柳林地區(qū)煤層壓裂液傷害評價及應用

高 翔

中國石油大慶油田第七采油廠

柳林地區(qū)煤層壓裂液傷害評價及應用

高 翔

中國石油大慶油田第七采油廠

壓裂增產技術是煤層氣開發(fā)的重要手段之一。針對鄂爾多斯盆地柳林地區(qū)煤層具有儲層壓力低、滲透率低、孔隙度低和含氣飽和度低以及煤層吸附性較強等特點，通過使用短巖心（暫堵）酸化流動儀進行了活性水壓裂液、線性膠壓裂液、凍膠壓裂液和清潔壓裂液對煤巖的柳林地區(qū)煤巖心滲透率傷害評價實驗。實驗結果表明，活性水對巖心滲透率的傷害程度最低，為9.82%，清潔壓裂液的傷害程度為43.49%，凍膠破膠液壓裂液的傷害程度為81%，線性膠壓裂液的傷害程度為89.3%，對煤層傷害程度依次為：活性水＜清潔壓裂液＜凍膠破膠液＜線性膠。使用優(yōu)選出的活性水壓裂液對現(xiàn)場實施壓裂10口井，單井的最大砂比不超過30%，平均砂比15%左右，顯示出活性水壓裂液的攜砂能力滿足壓裂施工要求，施工成功率接近100%。

煤層氣滲透率壓裂液活性水傷害評價

柳林地區(qū)煤層氣區(qū)塊位于山西省的西部，河東煤田的中部，煤層地層發(fā)育于二疊系山西組—石炭系太原組，含氣面積達194.42 km2，其煤層氣資源開發(fā)潛力巨大。柳林地區(qū)煤層測試結果表明，儲層壓力低、滲透率低、孔隙度低和含氣飽和度低的“四低”特性且具有非常強烈的非均質性。目前，對“四低”煤層氣的開采比較困難，需要通過壓裂增加煤層中連通性好的裂縫來提高煤層氣井產能。但是柳林地區(qū)煤層節(jié)理發(fā)育完善，吸附性較強，常規(guī)壓裂液會對煤層產生較大的堵塞傷害。針對以上問題，在進行文獻調研的基礎上，優(yōu)選了活性水（清水）、線性膠壓裂液、凍膠壓裂液、清潔壓裂液作為該地區(qū)的備選壓裂液，并通過巖心流動模擬實驗評價了這些壓裂液對煤層的傷害。

1 柳林地區(qū)煤層氣藏地質特征與壓裂作業(yè)傷害特征

1.1 柳林地區(qū)煤氣藏壓裂地質特征

1）柳林地區(qū)煤巖儲層有效孔隙度小于5%，滲透性差，具有特低孔、特低滲的特點。

2）煤層與上下遮擋層間的最小主應力差超過4 MPa，煤層破裂壓力較低，壓裂施工采用大排量作業(yè)成為可能［1］。

3）煤層埋藏淺，煤層溫度低，限制了稠化劑交聯(lián)壓裂液的應用［2］。

4）煤層具有中低壓特性，壓裂過程中壓差大、易濾失，煤層壓裂傷害大。

1.2 柳林地區(qū)煤氣藏壓裂傷害特征

煤巖晶格結構特殊性使巖石表面性質較活躍，對流體具有較大吸附能力，導致煤巖孔隙孔喉縮小或堵塞，滲流能力降低[3-4]。另外，煤巖通常比較疏松，導致煤層具有比較強的壓敏性，即使高壓后恢復原始壓力，煤層的滲透性也不能恢復。煤層中通常夾有一定的沙泥巖成份，遇水發(fā)生膨脹、運移使煤層在各種作業(yè)過程中表現(xiàn)出水敏特性［1］。同時，純的煤層無常規(guī)膠結，巖體脆而易散，在流體剪切作用下，煤粉極易脫落、遷移，從而容易導致對支撐裂縫的堵塞傷害[4-6]。

2 柳林地區(qū)煤層氣井的壓裂液體系及其特點

針對柳林地區(qū)煤層低孔、低滲以及埋藏淺、儲層溫度低的地質特點，選出活性水（清水）、線性膠壓裂液、凍膠壓裂液、清潔壓裂液作為該地區(qū)的備選壓裂液。

2.1 活性水壓裂液

活性水、清水作為壓裂液的突出特點是價格便宜，對煤層傷害小[7-8]。但是這種壓裂液攜砂能力弱，難以形成長的支撐裂縫，而且導流能力不高。另外，活性水存在表面活性劑的吸附傷害；由于煤層夾有泥巖、黏土礦物，采用清水壓裂容易引起黏土膨脹傷害。

受限于煤層氣低產特性，降低成本是煤層氣開發(fā)的主要原因之一，因而，活性水壓裂液成為目前國內外煤層壓裂的主要液體材料。

2.2 線性膠及凍膠壓裂液

線性壓裂液黏度高，攜砂能力好，能夠形成長支撐裂縫。對煤層的主要傷害表現(xiàn)在聚合物及表面活性劑吸附傷害、壓裂液濾餅傷害、植物膠的殘渣堵塞傷害，破膠不徹底造成傷害[9]。另外，線性壓裂液費用較高，特別是瓜膠的價格漲幅劇增后，經濟上的劣勢更加明顯。

2.3 清潔壓裂液

清潔壓裂液屬于高分子聚合物壓裂液，其突出特點在于黏度高、攜砂能力好，能夠形成長的支撐裂縫，抗剪切性能好，易于破膠，無殘渣，對煤層傷害小。其不足在于對煤層形成表面活性劑的吸附傷害，以及黏土膨脹傷害。同時，材料費用高，經濟上不具備優(yōu)勢[10-11]。

3 實驗與結果分析

3.1 實驗設備

實驗相關儀器和設備：短巖心（暫堵）酸化流動儀（如圖1）1臺、氮氣瓶1個、恒流泵1臺、巖樣模型1個、手動壓力機1臺、60目篩子1套、游標卡尺1個以及燒杯、量筒和天平。

圖1 短巖心（暫堵）酸化流動儀及示意圖

3.2 實驗樣品

針對煤層壓裂常用的壓裂液，本次實驗選用清潔壓裂液、活性水壓裂液、線性膠壓裂液和凍膠壓裂液作為實驗檢測液體。

煤心（制備方法）[12]：將柳林地區(qū)煤層煤塊搗碎，用60目篩子篩制成煤粉加入到巖樣模型，在壓力機上加壓15 MPa成型，然后用氯化銨鹽水飽和備用，制備巖心數(shù)量為50個，其中留10個備用煤心。

3.3 實驗方法

根據SY/T 5107—2005《水基壓裂液性能評價方法》，通過選用活性水、線性膠、凍膠及清潔壓裂液分別模擬煤心流動試驗，分析滲透性的損害程度，評價了4種不同壓裂液體系對來自柳林地區(qū)煤層的煤心滲透率的傷害大小。

3.4 實驗結果與討論

如圖2所示，分別為活性水壓裂液、清潔壓裂液、線性膠壓裂液和凍膠壓裂的破膠液對煤巖滲透率傷害實驗結果。由圖可知，活性水的傷害程度最低，為9.82%（圖2-a）；清潔壓裂液的傷害程度為43.49%（圖2-b）；線性膠壓裂液的傷害程度為89.3%（圖2-c）；凍膠壓裂的破膠液對煤樣巖心滲透性的傷害率為81%（圖2-d），通過對比可以得出4種不同類型的壓裂液對煤層傷害程度依次為：活性水＜清潔壓裂液＜凍膠破膠液＜線性膠壓裂液。

4 現(xiàn)場應用

結合了柳林地區(qū)煤層氣井壓后產量低、施工壓力低、要求壓后傷害低等特點和需求，現(xiàn)場主要采用注入活性水進行壓裂，一是降低成本，二是增加壓后助排及排采。對柳林地區(qū)使用活性水壓裂液對現(xiàn)場實施壓裂10口井，施工成功率接近100%。圖3給出了4口井的不同層位施工壓裂曲線圖。如圖3所示，每口井的最大施工排量控制在8 m3/min以內。每口井的最大砂比不超過30%，平均砂比在15%左右，顯示出活性水壓裂液的攜砂能力滿足壓裂施工要求。另外，采用活性水作為主要壓裂液避免了過去煤層氣井壓裂易砂堵的不利局面。

現(xiàn)場施工過程中，通過提高加砂量、施工排量、最高砂比和平均砂比等相關參數(shù)，在優(yōu)化裂縫寬度、長度、控制縫高的前提下，保證了現(xiàn)場施工的安全、順利和高效。

圖3 柳林地區(qū)部分井煤層壓裂施工曲線圖

5 結論

1）活性水壓裂液在柳林地區(qū)煤層滲透率傷害評價中傷害最小，為9.82%。

2）采用活性水壓裂施工最大排量控制在8m3/min內，縫高控制好；最大砂比不超過30%，平均砂比在15%左右；活性水壓裂液的攜砂能力滿足壓裂施工要求。

3）活性水壓裂液在柳林地區(qū)煤層壓裂應用效果較好，施工成功率100%。

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（修改回稿日期 2016-7-12 編輯 陳古明）

高翔，1988年生，工程師，碩士；從事鉆井液壓裂酸化液技術研究工作。地址：（163517）黑龍江省大慶市大同區(qū)慶葡北街120號。電話：15776168183。E-mail：84238273@qq.com