蔣廷學(xué)，左 羅，黃 靜

（1.頁巖油氣富集機(jī)理與有效開發(fā)國家重點(diǎn)實驗室，北京 100101；2.中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101）

目前，水力壓裂技術(shù)經(jīng)過70 多年的發(fā)展，由早期的小型壓裂發(fā)展到中型、大型壓裂，由直井壓裂發(fā)展到水平井分段壓裂，其中水基壓裂液一直占絕對統(tǒng)治地位[1-5]。近年來，隨著頁巖氣的大規(guī)模商業(yè)開發(fā)，頁巖氣水平井單井水力壓裂用水量一般為（3～5）×104m3[6-7]，部分井甚至高達(dá)8×104m3。如果后期進(jìn)行重復(fù)壓裂，因壓裂液濾失量更大，用水量還會大幅增加。我國大多數(shù)頁巖氣儲量豐富的盆地都位于季節(jié)性缺水地區(qū)，且多為人口密集地區(qū)，這種大量消耗淡水資源的壓裂方式，必然會導(dǎo)致供水壓力極為緊張[8-9]。因此，人們研究應(yīng)用了二氧化碳干法壓裂及液化石油氣（LPG）壓裂等無水壓裂技術(shù)，在一定程度上解決了用水量過大的問題，但因存在二氧化碳攜砂能力差和LPG 安全風(fēng)險大等問題而難以推廣應(yīng)用[10-14]。為此，人們進(jìn)行了二氧化碳增稠技術(shù)研究，但其最大黏度一般小于10 mPa·s（國外有報道可達(dá)18 mPa·s），仍不能滿足壓裂作業(yè)的高砂液比要求。另外，LPG 壓裂或氮?dú)馀菽瓑毫央m然能減少壓裂作業(yè)用水量，但因壓裂液黏度高，只能產(chǎn)生單一的主裂縫，難以滿足頁巖氣井壓裂形成復(fù)雜裂縫的需求[15]。為此，本文提出了少水壓裂技術(shù)，在滿足頁巖氣井壓裂造縫體積要求的基礎(chǔ)上，使壓裂作業(yè)用水量達(dá)到最少。現(xiàn)場壓裂實例分析表明，該技術(shù)能充分利用水力壓裂、無水壓裂和泡沫壓裂的技術(shù)優(yōu)勢，產(chǎn)出投入比高于常規(guī)水力壓裂技術(shù)，現(xiàn)場可操作性強(qiáng)，具有較好的推廣應(yīng)用前景。

1 少水壓裂技術(shù)的提出

少水壓裂技術(shù)是針對常規(guī)水力壓裂技術(shù)而言的，在完成同等幾何尺寸的造縫（包括單一主裂縫、轉(zhuǎn)向支裂縫和微裂縫等）、輸送鋪置同等體積的相同粒徑支撐劑的前提下，能不同程度地降低壓裂作業(yè)用水量。研究認(rèn)為，在滿足壓裂需求的前提下，用水量越少，其技術(shù)水平越高。

常規(guī)二氧化碳或氮?dú)馀菽瓑毫鸭夹g(shù)也可不同程度地降低用水量，如泡沫質(zhì)量可達(dá)30%～70%，最高可達(dá)95%以上。單就減少用水量而言，泡沫壓裂也是少水壓裂的一種，但泡沫壓裂液的黏度高、賈敏效應(yīng)強(qiáng)，難以溝通與延伸小微尺度的裂縫系統(tǒng)，往往只能形成單一的主裂縫[16]，無法滿足形成復(fù)雜裂縫的工藝需求。因此，常規(guī)泡沫壓裂僅在減少用水量方面達(dá)到了少水壓裂的標(biāo)準(zhǔn)，但在壓裂效果方面存在一定的的差距。此外，常規(guī)泡沫壓裂液的摩阻大、靜液柱壓力低，導(dǎo)致壓裂作業(yè)時井口泵壓高，施工排量受限，從而降低了最終的加砂量。

少水的極限就是無水，二氧化碳干法壓裂及LPG 壓裂都屬于無水壓裂。二氧化碳干法壓裂利用了超臨界二氧化碳的超低黏特性，可以溝通與延伸小微尺度裂縫系統(tǒng)，但因其黏度太低，導(dǎo)致加砂量及砂液比都相對較低，即使采用二氧化碳增稠技術(shù)，仍無法滿足強(qiáng)加砂的工藝要求[14]。LPG 的黏度較高，可以滿足大砂量及高砂液比的強(qiáng)加砂要求，但不能溝通與延伸小微尺度的裂縫系統(tǒng)，而且LPG存在易發(fā)生爆燃等高風(fēng)險隱患，難以大規(guī)模推廣應(yīng)用。此外，二氧化碳及LPG 壓裂等無水壓裂技術(shù)還有個致命的缺陷就是缺乏水化作用機(jī)制，而水化作用在降低巖石的抗壓強(qiáng)度和破裂壓力、溝通延伸小微尺度的裂縫系統(tǒng)、提高裂縫附近巖石基質(zhì)的孔隙度與滲透率（見圖1 和圖2），以及提高壓裂后滲吸效果等方面[17]，都具有不可或缺的作用。

圖1 頁巖水化后的抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度測試結(jié)果Fig.1 Compressive and tensile strength test results of shale after hydration

圖2 頁巖水化后的滲透率測試結(jié)果Fig.2 Permeability test results of shale after hydration

因此，本文闡述的少水壓裂技術(shù)本質(zhì)特征是在減少用水量的前提下、實現(xiàn)形成復(fù)雜裂縫的體積壓裂設(shè)計目標(biāo)，其適用的儲層范圍相對較廣，尤其是在黏土含量高或干旱沙漠、水資源缺乏地區(qū)等更為適用。

2 少水壓裂關(guān)鍵技術(shù)

與常規(guī)水力壓裂相比，少水壓裂在實現(xiàn)體積壓裂目標(biāo)的同時，還需要最大限度地減少用水量，因此，在造縫、攜砂及壓裂后管理等方面有較為顯著的區(qū)別。此外，由于泡沫的存在，水平井眼內(nèi)壓力梯度增大，多簇裂縫非均衡延伸的程度也加劇，需要進(jìn)行相應(yīng)關(guān)鍵技術(shù)研究。筆者認(rèn)為，少水壓裂主要包括以下4 項關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 超臨界二氧化碳與低黏度滑溜水復(fù)合壓裂技術(shù)

為了降低巖石破裂壓力、增加水化作用，可采用交替注入超臨界二氧化碳和低黏度滑溜水的復(fù)合壓裂技術(shù)。二氧化碳注入井筒的過程中，當(dāng)溫度達(dá)到37.7 ℃、壓力達(dá)到6.8 MPa 時，就會形成超臨界狀態(tài)CO2，黏度僅有0.019 mPa·s，更易于溝通與延伸小微尺度的裂縫系統(tǒng)或巖石基質(zhì)中的薄弱節(jié)理，從而大幅度降低巖石的破裂壓力。筆者進(jìn)行了不同壓裂流體對巖樣破裂壓力的影響試驗，結(jié)果如表1 所示。由表1 可知，超臨界二氧化碳壓裂可以顯著降低巖樣破裂壓力，二氧化碳泡沫壓裂同樣具有降低巖樣破裂壓力的效果，但降低幅度明顯低于超臨界二氧化碳。因此，超臨界二氧化碳與低黏度滑溜水復(fù)合應(yīng)用有利于裂縫起裂，還可充分發(fā)揮水化作用。

表1 不同壓裂流體對巖樣破裂壓力的影響試驗結(jié)果Table 1 Experimental results of the influence of different fracturing fluids on the fracture pressure of rock samples

超臨界二氧化碳的黏度極低，雖然可以降低巖石的破裂壓力，但是主裂縫的延伸跡象并不明顯，且缺乏水化作用。因此，注入超臨界二氧化碳后，接著注入低黏度滑溜水，可繼續(xù)溝通和延伸小微尺度裂縫，從而擴(kuò)大已有的小微尺度裂縫系統(tǒng)。同時，利用低黏度滑溜水水化作用強(qiáng)的優(yōu)勢，提高裂縫的復(fù)雜程度。由于低黏度滑溜水的黏度偏低，主裂縫的延伸不充分。因此，需要多級交替注入超臨界二氧化碳和低黏度滑溜水，且滑溜水的黏度隨交替級數(shù)的增加而逐級增加。其機(jī)理為，超臨界二氧化碳與低黏度滑溜水的黏度相差幾十倍甚至上百倍，黏滯指進(jìn)效應(yīng)非常明顯[18]，超臨界二氧化碳可快速指進(jìn)到滑溜水的造縫前緣，繼續(xù)延伸并溝通距離井筒更遠(yuǎn)處的小微尺度裂縫系統(tǒng)，使復(fù)雜裂縫在主裂縫延伸的更大范圍內(nèi)廣泛分布。此外，由于滑溜水的黏度是逐級增大的，因此，主裂縫的延伸程度會越來越好，在縫高方向也延伸得更為充分，且在造縫過程中主裂縫的凈壓力會越來越大，反過來也會促使其他多尺度裂縫延伸更為充分。

超臨界二氧化碳與低黏度滑溜水復(fù)合壓裂技術(shù)的交替注入級數(shù)、滑溜水黏度及變化、每級注入的體積比及排量比等參數(shù)，需要按相似性原理，采用大尺寸露頭或人造巖心開展裂縫擴(kuò)展物理模擬試驗，并根據(jù)試驗結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化，以提高壓裂效果。

2.2 基于多因素的多簇裂縫均衡延伸控制技術(shù)

與常規(guī)水力壓裂相比，少水壓裂由于含有不同比例的泡沫，水平井筒中的壓力傳遞效率會有較大幅度的降低，導(dǎo)致多簇射孔處的井筒壓力不同，且差異較大，造成多簇裂縫在延伸過程中、尤其是在早期會出現(xiàn)非均衡性，不利于增強(qiáng)簇間裂縫誘導(dǎo)應(yīng)力干擾效應(yīng)及復(fù)雜裂縫的形成[19]。因此，在裂縫延伸早期，如注入施工的前三分之一時間（模擬試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，此時的縫長基本達(dá)到最終縫長的70%以上）可采用常規(guī)滑溜水壓裂液，這樣有利于最大限度地增強(qiáng)水化作用。裂縫均衡延伸控制的其他因素包括變參數(shù)射孔、簇間投暫堵球、早期應(yīng)用超低密度支撐劑或泡沫壓裂液攜帶常規(guī)密度支撐劑等。其中，早期采用超低密度支撐劑是通過降低支撐劑的密度、提高其與壓裂液的流動跟隨性，避免大量支撐劑因流動慣性而過早堆積到靠近趾部的裂縫縫口處，從而引發(fā)多簇裂縫非均衡延伸加劇的問題。早期采用泡沫壓裂液攜帶常規(guī)密度支撐劑是充分利用了泡沫壓裂液黏度大、黏滯力強(qiáng)的特性，確保常規(guī)密度支撐劑也具有較好的壓裂液流動跟隨性。

2.3 造縫及攜砂全程加砂技術(shù)

常規(guī)壓裂時一般在多尺度裂縫造縫完成后再進(jìn)行加砂作業(yè)。少水壓裂的主要目的是在不影響體積壓裂目標(biāo)的基礎(chǔ)上，最大限度地減少用水量。因此，需要采用造縫及攜砂全程加砂技術(shù)。

在造縫階段加入更小粒徑的微細(xì)支撐劑，不影響多尺度復(fù)雜裂縫造縫，同時微細(xì)支撐劑可以在一定程度上降低多尺度裂縫系統(tǒng)的濾失量，提高造縫效率。而且，壓裂后可以實現(xiàn)微支撐，確保不同尺度的小微裂縫系統(tǒng)的高導(dǎo)流能力能保持更長的時間，有利于提高穩(wěn)產(chǎn)效果。

在攜砂階段，加砂初期，為了向轉(zhuǎn)向支裂縫中輸送更多的小粒徑支撐劑，可以采用黏度相對較低的滑溜水或低黏度膠液；加砂中后期，主要是加入中大粒徑的支撐劑，采用高黏度的泡沫壓裂液，采取高砂液比，大幅度提高攜砂效率，實現(xiàn)支撐劑在主裂縫中的有效鋪置，并減少用水量。

2.4 壓裂后返排及生產(chǎn)全生命周期管理技術(shù)

少水壓裂中后期的砂液比更高，裂縫充填得更為充分，因此壓裂停泵后裂縫繼續(xù)延伸的可能性相對較小。考慮壓裂后裂縫壁附近基巖會出現(xiàn)高壓滲析，為了不影響裂縫內(nèi)支撐劑的高效鋪置，可適當(dāng)關(guān)井，具體的關(guān)井時間可通過室內(nèi)巖心高壓滲析試驗結(jié)果來確定。由于總的用水量減少，又有二氧化碳或氮?dú)馀菽脑瞿苤抛饔茫蚨蛇m當(dāng)延長壓裂后燜井時間，以取得更好的生產(chǎn)效果。

可基于不同時間下的壓裂后累計產(chǎn)量、裂縫滲流影響區(qū)域的平均地層壓力及地應(yīng)力的變化規(guī)律（要分別考慮注采平衡、枯竭式開采等方式），考慮裂縫內(nèi)支撐劑顆粒的受力平衡（即控制生產(chǎn)壓差，使支撐劑流出裂縫的動力小于支撐劑顆粒因裂縫閉合而受到的摩擦阻力），動態(tài)優(yōu)化及控制壓裂后正常生產(chǎn)的全生命周期參數(shù)，確保壓裂后生產(chǎn)的全生命周期內(nèi)裂縫中支撐劑的長效穩(wěn)定性。

3 少水壓裂關(guān)鍵工藝

少水壓裂關(guān)鍵工藝主要包括大幅度提高壓裂液造縫效率、最大限度提高不同尺度裂縫內(nèi)砂液比和采用微泡沫壓裂液等。

3.1 大幅度提高壓裂液造縫效率

常規(guī)水力壓裂的壓裂液造縫效率（即停泵時的裂縫體積與注入壓裂液體積的比）僅為15%～40%，亦即60%～85%的壓裂液都通過濾失進(jìn)入了裂縫壁面基巖中。這會造成壁面基巖的黏土膨脹，而且壓裂后返排困難，更為嚴(yán)重的是可能導(dǎo)致基巖的滲透率完全喪失，使壓裂后基巖內(nèi)的油氣難以順暢地流向裂縫帶，導(dǎo)致油氣井壓裂后產(chǎn)量不增反降，目前已有不少壓裂后不但不增產(chǎn)反而減產(chǎn)的井例。筆者利用商業(yè)壓裂模擬軟件，模擬了不同初濾失量和相對造壁濾失系數(shù)（地下流體壓縮性及黏度引起的濾失系數(shù)假定都相同）條件下，產(chǎn)生同樣尺寸的水力裂縫所需要的水基壓裂液體積，結(jié)果如圖3 所示。由圖3可知，隨著初濾失量的增大，產(chǎn)生相近尺寸裂縫所需要的水基壓裂液體積逐漸增大；相對造壁濾失系數(shù)越大，產(chǎn)生相近尺寸裂縫所需的水基壓裂液體積越小。因此，壓裂過程中降低濾失和提高壓裂介質(zhì)的相對造壁濾失系數(shù)都可提高單位體積液體的造縫效果，即提高壓裂液的造縫效率。

圖3 不同初濾失量和相對造壁濾失系數(shù)下的壓裂液體積對比Fig.3 Fracturing fluid volume under different spurt loss amount and relative wall-building filtration coefficient

降低壓裂液初濾失量和增大相對造壁濾失系數(shù)的方法，主要有在壓裂液中加入油溶性暫堵顆?；虿蝗苄怨璺?，暫堵顆粒或硅粉均為粒徑200/300 目或粒徑140/200 目與200/300 目的混合物，可基于相對造壁濾失系數(shù)的室內(nèi)濾紙測試結(jié)果，并考慮目標(biāo)井儲層的孔喉大小來確定具體的粒徑及混合比例。

3.2 最大限度提高不同尺度裂縫內(nèi)砂液比

在單一主裂縫中提高砂液比較容易，但同時提高不同尺度裂縫系統(tǒng)中的砂液比較困難，尤其是在轉(zhuǎn)向支裂縫及微裂縫中提高小粒徑支撐劑的砂液比的難度更大。如果砂液比太高，則會存在以下風(fēng)險：小粒徑支撐劑難以進(jìn)入小微尺度的支裂縫及微裂縫中，而大部分只能進(jìn)入最大尺度的主裂縫中，使主裂縫混入多種粒徑支撐劑，形成緊密堆積，導(dǎo)致裂縫導(dǎo)流能力大幅降低。

小粒徑支撐劑的加入時機(jī)非常關(guān)鍵，因為其進(jìn)入的目標(biāo)裂縫是轉(zhuǎn)向支裂縫及微裂縫系統(tǒng)，而這些支裂縫及微裂縫基本分布在主裂縫的側(cè)翼，承受的閉合應(yīng)力比主裂縫承受的閉合應(yīng)力更大，再加上主裂縫誘導(dǎo)應(yīng)力的疊加影響，轉(zhuǎn)向支裂縫及微裂縫承受的實際閉合應(yīng)力更高。此外，它們數(shù)量眾多，進(jìn)入每個裂縫的壓裂液量相對有限，導(dǎo)致支裂縫及微裂縫的延伸時間就非常有限。因此，如果小粒徑支撐劑的加入時機(jī)滯后，支裂縫及微裂縫中的進(jìn)液速度已大幅度降低甚至降為0，這時小粒徑支撐劑即使能到達(dá)縫口，也無法進(jìn)入裂縫中。

為了大幅度提高不同尺度裂縫內(nèi)的砂液比，推薦采用單一的小粒徑支撐劑，因為單一的小粒徑支撐劑的導(dǎo)流能力高于不同粒徑混合支撐劑的導(dǎo)流能力，而且在主裂縫的高砂液比加砂作業(yè)中，支撐劑的粒徑越小，可采用的砂液比就越高，更有利于減少用水量。因此，為了提高不同尺度裂縫的砂液比，早期可采用長段塞或低砂液比連續(xù)加砂等方式。設(shè)計長段塞體積及連續(xù)加砂砂液比時，可通過不斷積累和探索現(xiàn)場施工經(jīng)驗，建立相應(yīng)的壓裂施工圖版，并以此作為學(xué)習(xí)曲線，不斷提高設(shè)計精度，從而實現(xiàn)壓裂技術(shù)突破和效果突破。利用商業(yè)壓裂軟件，模擬研究相同液量下不同加砂方式對綜合砂液比的影響，發(fā)現(xiàn)長段塞與低砂液比連續(xù)加砂模式、常規(guī)段塞式加砂相比，最終的平均砂液比可提高約45%。

3.3 采用微泡沫壓裂液

常規(guī)泡沫壓裂液雖然也是成熟的少水壓裂液，但存在泡沫穩(wěn)定性差、井筒及裂縫沿程摩阻高等問題，制約了其推廣應(yīng)用。為此，需要研發(fā)一種新型微泡沫壓裂液體系。

直徑1～100 μm 的微泡沫又稱為膠質(zhì)氣體泡沫（CGA）。CGA 是不溶性或微溶性氣體在外力作用下（如高速攪拌等）分散到液體中所形成的分散體系[20]。氣體被液體薄膜包裹著就會產(chǎn)生單個微氣泡，當(dāng)微氣泡數(shù)量足夠大時，大量的微氣泡匯集到一塊就會形成微泡沫體系，其中氣體為分散相，液體為分散介質(zhì)[21]。根據(jù)F.Sebba[22]提出的模型，微泡沫由多層膜包裹著氣核的獨(dú)立球體組成，由于存在增黏水層，微泡沫保護(hù)膜較厚，氣泡不聚集在一起，皂膜的內(nèi)外表面上都吸附有一層表面活性劑分子，不存在 Plateau 邊界，穩(wěn)定性較高。氣泡直徑小于 100 μm，表面積很大[23]，可以大幅度提高泡沫穩(wěn)定性。此外，含有高效降阻劑的水相基本呈連續(xù)分布，可大幅度降低井筒和裂縫的沿程摩阻，以最大限度地降低壓裂水力能量消耗。由于微氣泡的直徑小于常規(guī)泡沫中的氣泡，所以微泡沫表現(xiàn)出不同于常規(guī)泡沫的性質(zhì)，包括半衰期長、界面ξ 電位高、傳質(zhì)效率高和耐溫耐鹽性能強(qiáng)等[24-25]。

微泡沫壓裂液體系的核心處理劑是高效起泡劑和長效穩(wěn)泡劑。高效起泡劑決定了微泡沫體系的穩(wěn)定性、泡沫密度及二次發(fā)泡的能力等，主要選用由非極性親油（疏水）基團(tuán)和極性親水（疏油）基團(tuán)所構(gòu)成的表面活性劑，既有親水性又有親油性的“雙親結(jié)構(gòu)”能夠影響泡沫膜壁的形成，對液膜彈性、液膜強(qiáng)度及表面電荷也均有影響。目前，常見的十二烷基硫酸鈉（SLS）、十二烷基磺酸鈉（SDS）、十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）和十二烷基苯磺酸鈉（SDBS）等表面活性劑均為性能良好的起泡劑。

為了保持泡沫體系穩(wěn)定，還需要添加可以延長泡沫存在時間的長效穩(wěn)泡劑，它可以提高液膜的強(qiáng)度和表面黏度等影響泡沫穩(wěn)定性的關(guān)鍵參數(shù)。不同種類的穩(wěn)泡劑優(yōu)選結(jié)果表明，分子量大的穩(wěn)泡劑的穩(wěn)泡性能更好，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)穩(wěn)泡劑比鏈狀結(jié)構(gòu)穩(wěn)泡劑的穩(wěn)泡性能更好[26-32]。實驗研究中，經(jīng)常使用高分子水溶化合物作為穩(wěn)泡劑，因為它既可以起到普通穩(wěn)泡劑的作用，又可以改變?nèi)芤旱牧髯冃?，起到提高溶液聚結(jié)阻力的作用，能夠更好地起到穩(wěn)泡作用。為此，根據(jù)該思路，以丙烯酰胺為主要原料，設(shè)計了一種高分子聚合物作為穩(wěn)泡劑（代號SFFRD-3）。該高分子聚合物具有雙親性質(zhì)，與油溶性分子具有較好的結(jié)合力，在水相中表現(xiàn)出良好的溶解性和分散性。此外，這種雙親性質(zhì)使得聚合物在一定程度上形成了超分子結(jié)構(gòu)，可有效降低油水界面張力及壓裂摩阻，并提升壓裂液的耐鹽和耐高溫性能。

設(shè)計的SFFRD-3 的分子結(jié)構(gòu)如圖4 所示。其中，聚丙烯酰胺鏈段（圖4 中紅色和粉色部分）為主鏈段，用于保持相對分子質(zhì)量，增加液膜的強(qiáng)度和黏度，降低摩阻；陽離子功能單體鏈段（圖4 中黃色部分）可以提升膠體的穩(wěn)定性，便于在溶液中形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)泡沫穩(wěn)定性；功能單體鏈段（圖4 中藍(lán)色、黑色和綠色部分）為引入的超分子結(jié)構(gòu)疏水烷基，使得聚合物具有耐高溫、抗剪切性能。

圖4 穩(wěn)泡劑SFFRD-3 分子結(jié)構(gòu)設(shè)計Fig.4 Molecular structure design of persistent foam stabilizer SFFRD-3

筆者對SLS、SDS、CTAB 和SDBS 等4 種起泡劑與穩(wěn)泡劑SFFRD-3 的配伍性進(jìn)行了室內(nèi)試驗，根據(jù)泡沫質(zhì)量和半衰期來優(yōu)選起泡劑。主要試驗參數(shù)為：試驗溫度20 ℃，SFFRD-3 加量0.5%，攪拌速率8000 r/min，攪拌時間2 min。測量起泡劑加量分別為0.1%，0.3%，0.5%，1.0%和1.5%時的泡沫質(zhì)量和半衰期，結(jié)果如圖5 和圖6 所示。由圖5 和圖6 可知，SLS 與SFFRD-3 穩(wěn)泡劑的配伍性最好，起泡能力最強(qiáng)，且泡沫半衰期長。SLS 加量為 0.5%時，泡沫質(zhì)量大于90%；SLS 加量大于1.5%時，泡沫半衰期大于8000 s。綜合考慮，優(yōu)選SLS 作為微泡沫壓裂液的起泡劑。

圖5 不同起泡劑在不同加量下的泡沫質(zhì)量Fig.5 Foam quality under different dosages for different foaming agent

圖6 不同起泡劑對半衰期的影響Fig.6 Influence of different foaming agent on half-life period

4 少水壓裂技術(shù)發(fā)展展望

目前，國內(nèi)外還未見少水壓裂作業(yè)方面的報道，但已經(jīng)開展的超臨界二氧化碳壓裂與常規(guī)水力壓裂相結(jié)合的復(fù)合壓裂作業(yè)，非常接近少水壓裂作業(yè)的范疇。某頁巖油井的超臨界二氧化碳與常規(guī)水力壓裂相結(jié)合的復(fù)合壓裂作業(yè)效果顯示，與大型水力壓裂作業(yè)相比，少水壓裂的產(chǎn)出投入比高6.7%，具有較明顯的技術(shù)優(yōu)勢。但是，國內(nèi)外僅僅對少水壓裂技術(shù)進(jìn)行了初步探索，還有許多關(guān)鍵技術(shù)需要進(jìn)一步攻關(guān)研究。

1）研發(fā)新型壓裂液體系。新型壓裂液體系主要包括超低濾失壓裂液、微泡沫加重壓裂液等。超低濾失壓裂液能對裂縫壁面基巖表面的潤濕性進(jìn)行智能轉(zhuǎn)變，在造縫早期是油濕，可阻止壓裂液中水相的滲濾并促進(jìn)壓裂液返排，在壓裂后生產(chǎn)過程中轉(zhuǎn)變?yōu)樗疂瘢山档陀蜌庠诓煌叨攘芽p中的流動阻力。為此，需要研發(fā)壓裂液潤濕性智能轉(zhuǎn)化劑、納米降濾失劑等。微泡沫加重壓裂液可以大幅度提高壓裂施工的排量，也是今后的重要發(fā)展方向，需要研發(fā)新型低傷害、環(huán)保型加重劑。

2）深入研究頁巖水化作用機(jī)制。對不同巖性、不同黏土含量和不同水敏礦物組成巖樣的水化作用機(jī)制進(jìn)行深入對比研究，弄清水化和滲析作用對孔隙度及滲透率的改善程度與遇水膨脹導(dǎo)致的負(fù)面效應(yīng)，并確定主導(dǎo)性的作用機(jī)制。如果黏土膨脹占據(jù)主導(dǎo)作用，則該儲層不適用少水壓裂作業(yè)，而應(yīng)采用無水壓裂技術(shù)。此外，臨界最少用水量及壓裂后返排時機(jī)也需要進(jìn)一步研究。

3）精細(xì)模擬與優(yōu)化少水壓裂的注入模式、工藝參數(shù)、臨界用水量等。建議開展相關(guān)的裂縫擴(kuò)展物理模擬及數(shù)值模擬對比驗證工作，對不同壓裂液的注入順序、注入級數(shù)、每級注入的體積、黏度及排量等參數(shù)進(jìn)行精細(xì)優(yōu)化。

5 結(jié)束語

本文提出了少水壓裂技術(shù)的概念，它充分利用了泡沫壓裂和無水壓裂的技術(shù)優(yōu)勢，揚(yáng)長避短，并最大限度地發(fā)揮水化作用機(jī)制，在多尺度裂縫造縫、多簇裂縫均衡延伸、復(fù)雜裂縫內(nèi)支撐劑輸砂控制、壓裂后返排控制與壓裂有效期內(nèi)全生命周期的油氣藏動態(tài)管理及優(yōu)化等方面，與常規(guī)水力壓裂相比都有新的內(nèi)涵及拓展。另外，由于用水量的降低，對降低儲層傷害、壓裂后返排液的環(huán)保處理費(fèi)用和其他地質(zhì)災(zāi)害等，以及對國內(nèi)的壓裂思路轉(zhuǎn)變及開發(fā)效果提升，都具有十分重要的借鑒作用和指導(dǎo)意義。