超低濃度多元改性胍膠壓裂液在煤層氣井中的應用

包 興，常建忠，相興華，翟志偉，季長江

（1.山西能源學院，山西 太原030006；2.煤與煤層氣共采國家重點實驗室，山西 晉城048000；3.易安藍焰煤與煤層氣共采技術有限責任公司，山西 晉城048000）

與常規油氣儲層相比，煤層氣儲層通常具有低孔、低滲、低壓以及低含氣飽和度的特點，自然產能極低，必須通過壓裂的方式進行儲層改造以達到有效開發的目的，壓裂液在煤層氣儲層壓裂施工過程中扮演著至關重要的角色，其性能的好壞是壓裂施工成功與否的關鍵[1-4]。因此，近年來國內外眾多學者開始對煤層氣壓裂液開展了越來越多的研究，其中針對常規油氣儲層壓裂用的活性水壓裂液和胍膠壓裂液在煤層氣儲層中的研究及應用比較多。活性水壓裂液由于其具有成本低、傷害低以及施工簡單等優點，在煤層氣儲層壓裂施工中得到了較為廣泛的應用，但由于其黏度較低，導致攜砂能力和造縫能力較差，從而影響了壓裂施工的效果[5-10]。胍膠壓裂液通常具有較高的黏度和良好的攜砂性能，使其具有較強的造縫能力，但由于常規胍膠具有水不溶物含量高、溶解速度慢且破膠后殘渣含量高等缺點，容易對煤層氣儲層造成比較嚴重的損害[11-15]。因此，為解決以上問題，通過對常規胍膠進行改性，研制了1種新型多元改性胍膠DX-HPG，并以此為基礎，通過大量室內實驗，研究出1 套適合煤層氣儲層的超低濃度多元改性胍膠壓裂液體系，其不僅具有常規胍膠壓裂液的攜砂造縫能力，而且由于稠化劑的使用濃度低，使壓裂液體系具有破膠迅速徹底、殘渣含量低、對儲層的傷害低以及成本較低的特點[16-18]。室內對超低濃度多元改性胍膠壓裂液體系的性能進行了評價，并在山西沁水盆地某煤層氣區塊成功進行了現場應用，具有較好的推廣應用前景。

1 實 驗

1.1 實驗材料及儀器

實驗材料：胍膠粉、羥丙基胍膠，鄭州普爾化工產品有限公司；氫氧化鈉、有機分散介質、羧甲基化試劑、羥丙基化試劑、無水乙醇、冰乙酸，國藥集團化學試劑有限公司；交聯劑GLY-109，實驗室自制；助排劑ZB-50、防膨劑FP-4、殺菌劑SY-30、復合破膠劑PJS-03、pH 值調節劑，市售工業品，湖北天恒化工有限公司；煤巖心取自目標煤層氣區塊儲層段。

實驗儀器：FA2104S 型電子天平，上海儀天科學儀器有限公司；HH-420 型恒溫水浴鍋，萊州市電子儀器有限公司；哈克RS6000 型流變儀，上海金山化工發展有限公司；ZNN-D6 型旋轉粘度計，青島恒泰達機電設備有限公司；ZL1021 型表面張力測定儀，西瓦卡精密量儀有限公司；STY 型巖心滲透率測定儀，南通儀創實驗儀器有限公司。

1.2 新型多元改性胍膠的制備

將胍膠粉使用80%乙醇水溶液進行提純后烘干粉碎，然后稱取一定質量提純后的胍膠粉置于裝有攪拌裝置和冷凝裝置的3 口燒瓶中，加入有機分散介質后攪拌均勻。在通入氮氣的情況下加入氫氧化鈉溶液進行堿化反應一段時間，再緩慢加入羧甲基化試劑和羥丙基化試劑，在50 ℃下繼續反應一段時間后，使用冰乙酸調節溶液pH 值至中性，再使用乙醇溶液對產物進行洗滌，抽濾、烘干后粉碎，即得新型多元改性胍膠DX-HPG。

1.3 壓裂液體系配方及配制方法

為降低胍膠類壓裂液對煤層氣儲層的損害程度，最直接的辦法是減少稠化劑胍膠的用量，因此，通過大量室內實驗評價，以新型多元改性胍膠DXHPG 為主要處理劑，研究出1 種適合煤層氣儲層壓裂施工用的超低濃度多元改性胍膠壓裂液體系，其具體配方為：0.2%多元改性胍膠DX-HPG+0.35%交聯劑GLY-109+0.5%助排劑ZB-50+0.3%防膨劑FP-4+0.15%殺菌劑SY-30+pH 值調節劑。

選取山西沁水盆地某煤層氣礦區儲層煤樣，制備成煤巖心，使用不同類型壓裂返排液污染，測定壓裂返排液對煤巖心滲透率的傷害情況。其中煤巖心的制備、保存、飽和、滲透率測定及滲透率損害率計算等方法均參照國家能源標準NB/T 10034—2016《煤層氣藏用水基壓裂液性能評價方法》中煤巖心滲透率傷害測定部分。

1.4 性能評價方法

1）剪切流變性能。在哈克RS6000 型流變儀中加入配制好的壓裂液，調節溫度加熱至40 ℃，剪切速率設置為170 s-1，測試時間設置為120 min，測定壓裂液體系的黏度變化情況。

2）攜砂性能。參照石油天然氣行業標準SY/T 5185—2016《礫石充填防砂水基攜砂液性能評價方法》，測定了支撐劑陶粒在超低濃度多元改性胍膠壓裂液體系中的沉降速度，陶粒的粒徑為0.425～0.500 mm，實驗溫度為40 ℃。

3）破膠性能。在配制好的壓裂液中按不同質量比加入復合破膠劑PJS-03，然后在40 ℃下進行破膠實驗，測定壓裂液不同破膠時間后的黏度變化。

4）殘渣含量及表面張力。按上述方法配制不同濃度的多元改性胍膠壓裂液凍膠，加入質量濃度為0.2%的復合破膠劑PJS-03，在40 ℃下破膠3 h 后，然后測定破膠液的殘渣含量和表面張力。作為對比，按相同的實驗方法評價不同濃度的羥丙基胍膠壓裂液破膠后的殘渣含量和表面張力。

5）煤巖心損害性能。參照國家能源行業標準NB/T 10034—2016《煤層氣藏用水基壓裂液性能評價方法》，分別選擇多元改性胍膠和羥丙基胍膠濃度為0.2%的壓裂液破膠液，測試其對目標區塊儲層段煤巖心的滲透率損害情況，實驗溫度為40 ℃。

2 結果與討論

2.1 剪切流變性

按照實驗方法評價了超低濃度多元改性胍膠壓裂液的剪切流變性能，壓裂液體系剪切流變性能如圖1。從圖1 可以看出，在40 ℃、170 s-1下剪切20 min 左右，壓裂液體系的黏度由165.4 mPa·s 迅速降低至60 mPa·s 左右，然后繼續在此條件下進行剪切實驗，壓裂液體系的黏度基本趨于穩定，當剪切120 min 后，體系的黏度仍能達到60 mPa·s 以上，這說明研制的超低濃度多元改性胍膠壓裂液體系具有良好的耐剪切性能，能夠滿足煤層氣壓裂施工中對攜砂和造縫性能的要求。

圖1 壓裂液體系剪切流變性能Fig.1 Shear rheological properties of fracturing fluid system

2.2 攜砂性能

超低濃度多元改性胍膠壓裂液體系攜砂性能見表1。由表1 可知，隨著多元改性胍膠加量的增大，支撐劑陶粒的沉降速度逐漸下降，當多元改性胍膠加量為0.2%時，支撐劑沉降速度降低至0.028 mm/s以下，說明該壓裂液體系具有良好的攜砂性能。

表1 超低濃度多元改性胍膠壓裂液體系攜砂性能Table 1 Sand carrying performance of ultra low concentration polybasic modified guar gum fracturing fluid system

2.3 破膠性能

壓裂液破膠性能實驗結果見表2。由表2 可以看出，隨著復合破膠劑PJS-03 加量的增大和破膠時間的延長，壓裂液破膠液的黏度逐漸降低，當PJS-03 加量為0.2%時，壓裂液能夠在3 h 內實現完全破膠，此時破膠液黏度能夠降低至3 mPa·s，可以達到返排作業的要求，說明研制的超低濃度多元改性胍膠壓裂液體系具有良好的破膠性能。

表2 壓裂液破膠性能實驗結果Table 2 Experimental results of gel breaking performance of fracturing fluid

2.4 殘渣含量及表面張力

不同濃度壓裂液破膠液的殘渣含量和表面張力見表3。由表3 可以看出，隨著胍膠用量的增大，2 種壓裂液體系破膠液的殘渣含量均逐漸增大，當胍膠用量為0.2%和0.3%時，多元改性胍膠壓裂液的殘渣含量分別為29、42 mg/L，遠遠小于相同濃度的羥丙基胍膠壓裂液。不同濃度多元改性胍膠壓裂液破膠液的表面張力也略低于羥丙基胍膠壓裂液破膠液，說明研制的超低濃度多元改性胍膠壓裂液體系破膠后不僅具有較低的殘渣含量，還具有較低的表面張力，在保證快速返排的同時，能夠盡可能的降低壓裂液對煤層氣儲層的二次損害。

表3 不同濃度壓裂液破膠液的殘渣含量和表面張力Table 3 Residue content and surface tension of fracturing fluid breaker with different concentrations

2.5 煤巖心損害性能

不同壓裂液破膠液對煤巖心的損害性能見表4。由表4 可以看出，在相同濃度條件下，多元改性胍膠壓裂液破膠液對煤巖心的滲透率損害率平均為12.9%，而羥丙基胍膠壓裂液破膠液則為30.4%，說明研制的超低濃度多元改性胍膠壓裂液具有良好的低傷害特點，其在煤層氣壓裂施工中對儲層的損害較小，能滿足煤層氣壓裂增產對壓裂液性能的要求。

表4 不同壓裂液破膠液對煤巖心的損害性能Table 4 Damage performance of different fracturing fluid gel breaker on coal core

3 現場應用

超低濃度多元改性胍膠壓裂液體系在山西沁水盆地某煤層氣區塊成功應用了3 井次，施工成功率為100%。其中XS-1 井的施工目的層為3#煤層，該煤層厚度較大（6.5 m），壓裂施工井段為1 032.5～1 036.9 m，該井累計注入壓裂液量為402.6 m3，凈液量達到381.5 m3，加砂量為46.3 m3，平均砂比為22.4%，施工排量為4.2～6.5 m3/min，壓裂施工過程順利，無井下復雜事故出現，破膠后返排液的黏度為3.3～3.8 mPa·s，返排施工順利，達到了施工設計的要求。

該井壓裂后日產氣量較高，與同區塊內使用常規羥丙基胍膠壓裂液施工的鄰井X-25 井相比，產氣量明顯增高。XS-1 井使用超低濃度多元改性胍膠壓裂液體系施工后日產氣量能穩定在1 200 m3以上，而使用常規羥丙基胍膠壓裂液施工的X-25 井日產氣量只有800 m3左右，說明研制的超低濃度多元改性胍膠壓裂液體系起到了良好的壓裂增產效果，可以在類似煤層氣區塊繼續推廣應用。

4 結 語

1）將胍膠粉經過堿化、醚化反應進行改性后，制備了一種新型多元改性胍膠DX-HPG，并以此為主要處理劑，研究出了1 種適合煤層氣儲層壓裂施工用的超低濃度多元改性胍膠壓裂液體系。

2）超低濃度多元改性胍膠壓裂液體系具有良好的耐剪切性能、攜砂性能和破膠性能，其殘渣含量明顯低于相同濃度的羥丙基胍膠壓裂液，且其破膠液的表面張力較低，能夠壓裂后返排施工的要求。

3）超低濃度多元改性胍膠壓裂液體系對目標區塊儲層段煤巖心的滲透率損害率小于13%，損害率遠低于常規羥丙基胍膠壓裂液，具有低傷害特點。

4）現場應用結果表明，XS-1 井使用超低濃度多元改性胍膠壓裂液體系施工后，日產氣量明顯高于同區塊內使用常規羥丙基胍膠壓裂液施工的X-25井，達到了良好的壓裂增產效果。