
358
396
421
40
94
172
242
296
340
378
402
60
87
165
225
276
320
357
383
80
81
151
211
260
303
338
359
当泡沫压裂液携砂时，支撑剂均匀分布在泡沫中，为非连续相，可将支撑剂与气体一样视为内相，外相仅有液体。
泡沫携砂时的泡沫质量M计算为：
N三V内/（矿内+矿外）x100% （5）
式中：
M一泡沫携砂质量,％；
一内相体积,n?
；
V外一外相体积,n?
。
2.2添加剂优选
（1）起泡剂的优选
起泡剂是泡沫压裂液体系的核心添加剂，直接关系到泡沫压裂液的发泡能力以及泡沫压裂液的泡法质量大小。
分别对A、B两种起泡剂进行了发泡能力的实验评价，实验条件：
常温常压、采用高速搅拌法制备泡沫、搅拌速度11000转/min。
从表3中可以看出:
BRD-6起泡剂起泡性能较好,相同浓度下该起泡剂的泡沫体积更大。
因此选择B作为泡沫压裂液体系的起泡剂。
表3起泡剂起泡能力评价
类别
起泡剂浓度/%
基液/mL
泡沫体积/mL
0.1
100
200
WD-18
0.3
100
350
0.5
100
410
1.0
100
420
0.1
100
220
BRD-6
0.3
100
420
0.5
100
470
1.0
100
460
（2）起泡剂浓度优选
为了合理选择起泡剂的用量，在35Y温度条件下进行了泡沫压裂液的泡沫稳定性实验评价，起泡剂浓度分别为0.5%和1%。
实验压力：
15MPa。
泡沫稳定性的表征是用半衰期来衡量的，即从泡沫液中分离出一半液体所需的时间。
将起泡剂加入羟丙基瓜胶浓度为0.25%的常规压裂液中，评价高温高压下泡沫压裂液体系的半衰期。
结果如表4和表5所示（液面高度表示泡沫破裂后析出的液体所占的高度）。
当起泡剂浓度为0.5%时，经过2.5h左右，泡沫体系消泡量为全部泡沫体积的一半，即半衰期为2.5h左右；当起泡剂浓度为1%时，泡沫压裂液体系半衰期为lh左右。
因此,起泡剂加量为0.5%时泡沫压裂液体系的稳泡性能最好，远远好于起泡剂加量为1%时的泡沫压裂液体系的稳定性。
表4
泡沫压裂液稳泡实验（起泡剂浓度0.5%）
时间/h
总体高度/cm
液面高度/cm
泡沫高度/cm
0
11.4
0
11.4
0.5
11.4
3.5
7.9
1.5
11.3
5.3
6
2.1
11.2
5.4
5.8
2.8
11.1
6.3
4.8
3.7
10.8
6.4
4.4
5.4
10.7
6.6
4.1
22
10.6
7.3
3.3
备注：
泡沫压裂液的半衰期为2.5h左右。
表5
泡沫压裂液稳泡实验（起泡剂浓度1.0%）
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