泡沫壓裂技術研究現狀及發展建議

王寅秋，沈任俊

（1.西安石油大學石油工程學院，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）

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

在這樣的背景下，泡沫壓裂技術作為一種新興的增產方法引起了廣泛關注。通過將空氣或其他氣體與水和化學添加劑混合制成的泡沫壓裂液注入儲層，泡沫壓裂技術可以顯著改善油氣滲透性、增加有效裂縫面積以及提高產能。然而，泡沫壓裂技術的應用仍面臨著一些技術難題和挑戰，如泡沫壓裂液的穩定性、高溫高壓環境下應用困難等。本文通過對泡沫壓裂技術原理、泡沫壓裂液的組成和特性進行闡述，對泡沫壓裂技術研究現狀綜合分析，全面了解該技術在不同儲層類型中的應用和效果。為進一步發展環保、高效的泡沫壓裂技術提供參考，為解決石油工程領域面臨的挑戰提供新思路。

1 泡沫壓裂技術概述

1.1 泡沫壓裂技術原理及應用領域

泡沫壓裂技術通過將空氣或其他氣體與水和化學添加劑混合制成的泡沫壓裂液注入儲層來進行壓裂作業，泡沫的特性促進裂縫形成和擴展過程，生成裂縫網絡、改善流體流動能力，從而提高油氣產能和采收率。該技術主要原理是在泡沫壓裂液的作用下，產生的氣泡能幫助改善裂縫網絡的連通性，增加有效裂縫面積，并降低儲層的滲透阻力。泡沫壓裂技術相對于傳統液相壓裂技術具有增加裂縫填充效果、改善液相的驅替能力、降低壓力損失和減小環境影響等優勢，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的核心，其組成包括水、表面活性劑、穩定劑及其他化學添加劑。水是泡沫壓裂液的主要成分，提供液相基質，形成穩定的泡沫結構。表面活性劑作為增稠劑和降低液體表面張力，有助于形成穩定的泡沫并改善其潤濕性。穩定劑的作用是增強泡沫穩定性，延長泡沫的壽命并減少其潰滅。其他化學添加劑則根據實際需求進行選擇，以滿足不同儲層特性和壓裂工藝的要求[5-6]。

2 泡沫壓裂技術研究現狀

2.1 泡沫壓裂技術的發展歷程

泡沫壓裂技術于1968 年首次應用于美國西弗吉尼亞州林肯縣的頁巖地層。1973 年，泡沫壓裂技術進入開發、應用階段。20 世紀70 年代，開始了CO2泡沫壓裂技術的研究，1982 年后有了較大發展。1983 年，泡沫壓裂技術發展已趨于成熟，從設計、實施到壓裂效果評價已基本形成一套完整的體系。之后該技術被引入我國。1986 年，熊友明[7]開始了泡沫壓裂技術和泡沫酸酸壓設計技術的理論研究。1988 年，遼河油田與加拿大福瑞克莫斯特公司合作，首次將氮氣泡沫壓裂技術成功應用在國內壓裂施工中。1989 年，大慶油田[8]自主研發了QFL-Ⅱ新型發泡劑，并通過對兩口井進行泡沫壓裂試驗，取得了顯著的增產效果。2002 年，丁云宏等[9]通過室內實驗成功優選出了起泡性能好、穩泡性強、攜砂能力優秀、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?，F場施工中取得了成功。2004 年，王振鐸等[10]將CO2泡沫壓裂技術應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在設備改造、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，有效增產改造頁巖氣井。2019 年，王緒性等[12]對CO2泡沫壓裂技術用于開采深部煤層氣以及其適用條件進行研究和分析，考慮深部煤層氣開采技術的特點和局限性，認為應有針對性地應用CO2泡沫壓裂技術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用氮氣泡沫壓裂技術進行重復壓裂，取得了良好的效果。該技術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 泡沫壓裂液的發展及改進技術

泡沫壓裂液作為一種壓裂介質，伴隨著泡沫壓裂技術的發展，關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，泡沫壓裂技術首次引入石油工業并在試驗井中進行了早期的研究，其穩定性較差，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，穩定性更好，黏度增大，攜砂性能增強，達到400 kg/m3，期間人們開始關注泡沫壓裂液的配方優化和改進，發展了一系列新的表面活性劑和添加劑，以提高泡沫穩定性、黏度控制和裂縫擴展的能力；第三代（1980-1990 年）交聯泡沫壓裂液更加均勻穩定，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、發泡穩定性更好、攜砂能力更強的優點，可滿足大型砂層壓裂作業的需要[6]。

1983 年，GRUNDMANN 等[14]對泡沫壓裂液的起泡劑進行了研究。同年，WATKINS 等[15]研究開發出了一種新的交聯泡沫壓裂液體系。1996 年，HARRIS 等[16]研究開發出了一種高質量的泡沫壓裂液體系。2002 年，許衛等針對氮氣泡沫壓裂液體系的基本配方和流變性能進行了室內評估研究，重點考察了泡沫質量、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，發現當支撐劑濃度大于0.25 時，出現顆粒團聚現象。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、殘渣含量低，同時兼顧了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%，且作業后可完全破膠。隨著對泡沫壓裂技術的認識加深，人們不斷改進和創新，引入了微尺度泡沫技術、納米材料和新藥劑等，以提高泡沫壓裂液的性能和適用性。泡沫壓裂液經歷了研究、配方改進、實際應用和技術創新等發展階段。這為泡沫壓裂技術的進一步應用和推廣奠定了基礎。

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，故不會對地層產生傷害。在清潔壓裂液的基礎上，加入鹽、起泡劑、氣體，組成以氣體為內相、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、濾失低、壓裂效能高、返排能力強、地層傷害小等優勢，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展潛力。申峰等[20]研制的抗高溫清潔CO2泡沫壓裂液泡沫穩定性強、耐溫性好、低pH 值條件下優良的耐溫耐剪切性能和攜砂性能、表面張力低、液態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油氣資源的開發中有廣泛的應用前景。

2.3.2 納米顆粒強化泡沫壓裂液 納米顆粒強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。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、穩定性和流動性，從而增強壓裂效果。納米顆粒具有較大的比表面積和特殊的表面性質，能夠增加泡沫液體的穩定性，使得泡沫能夠更長時間地存在于壓裂液中，延長壓裂液的有效作用時間，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攜帶顆粒物質，改善支撐劑的沉降能力，提高砂巖儲層的壓裂效果[21-23]。

3 泡沫壓裂技術的應用

3.1 泡沫壓裂技術在低滲透油氣儲層中的應用

低滲透油氣儲層由于孔隙度和滲透率較低，導致油氣流動性差，開采困難。傳統的水力壓裂技術在低滲透儲層中存在高能耗、產能有限和改造中壓裂液返排困難等問題。而泡沫壓裂技術以其獨特的增產機制，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，充分擴展到儲層中的裂縫，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，泡沫壓裂技術具有返排率高、地層傷害程度小的特點，有效改善油氣滲透性、提高產能，克服了低滲透儲層開發難題，為低滲透儲層開發提高效率和經濟效益，顯示出巨大潛力[10]。

3.2 泡沫壓裂技術在煤層氣開發中的應用

近年來，我國積極進行深部煤層氣壓裂施工的探索和實踐。我國煤層氣儲層具有低孔隙度、低滲透性和強烈的非均質性特征，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改造技術來連接井筒與節理和天然裂隙。壓裂增產改造技術已經成為中國有效開發煤層氣的關鍵技術[24]。煤層氣壓裂開發中常用壓裂液包括活性水壓裂液、線性膠壓裂液、交聯凍膠壓裂液、清潔壓裂液和泡沫壓裂液等?；钚运畨毫岩号渲坪唵?、低成本和低污染，而交聯凍膠壓裂液配制簡單、攜砂能力強，常用于煤層氣壓裂中。與交聯凍膠壓裂液相比，泡沫壓裂液對煤層損害較??；與活性水壓裂液相比，其儲層濾失量更小且攜砂能力更強；與清潔壓裂液相比，其在經濟性和易返排性更具優勢。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，提高產能，因此，在我國的煤層氣勘探和開發中得到廣泛應用[25-27]。

4 結論與建議

隨著傳統石油資源的開發，深層低滲透儲層和非常規儲層將成為日后石油行業的開發重點，為應對這些特殊儲層的挑戰，泡沫壓裂技術應在壓裂液配方、壓力控制、注入井筒技術等方面進行調整和優化。同時在高溫等苛刻條件下，往往面臨泡沫破裂風險，其內相氣泡穩定性直接影響著泡沫液體的性能，導致泡沫的穩定性和攜砂能力下降。因此，需要不斷開發特殊的表面活性劑、表面改性技術和納米材料等，以增強泡沫的熱穩定性和抗破裂能力，從而提高泡沫壓裂液的攜砂性能。泡沫壓裂技術與其他增產技術結合應用也成為發展趨勢。例如，結合多段式壓裂技術，通過在不同地層應用不同泡沫壓裂液，針對特定地質條件和油氣儲層特征進行增產開發。煤層氣是一種重要的非常規天然氣資源，開發過程中面臨著煤層滲透性低、產能有限等挑戰。而泡沫壓裂技術在煤層氣開發中具有良好的應用前景。同時，泡沫壓裂技術在環保性和可持續性方面具備明顯優勢。隨著技術的不斷發展創新，研發環保的表面活性劑、優化泡沫壓裂液配方、降低有害物質使用量及引入綠色技術等，能夠進一步提升優勢，有望成為更加環保和高效的油氣儲層增產技術，為能源行業的可持續發展做出重要貢獻。