泡沫壓裂技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展建議

王寅秋，沈任俊

（1.西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院，陜西西安 710065；2.中國石油天然氣股份有限公司長慶油田分公司第九采油廠，陜西吳起 718699）

隨著石油工程領(lǐng)域的不斷發(fā)展，油氣資源的勘探和開發(fā)面臨著越來越多的挑戰(zhàn)。特別是在低滲透油氣儲層和煤層氣開發(fā)等領(lǐng)域，常規(guī)開采方法往往無法滿足高產(chǎn)量和高效率的要求。因此，尋找一種能夠有效提高產(chǎn)能和改善儲層滲透性的增產(chǎn)技術(shù)至關(guān)重要[1-3]。

在這樣的背景下，泡沫壓裂技術(shù)作為一種新興的增產(chǎn)方法引起了廣泛關(guān)注。通過將空氣或其他氣體與水和化學(xué)添加劑混合制成的泡沫壓裂液注入儲層，泡沫壓裂技術(shù)可以顯著改善油氣滲透性、增加有效裂縫面積以及提高產(chǎn)能。然而，泡沫壓裂技術(shù)的應(yīng)用仍面臨著一些技術(shù)難題和挑戰(zhàn)，如泡沫壓裂液的穩(wěn)定性、高溫高壓環(huán)境下應(yīng)用困難等。本文通過對泡沫壓裂技術(shù)原理、泡沫壓裂液的組成和特性進(jìn)行闡述，對泡沫壓裂技術(shù)研究現(xiàn)狀綜合分析，全面了解該技術(shù)在不同儲層類型中的應(yīng)用和效果。為進(jìn)一步發(fā)展環(huán)保、高效的泡沫壓裂技術(shù)提供參考，為解決石油工程領(lǐng)域面臨的挑戰(zhàn)提供新思路。

1 泡沫壓裂技術(shù)概述

1.1 泡沫壓裂技術(shù)原理及應(yīng)用領(lǐng)域

泡沫壓裂技術(shù)通過將空氣或其他氣體與水和化學(xué)添加劑混合制成的泡沫壓裂液注入儲層來進(jìn)行壓裂作業(yè)，泡沫的特性促進(jìn)裂縫形成和擴(kuò)展過程，生成裂縫網(wǎng)絡(luò)、改善流體流動能力，從而提高油氣產(chǎn)能和采收率。該技術(shù)主要原理是在泡沫壓裂液的作用下，產(chǎn)生的氣泡能幫助改善裂縫網(wǎng)絡(luò)的連通性，增加有效裂縫面積，并降低儲層的滲透阻力。泡沫壓裂技術(shù)相對于傳統(tǒng)液相壓裂技術(shù)具有增加裂縫填充效果、改善液相的驅(qū)替能力、降低壓力損失和減小環(huán)境影響等優(yōu)勢，在低滲透油藏、煤層氣、頁巖氣和高溫高壓油氣藏中均有應(yīng)用[4]。

1.2 泡沫壓裂液的組成和特性

泡沫壓裂液是泡沫壓裂技術(shù)的核心，其組成包括水、表面活性劑、穩(wěn)定劑及其他化學(xué)添加劑。水是泡沫壓裂液的主要成分，提供液相基質(zhì)，形成穩(wěn)定的泡沫結(jié)構(gòu)。表面活性劑作為增稠劑和降低液體表面張力，有助于形成穩(wěn)定的泡沫并改善其潤濕性。穩(wěn)定劑的作用是增強(qiáng)泡沫穩(wěn)定性，延長泡沫的壽命并減少其潰滅。其他化學(xué)添加劑則根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行選擇，以滿足不同儲層特性和壓裂工藝的要求[5-6]。

2 泡沫壓裂技術(shù)研究現(xiàn)狀

2.1 泡沫壓裂技術(shù)的發(fā)展歷程

泡沫壓裂技術(shù)于1968 年首次應(yīng)用于美國西弗吉尼亞州林肯縣的頁巖地層。1973 年，泡沫壓裂技術(shù)進(jìn)入開發(fā)、應(yīng)用階段。20 世紀(jì)70 年代，開始了CO2泡沫壓裂技術(shù)的研究，1982 年后有了較大發(fā)展。1983 年，泡沫壓裂技術(shù)發(fā)展已趨于成熟，從設(shè)計(jì)、實(shí)施到壓裂效果評價(jià)已基本形成一套完整的體系。之后該技術(shù)被引入我國。1986 年，熊友明[7]開始了泡沫壓裂技術(shù)和泡沫酸酸壓設(shè)計(jì)技術(shù)的理論研究。1988 年，遼河油田與加拿大福瑞克莫斯特公司合作，首次將氮?dú)馀菽瓑毫鸭夹g(shù)成功應(yīng)用在國內(nèi)壓裂施工中。1989 年，大慶油田[8]自主研發(fā)了QFL-Ⅱ新型發(fā)泡劑，并通過對兩口井進(jìn)行泡沫壓裂試驗(yàn)，取得了顯著的增產(chǎn)效果。2002 年，丁云宏等[9]通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)成功優(yōu)選出了起泡性能好、穩(wěn)泡性強(qiáng)、攜砂能力優(yōu)秀、流變性較高、對儲層傷害較低的CO2泡沫壓裂液體系，之后在長慶靖安油田和江蘇油田的大規(guī)模現(xiàn)場施工中取得了成功。2004 年，王振鐸等[10]將CO2泡沫壓裂技術(shù)應(yīng)用在低滲透低壓水敏氣藏中，分析CO2泡沫壓裂過程中井筒和儲層溫度場變化對CO2液氣轉(zhuǎn)化影響，研究了泡沫壓裂的施工工藝。2016 年，周長林等[11]為四川盆地頁巖氣的壓裂改造尋求新的思路和方法，比較CO2泡沫壓裂與滑溜水壓裂等技術(shù)在設(shè)備改造、混注工藝和施工難度方面的差異，提出CO2泡沫壓裂可大幅減少用水量，有效增產(chǎn)改造頁巖氣井。2019 年，王緒性等[12]對CO2泡沫壓裂技術(shù)用于開采深部煤層氣以及其適用條件進(jìn)行研究和分析，考慮深部煤層氣開采技術(shù)的特點(diǎn)和局限性，認(rèn)為應(yīng)有針對性地應(yīng)用CO2泡沫壓裂技術(shù)于深部煤層氣開采中。2022年，楊琦[13]在沁水盆地煤層氣井中應(yīng)用氮?dú)馀菽瓑毫鸭夹g(shù)進(jìn)行重復(fù)壓裂，取得了良好的效果。該技術(shù)不僅提高了施工效率，還有效避免了地層的污染和堵塞問題，顯示出良好的適用性。

2.2 泡沫壓裂液的發(fā)展及改進(jìn)技術(shù)

泡沫壓裂液作為一種壓裂介質(zhì)，伴隨著泡沫壓裂技術(shù)的發(fā)展，關(guān)于泡沫壓裂液的研究分為四個重要階段：第一代（1970 年）水基泡沫壓裂液，泡沫壓裂技術(shù)首次引入石油工業(yè)并在試驗(yàn)井中進(jìn)行了早期的研究，其穩(wěn)定性較差，攜砂性能較差（僅為120～240 kg/m3）；第二代（1980 年）泡沫壓裂液，加入線性凝膠劑，穩(wěn)定性更好，黏度增大，攜砂性能增強(qiáng)，達(dá)到400 kg/m3，期間人們開始關(guān)注泡沫壓裂液的配方優(yōu)化和改進(jìn)，發(fā)展了一系列新的表面活性劑和添加劑，以提高泡沫穩(wěn)定性、黏度控制和裂縫擴(kuò)展的能力；第三代（1980-1990 年）交聯(lián)泡沫壓裂液更加均勻穩(wěn)定，氣泡分散，含砂濃度大于600 kg/m3；第四代（1990 年以后）耐高溫泡沫壓裂液具有耐溫性更好、抗剪切性更好、發(fā)泡穩(wěn)定性更好、攜砂能力更強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，可滿足大型砂層壓裂作業(yè)的需要[6]。

1983 年，GRUNDMANN 等[14]對泡沫壓裂液的起泡劑進(jìn)行了研究。同年，WATKINS 等[15]研究開發(fā)出了一種新的交聯(lián)泡沫壓裂液體系。1996 年，HARRIS 等[16]研究開發(fā)出了一種高質(zhì)量的泡沫壓裂液體系。2002 年，許衛(wèi)等針對氮?dú)馀菽瓑毫岩后w系的基本配方和流變性能進(jìn)行了室內(nèi)評估研究，重點(diǎn)考察了泡沫質(zhì)量、表面活性劑類型和濃度、剪切速率、溫度、壓力等因素對液體流變性能的影響。2011 年，孫曉等[17]研究了VES-CO2清潔泡沫壓裂液的攜砂性能，發(fā)現(xiàn)當(dāng)支撐劑濃度大于0.25 時(shí)，出現(xiàn)顆粒團(tuán)聚現(xiàn)象。2016 年，郭慶等[18]研制一種抗高溫的超分子聚合物清潔CO2泡沫壓裂液體系，該體系壓裂液破膠充分、殘?jiān)康停瑫r(shí)兼顧了VES清潔壓裂液與CO2的配伍性、耐溫耐剪切性。2022 年，劉漢斌等[19]研制出新型自生氣凍膠泡沫壓裂液體系，該體系具有良好的耐溫抗剪切性、泡沫質(zhì)量高，膨脹體積為初始液量的15 倍以上、最大懸砂比為35%，且作業(yè)后可完全破膠。隨著對泡沫壓裂技術(shù)的認(rèn)識加深，人們不斷改進(jìn)和創(chuàng)新，引入了微尺度泡沫技術(shù)、納米材料和新藥劑等，以提高泡沫壓裂液的性能和適用性。泡沫壓裂液經(jīng)歷了研究、配方改進(jìn)、實(shí)際應(yīng)用和技術(shù)創(chuàng)新等發(fā)展階段。這為泡沫壓裂技術(shù)的進(jìn)一步應(yīng)用和推廣奠定了基礎(chǔ)。

2.3 新型泡沫壓裂液

2.3.1 清潔泡沫壓裂液 清潔壓裂液（又稱為黏彈性表面活性劑壓裂液，VES）主要由長鏈脂肪酸衍生物季銨鹽表面活性劑組成，因其無聚合物或者其他固體添加物，故不會對地層產(chǎn)生傷害。在清潔壓裂液的基礎(chǔ)上，加入鹽、起泡劑、氣體，組成以氣體為內(nèi)相、清潔壓裂液溶液為外相的低傷害壓裂液體系—清潔泡沫壓裂液體系。其具有攜砂能力強(qiáng)、濾失低、壓裂效能高、返排能力強(qiáng)、地層傷害小等優(yōu)勢，其相對于單一的清潔壓裂液體系和泡沫壓裂液體系具有更大的發(fā)展?jié)摿ΑＩ攴宓萚20]研制的抗高溫清潔CO2泡沫壓裂液泡沫穩(wěn)定性強(qiáng)、耐溫性好、低pH 值條件下優(yōu)良的耐溫耐剪切性能和攜砂性能、表面張力低、液態(tài)CO2汽化提高壓裂液返排能力、極大地降低了壓裂液對儲層的傷害。清潔泡沫壓裂液在非常規(guī)油氣資源的開發(fā)中有廣泛的應(yīng)用前景。

2.3.2 納米顆粒強(qiáng)化泡沫壓裂液 納米顆粒強(qiáng)化泡沫壓裂液是利用納米顆粒改善泡沫壓裂液性能的技術(shù)。通過添加納米顆粒（常用SiO2）到泡沫壓裂液中，以提高液體的黏度、穩(wěn)定性和流動性，從而增強(qiáng)壓裂效果。納米顆粒具有較大的比表面積和特殊的表面性質(zhì)，能夠增加泡沫液體的穩(wěn)定性，使得泡沫能夠更長時(shí)間地存在于壓裂液中，延長壓裂液的有效作用時(shí)間，還可以減少泡沫對巖石表面的脫附，提高泡沫在裂縫中的保持能力，同時(shí)顯著提高泡沫液體的黏度，改善其流變性。高黏度的泡沫液體可以更好地?cái)y帶顆粒物質(zhì)，改善支撐劑的沉降能力，提高砂巖儲層的壓裂效果[21-23]。

3 泡沫壓裂技術(shù)的應(yīng)用

3.1 泡沫壓裂技術(shù)在低滲透油氣儲層中的應(yīng)用

低滲透油氣儲層由于孔隙度和滲透率較低，導(dǎo)致油氣流動性差，開采困難。傳統(tǒng)的水力壓裂技術(shù)在低滲透儲層中存在高能耗、產(chǎn)能有限和改造中壓裂液返排困難等問題。而泡沫壓裂技術(shù)以其獨(dú)特的增產(chǎn)機(jī)制，能夠顯著改善低滲透油氣儲層的滲透性。泡沫壓裂液的低密度能夠降低液體進(jìn)入儲層的阻力，使得液體更容易滲透入儲層孔隙中，注入的泡沫壓裂液能夠隨著注入壓力的增加，充分?jǐn)U展到儲層中的裂縫，填充裂縫空間，增加有效裂縫面積。在低滲透低壓水敏氣藏的壓裂改造中，泡沫壓裂技術(shù)具有返排率高、地層傷害程度小的特點(diǎn)，有效改善油氣滲透性、提高產(chǎn)能，克服了低滲透儲層開發(fā)難題，為低滲透儲層開發(fā)提高效率和經(jīng)濟(jì)效益，顯示出巨大潛力[10]。

3.2 泡沫壓裂技術(shù)在煤層氣開發(fā)中的應(yīng)用

近年來，我國積極進(jìn)行深部煤層氣壓裂施工的探索和實(shí)踐。我國煤層氣儲層具有低孔隙度、低滲透性和強(qiáng)烈的非均質(zhì)性特征，而典型的“三低一高”賦存特征使得超過96%的煤層氣井需要依靠壓裂增產(chǎn)改造技術(shù)來連接井筒與節(jié)理和天然裂隙。壓裂增產(chǎn)改造技術(shù)已經(jīng)成為中國有效開發(fā)煤層氣的關(guān)鍵技術(shù)[24]。煤層氣壓裂開發(fā)中常用壓裂液包括活性水壓裂液、線性膠壓裂液、交聯(lián)凍膠壓裂液、清潔壓裂液和泡沫壓裂液等。活性水壓裂液配制簡單、低成本和低污染，而交聯(lián)凍膠壓裂液配制簡單、攜砂能力強(qiáng)，常用于煤層氣壓裂中。與交聯(lián)凍膠壓裂液相比，泡沫壓裂液對煤層損害較小；與活性水壓裂液相比，其儲層濾失量更小且攜砂能力更強(qiáng)；與清潔壓裂液相比，其在經(jīng)濟(jì)性和易返排性更具優(yōu)勢。泡沫壓裂液的高黏度、低濾失量、良好的攜砂性能以及對煤層的低傷害性，能夠滿足煤層氣壓裂施工的性能要求，通過注入泡沫壓裂液，能夠改善煤層氣儲層的滲透性，泡沫填充煤層孔隙，增加有效載氣面積，提高產(chǎn)能，因此，在我國的煤層氣勘探和開發(fā)中得到廣泛應(yīng)用[25-27]。

4 結(jié)論與建議

隨著傳統(tǒng)石油資源的開發(fā)，深層低滲透儲層和非常規(guī)儲層將成為日后石油行業(yè)的開發(fā)重點(diǎn)，為應(yīng)對這些特殊儲層的挑戰(zhàn)，泡沫壓裂技術(shù)應(yīng)在壓裂液配方、壓力控制、注入井筒技術(shù)等方面進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化。同時(shí)在高溫等苛刻條件下，往往面臨泡沫破裂風(fēng)險(xiǎn)，其內(nèi)相氣泡穩(wěn)定性直接影響著泡沫液體的性能，導(dǎo)致泡沫的穩(wěn)定性和攜砂能力下降。因此，需要不斷開發(fā)特殊的表面活性劑、表面改性技術(shù)和納米材料等，以增強(qiáng)泡沫的熱穩(wěn)定性和抗破裂能力，從而提高泡沫壓裂液的攜砂性能。泡沫壓裂技術(shù)與其他增產(chǎn)技術(shù)結(jié)合應(yīng)用也成為發(fā)展趨勢。例如，結(jié)合多段式壓裂技術(shù)，通過在不同地層應(yīng)用不同泡沫壓裂液，針對特定地質(zhì)條件和油氣儲層特征進(jìn)行增產(chǎn)開發(fā)。煤層氣是一種重要的非常規(guī)天然氣資源，開發(fā)過程中面臨著煤層滲透性低、產(chǎn)能有限等挑戰(zhàn)。而泡沫壓裂技術(shù)在煤層氣開發(fā)中具有良好的應(yīng)用前景。同時(shí)，泡沫壓裂技術(shù)在環(huán)保性和可持續(xù)性方面具備明顯優(yōu)勢。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展創(chuàng)新，研發(fā)環(huán)保的表面活性劑、優(yōu)化泡沫壓裂液配方、降低有害物質(zhì)使用量及引入綠色技術(shù)等，能夠進(jìn)一步提升優(yōu)勢，有望成為更加環(huán)保和高效的油氣儲層增產(chǎn)技術(shù)，為能源行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展做出重要貢獻(xiàn)。