促進致密煤巖儲層快速脫氣的壓裂液優選

陳 飛，池曉明，康毅力，王祖文，白鋒軍

(1.油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室 西南石油大學，四川 成都 610500;2.中油川慶鉆探工程有限公司，陜西 西安 710000)

引 言

隨著國家對天然氣需求量的日益增大，儲量巨大的煤層氣資源越來越受到人們的關注。中國煤層氣資源量位居世界第三，但大部分煤層氣為低壓、低孔、低滲、低飽和資源［1］，開發難度大，必須通過水力壓裂才能獲得工業產能［2］。由于煤巖儲層具有吸附性強、裂隙發育等特征，使進入煤巖儲層的壓裂液極容易對儲層造成損害，影響開發效果［3］。從低成本、低損害方面考慮，目前國內應用于煤巖儲層的壓裂液主要包括活性水壓裂液體系、清潔壓裂液體系、胍膠壓裂液體系和泡沫壓裂液等［4－16］。煤層氣的產出是解吸—擴散—滲流的多尺度產氣機理［17－19］，然而，解吸過程作為煤層氣產氣最重要的環節之一，在壓裂液評價中往往被忽略。庚勐、孫粉錦等指出在煤層氣井壓裂施工過程中，壓裂液對煤巖儲層的損害不僅體現在宏觀的滲流能力降低方面，更體現在阻滯煤巖基質表面氣體的吸附/解吸進程上［20］。優質壓裂液能夠促使煤層氣快速脫附，不但可以提高初期煤層氣井的產量，也能夠維持甚至提高近井帶快速脫氣的煤巖儲層的滲透率，達到最終提高產量的效果。因此，以寧武盆地煤巖為研究對象，開展了活性水壓裂液、微乳液壓裂液體系、清潔壓裂液評價實驗。

1 煤層氣壓裂快速脫氣液體評價

1.1 實驗儀器

實驗儀器采用煤巖儲層壓裂液損害評價儀和煤巖解吸附實驗裝置及數據采集系統。

1.2 壓裂液對煤巖的損害評價

對6種壓裂液進行損害實驗，步驟如下:①將制備好的巖心裝入巖心夾持器，裝好流程;②正向驅替地層水，驅替液量為巖心孔隙體積的10倍以上，測定巖心滲透率K1，作為基準液測滲透率;③反向驅替壓裂液，驅替液量為巖心孔隙體積的2倍以上，停止驅替，靜置;④正向驅替地層水，直至流量穩定，測得壓裂液損害后巖心滲透率K2。

結果見表1。

表1 壓裂液對煤巖的損害評價

損害實驗的巖心采用煤粉壓制而成，非均質性會產生5%左右的誤差。由表1可知，微乳壓裂液Ⅱ對于煤巖的損害最小;清潔壓裂液Ⅰ由于分子鏈較長，使用濃度較大，超過了臨界膠束濃度，發生膠團吸附，對滲透率有一定損害，因此損害率最大;鹽溶液具有一定的穩定黏土作用，損害較小;其他幾種壓裂液體系與清水相當。

1.3 壓裂液對煤粉的潤濕性

采用壓裂液破膠溶液浸泡煤粉，清水在浸泡過的煤粉片表面的動態接觸角見表2。由表2可知，煤巖水具有一定的潤濕性，陽離子可以增加憎水性，非離子可以保持煤巖水潤濕性，陰離子會增加煤樣水潤性。5種壓裂液中，活性水由于含陰離子表面活性劑，增大煤巖水潤接觸角，有利于水在煤巖表面鋪展，對排液不利;清潔壓裂液由于濃度較高，發生了雙層吸附，使煤巖水潤性增加;微乳壓裂液Ⅰ比微乳壓裂液Ⅱ水潤接觸角變化大，更不利于排液;實驗表明，微乳壓裂液Ⅱ改變水潤接觸角最小，相對更有利于排液。

表2 壓裂液處理煤粉片后的水潤接觸角

1.4 煤樣解吸附實驗

(1)實驗步驟。①試壓，向壓力容器中注入氮氣，用6 MPa穩定試壓檢測是否漏氣;②裝煤粉，向壓力容器中裝入30 g一定粒徑的煤粉;③運行軟件采集數據;④水浴加熱，設置恒溫25℃;⑤吸附，向壓力容器中注入甲烷，達到5 MPa后關閉進氣閥，吸附12 h;⑥注入、排出準備好的液體;⑦解吸，打開測量容器進氣閥，測得不同解吸壓力下的解吸量;⑧整理儀器。

(2)解吸條件。煤巖質量為30 g;實驗溫度為25℃;煤巖尺寸:割理顆粒;吸附條件為5 MPa，12 h;排液條件:排出壓力容器中30%的液體。

(3)實驗結果。按照步驟進行解析量評價，不同入井液對煤巖解吸影響用解吸恢復率評價，其計算公式為:

式中:η為解吸恢復率;V1為某種液體煤粉總解吸量，mL;V為干煤粉總解吸量，mL。

利用式(1)計算可得不同入井液注入煤巖排 液后的解吸恢復率(表3)。

表3 不同工作液與煤巖接觸后的解吸量(排液)

由表3可知，在相同的實驗下，干煤粉的解吸量為388.4 mL，鹽溶液和非離子表面活性劑樣品注入煤巖后的解吸量比較大，達到了310.9 mL以上，比干煤樣的解吸量減少了77.5 mL，而解吸量少的是清潔壓裂液Ⅰ，僅為254.1 mL，比干煤樣的解吸量減少了134.3 mL。由表1可知，解吸恢復率最大的是鹽溶液和非離子表面活性劑，達到80%;解吸恢復率最小的入井液為活性水，為65.4%。

1.5 壓裂液體系優選

實驗表明，清潔壓裂液濃度較高，發生雙層吸附，使煤巖水潤性增加，損害相對較大，并且同等條件下清潔壓裂液Ⅰ解吸較小;活性水由于黏度較低，不利于攜砂，在復雜結構的煤巖儲層不利于壓裂施工。由于煤表面具有一定的憎水性，可以通過單獨使用表面活性劑進行復配達到同樣的效果。根據以上研究成果，確定使用適當鏈長的雙鏈陽離子表面活性劑與非離子表面活性劑進行復配形成微乳助排劑，作為煤層氣高效脫附添加劑。

微乳壓裂液中主要成分為適于煤層壓裂液的雙鏈陽離子表面活性劑，由于電荷密度大，鏈長適中，化學吸附在煤巖表面，不容易形成多層吸附，可大幅度提高煤巖水潤接觸角，使液體更少進入煤巖微孔隙中;水膜更少、更薄，更有利于微孔隙中氣體脫附，而微乳壓裂液Ⅱ比微乳壓裂液Ⅰ水潤接觸角變化小，有利于返排。綜合分析研究表明，采用1.0%KCl+0.6%微乳助排劑Ⅱ壓裂液體系更有利于壓裂施工液體返排，損害小，并且有利于促進氣體解吸。

2 現場應用

促進快速脫氣壓裂液體系從2012年至今在山西寧武盆地煤層氣井應用多井次，均取得良好的效果。

圖1 1井與2井的生產動態對比

圖1為同一井組的2口直井，此井組采用相同排采制度，1井采用1.0%KCl+0.6%微乳助排劑壓裂液，2井采用的是清潔壓裂液體系Ⅰ。1井比2井早產氣63 d，采用了促進快速脫氣壓裂液體系的1井，在液面降至445 m就有煤層氣產出，而通過計算，該井組理論解吸深度為612 m，2井和同井組其他3口井全部在解吸液面附近開始有氣產出，說明部分氣體由于壓裂液的置換作用，在未到達理論解吸液面的時候提前被置換出來，實現了促進煤層氣解吸的效果。1井初期產氣量較高，峰值為876 m3/d，而2井峰值為556 m3/d;1井300 d內總產氣量為13203 m3，而2井總產氣量為10178 m3;在動液面同為700 m的時候，1井比2井產氣總量多8784 m3。

3 結論

(1)6種常規的壓裂液體系對寧武煤巖儲層損害都小于21.93%，損害程度屬于弱—中等偏弱，其中0.5%微乳壓裂液Ⅱ損害只有8.83%。

(2)采用微乳助排劑有利于煤層氣的置換解吸，而鹽水壓裂液體系具有損害小、成本低的特點，最終優選出了1.0%KCl+0.6%微乳助排劑壓裂液體系。該壓裂液體系表面張力低，煤巖水潤接觸角大，減少了水膜的形成和鋪展，入井液體返排效率高。室內實驗表明，新壓裂液體系確實能促進細微孔喉中的氣體釋放。

(3)新壓裂液現場試驗1井比2井早產氣63 d，并且第1次產氣峰值1井比2井高320 m3，表明在煤層氣井排采初期，水力壓裂產生的煤巖新表面、裂縫及大孔道中吸附氣可以快速解吸，滲流通暢，可獲得高產氣井。

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