適用于低溫煤層氣儲(chǔ)層的清潔壓裂液研究

祁麗莎

（中國(guó)石油新疆油田勘探開發(fā)研究院，新疆克拉瑪依　834000）

適用于低溫煤層氣儲(chǔ)層的清潔壓裂液研究

祁麗莎

（中國(guó)石油新疆油田勘探開發(fā)研究院，新疆克拉瑪依834000）

煤層較松軟，脆性強(qiáng)，壓裂時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的煤粉，且煤層埋深淺，儲(chǔ)層溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于砂巖儲(chǔ)層，用常規(guī)的壓裂砂巖儲(chǔ)層的壓裂液，就會(huì)造成壓裂液破膠不徹底。因此，為了降低傷害，通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，研制出一種新型清潔壓裂液及對(duì)應(yīng)的破膠劑。清潔壓裂液是由陽(yáng)離子表面活性劑在鹽水中締合形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的低黏凝膠液，加入破膠劑后，可使體系在1.5 h～3 h失去攜砂能力，6 h～8 h內(nèi)破膠徹底無殘?jiān)?。該壓裂液配制?jiǎn)單，可調(diào)節(jié)性強(qiáng)，具有剪切穩(wěn)定性、攜砂能力強(qiáng)、低濾失性、低摩阻、對(duì)儲(chǔ)層傷害小等優(yōu)勢(shì)。

煤層氣；黏彈性表面活性劑；清潔壓裂液；破膠劑；攜砂

在我國(guó)，煤層氣資源十分豐富。對(duì)于低孔低滲煤層氣井，只有通過水力壓裂措施來對(duì)儲(chǔ)層進(jìn)行深度改造，從而擴(kuò)大氣井滲流面積，改善滲流通道［1］。壓裂液的性能將直接影響到壓裂效果的成敗，在整個(gè)系統(tǒng)工程中占據(jù)重要地位，目前煤田常用活性水作為壓裂液，但壓裂規(guī)模有一定的限制且施工排量通常較高，這樣，裂縫的縱向延伸不易控制，很難形成長(zhǎng)的支撐裂縫，且造成嚴(yán)重的煤粉運(yùn)移，不利于提高煤層氣井單井改造的效果［2-4］。新型的清潔壓裂液因具有剪切穩(wěn)定性、攜砂能力強(qiáng)、低傷害性、低濾失性、低摩阻等優(yōu)勢(shì)，越來越受到煤田的青睞［5］。

1　室內(nèi)試驗(yàn)

1.1壓裂液配方優(yōu)選

將水、增稠劑1631、膠束促進(jìn)劑NaSal、KCl、pH調(diào)節(jié)劑KOH按一定比例混合，攪拌形成黏彈性膠體。使用六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測(cè)定不同溫度下剪切速率為100 s-1時(shí)的壓裂液黏度，在35℃時(shí)剪切60 min后黏度不小于25 mPa·s的黏彈性膠體配方，0.4%1631+0.15% NaSal+1.0%KCl+0.06%KOH復(fù)配體系定為適合低溫儲(chǔ)層的壓裂液配方（見表1）。

27℃時(shí)使用不同剪切速率進(jìn)行剪切時(shí)的清潔壓裂液流變性能（見圖1）。0.4%1631+0.15%NaSal+1.0% KCl+0.06%KOH體系隨剪切速率增大，黏度降低；隨剪切速率降低，黏度增大。清潔壓裂液的黏彈性是由VES在溶液中形成的蠕蟲狀膠束得到的，類似于交聯(lián)聚合物的空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，這種纏結(jié)結(jié)構(gòu)在剪切作用下會(huì)發(fā)生拆散，使纏結(jié)的膠束團(tuán)重新轉(zhuǎn)變?yōu)閱蝹€(gè)或較少膠束纏結(jié)結(jié)構(gòu)，使黏度有所下降；當(dāng)剪切消失，結(jié)構(gòu)又自動(dòng)恢復(fù)［6］。在壓裂作業(yè)中，在從高速流動(dòng)的井筒進(jìn)入低速流動(dòng)的地層時(shí)，壓裂液能迅速恢復(fù)高黏度和攜帶支撐劑的能力。

1.2攜砂性能

傳統(tǒng)上認(rèn)為：壓裂液的攜砂性能主要取決于液體的黏度、密度以及在管線或裂縫中的流速，液體黏度高，懸浮性好；液體密度大，懸浮能力強(qiáng)；壓裂液在管線或裂縫中流速大，攜帶支撐劑能力強(qiáng)。近年來的研究表明，懸浮能力與表觀黏度之間并不存在必然的聯(lián)系，而是體系的結(jié)構(gòu)起著很大的作用。黏彈性表面活性劑就是結(jié)構(gòu)流體，其流變特性完全可逆，攜砂機(jī)理是靠體系的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)［7，8］。

圖1　27℃時(shí)壓裂液體系的流變曲線

實(shí)驗(yàn)方法：將配制好的壓裂液取出250 mL倒入量筒內(nèi)，置于恒溫水浴中，待壓裂液體系溫度恒定后，用鑷子取一粒陶粒或石英砂（粒徑20/40目）放入液面下2 cm處，松開鑷子，使其自然沉降，測(cè)定不同溫度條件下陶粒的自由沉降速度，重復(fù)測(cè)量三次求平均值［12］。根據(jù)文獻(xiàn)資料及壓裂液標(biāo)準(zhǔn)，沉降速度不高于0.48 cm/min ～1.08 cm/min，即達(dá)到壓裂液所需標(biāo)準(zhǔn)［11］（見表2）。由表2可見，此體系具有較好的攜砂能力，均低于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的沉降速度值。所以此壓裂液體系滿足了現(xiàn)場(chǎng)施工過程中的攜砂要求。

表2　體系攜砂數(shù)據(jù)

圖2　清潔壓裂液與清水摩阻對(duì)比圖

1.3摩阻性能

壓裂液黏度增加，管道摩阻和泵的功率損失也增加。為了有效地利用泵的功率，降低壓裂液摩阻是非常必要的。降低壓裂液的摩阻主要有兩大作用：（1）節(jié)省動(dòng)力，節(jié)省設(shè)備，提高經(jīng)濟(jì)效益；（2）使一些深井原來因壓裂液摩阻大、壓力高，不能進(jìn)行壓裂施工的，降低摩阻后可以順利地進(jìn)行壓裂施工［9，10］。

對(duì)0.4%1631+0.15%NaSal+1.0%KCl+0.06%KOH壓裂液體系與清水摩阻對(duì)比圖（見圖2）。由圖2可以看出，此清潔壓裂液的降阻點(diǎn)壓力為0.925 MPa，流速為2.080 m/s。在高剪切速率下清潔壓裂液的黏度變化較大，由于高剪切出現(xiàn)在管路中，這使得清潔壓裂液在管路中的摩阻較低。

1.4濾失控制

壓裂液在儲(chǔ)層內(nèi)的濾失速度直接影響了壓裂液的壓裂效率和對(duì)儲(chǔ)集層的傷害，一般用濾失系數(shù)來衡量壓裂液的壓裂效率和在裂縫內(nèi)的濾失量。濾失系數(shù)越低，說明在壓裂過程中其濾失量也越低。因此在同一排量條件下，可以壓出較大的裂縫面積，并將濾失傷害降到最低（見圖3，表3）。

表3　壓裂液濾失性測(cè)定數(shù)據(jù)

圖3　壓裂液體系靜態(tài)濾失曲線

本實(shí)驗(yàn)選用的沁水盆地鄭莊煤樣，儲(chǔ)層滲透率很低，但壓裂時(shí)采用清水壓裂液濾失量很大，這說明煤層中裂縫發(fā)育，因此，采用造縫煤樣來模擬壓裂液濾失實(shí)驗(yàn)，測(cè)定壓裂液體系0.4%1631+0.15%NaSal+1.0% KCl+0.06%KOH在裂縫性煤巖中的濾失率。從圖3可以看出，濾失曲線基本滿足直線關(guān)系，由于采用的為造縫煤樣，所以沒有通過原點(diǎn)，說明：在巖心中濾失時(shí)，不形成濾餅，體系的濾失主要受黏度控制；由表3可以看出，體系的濾失系數(shù)較小，能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)使用的需要。

1.5破膠性能

清潔壓裂液遇石油及天然氣可以破膠，不需要添加破膠劑。然而研究表明，清潔壓裂液遇煤層氣不可能破膠。因此，清潔壓裂液應(yīng)用于煤層氣井壓裂增產(chǎn)必須添加破膠劑。通過大量室內(nèi)篩選，選擇復(fù)配的破膠劑0.035%～0.040%草酸+0.335%～0.450%OP-10，可使此體系在1.5 h～3 h失去攜砂能力，在6 h～8 h內(nèi)破膠徹底無殘?jiān)?，達(dá)到了施工要求，可作為此體系的破膠劑（見表4）。

表4　不同加量下的破膠實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

2　結(jié)論

（1）新型清潔壓裂液配方為0.4%1631+0.15%NaSal +1.0%KCl+0.06%KOH。

（2）新型清潔壓裂液配制方法簡(jiǎn)便，通過改變1631的比例調(diào)節(jié)其黏度，溫度適應(yīng)性強(qiáng)；具有很好的耐剪切性、造縫與攜砂能力強(qiáng)、摩阻低、濾失量小等優(yōu)點(diǎn)。

（3）破膠劑體系為0.035%～0.040%草酸+0.335%～0.450%OP-10，可使壓裂液在低溫20℃～35℃時(shí)，保證1.5 h～3 h的攜砂能力，在6 h～8 h內(nèi)破膠徹底無殘?jiān)?。溫度越高，破膠劑的使用量降低。

（4）此新型清潔壓裂液的成功研制，為改造煤層零傷害提供了一條新的途徑。

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［12］ 壓裂支撐劑性能指標(biāo)及測(cè)試推薦方法［S］.SY/T 5108-2006.

Research of clean fracturing fluid for low-temperature coal-bed methane reservoir

QI Lisha
（Research Institute of Petroleum Exploration and Development，PetroChina Xinjiang Oilfield Company，Karamay Xinjiang 834000，China）

Coal seam is relatively soft，strong brittleness，fracturing will produce a lot of pulverized coal，and the buried depth of coal seam，reservoir temperature is much lower than the sandstone reservoir，with conventional fracturing sandstone reservoir fracturing fluid，will cause the fracturing fluid gel breaking is not complete.Therefore，in order to reduce damage，through the indoor experiment，developed a new clean fracturing fluid and the corresponding breaker. Clean fracturing fluid is formed by cationic surfactants in the salt water of associating the reticular structure of low viscosity gel，after joining breaker，can make the system in one point five to three hours lose carrying capacity，gel breaking completely six to eight hours with no residue.The fracturing fluid have advantages of preparation simple，strong regulatory，shear stability，strong carrying capacity，low filtration resistance，low friction，small damage to the reservoir and so on.

coalbed methane（CBM）；viscoelastic surfactant；clean fracturing fluid；breaker；sand-carrying

TE357.12

A

1673-5285（2016）05-0042-04

10.3969/j.issn.1673-5285.2016.05.011

2016－04-01

祁麗莎，女（1988-），碩士，2014年獲長(zhǎng)江大學(xué)油氣田開發(fā)碩士學(xué)位，現(xiàn)在新疆油田勘探開發(fā)研究院工作，主要從事油田提高采收率方面的科研工作，郵箱：592826441@qq.com。