煤層氣井用新型活性水壓裂液體系研究及應用

劉鈺瑩，韓同方，何亞銳，張 溫，應 敏

1長江大學地球科學學院2中石化勝利石油工程有限公司井下作業公司3中國石油西南油氣田公司工程技術研究院4中國石油長慶油田分公司第二采油廠工藝研究所5中國石油青海油田分公司勘探開發研究院

0 引言

中國的煤層氣資源十分豐富，其中沁水盆地煤層氣的儲量和勘探開發程度均較高，具有較廣闊的開發利用前景［1-3］。煤層氣儲層由于其特殊的地質構造及賦存狀態，往往需要采用壓裂增產的方式來獲得工業氣流［4-8］。目前用于煤層氣儲層的常用壓裂液體系主要包括活性水壓裂液、胍膠壓裂液、泡沫壓裂液以及清潔壓裂液等，其中活性水壓裂液的應用最為廣泛［9-13］。

本文在調研分析煤層氣井常規活性水壓裂液體系優缺點的基礎上，通過對防膨劑、防水鎖劑和煤粉懸浮劑等主要處理劑的優選及性能評價實驗，研制出了一套新型活性水壓裂液體系，在室內對其綜合性能進行了評價，并在沁水盆地南部某煤層氣區塊成功開展了礦場試驗，取得了良好應用效果，為豐富煤層氣壓裂液的理論及技術實踐提供一定的借鑒。

1 新型活性水壓裂液體系主要處理劑優選及配方確定

1.1 防膨劑優選

室內參照SY T 5971—2016《油氣田壓裂酸化及注水用粘土穩定劑性能評價方法》，評價了幾種防膨劑的防膨效果，將其中的鈉膨潤土換成粉碎過篩并處理后的現場儲層段煤巖，防膨劑加量均為2.0%，實驗結果見圖1。

圖1 防膨劑性能評價結果

由圖1結果可知，不同類型的防膨劑對現場儲層段煤巖均具有一定的防膨效果，其中防膨劑FP-102的效果最好，當其加量為2.0%時，防膨率能夠達到90%以上。因此，選擇2.0%FP-102作為新型活性水壓裂液體系的防膨劑。

1.2 防水鎖劑優選

為提高壓裂液的返排效率，降低水鎖損害程度，通常選擇在壓裂液中加入防水鎖劑（表面活性劑）來實現。室內通過測定水溶液的表面張力以及煤巖表面接觸角的方式對幾種表面活性劑的性能進行了評價，實驗結果見表1。

表1 防水鎖劑性能評價結果

由表1結果可知，不同類型的表面活性劑均能顯著降低溶液的表面張力，并能對煤巖表面的接觸角產生不同程度的影響。而由毛細管阻力方程P c＝2σ·cosθ/r可知，表面張力和接觸角都能對毛細管阻力產生影響，毛細管阻力的大小與σ·cosθ值成正比，即σ·cosθ值越小，則毛細管阻力則越小。因此，綜合以上實驗結果，當表面活性劑FSZ-20的加量為0.3%時，σ·cosθ值最小為19.42，此時的毛細管阻力最小，所以選擇0.3%FSZ-20作為新型活性水壓裂液體系的防水鎖劑。

1.3 煤粉懸浮劑性能評價

室內采用現場不同粒徑的煤粉對煤粉懸浮劑XMF-03的性能進行了評價，實驗方法為：在100 mL活性水壓裂液（2.0%FP-102+0.3%FSZ-20）中加入不同質量濃度的煤粉懸浮劑XMF-03，然后再分別加入5 g不同粒徑的煤粉，記錄煤粉沉降的時間，實驗結果見表2。

表2 煤粉懸浮劑性能評價結果

由表2結果可知，煤粉粒徑越大，沉降時間越短，隨著煤粉懸浮劑XMF-03濃度的增大，煤粉沉降時間越來越長。對于粒徑為0.1～0.3 nm和0.3～0.05 nm的煤粉，煤粉懸浮劑XMF-03的質量濃度為0.6%時，24 h后仍能使煤粉保持均勻懸浮的狀態，而對于粒徑為0.5～0.8 nm的煤粉，XMF-03的質量濃度為0.8%時，才能使煤粉在24 h后仍保持均勻懸浮的狀態，即XMF-03的濃度越大，懸浮煤粉的效果越好。綜合考慮經濟因素，選擇0.8%XMF-03作為新型活性水壓裂液體系的煤粉懸浮劑。

1.4 新型活性水壓裂液體系配方

綜合以上主要處理劑優選評價實驗的結果，最終確定新型活性水壓裂液體系的配方為：2.0%防膨劑FP-102+0.3%防水鎖劑FSZ-20+0.8%煤粉懸浮劑XMF-03。

2 新型活性水壓裂液體系性能評價

2.1 壓裂液常規性能評價

室內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》，對比活性水壓裂液技術指標，對研制的新型活性水壓裂液體系的常規性能進行了評價，實驗結果見表3。

表3 新型活性水壓裂液體系常規性能測試結果

由表3可知，研制的新型活性水壓裂液體系的各項性能測試結果均能達到標準規定的技術指標要求，說明該壓裂液體系具有良好的綜合性能，可以滿足煤層氣壓裂施工對活性水壓裂液性能的需求。

2.2 壓裂液攜砂性能

室內測定了陶粒支撐劑在新型活性水壓裂液體系中的沉降速度，以此評價壓裂液體系的攜砂性能。實驗溫度為25～60℃，支撐劑粒徑為0.425～0.500 mm，實驗結果見表4。

表4 新型活性水壓裂液體系攜砂性能

由表4可知，隨著溫度的升高，支撐劑在新型活性水壓裂液體系中的沉降速度有所增大，但增大幅度較小，當溫度為60℃時，支撐劑的沉降速度為0.795 mm/s，沉降速度較小，說明新型活性水壓裂液體系具有較好的攜砂性能，能夠滿足煤層氣儲層壓裂施工對壓裂液攜砂性能的要求。

2.3 壓裂液對煤層氣解吸的影響

室內對比評價了干燥煤樣以及經過新型活性水壓裂液和常規胍膠壓裂液破膠液處理后的煤樣的常壓解吸量，實驗用煤樣均取自現場儲層段，實驗溫度為25℃，解吸實驗時間為360 min，實驗結果見圖2。

圖2 壓裂液對煤層氣解吸量的影響

由圖2可知，干燥煤樣在360 min的累計解吸量為7.98 cm3/g，經過新型活性水壓裂液處理后煤樣的累計解吸量仍可以達到7.83 cm3/g，與干燥煤樣相差不大；而使用常規胍膠壓裂液破膠液處理后煤樣的累計解吸量只有5.91 cm3/g，與干燥煤樣相比解吸量明顯降低。這是由于相比較于常規胍膠壓裂液破膠液而言，新型活性水壓裂液體系中含有的防水鎖劑等表面活性劑能夠通過改變表面張力來降低毛細管壓力，進而降低水鎖效應的損害程度，使氣體更容易從孔隙中解吸出來，所以其解吸量較大，能夠滿足煤氣儲層壓裂增產的需求。

2.4 壓裂液對煤巖心滲透率的影響

按照NB/T 10034—2016《煤層氣藏用水基壓裂液性能評價方法》中煤心滲透率損害率測定方法，對比評價了新型活性水壓裂液體系和常規胍膠壓裂液破膠液對現場儲層段煤巖心滲透率的影響，實驗結果見表5。

表5 壓裂液對煤巖心滲透率的影響實驗結果

由表5可知，新型活性水壓裂液體系對現場儲層段煤巖心的滲透率損害率小于15%，遠小于常規胍膠壓裂液破膠液的30%左右，說明研制的新型活性水壓裂液體系具有良好的低損害特性，不會在壓裂施工過程中對煤儲層造成較高的損害。

3 礦場應用效果

新型活性水壓裂液體系在沁水盆地南部某煤層氣區塊成功進行了礦場應用試驗，施工的5口煤層氣井均達到了壓裂施工的工藝要求，未發生煤粉卡泵等井下復雜事故，施工過程順利，成功率達到100%，5口井的具體施工參數及壓裂效果見表6。

表6 新型活性水壓裂液現場壓裂施工效果

由表6可以看出，現場5口煤層氣井使用新型活性水壓裂液體系壓裂施工后，日產氣量均超過1 000 m3，取得了良好的壓裂增產效果，具有較好的推廣應用前景。

4 結論

（1）室內通過對防膨劑、防水鎖劑和煤粉懸浮劑等主要處理劑的優選及評價實驗，研制了一套適合煤層氣井壓裂施工用的新型活性水壓裂液體系，其具體配方為：2.0%防膨劑FP-102+0.3%防水鎖劑FSZ-20+0.8%煤粉懸浮劑XMF-03。

（2）綜合性能評價結果表明，該壓裂液體系能夠滿足煤層氣藏用活性水壓裂液行業標準規定的各項技術指標；與干燥煤樣相比，該壓裂液對煤層氣的解吸量影響不大；壓裂液體系具有較好的攜砂性能；另外，該壓裂液體系對煤巖心的滲透率損害率小于15%，具有低損害特性，能夠滿足煤層氣井壓裂施工對壓裂液性能的要求。

（3）礦場應用結果表明，5口煤層氣井使用研制的新型活性水壓裂液體系施工后，均取得了良好的壓裂增產效果，表明該活性水壓裂液體系能夠在煤層氣儲層壓裂施工中進一步展開推廣。