適合煤層氣儲層的新型清潔壓裂液體系研究與應用

秦祝卿， 劉 剛， 劉彥青， 楊文斌， 范錦鋒， 宋 琦

(1長江大學地球科學學院 2中國石油渤海鉆探工程公司鉆井技術服務分公司 3中國石油集團渤海鉆探工程公司定向井分公司 4中國石油集團渤海鉆探工程公司第四鉆井工程分公司 5中國石油集團渤海鉆探工程公司井下作業分公司)

煤層氣儲層與常規油氣儲層相比具有脆性強、吸附性強、割理發育以及壓力低等特點，在壓裂施工過程中容易引起砂堵、煤粉沉積堵塞、壓裂液吸附以及壓裂液返排困難等問題，這就要求煤層氣儲層壓裂液的性能與其他常用油氣儲層壓裂液存在一定的區別[1]。主要表現為壓裂液要與煤儲層巖石和流體配伍性良好，降低壓裂液吸附和反應造成的煤儲層損害；由于煤儲層存在割理發育，要求壓裂液足夠清潔，除配制用水水質達到要求外，還應使壓裂液破膠后的殘渣含量較低，避免堵塞煤層孔隙；此外，煤層氣儲層用壓裂液還應該滿足煤巖防膨、降低摩阻、降低濾失量以及提高返排效率等方面的要求。

目前，國內外針對煤層氣儲層常用的壓裂液體系主要包括線性膠壓裂液、活性水壓裂液、泡沫壓裂液以及清潔壓裂液等[2-10]，其中線性膠壓裂液存在破膠不徹底、殘渣含量高以及返排困難等缺點，易對煤儲層造成二次損害；活性水壓裂液則存在攜砂能力差以及造縫效率低的缺陷，影響壓裂增產效果；泡沫壓裂液存在施工成本高、工藝復雜以及返排難以控制等缺點，限制了其大規模的應用。而清潔壓裂液通常具有攜砂能力強、對儲層的損害小、破膠徹底無殘渣以及摩阻較小等優點，近年來在煤層氣壓裂施工中的研究及應用越來越多[11-16]。

清潔液壓裂液的核心處理劑是黏彈性表面活性劑，根據以往研究經驗及結果，由于煤儲層表面通常帶有負電荷，陰離子型表面活性劑與煤儲層接觸時，在靜電斥力的作用下，使煤層微粒運移程度加劇，容易對煤儲層造成嚴重的損害；而陽離子型和非離子型表面活性劑由于不含與煤層表面電荷相互排斥的基團，其對煤儲層的損害程度則相對較小[17-18]。因此，本文以陽離子型表活性劑和非離子型表面活性劑作為主劑，輔助以助表面活性劑和KCl，研制了一種適合煤層氣儲層的新型清潔壓裂液體系，在分析了壓裂液體系成膠機理的基礎上，室內對其綜合性能進行了評價，并成功在沁水盆地某煤層氣區塊開展了現場應用，以期為煤層氣的高效合理開發提供一定的技術支持和借鑒。

一、煤層氣儲層新型清潔壓裂液成膠機理及體系配方

1. 成膠機理

清潔壓裂液體系以黏彈性表面活性劑為主劑，隨著溶液中黏彈性表面活性劑濃度的不斷增大，直至達到臨界膠束濃度時，水溶液中首先會形成大量的球狀膠束，再繼續增大表面活性劑的濃度，球狀膠束會逐漸轉變為棒狀膠束；此時，在反離子或助表面活性劑的作用下棒狀膠束會繼續生長為更長的蠕蟲狀膠束，隨著蠕蟲狀膠束的不斷生長，膠束鏈互相纏繞交疊，形成類似高分子溶液的網狀結構，使溶液呈現出一定的黏彈性能，從而滿足煤層氣儲層壓裂施工的需要[19-20]。

2. 體系配方

室內通過大量的優化評價實驗，確定了兩種黏彈性表面活性劑的類型及合適加量，并通過黏度測定和配伍性實驗，優選出了合適的助表面活性劑和防膨劑，最終研制出的適合煤層氣儲層的新型清潔壓裂液體系配方為：1.0%SE-1(非離子型黏彈性表面活性劑)+0.3%SY-2(陽離子型黏彈性表面活性劑)+0.5%ZRT-10(助表面活性劑)+1.5%KCl(防膨劑)。

二、實驗部分

1. 主要實驗材料及儀器

實驗材料：非離子型黏彈性表面活性劑SE-1、陽離子型黏彈性表面活性劑SY-2，實驗室自制；助表面活性劑ZRT-10、破膠劑PJS-3、KCl、煤油，上海凱爾化學品有限公司；20～40目陶粒，天虹石油壓裂支撐劑有限責任公司；煤巖心，使用目標區塊煤儲層煤粉壓制而成。

實驗儀器：HAAKE RS75型流變儀，上海力晶科學儀器有限公司；MST型動態線性膨脹儀，湘潭市恒一儀器有限公司；JYW-200型全自動表面張力儀，承德金和儀器有限公司；HKTY型動態巖心驅替實驗裝置，海安石油儀器有限公司。

2. 實驗方法

2.1 耐溫抗剪切性能

使用HAAKE RS75型流變儀評價新型清潔壓裂液體系的耐溫抗剪切性能，實驗溫度為60℃，剪切速率為170 s-1，剪切時間為100 min。

2.2 黏彈性能

使用HAAKE RS75型流變儀評價新型清潔壓裂液體系的黏彈性能，實驗應力設定為0.5 Pa，頻率變化范圍為0.1～10 Hz，實驗溫度為60℃。

2.3 懸砂性能

按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》對新型清潔壓裂液體系在不同溫度下的懸砂性能進行了評價，測定20～40目陶粒在壓裂液體系中的靜態沉降速度，每組實驗做三次，取其平均值。

2.4 破膠性能

在新型清潔壓裂液體系中加入不同濃度的破膠劑PJS-3，測定破膠液黏度隨時間的變化關系，并測定最終破膠液的表面張力和殘渣含量，實驗溫度為60℃。

2.5 防膨性能

在新型清潔壓裂液體系中加入0.1%的破膠劑PJS-3，使體系完全破膠，然后使用MST型動態線性膨脹儀測定煤巖心在破膠液中的防膨率。實驗壓力為3 MPa，實驗溫度為60℃，實驗時間為120 min。

2.6 對煤層的損害性能

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》評價了新型清潔壓裂液對煤巖心滲透率的損害情況，并與常規線性膠壓裂液和活性水壓裂液進行對比。

三、結果與討論

1. 耐溫抗剪切性能

圖1為新型清潔壓裂液體系黏度隨剪切時間的變化曲線，可以看出，在60℃、170 s-1的實驗條件下，壓裂液體系經過100 min的剪切后其黏度值仍可以達到30 mPa·s以上，說明新型清潔壓裂液體系具有良好的耐溫抗剪切性能，能夠滿足煤層氣儲層壓裂施工的需要。

圖1 清潔壓裂液體系耐溫抗剪切性能實驗結果

2. 黏彈性能

圖2為新型清潔壓裂液體系黏彈性能評價的結果，可以看出，在所定實驗頻率范圍內，新型清潔壓裂液體系的彈性模量G′明顯大于黏性模量G″，表現出較好的彈性結構，且其剪切穩定性能較好，屬于一種黏彈性流體。對于清潔壓裂液體系而言，具有良好的黏彈性可以提高壓裂液體系的攜砂能力，進而有助于提高煤層氣儲層壓裂施工的效率。

圖2 清潔壓裂液體系黏彈性能實驗曲線

3. 懸砂性能

表1為新型清潔壓裂液體系在不同溫度下的懸砂性能評價實驗結果，可以看出，支撐劑陶粒在新型清潔壓裂液體系中的靜態沉降速率隨著實驗溫度的升高而逐漸增大，當實驗溫度為60℃時，靜態沉降速度為0.13 mm/s，遠遠小于陶粒在清水中的沉降速度，說明新型清潔壓裂液體系具有良好的懸砂性能。這是由于清潔壓裂液屬于一種黏彈性流體，其穩定的網狀結構對陶粒的沉降能夠起到較好的阻止作用，從而可以有效避免壓裂施工過程中支撐劑過快沉降導致砂堵的現象，提高壓裂施工的效率。

表1 清潔壓裂液體系懸砂性能實驗結果

4. 破膠性能

表2為新型清潔壓裂液體系的破膠性能評價實驗結果，可以看出，隨著破膠劑PJS-3加量的逐漸增大，不同時間后的破膠液黏度值均逐漸減小，當其加量為0.1%時，60 min后破膠液的黏度值可以降低至5 mPa·s以下，使清潔壓裂液達到完全破膠。另外，加入不同濃度的PJS-3后，最終破膠液的表面張力值均較小，且均無殘渣產生。說明新型清潔壓裂液體系具有良好的破膠性能，破膠液具有一定的表面活性，有助于壓裂施工后的返排作業，并且不會由于壓裂液殘渣對煤層氣儲層造成二次損害。

5. 防膨性能

表3為新型清潔壓裂液體系破膠液的防膨性能評價實驗結果，可以看出，清潔壓裂液體系破膠后溶液具有良好的防膨性能，對目標區塊煤巖心的防膨率可以達到90%以上。這是由于新型清潔壓裂液體系本身含有較多的表面活性物質，能夠起到良好的黏土穩定作用，在煤層氣儲層壓裂施工過程中可以有效抑制黏土的水化膨脹，降低壓裂液對煤儲層的損害程度。

表2 清潔壓裂液體系破膠性能實驗結果

表3 清潔壓裂液體系防膨性能實驗結果

6. 對煤層的損害性能

表4可以看出，新型清潔壓裂液體系對目標區塊煤巖心的滲透率平均損害率僅為7.27%，與活性水壓裂液體系的損害率基本相當，但遠遠小于線性膠壓裂液的33.37%。說明研制的新型清潔壓裂液體系對煤層的損害程度較低，具有低損害特性，是一種性能良好的煤層氣儲層用壓裂液體系。

表4 不同壓裂液體系對煤巖心滲透率的影響

四、現場應用

沁水盆地某煤層氣礦區煤層埋深在1 195～1 390 m左右，地層溫度一般在50℃～60℃之間，煤層厚度在5.5～7.8 m之間。采用研究的新型清潔壓裂液體系在該煤層氣區塊進行了10余井次的現場試驗，均取得了良好的壓裂施工效果，成功率達到100%，措施效果明顯優于相同區塊內使用活性水壓裂液體系施工的煤層氣井。

表5為使用不同壓裂液體系的煤層氣井壓裂施工參數及產量對比結果，可以看出，使用新型清潔壓裂液體系施工的2口井平均砂比在30%以上，而使用活性水壓裂液施工的2口井平均砂比只有15%左右，清潔壓裂液的攜砂能力明顯優于活性水壓裂液；另外，由于清潔壓裂液體系黏度高于活性水壓裂液體系等因素，其在壓裂施工過程中的排量要小于活性水壓裂液；最終使用新型清潔壓裂液措施后的日產氣量是活性水壓裂液措施后的兩倍左右，說明研制的新型清潔壓裂液體系起到了良好的壓裂增產效果，能夠滿足煤層氣井壓裂施工的需求。

表5 現場試驗結果對比

五、結論

(1)以黏彈性表面活性劑為主要處理劑，研制了一套適合煤層氣儲層的新型清潔壓裂液體系。室內性能評價結果表明，該壓裂液體系具有良好的耐溫抗剪切性能、黏彈性能、懸砂性能、破膠性能和防膨性能，并且對目標區塊儲層煤巖心的滲透率損害較小，能夠滿足煤層氣儲層壓裂施工的需求。

(2)現場壓裂施工應用結果表明，新型清潔壓裂液體系攜砂能力較強，且2口井壓裂施工措施后的日產氣量可以達到1 000 m3以上，壓裂施工效果明顯優于活性水壓裂液體系，具有較好的推廣應用前景。