一种二氧化碳泡沫压裂液及其制备方法与流程

本发明涉及一种二氧化碳泡沫压裂液及其制备方法，属于油气田开发。

背景技术：

1、二氧化碳泡沫压裂液因其入井液量少、低伤害、有效抑制粘土膨胀、易返排、可实现碳埋存等优势，其应用前景广阔。然而，在压裂过程中，二氧化碳泡沫压裂液的管路摩擦阻力较大，随着排量的提高，压裂液在管路中的摩阻阻力成倍增加，导致二氧化碳泡沫压裂施工排量难于提升，施工的泵压大幅增加，泵压会损耗在克服管路摩阻上，进而影响造缝效果。

2、在相同管径下，二氧化碳泡沫压裂液的管路流动摩阻相比传统的压裂液增加20％左右。因此，降低二氧化碳泡沫压裂液在管路中的摩阻，是提升排量和液体效率的有效途径。

3、目前，针对压裂液的降阻研究，通常是采用柔性高分子和粘弹性表面活性剂作为水基压裂液的降阻添加剂，其中柔性高分子作为降阻剂，主要为丙烯酰胺类聚合物，能够在流体中自由伸展，抑制流体分子在湍流区发生分子碰撞产生的能量损耗，以实现降阻；而粘弹性表面活性剂作为降阻剂，主要包括季铵盐类阳离子和甜菜碱类两性离子表面活性剂，当其浓度达到一定值时，在剪切作用下，可以形成粘弹性网状结构，储存湍流漩涡中的一部分动能，从而减少漩涡动能损耗，起到降阻目的，效果显著。

4、然而，二氧化碳泡沫压裂液中二氧化碳和水形成多相流体系，泡沫与泡沫间的流动及其与多相流之间的密度差，是造成高摩擦阻力的主要原因之一，这使得传统水基压裂液中的降阻剂和降阻方法不适用于泡沫压裂液中。

5、鉴于此，开发一种二氧化碳泡沫压裂液以提高泡沫压裂施工排量，实现降摩阻的目的具有重要的意义。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种二氧化碳泡沫压裂液及其制备方法，能够显著降低泡沫压裂液在地面泵注系统和管路中输送过程中流动产生的摩擦损失，从而降低泡沫压裂液施工摩阻。

2、为达到上述目的，第一方面，本发明提供了一种二氧化碳泡沫压裂液，其中，所述二氧化碳泡沫压裂液包含液态二氧化碳和基液；所述基液包括水、稠化剂、降阻剂、起泡剂和泡沫增强剂；

3、其中，所述水、稠化剂、降阻剂、起泡剂和泡沫增强剂的重量比为100：(0.1-1.5)：(0.3-3)：(0.1-3)：(0.03-2)；

4、所述二氧化碳泡沫压裂液中液态二氧化碳的体积分数为50％-80％。

5、本发明的二氧化碳泡沫压裂液是以二氧化碳为分散相，基液为连续相；其中，当将本发明的二氧化碳泡沫压裂液注入地层之后，二氧化碳会随着压裂过程中温度、压力的增加而发生相变，初始注入状态为液态二氧化碳，当温度、压力升高后为超临界态。液态二氧化碳是指在低温高压下以液体形态存在的二氧化碳，本发明所采用的液态二氧化碳可以为通过任何方式获得的液体二氧化碳，优选为纯度≥99％的液态二氧化碳。

6、在上述二氧化碳泡沫压裂液中，优选地，所述水、稠化剂、降阻剂、起泡剂和泡沫增强剂的重量比为100：(0.4-1.0)：(0.5-1.5)：(0.4-1.5)：(0.05-1)。如果水、稠化剂、降阻剂、起泡剂和泡沫增强剂的重量比的范围不在本发明的范围内，会导致降阻效果不明显。

7、在上述二氧化碳泡沫压裂液中，优选地，所述二氧化碳泡沫压裂液中液态二氧化碳的体积分数为55％-70％，即以所述二氧化碳泡沫压裂液的总体积为100％计，所述液态二氧化碳的含量为55％-70％。

8、在上述二氧化碳泡沫压裂液中，优选地，所述降阻剂选自纳米白炭黑、纳米六甲基二硅胺烷偶联白炭黑、纳米氧化锌、纳米氧化铝、纳米二氧化锆和纳米碳粉中的一种或两种以上的组合。

9、在上述二氧化碳泡沫压裂液中，降阻剂可以为纳米颗粒，通过将纳米颗粒降阻剂吸附在泡沫液膜的表面，降低泡沫之间的滚动阻力，有助于增强泡沫的流动性，从而减少压裂液中泡沫与泡沫间的流动造成的摩擦阻力。优选地，所述降阻剂的粒径d50为7-40nm，所述降阻剂的比表面积为120-400m2/g。进一步优选地，纳米白炭黑颗粒的平均粒径为10nm，比表面积为350m2/g；纳米六甲基二硅胺烷偶联白炭黑颗粒的平均粒径为7nm，比表面积为400m2/g；纳米氧化锌颗粒的平均粒径为20nm，比表面积为280m2/g；纳米氧化铝颗粒的平均粒径为30nm，比表面积为200m2/g；纳米二氧化锆颗粒的平均粒径为15nm，比表面积为320m2/g；纳米碳粉的平均粒径为40nm，比表面积为120m2/g。在本发明的粒径和比表面积的范围内，可以使得纳米颗粒降阻剂更有效地吸附在气泡液膜表面，以减小气泡间的摩阻。

10、在上述二氧化碳泡沫压裂液中，优选地，所述泡沫增强剂为吸热型化合物，选自氯化钙、硫酸钠、癸酸、月桂酸、聚乙二醇中的一种或两种以上的组合。更优选地，所述泡沫增强剂选自六水合氯化钙、十二水合硫酸钠、十水合硫酸钠、癸酸、月桂酸、聚乙二醇-400、聚乙二醇-600和聚乙二醇-800中的一种或两种以上的组合。本发明的泡沫增强剂能够发生相变实现吸热，减少热传递，从而降低压裂液在地面泵注系统和管路中输送过程中流动产生的摩阻损失，也就是降低多相流之间的密度差所造成的高摩阻。

11、在上述二氧化碳泡沫压裂液中，优选地，所述稠化剂选自植物胶、植物胶衍生物、合成聚合物稠化剂中的一种或两种以上的组合；更优选地，所述植物胶包括瓜尔胶、田菁胶、香豆胶等，所述植物胶衍生物包括羟丙基胍胶、羧甲基羟丙基胍胶、羧甲基田菁、羟乙基田菁等，所述合成聚合物稠化剂包括聚丙烯酰胺、聚丙烯腈等。

12、在上述二氧化碳泡沫压裂液中，优选地，所述起泡剂选自十二烷基苯磺酸钠、十六烷基磺酸钠、十二烷基硫酸钠、辛基酚聚氧乙烯醚、壬基酚聚氧乙烯醚、十二烷基酚聚氧乙烯醚中的一种或两种以上的组合。本发明的起泡剂能够在储层深度为2000-6000m，储层温度为60-150℃的条件下产生稳定的二氧化碳泡沫。

13、作为一种优选的实施方案，本发明提供一种二氧化碳泡沫压裂液，其中，所述二氧化碳泡沫压裂液包含液态二氧化碳和基液，其中，液态二氧化碳的体积分数为50％-80％；

14、所述基液包括水、稠化剂、降阻剂、起泡剂和泡沫增强剂，具体包含以下重量比的组分组成：

15、水、稠化剂、降阻剂、起泡剂和泡沫增强剂的重量比为100：(0.1-1.5)：(0.3-3)：(0.1-3)：(0.03-2)，其中：

16、所述降阻剂为重量比为(3.0-5.0)：(1.5-3.0)：(1.0-3.0)：(1.0-2.5)的纳米白炭黑、纳米氧化铝、纳米二氧化锆和纳米碳粉的组合，或者，重量比为(3.0-5.0)：(2.0-3.5)：(0.5-1.5)：(1.0-3.0)的纳米六甲基二硅胺烷偶联白炭黑、纳米氧化锌、纳米氧化铝和纳米二氧化锆的组合，或者，重量比为(2.0-3.5)：(2.0-3.5)：(1.0-3.0)：(1.0-2.5)的纳米白炭黑、纳米六甲基二硅胺烷偶联白炭黑、纳米二氧化锆和纳米碳粉的组合；

17、所述泡沫增强剂为重量比为(2.0-3.5)：(1.5-3.0)：(1.0-2.5)：(2.0-3.5)的六水合氯化钙、十二水合硫酸钠、癸酸和聚乙二醇-600的组合，或者，重量比为(1.5-3.0)：(2.5-3.5)：(1.0-2.5)：(2.0-3.5)的十二水合硫酸钠、癸酸、月桂酸和聚乙二醇-800的组合，或者，重量比为(2.5-3.5)：(1.0-2.5)：(2.0-3.5)：(1.5-2.5)的癸酸、月桂酸、聚乙二醇-400和聚乙二醇-800的组合；

18、所述起泡剂为重量比为(2.5-3.5)：(2.0-3.5)：(1.5-3.0)：(1.5-2.5)的十二烷基苯磺酸钠、十六烷基磺酸钠、壬基酚聚氧乙烯醚和十二烷基酚聚氧乙烯醚的组合；

19、所述稠化剂选自植物胶、植物胶衍生物、合成聚合物稠化剂中的一种或两种以上的组合。

20、作为一种优选的实施方案，本发明提供一种二氧化碳泡沫压裂液，其中，所述二氧化碳泡沫压裂液包含液态二氧化碳和基液，其中，液态二氧化碳的体积分数为50％-80％；

21、所述基液包括水、稠化剂、降阻剂、起泡剂和泡沫增强剂，具体包含以下重量比的组分组成：水、稠化剂、降阻剂、起泡剂和泡沫增强剂的重量比为100：(0.1-1.5)：(0.3-3)：(0.1-3)：(0.03-2)，优选为100：0.1：0.3：0.1：0.03，其中：

22、所述降阻剂为重量比为(3.0-5.0)：(1.5-3.0)：(1.0-3.0)：(1.0-2.5)的纳米白炭黑、纳米氧化铝、纳米二氧化锆和纳米碳粉的组合，上述四者的重量比优选为4：2：2：2；

23、所述泡沫增强剂为重量比为(2.0-3.5)：(1.5-3.0)：(1.0-2.5)：(2.0-3.5)的六水合氯化钙、十二水合硫酸钠、癸酸和聚乙二醇-600的组合，上述四者的重量比优选为3：2：2：3；

24、所述起泡剂为重量比为(2.5-3.5)：(2.0-3.5)：(1.5-3.0)：(1.5-2.5)的十二烷基苯磺酸钠、十六烷基磺酸钠、壬基酚聚氧乙烯醚和十二烷基酚聚氧乙烯醚的组合，上述四者的重量比优选为3：3：2：2；

25、所述稠化剂选自植物胶衍生物。

26、作为一种优选的实施方案，本发明提供一种二氧化碳泡沫压裂液，其中，所述二氧化碳泡沫压裂液包含液态二氧化碳和基液，其中，液态二氧化碳的体积分数为50％-80％；

27、所述基液包括水、稠化剂、降阻剂、起泡剂和泡沫增强剂，具体包含以下重量比的组分组成：

28、水、稠化剂、降阻剂、起泡剂和泡沫增强剂的重量比为100：(0.1-1.5)：(0.3-3)：(0.1-3)：(0.03-2)，优选为100：1.5：3：3：2，其中：

29、所述降阻剂为重量比为(3.0-5.0)：(2.0-3.5)：(0.5-1.5)：(1.0-3.0)的纳米六甲基二硅胺烷偶联白炭黑、纳米氧化锌、纳米氧化铝和纳米二氧化锆的组合，上述四者的重量比优选为4：3：1：2；

30、所述泡沫增强剂为重量比为(1.5-3.0)：(2.5-3.5)：(1.0-2.5)：(2.0-3.5)的十二水合硫酸钠、癸酸、月桂酸和聚乙二醇-800的组合，上述四者的重量比优选为2：3：2：3；

31、所述起泡剂为重量比为(2.5-3.5)：(2.0-3.5)：(1.5-3.0)：(1.5-2.5)的十二烷基苯磺酸钠、十六烷基磺酸钠、壬基酚聚氧乙烯醚和十二烷基酚聚氧乙烯醚的组合，上述四者的重量比优选为3：3：2：2；

32、所述稠化剂选自植物胶衍生物。

33、作为一种优选的实施方案，本发明提供一种二氧化碳泡沫压裂液，其中，所述二氧化碳泡沫压裂液包含液态二氧化碳和基液，其中，液态二氧化碳的体积分数为50％-80％；

34、所述基液包括水、稠化剂、降阻剂、起泡剂和泡沫增强剂，具体包含以下重量比的组分组成：

35、水、稠化剂、降阻剂、起泡剂和泡沫增强剂的重量比为100：(0.4-1.0)：(0.5-1.5)：(0.4-1.5)：(0.05-1)，优选为100：0.8：1：1：0.08，其中：

36、所述降阻剂为重量比为(2.0-3.5)：(2.0-3.5)：(1.0-3.0)：(1.0-2.5)的纳米白炭黑、纳米六甲基二硅胺烷偶联白炭黑、纳米二氧化锆和纳米碳粉的组合，上述四者的重量比优选为3：3：2：2；

37、所述泡沫增强剂为重量比为(2.5-3.5)：(1.0-2.5)：(2.0-3.5)：(1.5-2.5)的癸酸、月桂酸、聚乙二醇-400和聚乙二醇-800的组合，上述四者的重量比优选为3：2：3：2；

38、所述起泡剂为重量比为(2.5-3.5)：(2.0-3.5)：(1.5-3.0)：(1.5-2.5)的十二烷基苯磺酸钠、十六烷基磺酸钠、壬基酚聚氧乙烯醚和十二烷基酚聚氧乙烯醚的组合，上述四者的重量比优选为3：3：2：2；

39、所述稠化剂选自植物胶衍生物。

40、第二方面，本发明还提供了一种如上述的二氧化碳泡沫压裂液的制备方法，其中，包括以下步骤：

41、将水、稠化剂、降阻剂、起泡剂和泡沫增强剂进行第一混合处理，得到混合液；

42、将所得混合液与液态二氧化碳进行第二混合处理，形成二氧化碳泡沫压裂液。

43、在上述二氧化碳泡沫压裂液的制备方法中，优选地，所述第一混合处理的转速为1000-3000转/分，更优选为1000-2000转/分。

44、在上述二氧化碳泡沫压裂液的制备方法中，优选地，所述第一混合处理的时间为50-300s，更优选为150-250s。

45、在上述二氧化碳泡沫压裂液的制备方法中，优选地，所述第二混合处理的温度为0-5℃。

46、在上述二氧化碳泡沫压裂液的制备方法中，优选地，所述第二混合处理的压力为3.8-5.2mpa。

47、在上述二氧化碳泡沫压裂液的制备方法中，优选地，所述第二混合处理的转速为1000-3000转/分。

48、在上述二氧化碳泡沫压裂液的制备方法中，优选地，所述第二混合处理的时间为50-300s，更优选为150-250s。

49、作为一种优选的实施方案，本发明提供了一种二氧化碳泡沫压裂液的制备方法，其中，包括以下步骤：

50、将水、稠化剂、降阻剂、起泡剂和泡沫增强剂以重量比为100：(0.1-1.5)：(0.3-3)：(0.1-3)：(0.03-2)进行50-300s的第一混合处理，得到混合液；

51、将所得混合液与液态二氧化碳进行第二混合处理，第二混合处理的温度为0-5℃，压力为3.8-5.2mpa，得到所述二氧化碳泡沫压裂液。

52、将本发明的上述二氧化碳泡沫压裂液注入油气井后，泡沫增强剂在10-80℃的温度范围内发生相变实现吸热，减少热传递，使得co2更容易保持在液态，从而减小co2与水之间的密度差，降低二氧化碳泡沫压裂液在地面泵注系统和管路中输送过程中流动产生的摩阻损失。

53、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

54、本发明在液态二氧化碳、水、增稠剂、降阻剂、起泡剂和泡沫增强剂的共同作用下，形成二氧化碳泡沫压裂液；降阻剂在泡沫液膜表面吸附，降低泡沫之间的滚动阻力，可以增强泡沫的流动性，从而减小泡沫与泡沫间的摩擦阻力，并通过泡沫增强剂发生相变实现吸热，减少热传递，降低压裂液在输送过程中，由于多相流动导致的密度差引起的摩阻损失，最终实现降低泡沫压裂液施工摩阻的目的。

55、本发明的二氧化碳泡沫压裂液能够降低泡沫压裂液摩阻，有效提高压裂工作效率，降低能耗；此外，压裂液主要成分为液态二氧化碳，该水基压裂液中的水含量较低，因此水锁水敏伤害较小。进入地层气化后二氧化碳易返排，残渣较少，从而对储层的伤害较小。这对于提高泡沫压裂施工排量和施工规模，助力非常规油气田进一步的高质量、高效益开发具有重要意义，可实现高效环保施工的目的。