適合煤層氣儲(chǔ)層的新型清潔壓裂液體系研究與應(yīng)用

秦祝卿， 劉 剛， 劉彥青， 楊文斌， 范錦鋒， 宋 琦

(1長江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院 2中國石油渤海鉆探工程公司鉆井技術(shù)服務(wù)分公司 3中國石油集團(tuán)渤海鉆探工程公司定向井分公司 4中國石油集團(tuán)渤海鉆探工程公司第四鉆井工程分公司 5中國石油集團(tuán)渤海鉆探工程公司井下作業(yè)分公司)

煤層氣儲(chǔ)層與常規(guī)油氣儲(chǔ)層相比具有脆性強(qiáng)、吸附性強(qiáng)、割理發(fā)育以及壓力低等特點(diǎn)，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(chǔ)層壓裂液的性能與其他常用油氣儲(chǔ)層壓裂液存在一定的區(qū)別[1]。主要表現(xiàn)為壓裂液要與煤儲(chǔ)層巖石和流體配伍性良好，降低壓裂液吸附和反應(yīng)造成的煤儲(chǔ)層損害；由于煤儲(chǔ)層存在割理發(fā)育，要求壓裂液足夠清潔，除配制用水水質(zhì)達(dá)到要求外，還應(yīng)使壓裂液破膠后的殘?jiān)枯^低，避免堵塞煤層孔隙；此外，煤層氣儲(chǔ)層用壓裂液還應(yīng)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(nèi)外針對(duì)煤層氣儲(chǔ)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?jiān)扛咭约胺蹬爬щy等缺點(diǎn)，易對(duì)煤儲(chǔ)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(chǎn)效果；泡沫壓裂液存在施工成本高、工藝復(fù)雜以及返排難以控制等缺點(diǎn)，限制了其大規(guī)模的應(yīng)用。而清潔壓裂液通常具有攜砂能力強(qiáng)、對(duì)儲(chǔ)層的損害小、破膠徹底無殘?jiān)约澳ψ栎^小等優(yōu)點(diǎn)，近年來在煤層氣壓裂施工中的研究及應(yīng)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(jù)以往研究經(jīng)驗(yàn)及結(jié)果，由于煤儲(chǔ)層表面通常帶有負(fù)電荷，陰離子型表面活性劑與煤儲(chǔ)層接觸時(shí)，在靜電斥力的作用下，使煤層微粒運(yùn)移程度加劇，容易對(duì)煤儲(chǔ)層造成嚴(yán)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(tuán)，其對(duì)煤儲(chǔ)層的損害程度則相對(duì)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(chǔ)層的新型清潔壓裂液體系，在分析了壓裂液體系成膠機(jī)理的基礎(chǔ)上，室內(nèi)對(duì)其綜合性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)，并成功在沁水盆地某煤層氣區(qū)塊開展了現(xiàn)場應(yīng)用，以期為煤層氣的高效合理開發(fā)提供一定的技術(shù)支持和借鑒。

一、煤層氣儲(chǔ)層新型清潔壓裂液成膠機(jī)理及體系配方

1. 成膠機(jī)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(dá)到臨界膠束濃度時(shí)，水溶液中首先會(huì)形成大量的球狀膠束，再繼續(xù)增大表面活性劑的濃度，球狀膠束會(huì)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榘魻钅z束；此時(shí)，在反離子或助表面活性劑的作用下棒狀膠束會(huì)繼續(xù)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(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使溶液呈現(xiàn)出一定的黏彈性能，從而滿足煤層氣儲(chǔ)層壓裂施工的需要[19-20]。

2. 體系配方

室內(nèi)通過大量的優(yōu)化評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，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(shí)驗(yàn)，優(yōu)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(chǔ)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(shí)驗(yàn)部分

1. 主要實(shí)驗(yàn)材料及儀器

實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(xué)品有限公司；20～40目陶粒，天虹石油壓裂支撐劑有限責(zé)任公司；煤巖心，使用目標(biāo)區(qū)塊煤儲(chǔ)層煤粉壓制而成。

實(shí)驗(yàn)儀器：HAAKE RS75型流變儀，上海力晶科學(xué)儀器有限公司；MST型動(dòng)態(tài)線性膨脹儀，湘潭市恒一儀器有限公司；JYW-200型全自動(dòng)表面張力儀，承德金和儀器有限公司；HKTY型動(dòng)態(tài)巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)裝置，海安石油儀器有限公司。

2. 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 耐溫抗剪切性能

使用HAAKE RS75型流變儀評(píng)價(jià)新型清潔壓裂液體系的耐溫抗剪切性能，實(shí)驗(yàn)溫度為60℃，剪切速率為170 s-1，剪切時(shí)間為100 min。

2.2 黏彈性能

使用HAAKE RS75型流變儀評(píng)價(jià)新型清潔壓裂液體系的黏彈性能，實(shí)驗(yàn)應(yīng)力設(shè)定為0.5 Pa，頻率變化范圍為0.1～10 Hz，實(shí)驗(yàn)溫度為60℃。

2.3 懸砂性能

按照石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5185-2016《礫石充填防砂水基攜砂液性能評(píng)價(jià)方法》對(duì)新型清潔壓裂液體系在不同溫度下的懸砂性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)，測定20～40目陶粒在壓裂液體系中的靜態(tài)沉降速度，每組實(shí)驗(yàn)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(shí)間的變化關(guān)系，并測定最終破膠液的表面張力和殘?jiān)浚瑢?shí)驗(yàn)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(dòng)態(tài)線性膨脹儀測定煤巖心在破膠液中的防膨率。實(shí)驗(yàn)壓力為3 MPa，實(shí)驗(yàn)溫度為60℃，實(shí)驗(yàn)時(shí)間為120 min。

2.6 對(duì)煤層的損害性能

參照能源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NB/T 10034-2016《煤層氣藏用水基壓裂液性能評(píng)價(jià)方法》評(píng)價(jià)了新型清潔壓裂液對(duì)煤巖心滲透率的損害情況，并與常規(guī)線性膠壓裂液和活性水壓裂液進(jìn)行對(duì)比。

三、結(jié)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(shí)間的變化曲線，可以看出，在60℃、170 s-1的實(shí)驗(yàn)條件下，壓裂液體系經(jīng)過100 min的剪切后其黏度值仍可以達(dá)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(chǔ)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(shí)驗(yàn)結(jié)果

2. 黏彈性能

圖2為新型清潔壓裂液體系黏彈性能評(píng)價(jià)的結(jié)果，可以看出，在所定實(shí)驗(yàn)頻率范圍內(nèi)，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(xiàn)出較好的彈性結(jié)構(gòu)，且其剪切穩(wěn)定性能較好，屬于一種黏彈性流體。對(duì)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(jìn)而有助于提高煤層氣儲(chǔ)層壓裂施工的效率。

圖2 清潔壓裂液體系黏彈性能實(shí)驗(yàn)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(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以看出，支撐劑陶粒在新型清潔壓裂液體系中的靜態(tài)沉降速率隨著實(shí)驗(yàn)溫度的升高而逐漸增大，當(dāng)實(shí)驗(yàn)溫度為60℃時(shí)，靜態(tài)沉降速度為0.13 mm/s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(wěn)定的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)對(duì)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(dǎo)致砂堵的現(xiàn)象，提高壓裂施工的效率。

表1 清潔壓裂液體系懸砂性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4. 破膠性能

表2為新型清潔壓裂液體系的破膠性能評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以看出，隨著破膠劑PJS-3加量的逐漸增大，不同時(shí)間后的破膠液黏度值均逐漸減小，當(dāng)其加量為0.1%時(shí)，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(dá)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?jiān)a(chǎn)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(yè)，并且不會(huì)由于壓裂液殘?jiān)鼘?duì)煤層氣儲(chǔ)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(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)結(jié)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(duì)目標(biāo)區(qū)塊煤巖心的防膨率可以達(dá)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(zhì)，能夠起到良好的黏土穩(wěn)定作用，在煤層氣儲(chǔ)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(duì)煤儲(chǔ)層的損害程度。

表2 清潔壓裂液體系破膠性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表3 清潔壓裂液體系防膨性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果

6. 對(duì)煤層的損害性能

表4可以看出，新型清潔壓裂液體系對(duì)目標(biāo)區(qū)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(dāng)，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(duì)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(chǔ)層用壓裂液體系。

表4 不同壓裂液體系對(duì)煤巖心滲透率的影響

四、現(xiàn)場應(yīng)用

沁水盆地某煤層氣礦區(qū)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(qū)塊進(jìn)行了10余井次的現(xiàn)場試驗(yàn)，均取得了良好的壓裂施工效果，成功率達(dá)到100%，措施效果明顯優(yōu)于相同區(qū)塊內(nèi)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(shù)及產(chǎn)量對(duì)比結(jié)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(yōu)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(chǎn)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(chǎn)效果，能夠滿足煤層氣井壓裂施工的需求。

表5 現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

五、結(jié)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(chǔ)層的新型清潔壓裂液體系。室內(nèi)性能評(píng)價(jià)結(jié)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(duì)目標(biāo)區(qū)塊儲(chǔ)層煤巖心的滲透率損害較小，能夠滿足煤層氣儲(chǔ)層壓裂施工的需求。

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