呂其超, 張 星, 周同科,, 鄭 嶸, 左博文, 李賓飛, 李兆敏

(1.中國石油大學(xué)(北京)非常規(guī)油氣科學(xué)技術(shù)研究院,北京 102249;2.中國石油化工股份有限公司勝利油田分公司石油工程技術(shù)研究院,山東東營 257017;3.中國石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院,山東青島 266580)

水基CO2泡沫壓裂液是以CO2作為分散相,水作為分散介質(zhì),并通過加入起泡劑(表面活性劑)、強(qiáng)化劑及其他添加劑所形成的壓裂液體系。該壓裂液體系具有耗水量低、黏度高、攜砂能力強(qiáng)、濾失量小、返排效率高等特點(diǎn),適合低滲、低壓、水敏油氣層的增產(chǎn)改造[1-4]。1982年,美國Ark-La-Tex地區(qū)首次應(yīng)用了泡沫特征值70%的CO2泡沫壓裂液體系[5],此后CO2泡沫技術(shù)在北美和歐洲開始推廣。目前長慶油田、吉林油田、中原油田、江蘇油田等多地均開展了CO2泡沫壓裂,并取得了較好的增產(chǎn)效果[6-8]。由于泡沫流體是熱力學(xué)不穩(wěn)定體系,壓裂過程中通常加入羥丙基胍膠或聚丙烯酰胺等增稠劑來提升泡沫基液黏度,進(jìn)而強(qiáng)化泡沫穩(wěn)定性、攜砂性及濾失控制能力。然而這類傳統(tǒng)增稠型泡沫強(qiáng)化劑存在破膠不完全、殘渣含量高、地層滲透率傷害大等問題,影響儲層增產(chǎn)改造效果[2,9-10]。無機(jī)納米顆粒強(qiáng)化泡沫體系與常規(guī)聚合物類的增稠型泡沫強(qiáng)化劑不同,納米顆粒具有粒度小、不易堵塞多孔介質(zhì)、耐高溫、耐高鹽等特點(diǎn)。納米顆粒在表面活性劑的協(xié)同下可以吸附在泡沫液膜表面形成固相吸附層,由于納米顆粒界面脫附能遠(yuǎn)高于表面活性劑分子,其在界面上的吸附也更為穩(wěn)定[11]。納米顆粒界面吸附層可以起到穩(wěn)定液膜的作用,并能減弱氣體擴(kuò)散,抑制氣泡聚并效應(yīng),達(dá)到穩(wěn)定泡沫的目的[12-18]。Espinosa等[19]發(fā)現(xiàn)加入SiO2納米顆粒的CO2泡沫在多孔介質(zhì)內(nèi)的阻力因子是未加顆粒泡沫的2～18倍。Khajehpour和Bryant等[17]利用改性納米顆粒制備了蒸汽泡沫,驅(qū)替實(shí)驗表明在高溫高壓條件下,顆粒強(qiáng)化泡沫相比于普通泡沫具備更強(qiáng)的生成和穩(wěn)定能力,同時可以在巖心中產(chǎn)生更強(qiáng)的流動阻力。孫乾和李兆敏等[20]指出顆粒強(qiáng)化泡沫的滲流阻力隨著表面活性劑濃度升高先增大后減弱,當(dāng)顆粒在表面活性劑的協(xié)同下達(dá)到氣/液界面上的最大吸附量時,液膜界面黏彈模量和機(jī)械強(qiáng)度最高,泡沫的地層封堵能力和流動阻力達(dá)到峰值。筆者將二氧化硅納米顆粒作為CO2泡沫壓裂液的強(qiáng)化劑,對泡沫壓裂液穩(wěn)定性、界面流變性、黏度、濾失性及巖心傷害性展開研究。

1 實(shí) 驗

1.1 實(shí)驗材料及裝置

實(shí)驗材料:氣相二氧化硅納米顆粒(SiO2,純度大于99.8%,德國瓦克化學(xué)有限公司),該顆粒平均粒徑約為12 nm,比表面積約為120 m2/g,顆粒密度約為2 200 g/L,顆粒表面經(jīng)過聚二甲基硅氧烷改性,表面硅烷醇基團(tuán)密度為小于0.5個/nm2,顆粒表面呈現(xiàn)疏水性;發(fā)泡劑為琥珀酸酯磺酸鹽型表面活性劑(FTS,勝利油田分公司石油工程技術(shù)研究院);CO2氣體(純度大于99.0%,環(huán)宇京輝氣體科技有限公司);納米顆粒助溶劑為乙醇(純度大于99.7%,上海泰坦化學(xué)有限公司);去離子水。

實(shí)驗設(shè)備:高溫高壓Waring Blender泡沫發(fā)生器、泡沫黏度及動態(tài)濾失測定裝置、Teclis Tracker-H界面流變儀、基恩士VHX-5000超景深顯微鏡、METTLER TOLEDO電子天平、JULABO 水浴鍋、DJ1C攪拌器、2 000 W杭州成功YPS17超聲器。

1.2 實(shí)驗方法及原理

1.2.1 泡沫基液配置

將SiO2納米顆粒和乙醇按照質(zhì)量比1∶2混合,充分?jǐn)嚢韬?加入適量的水配置成顆粒懸濁液,采用重復(fù)離心法除去懸濁液中的乙醇。將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%的FTS與SiO2納米顆粒懸濁液攪拌混合均勻后,放置在超聲器中進(jìn)行超聲處理5 min后獲得SiO2納米顆粒分散液,其中超聲頻率為20 kHz。所配置的SiO2納米顆粒分散液即為泡沫基液。

1.2.2 泡沫的生成與穩(wěn)定性測試

采用高溫高壓泡沫發(fā)生裝置測試泡沫的生成與穩(wěn)定性,圖1為裝置示意圖,其主要基于Waring Blender法的泡沫生成原理設(shè)計,可以實(shí)現(xiàn)高溫高壓條件下泡沫起泡體積、析液半衰期等參數(shù)的表征。將50 mL泡沫基液注入高溫高壓Waring Blender泡沫發(fā)生裝置中,并向其中通入CO2至測定壓力。采用磁力攪拌的方式將氣液混合,通過控制箱調(diào)節(jié)電機(jī)旋轉(zhuǎn),再由磁力帶動高壓攪拌腔內(nèi)的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn),攪拌速度為1 000 r/min,攪拌時間為6 min。攪拌結(jié)束后通過高溫高壓可視窗觀察泡沫的起泡體積V,同時記錄泡沫中液體析出一半所需要的時間,即為泡沫析液半衰期t1/2。

1.2.3 界面流變性測試

采用Teclis Tracker-H界面流變儀測試泡沫基液與CO2的界面張力和界面擴(kuò)張黏彈模量,所采用的方法為懸滴法[21]。在高溫高壓單元中充滿一定壓力和溫度的CO2后,注入待測泡沫基液形成懸滴,利用CCD探頭采集氣液兩相界面輪廓,待界面穩(wěn)定40 min后測試CO2和泡沫基液界面張力。之后對界面施加擴(kuò)張收縮震蕩,其中界面面積隨時間的變化方式為正弦波動,震蕩頻率為0.1 Hz,體積振幅為10%。采集界面震蕩過程中的動態(tài)界面張力及其對應(yīng)的界面面積,界面擴(kuò)張黏彈模量E[22]計算公式為

(1)

式中,E為界面擴(kuò)張黏彈模量,mN/m;γ為界面張力,mN/m;A為界面面積,m2。

圖1 高溫高壓Waring Blender泡沫發(fā)生裝置Fig.1 Schematic diagram of Waring Blender foam generator with high pressure and high temperature

1.2.4 泡沫黏度及動態(tài)濾失測定

泡沫黏度及動態(tài)濾失測定裝置示意圖見圖2,可以針對CO2泡沫壓裂液體系進(jìn)行高溫高壓條件下的測試。該裝置主要包括3部分:泡沫發(fā)生系統(tǒng)、黏度測試系統(tǒng)、動態(tài)濾失及巖心傷害測試系統(tǒng)。CO2經(jīng)過氣體增壓泵壓縮后,流入泡沫發(fā)生器與泡沫基液混合形成泡沫。其中CO2流量和泡沫基液流量分別通過CO2質(zhì)量流量計和ISCO泵控制,通過調(diào)節(jié)流量比來控制泡沫質(zhì)量分?jǐn)?shù)。泡沫形成后進(jìn)入內(nèi)徑為1 mm、長度為4 m的毛管黏度計,記錄流速與壓差關(guān)系,泡沫有效黏度ηe[23]計算公式為

(2)

式中,Δp為黏度計兩端壓差,Pa;D為黏度計內(nèi)徑,m;L為黏度計長度,m;q為泡沫流速,m3/s。

泡沫動態(tài)濾失性通過濾失儀測定,裝置見圖2。泡沫流入濾失儀后首先流入模擬裂縫(圖2中藍(lán)色箭頭),流經(jīng)巖心左側(cè)斷面,形成動態(tài)剪切流動。大部分泡沫流體經(jīng)過模擬裂縫下側(cè)流出,另一部分則經(jīng)過巖心濾失(圖2中黃色箭頭),泡沫濾液經(jīng)過裝有消泡劑的容器進(jìn)行氣液分離后,分別通過精密天平和氣體流量計記錄氣液的濾失量。與常規(guī)純液相壓裂液濾失量測試不同,高壓泡沫濾失過程中氣相隨壓力的降低會發(fā)生膨脹,所以氣相的濾失量統(tǒng)一換算為濾失端壓力條件下對應(yīng)的體積。實(shí)驗中所采用巖心為石英砂環(huán)氧樹脂膠結(jié)的人造巖心,其主要參數(shù)為:直徑為2.54 cm,長度約為4.0 cm,滲透率為(1.5～112.3)×10-3μm2。濾失實(shí)驗參照《水基壓裂液性能評價方法(SY/T—5107-2016)》,對不同巖心滲透率和泡沫質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的水基泡沫壓裂液進(jìn)行動態(tài)濾失測定。在巖心濾失實(shí)驗前后,分別測試記錄正反向氣測濾失儀中巖心滲透率,分析巖心滲透率濾失后的恢復(fù)情況。

圖2 泡沫黏度及動態(tài)濾失測定裝置Fig.2 Schematic diagram of foam viscosity and dynamic filtration experimental apparatus

2 結(jié)果分析

2.1 界面流變性

CO2泡沫壓裂液體系中存在大量的氣液相界面,而界面流變性與泡沫壓裂液的穩(wěn)定性、黏度及濾失性等密切相關(guān)[24]。本文中首先考察不同溫度和壓力條件下CO2/泡沫基液體系的界面流變性,并對比泡沫基液中添加SiO2納米顆粒前后體系界面性質(zhì)的變化規(guī)律。

(1)溫度對界面流變的影響。CO2/泡沫基液體系的界面張力和界面擴(kuò)張黏彈性隨溫度的變化如圖3所示。從圖3(a)可以看出,隨著溫度由25 ℃升高到90 ℃,3種體系的界面張力均呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢。這主要是由于溫度升高導(dǎo)致液相體積膨脹分子間距增大,同時分子熱運(yùn)動加劇,表面活性劑分子在界面的吸附性減弱,不利于其降低界面張力。與之對應(yīng),圖3(b)界面擴(kuò)張黏彈模量則隨著溫度升高而逐漸降低,而含SiO2納米顆粒濃度較大的體系表現(xiàn)出高界面擴(kuò)張黏彈模量。界面擴(kuò)張黏彈模量值越大意味著界面抵抗和恢復(fù)形變的能力越強(qiáng)[24],由式(1)可知界面擴(kuò)張黏彈模量是由界面張力梯度計算獲得。在含純表面活性劑的泡沫基液中,界面張力梯度主要由界面和體相中表面活性劑分子的濃度梯度決定。溫度升高導(dǎo)致界面和體相間分子交換加快,減弱表面活性劑分子濃度梯度進(jìn)而降低了界面張力梯度和界面黏彈模量。當(dāng)體系中添加SiO2納米顆粒后,納米顆粒在界面的吸附使界面產(chǎn)生固化傾向,增強(qiáng)了界面層機(jī)械強(qiáng)度,進(jìn)而增加了界面擴(kuò)張黏彈模量。

圖3 溫度影響下的體系界面張力和界面擴(kuò)張黏彈性(常壓)Fig.3 Effect of temperature on interfacial tension and interfacial dilational viscoelasticity (normal pressures)

圖4為常溫常壓條件下3種不同體系的泡沫液膜微觀形態(tài),進(jìn)一步證明了SiO2納米顆粒的吸附效應(yīng)。從圖4中可明顯地觀察到,隨著體系中SiO2納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大,泡沫液膜逐漸由光滑變得粗糙。對于純FTS表面活性劑泡沫(圖4(a)),其液膜界面上自由吸附著表面活性劑分子,泡沫液膜被均勻的界面張力拉伸,進(jìn)而呈現(xiàn)出光滑的表面。當(dāng)液膜界面上吸附了SiO2納米顆粒后,由于納米顆粒相對表面活性劑分子具有更高的脫附能,其界面吸附性更加穩(wěn)定而且一般不可逆,納米顆粒會在界面上產(chǎn)生不均勻富集效應(yīng),導(dǎo)致泡沫液膜變得粗糙。當(dāng)SiO2納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%時,甚至可以在泡沫液膜觀察到微小褶皺(圖4(c))。納米顆粒的吸附使界面機(jī)械強(qiáng)度增大,當(dāng)界面上吸附足夠的納米顆粒后,界面強(qiáng)度足夠克服界面張力產(chǎn)生的均勻拉伸作用,因此液膜不能被界面張力拉伸到光滑狀態(tài)。

(2)壓力對界面流變的影響。CO2/泡沫基液體系的界面張力和界面黏彈性隨壓力的變化如圖5所示。隨著壓力的增大,CO2被壓縮,其與泡沫基液之間的密度差逐漸降低,所以圖5(a)中3種體系的界面張力均隨之減小。當(dāng)壓力超過CO2臨界壓力值時,界面張力的降低趨勢減緩。SiO2納米顆粒的加入使體系的界面張力值偏高,其主要原因是:一方面表面活性劑FTS會在納米顆粒表面吸附消耗,另一方面納米顆粒在界面上與表面活性劑產(chǎn)生了競爭吸附作用,導(dǎo)致界面上吸附的表活性劑濃度降低,在一定程度上不利于減小表面自由能。然而,圖5(b)中SiO2納米顆粒吸附顯著提升了CO2/泡沫基液體系的界面黏彈模量,并且隨著壓力的增大,界面黏彈模量呈現(xiàn)升高的趨勢。在壓裂高壓作業(yè)過程中,壓力波動易導(dǎo)致泡沫液膜界面的不斷擴(kuò)張和收縮,從而引發(fā)液膜的破裂,影響泡沫的動態(tài)穩(wěn)定性,較高的界面黏彈模量有助于提升泡沫液膜抵抗和恢復(fù)形變的能力,從而提升其對壓力波動的適應(yīng)性。

圖4 超景深顯微鏡下不同泡沫體系的液膜微觀形態(tài)Fig.4 Microscopic structure of films for different foams under a large depth-of-view microscope

圖5 壓力影響下的體系界面張力和界面黏彈性的影響(50 ℃)Fig.5 Effect of pressure on interfacial tension and interfacial dilational viscoelasticity(50 ℃)

2.2 泡沫生成及穩(wěn)定性

由于泡沫流體屬于熱力學(xué)不穩(wěn)定體系,無法保持恒定物性長期存在,泡沫流體作為壓裂液需要在作業(yè)過程中快速生成并保持的良好的穩(wěn)定性。通過考察不同溫度和壓力下泡沫的起泡體積和析液半衰期,對比含不同濃度SiO2納米顆粒泡沫體系的生成及穩(wěn)定性變化規(guī)律。

(1)溫度對泡沫生成及穩(wěn)定性的影響。泡沫的起泡體積隨溫度的變化如圖6(a)所示。純FTS表面活性劑泡沫在常溫常壓下具備較強(qiáng)的起泡能力,其起泡體積達(dá)到泡沫基液體積的6倍,但隨著溫度由25 ℃升高到90 ℃,泡沫的起泡體積不斷下降。添加SiO2納米顆粒后的泡沫起泡體積均低于純FTS表面活性劑泡沫,這是由于納米顆粒的吸附升高了泡沫的氣液界面張力和界面黏彈性,泡沫中大量界面的形成需要消耗更多能量,這削弱了泡沫的生成能力。然而,SiO2納米顆粒將常溫常壓下泡沫的析液半衰期延長了4～6倍(圖6(b)),同時隨著溫度的升高含高質(zhì)量分?jǐn)?shù)納米顆粒的泡沫體系仍然具備相對較高的析液半衰期,納米顆粒的加入顯著提升了泡沫的穩(wěn)定性。納米顆粒的吸附在氣液界面上形成顆粒層,提升了液膜強(qiáng)度使其保持穩(wěn)定不易破裂,同時顆粒吸附所形成的粗糙液膜界面也增加流體在液膜通道中的流動阻力,進(jìn)而延長了泡沫的析液半衰期。

(2)壓力對泡沫生成及穩(wěn)定性的影響。不同壓力下各泡沫體系的起泡體積如圖7(a)所示。隨著壓力的升高,添加SiO2納米顆粒前后泡沫起泡體積均呈現(xiàn)增大趨勢。這主要是由于CO2內(nèi)相壓力的增大降低了液膜氣液界面張力(圖5(a)),進(jìn)而減小了形成泡沫所需要的表面能,提升了泡沫體系的生成能力。與之對應(yīng),泡沫體系的析液半衰期均隨著壓力的增大呈現(xiàn)明顯的升高趨勢。圖7(b)中隨著壓力由常壓升高到10 MPa,含SiO2納米顆粒的泡沫析液半衰期提升了近2個數(shù)量級。泡沫中氣液兩相的重力分異是引發(fā)析液行為一個重要原因,壓力升高降低了泡沫中內(nèi)外兩相的密度差,有利于減緩重力引發(fā)的泡沫析液。此外,泡沫plateaus邊界和液膜的壓力差也是泡沫析液的驅(qū)動力,該壓差與液膜界面張力呈正相關(guān)關(guān)系[25],而由圖5(a)已知泡沫體系在高壓力下對應(yīng)于低界面張力,這也有利于減緩泡沫內(nèi)部由壓差引發(fā)的析液行為,提升泡沫體系的穩(wěn)定性。

圖6 溫度影響下不同泡沫體系的起泡體積和析液半衰期(常壓)Fig.6 Effect of temperature on foam volume and liquid drainage half-life (normal pressures)

圖7 壓力影響下不同泡沫體系的起泡體積和析液半衰期(50 ℃)Fig.7 Effect of pressure on foam volume and liquid drainage half-life (50 ℃)

2.3 泡沫黏度

泡沫流體黏度不僅與其攜砂能力呈現(xiàn)正相關(guān)性,而且對其濾失特性有重要影響[2],在一定程度上升高壓裂液黏度有助于提升其濾失控制能力,提升流體的利用系數(shù)。通過管式黏度計研究不同剪切速率和泡沫質(zhì)量分?jǐn)?shù)(w)下,添加SiO2納米顆粒對泡沫黏度的影響。圖8為常溫常壓下泡沫體系有效黏度隨剪切速率的變化(w=60%),3種體系均表現(xiàn)出非牛頓流體的性質(zhì),有效黏度隨剪切速率的增大而升高。相較于FTS表面活性劑泡沫,添加SiO2納米顆粒后的泡沫體系有效黏度被明顯提升。納米顆粒吸附在氣液界面上,提升了泡沫液膜界面黏彈性,泡沫液膜骨架的機(jī)械強(qiáng)度被增大,泡沫黏度隨之升高。圖4中SiO2納米顆粒吸附引起液膜界面粗糙,而且這一現(xiàn)象隨SiO2納米顆粒濃度的升高而增強(qiáng),這在一定程度上增加了泡沫流動時氣泡間的內(nèi)摩擦力,進(jìn)而也提升了泡沫黏度。

圖8 不同剪切速率下泡沫的有效黏度Fig.8 Effective viscosity of foams as a function of shear rate

添加納米顆粒前后泡沫體系有效黏度隨泡沫質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化見圖9(剪切速率為170 s-1)。根據(jù)有效黏度及曲線的變化趨勢可以將圖9劃分3個區(qū)域。在區(qū)域Ⅰ中,泡沫質(zhì)量分?jǐn)?shù)w≤50%,此時泡沫中液相占比較高,氣泡相對分散,氣泡間相互作用較弱,因此泡沫黏度較小。在區(qū)域Ⅱ中,泡沫質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高(50%≤w≤80%),泡沫內(nèi)相含量增大,氣泡間相互作用增強(qiáng),內(nèi)摩擦力增大,泡沫黏度隨泡沫質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大逐漸升高。基于SiO2納米顆粒對泡沫液膜界面的強(qiáng)化作用,在該區(qū)域內(nèi),添加納米顆粒對泡沫體系的有效黏度的提升也相對較大。在區(qū)域Ⅲ中,泡沫質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對較高(w≥80%),泡沫液相含量減小,液膜由于含水率降低而變薄,泡沫液膜骨架強(qiáng)度減弱,泡沫黏度隨泡沫質(zhì)量分?jǐn)?shù)的升高逐漸減小。對于含質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5% SiO2納米顆粒的強(qiáng)化泡沫體系,泡沫質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%～93%時,強(qiáng)化泡沫有效黏度提高了2.2～4.8倍,當(dāng)泡沫質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到93%時,強(qiáng)化泡沫有效黏度仍高于70 mPa·s。

圖9 不同泡沫體系有效黏度隨泡沫質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化Fig.9 Effective viscosity of foams as a function of foam mass fraction

2.4 泡沫動態(tài)濾失性

(1)泡沫質(zhì)量分?jǐn)?shù)對濾失性的影響。水基泡沫具備特殊的氣液兩相結(jié)構(gòu),當(dāng)泡沫濾入巖石多孔介質(zhì)中后,氣泡在孔喉中產(chǎn)生封堵,從而起到控制氣、液濾失的作用。這一作用類似聚合物壓裂液濾餅的降濾失作用,因此用于衡量造壁型壓裂液濾失行為的濾失系數(shù)C也常被用于評價泡沫的濾失,其公式為

(3)

式中,m為泡沫中氣相或液相濾失曲線的斜率,mL/min0.5;A為泡沫所接觸的巖石濾失端面面積,cm2。

考察不同泡沫體系氣、液兩相濾失系數(shù)隨泡沫質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化,實(shí)驗中濾失壓差為3.5 MPa,巖心滲透率約為14×10-3μm2,實(shí)驗結(jié)果如圖10所示。泡沫的液相濾失系數(shù)隨著泡沫質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大逐漸降低,特別在泡沫質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于50%時,液相濾失系數(shù)相對較大,而當(dāng)泡沫質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于50%后,液相濾失系數(shù)被逐漸降至較低值。這主要由于2個方面原因:一是隨著泡沫質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大,泡沫黏度升高,氣泡在巖石孔喉中封堵作用增強(qiáng),二是泡沫中液相含量減少以及巖心中液相的相對滲透率降低。當(dāng)泡沫中添加SiO2納米顆粒后,基于氣泡膜界面的強(qiáng)化和泡沫黏度的增大,氣泡在多孔介質(zhì)中的封堵能力增強(qiáng),液相的濾失系數(shù)被控制在較低水平。

圖10 不同泡沫體系的氣、液兩相濾失系數(shù)隨泡沫質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化曲線Fig.10 Gas and liquid filtration coefficient of foams as a function of foam mass fraction

對于FTS表面活性劑泡沫體系,隨著泡沫質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大,氣相含量增多,氣相相對滲透率變大,因此泡沫的氣相濾失系數(shù)隨之升高(圖10)。在泡沫中添加SiO2納米顆粒后,氣相濾失系數(shù)也被降低,這表明含納米顆粒泡沫體系對氣相也有較強(qiáng)的濾失控制能力。對于含1.0% SiO2納米顆粒的泡沫體系,初期隨著泡沫質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大(30%≤w≤60%),由于泡沫黏度的提升和濾失控制能力的增強(qiáng),泡沫氣相濾失系數(shù)甚至呈現(xiàn)出下降趨勢。

(2) 滲透率對濾失性的影響。地層滲透率是影響壓裂液濾失控制能力的重要因素,本文中考察了不同巖心滲透率下各泡沫體系(w=60%)的濾失系數(shù),實(shí)驗結(jié)果見圖11。隨著巖心滲透率的增大,巖心多孔介質(zhì)對濾入流體產(chǎn)生的毛管阻力降低,導(dǎo)致泡沫的氣、液濾失控制能力減弱,所以FTS表面活性劑泡沫的氣、液相濾失系數(shù)隨之大幅升高。當(dāng)泡沫中添加SiO2納米顆粒后,泡沫在相應(yīng)滲透率下的氣、液濾失速率被降低,氣、液濾失系數(shù)對滲透率的敏感性減弱。對比圖11(a)和(b)可知,雖然泡沫中氣相體積比例為60%,泡沫中氣相占比高于液相,但氣相在不同滲透率下的濾失系數(shù)仍然低于液相濾失系數(shù)。這一現(xiàn)象可能是由于孔喉中氣泡賈敏阻力和滑移阻力抑制了氣相的濾失,而液相作為泡沫的連續(xù)相在多孔介質(zhì)中濾失通道相對流暢。

圖11 不同泡沫體系的氣、液兩相濾失系數(shù)隨巖心滲透率的變化Fig.11 Gas and liquid filtration coefficient of foams as a function of core permeability

2.5 巖心滲透率恢復(fù)

壓裂液濾失侵入地層多孔介質(zhì)會對滲透率產(chǎn)生一定的傷害,因此應(yīng)評估納米顆粒強(qiáng)化的泡沫壓裂液濾失和返排后巖心滲透率恢復(fù)情況。在濾失實(shí)驗結(jié)束后緩慢卸除濾失端壓力,利用氮?dú)夥聪蚧亓?測定最終穩(wěn)定后的反向氣測滲透率,巖心滲透率恢復(fù)值ηR計算公式為

ηR=kreturn/kinitial.

(4)

式中,kinitial為濾失前巖心初始滲透率,μm2;kreturn為泡沫流體濾失及返排后的巖心反向滲透率,μm2。

不同泡沫體系濾失后的巖心滲透率恢復(fù)值見圖12。FTS表面活性劑泡沫濾失后對巖心的傷害極低,滲透率大致可以恢復(fù)。當(dāng)泡沫中加入0.5%和1.0%的SiO2納米顆粒后,巖心滲透率恢復(fù)值相對有所下降。隨著巖心初始滲透率的變化呈現(xiàn)一定的規(guī)律性:當(dāng)巖心初始滲透率值越高,泡沫濾失后巖心滲透率恢復(fù)程度越高,泡沫中低質(zhì)量分?jǐn)?shù)的SiO2納米顆粒對應(yīng)的巖心滲透率恢復(fù)值較高,但對于含1.0%的SiO2納米顆粒的泡沫濾失后,在實(shí)驗范圍(2.1～ 112.3)×10-3μm2內(nèi),巖心滲透率恢復(fù)值可以超過84%,說明納米顆粒強(qiáng)化的CO2泡沫仍然具備一定的低傷害性。

圖12 不同泡沫體系濾失后的巖心滲透率恢復(fù)值Fig.12 Ultimate return-permeability of core after filtration of different foams

3 結(jié) 論

(1)隨著溫度的升高,CO2與純表面活性劑泡沫基液間的界面張力升高,界面擴(kuò)張黏彈模量減小,界面層機(jī)械強(qiáng)度降低。添加SiO2納米顆粒后,界面吸附的顆粒增大了界面層機(jī)械強(qiáng)度,提升了高溫高壓下界面黏彈模量,有利于增強(qiáng)泡沫液膜界面抵抗及恢復(fù)形變的能力。

(2)對于純表面活性劑形成的CO2泡沫體系,起泡體積和析液半衰期均隨著溫度的升高而下降。泡沫中添加SiO2納米顆粒后起泡體積在一定程度上被降低,但常溫常壓下析液半衰期被延長了4～6倍,同時在較高溫度下仍然具備良好的泡沫穩(wěn)定性,且隨著壓力的增大,泡沫生成能力隨之提升,穩(wěn)定性被顯著提升。

(3)當(dāng)泡沫質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%～80%,添加SiO2納米顆粒對CO2泡沫體系的有效黏度的提升相對較大,而泡沫質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于80%后,泡沫黏度隨泡沫質(zhì)量分?jǐn)?shù)的升高逐漸減小,當(dāng)泡沫質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到93%時,納米顆粒強(qiáng)化泡沫壓裂液的有效黏度仍高于70 mPa·s。

(4)納米顆粒強(qiáng)化后的CO2泡沫壓裂液的氣、液兩相濾失控制能力增強(qiáng),且氣、液相濾失系數(shù)對滲透率的敏感性減弱。巖心滲透率恢復(fù)實(shí)驗表明,納米顆粒強(qiáng)化CO2泡沫具備一定的低傷害性。