自生氣泡沫壓裂工藝技術研究與試驗

周長順，劉怡君，呂勇勝，馬駟駒，邰 龍，李志坪，周亞亞，張大磊，周莉

（中國石油長慶油田分公司第三采油廠，寧夏銀川 750006）

鄂爾多斯盆地是一個沉積穩定、疊合的克拉通坳陷盆地，盆地由伊盟隆起、渭北隆起、晉西撓褶帶、伊陜斜坡、天環坳陷、西緣沖斷帶6 個二級構造單元構成。其中盆地面積37×104km2，構造面積25×104km2，地跨陜、甘、寧、蒙、晉五省區。其中伊陜斜坡是盆地勘探開發的主要地區，目前已發現的90%的油氣藏分布在該構造單元。盆地內發育元古界、古生界、中生界和新生界地層，沉積巖平均厚度6 000 m?？v向上具有“上油下氣”的分布格局。

油氣藏普遍具有“低滲、低壓、低豐度”的特點。延長組砂巖儲層滲透率0.3～2.0 mD，上古生界砂巖儲層滲透率0.1～3.0 mD。油氣藏壓力系數普遍較低，多為0.62～0.9。油井日均產量2～4 t，氣井日均產量（1～4）×104m3。

1 壓裂液主要類型及特征

1.1 低滲透油藏面臨的問題

在低壓低滲透淺層油藏的壓裂改造過程中，常規羥丙基胍膠-有機硼交聯壓裂液體系主要存在的問題有：壓裂液濾液對低壓低滲透油藏造成的水鎖傷害。在壓裂改造過程中，壓裂液濾液等外來流體侵入儲層后，由于毛細管力作用，地層驅動壓力不能將外來流體完全排出地層，從而使儲層的含水飽和度增加，油氣相滲透率降低。地層壓力低，壓裂液返排能力不足。當前各油田采取的措施主要是“液氮伴注”技術，但是“液氮伴注”技術增加了壓裂的費用，給現場施工帶來較大的安全風險，而且液氮存放也存在較大問題。

1.2 低滲透油藏壓裂對壓裂液的要求

針對低滲透油藏特點，最大程度地降低壓裂液對地層的傷害就顯得十分重要。研究如何降低壓裂液對儲層傷害，有效保護儲層，已成為目前低滲透油藏開發繼續解決的難題之一。

對于占液量絕大部分的前置液及攜砂液都應具備一定的造縫能力并使壓裂后的裂縫壁面及填砂裂縫有足夠的導流能力，這樣它們必須具備如下的性能要求：（1）濾失少；（2）懸砂能力強；（3）摩阻低；（4）熱穩定性和抗剪切穩定性；（5）配伍性；（6）破膠快速、徹底；（7）殘渣含量低；（8）貨源廣便于配制，成本適中，經濟上切實可行。

2 自生氣泡沫壓裂液研究

針對長慶油田低滲低壓淺層油藏壓裂改造存在的難點，以“增壓、助排和低傷害”為目的，通過引入地層條件下自動生氣體系，同時研制或篩選稠化劑，使之適合在生氣劑水溶液中溶脹且適應弱酸性條件交聯，從而形成一套適合于此類油藏的低傷害、攜砂強、返排好、消除堿敏傷害的自生氣泡沫壓裂液體系，提高此類油藏壓裂改造效果和返排率[1-5]。

2.1 自生氣體系優選

2.1.1 常見生成氣體N2和CO2的反應 CO2有促進原油溶解降黏作用，而N2屬于惰性氣體。因此從安全、經濟、環保等角度考慮，選擇同時產生N2及CO2的化學反應物作為生氣增壓反應體系的生氣劑。同時生成N2與CO2的化學反應主要有：

（1）亞硝酸與尿素反應：

（2）在酸性溶液中，尿素與亞硝酸鹽的反應：

（3）偏二甲肼與N2O4反應（點燃）：

2.1.2 不同自生氣體系的生氣效率及現象 在研究的5種體系中，CO（NH2）2+NaNO2、NH4HCO3、Na2CO3+NaH2PO4、Na2CO3+HCl 和NaNO2+NH4Cl 體系在60 ℃和1 個大氣壓條件下的生氣效率見表1。其中CO（NH2）2+NaNO2的生氣效率能達到57.1%，且為CO2和N2的混合氣體，兩者的比例接近于1∶2，其中CO2有促進原油溶解降黏作用，而N2屬于惰性氣體，能實現很好的增壓作用，且對施工管柱的腐蝕性較小，因此選用該體系為生氣體系。

表1 自生氣體系生氣效率匯總表

2.2 自生氣體系生氣規律研究

氯化銨與亞硝酸鹽反應體系：

亞硝酸鈉與尿素反應體系：

由計算可知，兩種生氣體系均屬于放熱體系。

2.2.1 亞硝酸鈉用量對生氣量的影響 當固定15%鹽酸用量為6 mL、尿素用量為5.0%、溫度為20 ℃時，考察了亞硝酸鈉用量對體系生氣量的影響（圖1）。由圖1可知，隨著亞硝酸鈉用量的增加體系的生氣量逐漸增加，當亞硝酸鈉用量達到4.6%時，體系的生氣量可以達到液體體積的15 倍以上。后續實驗采用4.6%的亞硝酸鈉作為生氣劑的主要成分。

圖1 亞硝酸鈉用量對體系生氣量的影響

2.2.2 尿素用量對生氣體系生氣量的影響 當固定15%鹽酸用量為6 mL、亞硝酸鈉用量為4.6%、溫度為20 ℃時，考察了尿素用量對體系生氣量的影響（圖2）。由圖2 可知，隨著尿素用量的增加體系的生氣量逐漸增加，當尿素用量達到3.6%時，體系的生氣量可以達到液體體積的15 倍以上。后續實驗采用3.6%的尿素作為生氣劑的主要成分。

圖2 尿素用量對體系生氣量的影響

2.2.3 催化劑用量對生氣體系生氣量的影響 當固定亞硝酸鈉用量為4.6%、尿素用量為3.6%、溫度為20 ℃時，考察了15%鹽酸用量對體系生氣量的影響（圖3）。由圖3 可知，隨著鹽酸用量的增加體系的生氣量逐漸增加，當鹽酸用量達到6 mL 時，體系的生氣量可以達到液體體積的15 倍以上。后續實驗采用6 mL 15%鹽酸作為催化劑。

圖3 鹽酸用量對體系生氣量的影響

2.2.4 亞硝酸鈉對生氣體系生氣量的影響 當固定尿素用量為3.6%、溫度為20 ℃、6 mL 15%鹽酸時，進一步考察亞硝酸鈉用量對體系生氣量的影響（圖4）。由圖4 可知當亞硝酸鈉用量為4.5%時體系的生氣量可以達到液體體積的15 倍以上。后續實驗采用4.5% 的亞硝酸鈉體系。

圖4 亞硝酸鈉用量對體系生氣量的影響

2.2.5 生氣體系產氣速度 當固定尿素用量為3.6%、4.5%的亞硝酸鈉、溫度為20 ℃、6 mL 15%鹽酸時，考察了體系的產氣速度（圖5），由圖5 可知，在30 s 內體系能產生75%左右的氣體，5 min 內產氣反應基本停止，說明體系能夠實現快速增壓。

圖5 反應時間與生氣量關系

2.2.6 生氣體系升溫情況 當固定尿素用量為3.6%、4.5%的亞硝酸鈉、溫度為20 ℃、6 mL 15%鹽酸時，考察了體系的升溫情況（圖6），由圖6 可知，體系能夠使自身的液體溫度升高36 ℃，且在30 s 內體系升高33 ℃。1 min 內達到最高的47 ℃，說明體系能夠實現快速升溫。

圖6 體系升溫情況

2.3 自生氣泡沫壓裂液優選

2.3.1 稠化劑用量對壓裂液黏度的影響（圖7）隨著稠化劑用量的增加，基液的黏度逐漸增大，但不溶物的量也在增加，當稠化劑用量達到0.34%時，基液黏度達到21 mPa·s，根據壓裂液對基液黏度的要求，由實驗結果可知，選取基液黏度≥21 mPa·s 的最低稠化劑濃度為最優濃度，因此后續實驗稠化劑用量為0.34%。

圖7 稠化劑用量對壓裂液黏度的影響

2.3.2 交聯劑用量對壓裂液黏度的影響（圖8）交聯劑對體系的成膠速度、熱穩定性和剪切穩定性以及對地層及填砂裂縫的滲透率都有很大的影響。壓裂液的交聯時間應小于壓裂液流經壓裂管柱的時間。由圖8可知，隨著交聯劑用量的增加，交聯時間逐漸縮短，交聯強度逐漸增加，當交聯劑用量達到0.34%后，交聯強度均體現出可挑掛，因此根據時間、交聯強度和黏度的綜合分析，選用交聯劑用量為0.34%。

圖8 交聯劑用量對壓裂液黏度的影響

2.3.3 增效劑（起泡劑）用量對壓裂液黏度的影響（圖9）當體系中僅加入0.34%稠化劑時，體系的黏度能達到基液黏度的要求21 mPa·s，當進一步加入0.34%交聯劑后體系的黏度能達到30 mPa·s 以上，當再加入起泡劑后體系的黏度能保持在24 mPa·s 以上，能滿足壓裂液的要求。

圖9 增效劑（起泡劑）用量對壓裂液黏度的影響

2.3.4 不同緩蝕劑用量下的腐蝕速率（表2）測定本實驗體系中所含鹽酸濃度緩蝕速率，15%鹽酸配制體積比為12%的鹽酸溶液110 mL。測定不同緩蝕劑用量在60 ℃下，反應4 h 的靜態腐蝕速率。

表2 不同緩蝕劑用量下的腐蝕速率

2.3.5 20%鹽酸中不同緩蝕劑用量下的腐蝕速率（表3）測定20%鹽酸中不同緩蝕劑用量在60 ℃下，反應4 h 的靜態腐蝕速率。評價指標參照行業標準SY/T 5405—2019。

表3 20%鹽酸中不同緩蝕劑用量下的腐蝕速率

2.3.6 自生氣泡沫壓裂液體系攜砂性能評價試驗 取100 mL 基液，20 mL 40 目陶粒，將陶粒加入到基液中攪拌均勻，加入0.34 mL 0.1∶20 的交聯劑，攪拌均勻后，倒入100 mL 量筒中。在10 ℃、25 ℃、40 ℃、60 ℃下沉砂，2 h 之內均未沉降。

2.3.7 壓裂液性能實驗 按3.6%CO（NH2）2+4.5%NaNO2+0.35%酸性胍膠稠化劑+0.6%交聯劑+0.3%助排劑配成壓裂液，進行砂比為35%支撐劑靜態沉降實驗。

20～40 目的石英砂在24 h 內未有明顯沉降，表明酸性胍膠體系+CO（NH2）2/NaNO2生氣后能實現很好的懸砂，且懸砂比例可以達到35%。

2.3.8 泡沫半衰期 按3.6%CO（NH2）2+4.5%NaNO2+0.35%酸性胍膠稠化劑+0.6%交聯劑+0.3%助排劑+6%催化劑（15%HCl）配成壓裂液，常壓條件下，在常溫和50 ℃下，測試泡沫體系的泡沫半衰期。

體系在室溫常壓下的泡沫半衰期達到10 h 以上，50 ℃常壓下的泡沫半衰期能達到200 min。

2.3.9 濾失測試 參照SY/T 5017—2016《水基壓裂液性能評價方法》，以天然巖心為過濾介質，對體系基液進行靜態濾失測試。靜態濾失滿足行業標準：初始濾失≤5×10-2m3/m2，濾失系數≤1×10-3m/min1/2（表4）。

表4 壓裂液濾失實驗

2.3.10 巖心傷害實驗 參照SY/T 5017—2016《水基壓裂液性能評價方法》，測試基液體系對巖心基質的傷害率。巖心基質傷害率滿足行業標準≤30%（表5）。

表5 巖心傷害實驗

3 實施效果

在Y417 區塊開展試油井2 口，儲層特征延8、延9 油層組砂巖以細－中粒巖屑質長石石英砂巖、長石質石英砂巖為主，層內發育水平層理和斜層理，沉積層序從底部含煤沉積開始，砂泥互層沉積，電阻呈現高峰狀，自然伽馬呈鋸齒狀，富含植物化石。平均孔隙度17.9%，滲透率132.2×10-3μm2，鑄體薄片分析顆粒主要粒徑為0.2～0.4 mm，最大粒徑2.0 mm，主要為次圓－次棱角狀，分選較好，接觸方式以點-線接觸為主，儲層為弱～無水敏、弱～無速敏、弱～無酸敏、弱鹽敏。

油藏類型為底水直接接觸，Y417-01 井設計加砂量為2.0 m3，施工排量為0.8 m3/min，砂比為10%，射孔段為2 191.4～2 192.4 m；試排產量為油22.9 t、水8.9 m3，投產初期日產液為5.4 m3、日產油為3.9 t，含水率為14.3%。

4 結論及建議

（1）針對一般泡沫壓裂液存在成本高、專用設備多、施工風險高等缺點，研制出一種自生氣泡沫壓裂液。對該壓裂液性能的評價實驗結果表明，自生氣泡沫壓裂液具有濾失量小、攜砂性能好、助排能力強、對地層傷害小等特點，完全能滿足壓裂工藝的加砂、加速破膠返排和低傷害的要求，能廣泛應用于低壓低滲、漏失及水敏性地層，是一種優質低傷害壓裂液體系，是國內外壓裂液發展的一種趨勢。

（2）通過現場試驗，自生氣泡沫壓裂液具有較好的攜砂能力，同時現場返排率明顯提升，生產后含水率穩定，具有較好的穩產潛力。

（3）做好施工方案優化、施工過程管控是提高實施效果的重要手段。