煤層氣壓裂液研究及展望

李 亭

(成都理工大學(xué)能源學(xué)院)

我國煤層氣儲量位居世界第三，僅次于俄羅斯和加拿大。我國地下2000 m以內(nèi)的淺煤層氣資源量為36.7×1012m3，與天然氣總量相當(dāng)，但是我國大部分煤層氣屬于低壓、低滲、低飽和，開采難度相當(dāng)大，基本上所有的煤層氣直井都要靠水力壓裂才能正常生產(chǎn)[1，2]。由于煤儲層具有松軟、吸附能力強(qiáng)、天然裂隙發(fā)育等特殊性，在水力壓裂過程中很容易受到傷害，因此對壓裂液的要求非常高，壓裂液一直以來受到非常大的關(guān)注。本文在總結(jié)煤層氣壓裂液發(fā)展情況的基礎(chǔ)之上，分析壓裂液所存在的問題，并提出解決方法，同時(shí)指出未來的發(fā)展趨勢[3，4]。

1 煤層氣壓裂液研究

1.1 活性水壓裂液

美國在20世紀(jì)80年代，使用活性水壓裂液，可以加砂也可以不加砂，根據(jù)煤層特性而定。

活性水加砂壓裂是我國煤層氣井壓裂所采用的主要方式。如在中聯(lián)煤公司所屬的沁南盆地南部，國家級煤層氣開發(fā)示范工程中有148口井采用清水加砂壓裂技術(shù),占壓裂井?dāng)?shù)的98.7%。實(shí)踐證明，活性水加砂壓裂對煤層傷害較小、成本較低、配液工藝簡單，在應(yīng)用中取得了較好的效果[5]。

1.2 線性膠/凍膠壓裂液

在水力壓裂過程中，為了降低濾失，使壓裂縫長延伸到較遠(yuǎn)的地層，往往使用線性膠/凍膠壓裂液。由于煤層是一個(gè)低溫低壓儲層，造成交聯(lián)壓裂液的破膠和返排困難。在國外挖開的煤層裂縫中發(fā)現(xiàn)了大量的壓裂液殘?jiān)?，證明了吸附和殘?jiān)鼘Φ貙拥膫6]。

1.3 泡沫壓裂液

一般由液相、氣相和起泡劑組成，主要有CO2和N2泡沫壓裂液兩大類。國內(nèi)先后進(jìn)行了非交聯(lián)泡沫壓裂液、酸性交聯(lián)CO2泡沫壓裂液、有機(jī)硼(堿性)交聯(lián)N2泡沫壓裂液等研究及應(yīng)用[7]。

通常泡沫質(zhì)量為60%～90%時(shí)才稱為泡沫壓裂, 低于60%時(shí)稱為增能壓裂。泡沫壓裂液的氣相選擇，國內(nèi)外普遍采用CO2和N2，但由于煤基質(zhì)吸附能力強(qiáng)，對CO2和N2在地層條件下的吸附解吸特性以及是否會對煤層造成氣鎖傷害、哪種氣體更適合于煤層壓裂，還有待進(jìn)一步的研究[8,9]。

常規(guī)水基壓裂液是在堿性環(huán)境下交聯(lián), 酸性環(huán)境下破膠; 而CO2泡沫壓裂液則要求在酸性環(huán)境下交聯(lián)。國外使用CO2泡沫壓裂液時(shí),稠化劑為羧甲基羥丙基瓜膠, 它在酸性條件下能形成良好的凍膠，中國沒有此種產(chǎn)品，只好使用類似的替代品[10]。

美國和加拿大在20世紀(jì)50～60年代，將泡沫壓裂液應(yīng)用到低滲透油氣田的改造上。在20世紀(jì)90年代，北美地區(qū)(美國和加拿大)油氣井的90%均采用泡沫壓裂技術(shù)，同時(shí)美國斯倫貝謝公司將CO2泡沫壓裂工藝技術(shù)成功應(yīng)用于煤層氣改造，使一批低產(chǎn)煤層氣井的產(chǎn)量得到大幅度提高,給煤層氣的開發(fā)提供了強(qiáng)有力的支持[11,12]。

我國在20世紀(jì)90年代中期引進(jìn)泡沫壓裂液，并開始進(jìn)行研究。國內(nèi)大多數(shù)專家學(xué)者研究的主要是CO2泡沫壓裂液，大多應(yīng)用在低壓低滲透油氣田的改造中，如川西低滲透致密氣藏。我國在煤層氣壓裂改造方面起步較晚，如在2007年，中原油田井下特種作業(yè)處在安徽淮北礦業(yè)集團(tuán)LG-3井上，完成國內(nèi)首次CO2泡沫壓裂施工。后來，中原油田井下作業(yè)公司又在淮北礦區(qū)蘆嶺礦進(jìn)行了CO2增能壓裂和活性水壓裂的施工,對比分析后認(rèn)為增能壓裂效果明顯好于活性水壓裂[13-15]。

在N2泡沫壓裂技術(shù)方面，多在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)研究配方組成和對各項(xiàng)性能的評價(jià)工作,并結(jié)合煤樣評價(jià)N2泡沫壓裂液的適用性和優(yōu)越性。在現(xiàn)場施工方面，國內(nèi)尚處于試驗(yàn)階段。如中聯(lián)煤在山西沁南盆地南部煤層氣開發(fā)項(xiàng)目中，于2010年選擇2口井,將國家“十五”科技攻關(guān)成果—“氮?dú)馀菽瓑毫鸭夹g(shù)”首次進(jìn)行工業(yè)試驗(yàn)，并獲得成功。這可以看作是使用N2泡沫壓裂液對煤層氣增產(chǎn)改造所進(jìn)行的一次探索[16-18]。

1.4 清潔壓裂液

1997年，斯倫貝謝公司首先研制出清潔壓裂液并應(yīng)用于水力壓裂現(xiàn)場。這類壓裂液與胍膠和羥乙基纖維素不同,它由黏彈性表面活性劑和其它添加劑構(gòu)成。由于破膠問題和成本過高，導(dǎo)致在國內(nèi)煤層氣水力壓裂中，還處于試用階段[19-21]。

1.5 4種壓裂液性能對比

綜合上述，四種壓裂液性能對比見表1。

表1 四種壓裂液對比

山西沁水盆地是我國主要的煤層氣產(chǎn)區(qū)，進(jìn)行了大部分水力壓裂的試驗(yàn)，嘗試了上述四種壓裂液，通過分析對比應(yīng)用效果，最后認(rèn)為N2泡沫壓裂液效果最好，其次是清潔壓裂液和活性水加砂壓裂液[22，23]。

2 存在問題及對策研究

縱觀上述壓裂液的優(yōu)缺點(diǎn)以及使用情況，可以認(rèn)為壓裂液在煤層氣使用中存在的主要問題有：

(1)盡管N2和CO2泡沫壓裂效果較好，但是由于壓裂成本較高，其推廣應(yīng)用受到很大限制。

(2)由于煤儲層吸附能力強(qiáng)、微裂隙發(fā)育、易變形等特點(diǎn)，要求壓裂液具有降濾失、防膨降阻、易返排、低傷害等性能，因此壓裂液添加劑至關(guān)重要，但是目前的效果并不滿意，還需要研制開發(fā)出新的產(chǎn)品。

(3)壓裂過程中存在壓力異常過高、煤粉堵塞以及砂堵和裂縫延伸較短等問題，需要從壓裂液方面考慮解決方法。

(4)國內(nèi)活性水壓裂仍然居主導(dǎo)地位，但具有攜砂能力弱、造縫能力較差等明顯缺陷，距現(xiàn)場增產(chǎn)要求還有一段距離。

針對這些問題，提出如下對策：

(1)進(jìn)一步加強(qiáng)泡沫壓裂液的研究，進(jìn)行各項(xiàng)性能如攜砂、降阻、抗剪切、返排和流變性等的改進(jìn)，并結(jié)合設(shè)備和施工工藝，形成完善的成套技術(shù)，擴(kuò)大應(yīng)用范圍。

(2)將泡沫或者空氣與新型清潔壓裂液結(jié)合，進(jìn)一步降低液相含量，提高壓裂效果。

(3)為延長水力裂縫的長度，研制煤層處理液，預(yù)先對煤層進(jìn)行處理，降低摩阻和濾失，然后再進(jìn)行水力壓裂。

(4)加強(qiáng)壓裂液與煤儲層的配伍性研究，研制出傷害小或無傷害的新的壓裂液體系。

(5)改善活性水的性能，在已有的基礎(chǔ)上，研制低傷害、濾失少、高粘度的壓裂液, 進(jìn)一步改善壓裂效果。

3 結(jié)論與建議

在對4種壓裂液分析評價(jià)的基礎(chǔ)上，提出下述認(rèn)識與建議：

(1)對比現(xiàn)場應(yīng)用效果，氮?dú)馀菽瓑毫岩盒Ч詈?。盡管在我國應(yīng)用還十分有限，但在國外應(yīng)用早已非常普遍，因此我國應(yīng)加強(qiáng)泡沫壓裂液的研究。

(2)借鑒空氣泡沫鉆井和煤層氣裸眼洞穴完井的經(jīng)驗(yàn)，仿照稠油蒸汽吞吐的方式，使用高壓空氣對煤層氣井進(jìn)行定期處理，以改善近井地帶煤層的滲透性。

(3)對于泡沫壓裂液，最大限度地降低含液量，同時(shí)又能形成較長的水力壓裂裂縫，這將是泡沫壓裂液所面對的最大挑戰(zhàn)。

(4)由于煤儲層的特殊性，壓裂液在煤層氣井增產(chǎn)改造中的地位至關(guān)重要，應(yīng)該尋求增產(chǎn)改造和儲層保護(hù)兩方面需要的平衡點(diǎn)，開發(fā)出合適的壓裂液體系。

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