一、研究背景和意义
水力压裂就是实现油气井增产、注水井增注的一项重要技术措施。水力压裂从40年代末发展到现今，压裂规模迅速扩大，已可达到造缝长度一公里以上，一次作业的用液量多到3000~4000米3，砂量在300米3以上，可压开6000米以内的深井。
近些年来，国外在开发极低渗透率气田中，压裂起到了关键性的作用，本来没有工业开发价值的气田，经压裂后变为有相当储量及相当开发规模的大气田。美国石油储量的1/3是通过压裂增产达到经济开采条件的 。
我国的水力压裂工作始于20世纪50年代，近年来压裂技术和增产效果都继续保持良好的向前发展势头。国内的油井压裂，是从单井压裂增产开始的，目前也基本上仍处于单井压裂增产的阶段。但是，随着低产低渗透油气田的不断投产，低渗油气田的比例将迅速增加。为了扩大低渗透油田的开发效果，必须把压裂技术与油田整体开发结合起来，即所谓的油田整体压裂改造。目前，国外单井压裂和低渗透油田整体压裂都已取得了良好效果。
一般来说，油井压裂之后单井日产油量比压裂以前可提高3~5倍。当油井产量递减到压裂之前的产量后，又进行重复压裂，有的油气井重复压裂5~6次，甚至7~8次。2000年长庆勘探局进行的某气田压裂中增产效果达到十几倍。由此可见，压裂工作在挖掘油气井生产潜力，保持油气田稳产和增产方面，起到了十分重要的作用。压裂已成为国内外油气田开发的得力手段，尤其是在我国西部地区探明的低压低渗油气储层越来越多的情况下，加强压裂技术的研究对提高油气产量和可采储量保证西气东输工程的有力实施，以及对加快西部能源经济的发展都具有极其重要的意义。因为，即使油气储量再大，如果油气开采不出来，也等于零。
在影响压裂成败的诸因素中，重要的是压裂液及其性能，对于大型压裂来说，这个因素就更为突出。压裂液的类型及其性能（如流变特性）对能否造出一条足够尺寸的、有足够导流能力的裂缝有着重要的影响。此外，剪切应力与流量的函数关系被用来计算油管及裂缝中的压降，而这对于泵注费用、油管压力的限制都很重要；流体的流变特性也影响支撑剂的运移及流体向岩石基体的滤失 (滤失越多，压裂效果越差)。
压裂液有水基、油基和混合基三种类型，应用最广泛的为水基压裂液，它是一种凝胶液，由水与天然的或合成的聚合物配制而成，它是压开地层裂缝并携带支撑剂（如石英砂等）进入地层裂缝的一种液体。
这其中压裂液对储层及支撑裂缝导流能力的伤害一直是人们所关心的问题，优质、低伤害、低成本压裂液是压裂液体系研究发展的方向。泡沫压裂液的使用是液体技术的一项重大成就，在20世纪70年代末期开始得到广泛应用，通常为70%~80%干度的气体(CO2或N2)与压裂液（水基聚合物）的两相混合物。泡沫压裂液由于它具有油层伤害低、返排能力强、滤失量小、用液效率高、粘度适当、携砂能力强等特点，因而在压裂液体系中占据了相当重要的地位。目前在国外，泡沫压裂液占整个压裂液体系的30%~50%，并有继续迅速发展的趋势。
通常来讲，CO2压裂技术分为CO2增能压裂技术、CO2泡沫压裂技术、CO2干法压裂技术等三种。CO2增能压裂泡沫质量一般为30%～52%，优点是施工简便，CO2主要用于提高返排能力，适用于较大规模的压裂。CO2泡沫压裂和CO2增能压裂的区别是CO2比例即泡沫质量有高低，因此可统称为CO2泡沫压裂。CO2泡沫压裂的泡沫质量一般为60%～85%，优点是水基压裂液用量少，对地层和裂缝伤害小，泡沫质量高，气泡呈连续相、粘度高、携砂性能好、返排率高。但由于水基压裂液用量少，常规压裂施工中提高砂比有一定难度，且施工压力偏高。CO2干法压裂采用液态CO2为压裂液，即100%CO2压裂，优点是对地层无伤害，返排迅速、彻底，但由于液态CO2压裂受施工规模和井深限制，且需专门的密闭混砂车，因此不适合中、大规模的压裂改造。
目前，对CO2泡沫压裂人们采用内相恒定技术，以期提高砂液比，提高压裂效果。CO2泡沫质量要结合储层压力和水敏程度来优化确定。过高的泡沫质量不仅会增加压裂材料成本，而且会给提高施工规模和砂液比增加难度；相反，过低的泡沫质量又达不到自喷排液、快速排通见气的目的。一般来讲，油气藏地层压力系数为0.85～0.96mPa/
100m
、储层呈中弱水敏性时，选择30%～50%的低泡沫质量体系是合理的。
采用CO2 泡沫压裂较常规压裂1层多投入费用13万元，1口CO2泡沫压裂井较常规压裂井多增油1.2t/d，按1口压裂井有效期1年计算，则施工1口CO2泡沫压裂井，多获得23.05万元的效益。
二、
CO2泡沫压裂工艺的优点
CO2泡沫压裂液除了具有良好的携砂性、造壁性以外，还具备以下性质:
(1) 液体CO2在地层中既能溶于水又能溶于油，可以改变原油的物性并能降低油水界面张力。CO2泡沫压裂液和常规水基压裂液相比只有固体支撑剂和少量压裂液进入地层。
(2) CO2泡沫压裂液可在裂缝壁面形成阻挡层，从而大大降低压裂液向地层内滤失的速度，减少滤失量，减轻压裂液对地层的伤害。
(3) 由于其液体与CO2反应产生碳酸呈弱酸性，有效地降低了系统的总pH值，既可以防止粘土膨胀，又能对地层起到小型酸化解堵作用，有利于保护油层、增加地层孔隙渗透性，降低了压裂液对地层的伤害。
(4) 返排效果好。表现在两个方面：一是由于CO2气体密度低，井筒压力低，对油层产生的回压也大大降低，有利于压裂液排出井筒；二是基于CO2泡沫压裂液的膨胀作用，会产生一定能量，加速压裂液的返排速度，提高了压裂液的返排能力，从而缩短压裂液在地层的滞留时间，减少对地层的伤害。CO2返排率达90%以上，比常规水基压裂液返排率提高15～20个百分点。
三、
CO2泡沫压裂工艺实施
CO2泡沫压裂工艺操作流程
使用的泡沫液主要由基液、起泡剂及液体CO2组成。基液为优质胍胶压裂液，粘度为35～40mPa·s，起泡剂在压裂过程中以一定的排量注入井筒，直至加砂结束。基液、添加剂经混砂车混砂后进入高压管汇，再与CO2液体混合，泵入井筒，混砂比平均达35%，在井筒内泡沫压裂液形成的混砂比为17%～19%，加砂结束后由水力压裂车组独自完成替挤。
CO2泡沫压裂液基础配方
在压裂液体系基础上经过优选，确定CO2泡沫压裂液(泡沫质量为50%～70%)的基础配方，由改性瓜胶、杀菌剂、起泡剂、粘土稳定剂、助排剂、酸性交联剂等组成。
CO2的的起泡工艺
通常，实际施工过程中的压力超出临界压力，但是在刚开始泵入一定量的低温压裂液后由于这是温度较低，CO2还不能以气体形态存在，即这时CO2与压裂液混合不具备发泡条件。但由于地层温升的影响，在泵注一定时间后，混合液不断与地层进行换热而使温度高于31℃，即以泡沫状态存在，这时只有炮眼附近有少量压裂液未发泡。因此，通常CO2泡沫压裂液在地层中基本具备发泡条件。
酸性交联工艺
在水基压裂中，压裂液通常在碱性条件下交联，在酸性条件下破胶。
CO2泡沫压裂液呈弱酸性，使压裂液的交联环境发生了改变，CO2酸性介质对硼交联压裂液流变性能有严重的影响，随温度升高，压裂液粘度呈下降趋势，所以CO2压裂液只能选用羟丙基胍胶作增稠剂，而且要解决增稠剂在酸性条件下的交联问题，一般要用酸性交联剂，（通常使用的是AC-8酸性交联剂）交联时间20～30s，可形成明显增稠及可挑挂的凝胶，耐温能力达
110℃
。可满足目前压裂工艺的要求。
内相恒定工艺
CO2泡沫压裂施工过程中，由水基压裂液从地面混砂车携砂到压裂泵车出口，携砂液与液态CO2混合后，含砂浓度(砂比)必然降低。采用内相恒定技术可以提高砂比，方法是：加支撑剂时保持液体排量稳定，降低气体排量(降低值等于固体剂的绝对排量)，这既能适当提高砂比，又可以更好地控制井口压力，缺点是减少了后来的高砂比段的助排气体量。施工中，通过高压三通将液态CO2泵入压裂管线，在高压管线中使CO2与冻胶压裂液高速混合。为保证二者充分混合、乳化，在压裂液中添加了表面活性剂、发泡剂。为了提高压裂液的携砂能力，考虑变泡沫质量的压裂设计，在施工过程和试验井分析中，可根据气层压力和水敏程度逐步优选最佳的泡沫质量。压裂初期CO2泡沫质量一般为40%～60%，因此不使用砂浓缩器系统提高砂比，而采用适当提高胍胶压裂液基液黏度和保持胍胶压裂液排量的方法，充分发挥混砂车作用。
四、
研究内容
CO2泡沫压裂技术最大的特点是使用CO2与胶体形成的泡沫液作为携砂剂，由于CO2和胶体的物性参数（如粘度和对流换热系数等）等对热力学条件非常敏感，在泵送过程中同周围地层之间的换热会引起CO2的气化和胶体物性变化，都会使得支撑剂过早的发生沉降从而导致压裂失败，另一方面其物性参数对于准确估计使用压裂液流量、砂子使用量、作业压力等具有非常大的影响，因而研究CO2泡沫液在实际工况下的物性参数及其变化具有非常重要的作用。
所要进行的重要研究内容为：
(1)
CO2泡沫压裂压裂液的流动特性的试验研究 进行不同温度、压力、流量、伴注比例条件下CO2泡沫压裂两相流体的流动特性的试验，取得不同条件下的流变参数（如流态指数n和稠度系数k等）、粘度、摩阻系数等的实验数据；
(2)
CO2泡沫压裂压裂液的传热特性的试验研究 进行不同温度、压力、流量、伴注比例条件下CO2泡沫压裂两相流体的流动特性的试验，取得不同条件下的对流换热系数等的实验数据；
(3)
CO2泡沫压裂压裂液混砂后的滤失特性的试验研究 进行不同造壁、滤失系数，温度、压差时，两相流体的滤失特性的试验，取得不同条件下的累积滤失量与时间的关系等的实验数据；
(4)
CO2泡沫液携砂后的流动、传热特性、支撑剂沉降特性的试验研究 进行不同温度、压力、流量、伴注比例条件下CO2泡沫压裂液＋砂子混合物的流动特性、传热特性、支撑剂沉降特性的试验，取得模拟实际压裂条件下裂缝中的混合物状态等的实验数据；
(5)
CO2泡沫压裂流体性质的计算软件开发 通过对所掌握的试验数据的处理分析，并结合理论研究开发出可计算不同热力学条件下CO2 及胶体物理性质、流动特性和对流换热特性的计算程序，从而更有效地进行CO2泡沫压裂设计；
(6)
CO2泡沫压裂液流变特性和传热特性的理论研究 通过对试验数据的分析，并结合理论研究建立CO2泡沫压裂流变特性的数学模型，建立CO2泡沫压裂液对流换热特性计算的数学模型。
五、
研究设备
目前西安交通大学热能工程系建具“大型高参数泡沫压裂液实验系统”，可用于进行模拟实际施工条件下CO2泡沫压裂液管内流动和换热特性的实验研究。本系统的实验能力：
(1)
剪切速率范围为275~17700 s-1，适用于大、中、小型井在各种压裂规模的流变特性研究；
(2)
温度变化范围为：室温~
300 ℃
；
(3)
压力范围为0.5~50 MPa；
(4)
CO2泡沫质量范围为0～100％
|
