適用于煤層的新型氮氣泡沫壓裂液研究

張云鵬，楊兆中，李小剛，劉敏，路艷軍

(西南石油大學 油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室，四川 成都 610500)

煤層氣是一種非常規油氣資源，其資源量巨大，在全球能源產業中具有舉足輕重的地位，目前在美國已經進行了大規模的開采，在其天然氣產量中占有較大比重，發揮著重要作用［1］。煤層氣儲層與常規天然氣儲層差別較大，具有低溫、低壓、低滲透等特征，使得煤層氣的開采面臨巨大的挑戰，壓裂改造是目前最有效的開發手段之一。然而，煤層特殊的賦存環境及復雜的割理系統對壓裂液也提出了更高的性能要求:煤巖中大量甲烷吸附于儲層，進行壓裂改造提高產氣量的同時必須考慮壓裂液對解吸規律的影響，防止外來流體被大量的吸附致使壓裂效果變差［2］;煤層氣儲層割理發育，易濾失，因此也要求壓裂液濾失量小;煤巖較為松軟、易出粉，開采過程中會產生大量煤粉，如果壓裂液的懸砂能力較差，會造成沉積的砂與煤粉相混雜，堵塞支撐裂縫和儲層孔隙，使裂縫失去導流能力，因此壓裂液必須具有良好的攜砂能力;煤層氣儲層敏感性強，易造成傷害，壓裂液必須具有低傷害的特性，才能夠有效提高儲層滲流能力。

泡沫壓裂液作為一種少水壓裂液，具有低傷害、低濾失、懸砂能力強、有利于甲烷解吸提高產氣量等突出特性［3-4］。泡沫壓裂液已經得到了越來越多的關注，并不斷被成功應用于煤層氣井的壓裂改造中，20 世紀末美國已經將泡沫壓裂液應用于煤層氣的開發［5］，我國在2005 年成功的進行了兩口煤層氣井的現場應用，并取得很好的壓裂效果［6］。經過大量的實驗研究，優選出了一種性能良好的新型氮氣泡沫基壓裂液，并進行了現場試驗，取得了良好的效果。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

起泡劑XN-QP-1、XN-QP-2、降阻劑XN-JZ-1、助排劑XN-ZP-1、XN-ZP-2 均為工業品;實驗用水為去離子水;山西晉城趙莊煤。

IS-100 型等溫吸附儀;哈克MARS Ⅲ流變儀;GGS42-2 高溫高壓失水儀。

1.2 泡沫壓裂液的性能評價

1.2.1 對煤巖吸附作用 將煤粉碎至60 ～80 目，用壓裂液處理后按照GB/T 19560—2008 方法進行吸附實驗，實驗方法采用容量法。

1.2. 2 失水性能 按配方配制好壓裂液，在8 000 r/min 攪速下攪拌1 min，裝入底部有專用濾紙的失水筒中，迅速裝好濾筒并放到加熱套內，施加壓力(測試筒上部施加4 MPa 壓力，下部施加0.5 MPa 的回壓，壓差為3.5 MPa)，由于煤層氣儲層溫度與室內溫度相當并不需要對失水筒加熱。濾液開始流出時記錄時間、濾液的累積濾失量，測定時間為36 min。將數據以時間平方根為橫坐標，累積濾失量為縱坐標作曲線圖，并對曲線線性回歸，回歸線斜率為m，截距為h，按下式計算濾失系數和初濾失量。

式中 Cw——受濾餅控制的濾失系數，m /;

A——濾失面積，cm2;

Vc——濾失速度，m/min;

t——濾失時間，min;

Qsp——初濾失量，m3/m2;

h——濾失曲線直線段與y 軸的截距，cm。

因為煤層壓裂過程不可避免會產生大量煤粉混入壓裂液中，因此考慮在配方中加入一定量的煤粉測定失水性，設計配方如下:泡沫基液XN-QP-1 ∶XN-QP-2 =0.5%∶0.5%，泡沫基液+煤粉XN-QP-1∶XN-QP-2 =0.5%∶0.5% +10%煤粉。

1.2.3 懸砂性能 壓裂液的懸砂性測試方法有靜置狀態觀察法和流動狀態觀察法兩種。本文采用靜置狀態觀察法。將泡沫壓裂液倒入量筒內，放在平面上，放入1 粒或者多粒砂子，觀察砂子的沉降速度;或者在配制泡沫壓裂液時就加入一定砂比的支撐劑，混合均勻后觀察砂子的沉降情況。

1.2.4 對儲層傷害 按照工作液傷害評價方法標準SY/T 5358—2010 對泡沫壓裂液進行了室內巖心流動實驗。工作液為根據現場水成分分析資料配制的地層水和泡沫壓裂液基液，使用人造煤巖心展開室內巖心流動評價實驗。

2 結果與討論

2.1 壓裂液對煤巖吸附作用的影響

煤層是一種具有基質孔隙和割理系統的雙重介質，基質孔隙具有極大的比表面積，對甲烷有極強的吸附能力，煤化作用過程中形成大致相互垂直的面割理與端割理。煤巖基質塊表面和塊內微孔是煤層氣的主要儲集空間，而割理系統是煤層氣的主要流動通道［7］。煤吸附甲烷為物理吸附，研究過程中只考慮物理吸附情況。

研究表明，氣態水對煤吸附氣體有顯著影響，隨煤中水分的增加煤吸附氣體的能力降低［8］。因水分子具有極性，煤會優先吸附水分子，從而影響煤的吸附位和吸附能。但當煤中水分超過臨界水分，即氣態水達到相對飽和并出現液態水時，煤吸附氣體的能力不再受水分的影響。但是研究基于特定條件下的氣體吸附實驗［9］，特定條件主要指實驗煤樣的水分是通過常溫常壓下干燥煤樣吸附氣態水或浸入液態水來獲得的，受到孔隙界面張力的作用，液態水只能潤濕煤的外表面和煤中部分大孔隙(滲流孔隙)，而煤的外表面和大孔隙表面對煤吸附能力的影響甚微，液態水無法做功、克服界面張力而進入孔徑很小的凝聚-吸附孔隙和吸附孔隙，所以液態水也就不會對煤吸附氣體產生明顯影響。而在大的泵注壓力下，工作液也可以克服一定的毛管力進入孔隙中，從而影響煤的吸附能力，泡沫壓裂液、活性水壓裂液、降阻活性水壓裂液和1%KCl 溶液對煤巖吸附傷害的影響實驗結果見圖1。泡沫壓裂液配方:XNQP-1(0.5%)+XN-QP-2 (0.5%)+2%KCl。

圖1 壓裂液對煤吸附的影響Fig.1 The influence of fracturing fluids on coal isothermal adsorption

由圖1 可知，經過壓裂液污染后的煤粉吸附能力為:泡沫壓裂液基液＞1%KCl 溶液＞活性水壓裂液＞降阻活性水壓裂液。煤層氣開發的過程需要煤層甲烷從吸附態解吸出來，壓裂液越有利于煤層氣的解吸，則越有利于煤層氣的開發。壓裂液污染后煤粉的吸附能力實質是壓裂液對煤巖傷害的大小，壓裂液處理后吸附能力弱，說明該壓裂液被煤吸附占據了煤孔隙和煤分子表面，阻礙了甲烷的吸附，對煤層的吸附傷害較大，不利于解吸。實驗表明，泡沫壓裂液對煤層的傷害低于其它幾種壓裂液，具有有助解吸的作用，有利于甲烷從煤層中解吸出來，提高煤層氣井產氣量。

2.2 壓裂液失水性能

壓裂液靜態濾失實驗結果見表1。

表1 壓裂液靜態濾失性Table 1 Result of static filtration loss

由表1 可知，泡沫基液在1 min 時失水為6 mL，在此后的36 min 一直保持在6 mL，即沒有液體再流出。加入10%煤粉后失水量大大減少，而且泡沫形態保持得也很好。因此完全能夠滿足煤層壓裂過程低濾失的要求。

泡沫壓裂液能夠降低濾失的原因［10-11］:①泡沫壓裂液中含有大量高質量的泡沫，泡沫間相互接觸擠壓，形成一種特殊的泡沫濾餅，阻礙壓裂液的濾失;②由于泡沫濾餅的存在，占據了較大的儲層空間，使得壓裂液的流通通道橫截面積大大降低，壓裂液的濾失進一步降低;③儲層中壓力較高，氣體泡沫并不會迅速聚集融合，同時由于氣體泡沫與液體之間相互影響，在濾失壓力作用下使得液態壓裂液更不容易流動而發生濾失;④當加入煤粉后，構成了壓裂液液體、泡沫與煤粉固體的相互作用，使壓裂液的流動阻力變大，進一步降低濾失的發生。因此，泡沫壓裂液相對其他常規壓裂液具有顯著降低濾失的作用。

2.3 壓裂液懸砂性能

泡沫壓裂液的靜置狀態懸砂性能實驗結果見表2。

表2 泡沫壓裂液的懸砂性能Table 2 Proppant carrying capability of foam fracturing fluids

由表2 可知，壓裂液體系在半衰期內支撐劑無沉降發生，說明泡沫壓裂液具有良好的懸砂能力。目前壓裂液對煤層的傷害主要為:吸附傷害、堵塞傷害、水化膨脹傷害和化學傷害。如果壓裂液懸砂能力較差，大量支撐劑、煤粉會發生沉降，煤粉顆粒與支撐劑相互混合，沉降聚集后堵塞滲流通道，嚴重污染形成的有效支撐裂縫，因此壓裂液的懸砂能力至關重要［12-13］。此泡沫壓裂液具有良好的懸砂能力，一方面由于此泡沫壓裂具有較高的黏度，能夠增大對支撐劑降落過程中的阻力，阻礙其沉降。另一方面，壓裂液中大量的泡沫將支撐劑托起或擠住，形成了一種特殊阻擋，使得其較難下降，較其它常規壓裂液表現出極大的優勢。同時，泡沫壓裂中存在的大量泡沫表面具有一定粘彈性，使得支撐劑很難突破泡沫［10］。

用流變儀在30 ℃、170 s－1剪切速率下測定泡沫壓裂液的抗剪切性能，結果見圖2。

圖2 泡沫壓裂液抗剪切性能Fig.2 The shear stability of foam fracturing fluid

由圖2 可知，泡沫壓裂液黏度不降低，反而慢慢升高，這是常規壓裂液不具有的性質。經過長時間實驗，壓裂液的泡沫形態保持完好，沒有液體析出。

泡沫壓裂液的抗剪切性能很好，在30 ℃、170 s－1條件下剪切1 ～2 h 后，黏度能保持在90 mPa·s，能滿足現場要求。

2.4 壓裂液對儲層的傷害程度

泡沫壓裂液對煤巖心的傷害實驗結果見圖3。

圖3 泡沫壓裂液巖心流動實驗Fig.3 Core flow test of foam fracturing fluid

由圖3 可知，泡沫壓裂液對煤巖心的傷害較小，只有4.8%，滲透率恢復到初始滲透的95.2%，對煤巖具有較低的傷害。這是由于該泡沫壓裂液體系無大分子聚合物，殘渣含量低，不會出現破膠不徹底產生的殘留物與儲層中懸浮顆粒、煤粉等相互混合，堵塞流動通道，而且對煤層吸附傷害較小，因此造成的儲層傷害較低。其次，泡沫壓裂液是一種少水壓裂液體系，能有效降低對煤層氣儲層的水敏傷害。因此，該泡沫壓裂液體系完全滿足煤層壓裂過程壓裂液低傷害的要求。

2.5 現場試驗

使用泡沫壓裂液體系進行了五口井的壓裂施工，其中兩口井的施工曲線見圖4、圖5。

圖4 TS55-06 井施工曲線Fig.4 Fracturing curve of TS55-06

圖5 TS56-08 井施工曲線Fig.5 Fracturing curve of TS56-08

由圖4、圖5 可知，泡沫壓裂施工后，四口井不久后見氣并投產，見氣率為80%，而周邊用活性水壓裂改造的煤層氣井的見氣率僅30%，足以說明泡沫壓裂施工取得了成功，此泡沫壓裂液能夠滿足煤層氣儲層壓裂施工的要求，能有效提高儲層滲透率，增產效果顯著。

3 結論

(1)泡沫壓裂液對煤巖具有較低的吸附傷害，降低壓裂液在煤層中的吸附及滯留，有利于甲烷氣體從煤層中解吸出來，提高煤層氣產量。

(2)泡沫壓裂液形成了一種特殊的泡沫濾餅，有利于降低濾失，在加入煤粉的條件下，表現出更好的降濾失性，能夠很好解決煤層氣井壓裂過程的濾失問題。

(3)泡沫壓裂液中存在大量高質量的泡沫，能夠將砂子“托舉”或“擠壓”，將砂子懸浮于壓裂液中，具有較好的懸砂性，能滿足施工過程對攜砂的要求。在模擬地層條件下，泡沫壓裂液仍保持了較高的粘度，具有較好的流變性能，使得砂子能夠穩定的懸浮于壓裂液中。

(4)泡沫壓裂液是一種少水壓裂液，且殘渣含量極低，壓裂液中的氣體泡沫能夠在儲層中聚集形成一種附加能量，不僅有利于壓裂液返排，也能提高泡沫壓裂的效果，對煤巖心具有較低的傷害，傷害率僅為4.8%。完成了現場5 口井施工試驗，最快一口井壓后8 d 見氣，見氣率80%，獲得了良好的增產效果。

［1］ 由然.全球煤層氣發展勢頭強勁［J］.中國石油企業，2012(3):58-59.

［2］ 羅平亞.關于大幅度提高我國煤層氣井單井產量的探討［J］.天然氣工業，2013，33(6):1-6.

［3］ 許衛，李勇明，郭建春，等. 氮氣泡沫壓裂液體系的研究與應用［J］.西南石油大學學報:自然科學版，2002，24(3):64-67.

［4］ 張群，馮三利，楊錫祿，等. 試論我國煤層氣的基本儲層特點及開發策略［J］. 煤炭學報，2001，26(3):230-235.

［5］ Phillips A M，Couchman D D，Wilke J G.Successful field application of high-temperature rheology of CO2foam fracturing fluids［C］//Low Permeability Reservoirs Symposium.Denver:Society of Petroleum Engineers，1987.

［6］ 周寶艷，傅雪海，權彪，等. 潞安礦區煤層氣增產方式研究［J］.煤，2010，19(6):7-9.

［7］ 張磊.水平井筒與煤層氣藏耦合的理論研究［D］. 東營:中國石油大學，2009.

［8］ 張時音，桑樹勛. 液態水影響不同煤級煤吸附甲烷的差異及其機理［J］. 地質學報，2008，82(10):1350-1354.

［9］ 桑樹勛，朱炎銘，張井，等. 液態水影響煤吸附甲烷的實驗研究:以沁水盆地南部煤儲層為例［J］. 科學通報，2006，50(B10):70-75.

［10］李兆敏，呂其超，李松巖，等. 煤層低傷害氮氣泡沫壓裂液研究［J］.中國石油大學學報:自然科學版，2013，37(5):100-106.

［11］ Paul Stevenson. Foam engineering:fundamentals and applications［M］. Chichester:John Wiley ＆ Sons，Ltd，2012.

［12］陶濤，林鑫，方緒祥，等. 煤層氣井壓裂傷害機理及低傷害壓裂液研究［J］. 重慶科技學院學報:自然科學版，2011，13(2):21-23.

［13］湯繼丹，趙文秀，程浩，等. 沁水盆地煤層氣井排采過程中煤粉防治工藝技術探討［J］. 中國煤層氣，2012(6):22-24.