煤層氣井壓裂用新型煤粉分散劑研究

孟照峰

（中國石化集團國際石油工程有限公司，河南 濮陽 457001）

水力壓裂是煤層氣儲層增產改造最常用的技術手段之一[1-3]。煤層通常具有抗壓強度弱、易碎以及易壓縮的特點，在壓裂施工過程中由于壓裂液的高速沖刷、支撐劑的打磨以及儲層應力狀態改變等因素作用，容易產生大量的煤粉，由于煤粉具有密度小和疏水性強的特點，極易在裂縫中積聚，并且難以返排，從而對壓裂支撐裂縫產生嚴重的堵塞；另外，煤粉的積聚還容易造成卡泵、埋泵的現象，嚴重影響了煤層氣儲層水力壓裂的施工效率[4-8]。目前，針對壓裂過程中煤粉的防治措施研究，大多是從壓裂施工工藝優化方面入手，通過調整施工參數、選擇圓度較高的支撐以及壓裂后盡快返排等措施來控制煤粉[9-11]。同時，還有很多學者開展了壓裂用煤粉懸浮分散劑的研究工作，煤粉懸浮分散劑主要由表面活性劑組成，其能通過降低溶液的表面張力以及改變煤粉表面潤濕性等作用來提高煤粉的懸浮分散性能，使煤粉在壓裂液的返排過程中更容易被攜帶出來，降低煤粉對地層裂縫以及井筒的堵塞程度，提高煤層氣儲層壓裂施工的效率[12-16]。因此，通過調研分析目前常用的煤粉懸浮分散劑類型及作用機理，結合目標煤層氣區塊儲層特點，研制了一種新型煤粉分散劑MFFS-2，通過室內實驗評價了其表面活性、潤濕性能、煤粉懸浮分散性能、對煤粉產出率的影響以及對煤巖基質滲透率的傷害等，并在S 區塊煤層氣井壓裂施工過程中進行了成功應用，為煤層氣儲層壓裂過程中煤粉的防治技術研究提供一定的借鑒和參考。

1 實驗部分

1.1 主要實驗材料及儀器

1）實驗材料。新型煤粉分散劑MFFS-2（主要由非離子表面活性劑A、陰離子表面活性劑B 和多元有機醇胺組成）為自制；辛基酚聚氧乙烯醚OP-10（非離子型）、十二烷基硫酸鈉SDS（陰離子型）、十八烷基三甲基氯化銨1813（陽離子型），山東一輝化工有限公司；100～200 μm 煤粉（使用目標區塊煤層氣儲層段煤樣粉碎而成）；830～380 μm 石英砂，靈壽縣巨星礦產品加工廠；煤巖心（使用目標區塊煤層氣儲層段煤樣制成，長度6.5 cm，直徑2.5 cm）；標準鹽水（使用蒸餾水和無機鹽配制而成）。

2）實驗儀器。HARKE-SFT-A1 表面張力儀、HARKE-SPCA-X3 接觸角測量儀，北京哈科試驗儀器廠；ZHFW-4A 粉末壓片機，CSBSHA-C 超聲波振蕩器，常州金壇良友儀器有限公司；填砂管，衡水市廣興濾材有限公司；2PB 系列平流泵，北京星達科技發展有限公司；高溫高壓巖心驅替實驗裝置，海安縣石油科研儀器有限公司。

3）新型煤粉分散劑MFFS-2 的制備。首先，將非離子表面活性劑A、陰離子表面活性劑B 和清水按照體積比為5∶3∶2 的比例進行混合，在50 ℃下攪拌30 min（控制轉速為600 r/min），然后再按體積分數為5%的比例加入多元有機醇胺，繼續在相同的溫度和轉速下攪拌10 min，攪拌均勻后冷卻至室溫，即可得到新型煤粉分散劑MFFS-2。

1.2 實驗方法

1）表面活性。使用清水分別配制不同類型的分散劑溶液，攪拌均勻后，使用表面張力儀測定不同分散劑溶液的表面張力值。

2）潤濕性能。稱取一定量的煤粉，使用粉末壓片機在10 MPa 條件下將煤粉壓制成表面光滑的煤粉片，然后浸泡在不同類型的分散劑溶液中，浸泡時間為12 h，取出煤粉片烘干，使用接觸角測量儀測定清水在煤粉片表面的接觸角。

3）煤粉懸浮分散性能。準確稱取5 g 煤粉于燒杯中，加入不同類型的分散劑溶液100 mL，使用超聲波振蕩器將煤粉混合溶液振蕩搖勻，將混合均勻的懸浮液置于100 mL 的量筒中靜置觀察，放置一段時間后分別吸取量筒中部的懸浮液進行過濾，將過濾出的煤粉烘干、稱重，并與初始煤粉質量相比計算出煤粉的懸浮率。

4）對煤粉產出的影響。稱取一定量的煤粉和石英砂，混合均勻后裝入30 cm 長的填砂管中，在一定的壓力條件下壓實制成填砂管巖心，然后使用平流泵在流速為5 mL/min 的條件下注入分散劑溶液或壓裂液，收集一定時間后出口端的驅替出液，過濾后烘干、稱重，并計算煤粉產出率。

5）對煤巖基質的傷害性能。參照能源行業標準NB/T 10034—2016《煤層氣藏用水基壓裂液性能評價方法》（煤心滲透率傷害率測定部分），評價了不同實驗介質對目標區塊儲層段煤巖基質滲透率的傷害性能。具體實驗步驟為：①使用目標區塊儲層段煤巖制備成直徑為2.5 cm 的柱狀煤巖心，然后將煤巖心飽和標準鹽水；②在溫度為50 ℃，環壓為4 MPa 下使用高溫高壓巖心驅替實驗裝置測定煤巖心的初始滲透率，驅替流體為標準鹽水，驅替流速為0.5 mL/min；③使用中間容器注入1 PV 的分散劑溶液或者壓裂液，然后關閉驅替裝置進出口端閥門，停留2 h；④繼續使用標準鹽水在相同的實驗條件下測定煤巖心污染后的滲透率，并計算滲透率損害率。

2 實驗結果

2.1 表面活性

不同類型分散劑溶液表面活性如圖1。

圖1 不同類型分散劑溶液表面活性Fig.1 Surface activity of different dispersant solutions

由圖1 可知：在清水中加入不同類型的分散劑后，溶液的表面張力值均有所下降，且隨著分散劑質量分數的增大，表面張力值逐漸降低；其中新型煤粉分散劑MFFS-2 降低表面張力的效果最好，表面活性明顯優于其他3 種表面活性劑；當其加量為0.3%時，溶液的表面張力值可以降低至25 mN/m 以下，再繼續增大表面活性劑質量分數，表面張力值基本不再變化。

2.2 潤濕性能

不同類型分散劑溶液潤濕性能如圖2。

圖2 不同類型分散劑溶液潤濕性能Fig.2 Wettability of different dispersant solutions

由圖2 可知：未經分散劑溶液浸泡處理的煤粉片表面接觸角為115.3 °，表現出較強的疏水性，而經過不同類型分散劑溶液浸泡處理后的煤粉片表面接觸角均出現明顯的減小現象，且隨著分散劑溶液質量分數的逐漸增大，接觸角逐漸減小；其中陽離子表面活性劑1813 和非離子表面活性劑OP-10 改變煤粉片表面潤濕性的效果稍差，當其加量為0.3%時，接觸角可以降低至80 °左右；而新型煤粉分散劑MFFS-2 和陰離子表面活性劑SDS改變煤粉片表面潤濕性的效果較好，當其加量為0.3%時，接觸角分別可以降低至59.6 °和42.1 °，使煤粉表面由疏水轉變為親水。煤粉表面親水性的增強有利于煤粉在水溶液中的懸浮分散，可以有效防止煤粉顆粒之間的積聚沉降。

煤巖表面過于親水會增大煤層氣儲層壓裂液返排時“水鎖”現象的發生概率，降低壓裂返排效率，進而對施工效果產生一定的影響[17]。因此，在選擇壓裂用煤粉分散劑時應綜合考慮煤粉分散效果以及對后期壓裂施工的影響。

2.3 煤粉懸浮分散性能

分散劑的質量分數均為0.3%時，不同類型分散劑溶液對煤粉的懸浮率如圖3。

圖3 不同類型分散劑溶液對煤粉的懸浮率Fig.3 Suspension rate of different dispersant solutions on pulverized coal

由圖3 可知：不同類型的分散劑溶液對目標區塊煤粉的懸浮分散效果差異較大，其中陽離子型分散劑1813 的懸浮分散效果最差，非離子型分散劑OP-10 和陰離子型分散劑SDS 的懸浮分散效果一般，而新型煤粉分散劑MFFS-2 的懸浮分散性能最好，當靜置時間為2 h 時，煤粉懸浮率可以達到50%以上，而當靜置時間延長至10 h 時，煤粉懸浮率仍能保持在30% 以上，說明其對煤粉具有良好的懸浮能力。這是由于新型煤粉分散劑MFFS-2 可以通過降低水溶液表面張力、改變煤粉顆粒表面的潤濕性以及增大空間位阻效應等方式來提高煤粉在水溶液中的懸浮能力，另外，分散劑還可以通過吸附在煤粉顆粒表面來降低顆粒之間的黏附作用力，使煤粉更容易在水溶液中分散懸浮。

2.4 對煤粉產出的影響

分散劑的質量分數均為0.3%，煤粉和石英砂的質量比例為5:95，活性水壓裂液的配方為0.1%減阻劑BJZ-1+0.2%助排劑BZP-3+1.5%KCl，不同類型分散劑溶液驅替時煤粉的產出率如圖4。

圖4 不同類型分散劑溶液驅替時煤粉的產出率Fig.4 Output rate of pulverized coal in solution displacement with different types of dispersants

由圖4 可知：隨著驅替時間的延長，不同類型的分散劑溶液和活性水壓裂液驅替時的煤粉產出率逐漸升高，其中活性水壓裂液驅替3 h 時煤粉產出率可以達到25.6%，仍有大量煤粉未被排出；而使用新型煤粉分散劑MFFS-2 驅替時煤粉產出率最高，當驅替時間為2 h 時，煤粉產出率可以達到60%以上，遠遠高于其他分散劑和活性水壓裂液。這說明新型煤粉分散劑MFFS-2 可以將煤層氣儲層壓裂過程中產生的煤粉攜帶出來，有效降低煤粉對裂縫造成的堵塞傷害程度，提高煤層氣儲層壓裂施工的效果。

2.5 對煤巖基質的傷害性能

煤巖基質滲透率傷害性能實驗結果見表1。

表1 煤巖基質滲透率傷害性能實驗結果Table 1 Experimental results of permeability damage performance of coal rock matrix

由表1 可知，使用0.3%MFFS-2 污染后的煤巖心基質滲透率傷害率為7.6%，明顯小于使用活性水壓裂液污染后的滲透率傷害率；而在活性水壓裂液中加入0.3%MFFS-2 后，煤巖心的基質滲透率傷害率比單獨使用活性水壓裂液時有所降低，說明新型煤粉分散劑MFFS-2 具有良好的低傷害特性，能夠有效減輕煤層氣儲層壓裂施工過程中壓裂液對煤巖基質的傷害程度，起到一定的儲層保護效果。

3 現場應用

S 區塊位于鄂爾多斯盆地東部地區，區塊內煤巖主要以半亮煤～暗煤為主，主力煤層為5#煤層，顯微組分以鏡質組和惰質組為主，其中鏡質組含量在70%以上，惰質組含量在20%左右，基本不含半鏡質組和殼質組。煤儲層中的小孔及微孔隙所占比例較大，孔隙度主要分布在0.94%～9.36%之間，平均為4.65%；滲透率主要分布在0.015～71.657×10-3μm2，平均為1.592×10-3μm2。目標區塊煤層的非均質性較強，破碎程度較高，整體性較差，在壓裂施工過程中容易產生大量的煤粉，區塊內前期主要采用活性水壓裂液體系進行壓裂施工，其煤粉攜帶效果較差，壓裂施工后煤粉堵塞裂縫孔隙，造成壓后產氣量下降較快。因此，在S 區塊煤層氣井用活性水壓裂液中加入新型煤粉分散劑MFFS-2 來解決煤粉攜帶效果差的問題。

根據S 區塊煤層氣儲層特點，結合上述新型煤粉分散劑MFFS-2 性能評價結果，設計了現場壓裂施工的具體實施方案，以S-1 井為例，首先按照活性水壓裂液體系配方（具體見2.4）配制壓裂液，然后加入質量分數為0.3% 的新型煤粉分散劑MFFS-2，形成新型活性水壓裂液體系；前置壓裂施工階段排量控制在1.2～7.9 m3/min，施工壓力為6.9～22.8 MPa，攜砂壓裂施工階段排量控制在7.6～7.9 m3/min，施工壓力為17.2～28.6 MPa；該井壓裂施工共計注入新型活性水壓裂液816 m3，共加入0.425～0.85 mm 的石英砂41 m3，平均砂比為9.4%，達到了設計要求的加砂量。S-1 井壓裂施工過程順利，壓后開展排采作業，目標區塊S-1 井排采曲線如圖5。

圖5 目標區塊S-1 井排采曲線Fig.5 Drainage production curves of well S-1 in target block

由圖5 可知：S-1 井初期日產水量在0.5 m3左右，經歷3 個月排采后，日產水量達到1.5 m3左右，日產氣量在500 m3左右，隨著排采時間的延長，日產水量逐漸趨于穩定，日產氣量提升幅度明顯，最高可以達到1 400 m3左右，截至目前平均日產氣量達到1 150 m3以上，取得了良好的壓裂增產效果。另外，該井在排液初期階段攜帶出了大量的煤粉，沒有發生煤粉卡泵現象，達到了預期的壓裂施工效果。

S 區塊不同煤層氣井壓裂施工效果見表2。

表2 S 區塊不同煤層氣井壓裂施工效果Table 2 Fracturing effect of different CBM wells in block S

可以看出：隨著排采時間的延長，不同煤層氣井日產氣量均呈現出先增大后減小的趨勢。其中采用常規活性水壓裂體系施工的8 口煤層氣井的平均日產氣量基本均在800 m3左右，而采用加入煤粉分散劑MFFS-2 的新型活性水壓裂液體系施工的5 口煤層氣井的平均日產氣量則均可以達到1 100 m3左右，產氣量明顯升高。這說明新型煤粉分散劑MFFS-2 的加入能夠有效預防煤粉堵塞現象的發生，大大提升活性水壓裂液體系的壓裂增產效果，具有良好的推廣應用前景。

4 結語

1）新型煤粉分散劑MFFS-2 具有良好的表面活性和潤濕性能，當其質量分數為0.3%時，可以將表面張力降低至25 mN/m 以下，將目標區塊煤粉表面的接觸角降低至60°以下。

2）新型煤粉分散劑MFFS-2 對目標區塊煤粉具有良好的懸浮分散和攜帶效果，懸浮液靜置10 h時煤粉懸浮率仍能達到30%以上，驅替2 h 后煤粉產出率可以達到60%以上。另外，新型煤粉分散劑MFFS-2 對目標區塊煤巖心基質滲透率的傷害率較低，將其加入活性水壓裂液中可以有效降低壓裂液體系對煤巖心滲透率的傷害程度。

3）現場應用結果表明，S-1 井使用加入新型煤粉分散劑MFFS-2 的新型活性水壓裂液體系施工后，壓裂施工過程順利，在排采初期排出液中攜帶出大量的煤粉，壓后日產氣量較高。與S 區塊內采用常規活性水壓裂液施工的煤層氣井相比，采用加入新型煤粉分散劑MFFS-2 后的新型活性水壓裂液使用的煤層氣井平均日產氣量明顯提高，取得了良好的壓裂施工效果。