新疆阜康礦區(qū)煤層氣井壓裂液優(yōu)選研究

張 軍 孫 斌

(1.新疆煤田地質(zhì)局一五六煤田地質(zhì)勘探隊，新疆 830091；2.中石油煤層氣有限責(zé)任公司，北京 100028)

煤層氣井的增產(chǎn)主要靠儲層改造，而儲層改造的主要工程手段為水力加砂壓裂。由于煤層比表面積大，煤層具有很強的吸附或吸收各類液體和氣體的能力。根據(jù)相關(guān)研究測得煤層總的割理孔隙度僅為1%～2%，煤層基質(zhì)吸附壓裂液會導(dǎo)致割理孔隙度和滲透率的大幅下降，且這種吸附性傷害是不可逆的，會極大影響儲層改造的效果。因此，煤層氣井壓裂液與煤儲層的配伍性極為重要。

為了優(yōu)選出適用于阜康礦區(qū)煤層氣井用的壓裂液，采用了阜康礦區(qū)的煤心進(jìn)行壓裂液傷害實驗。分別測試了活性水、清潔壓裂液、胍膠壓裂液等3種不同壓裂液在模擬地層原始溫度下的滲透率傷害值，并結(jié)合壓裂液性能及成本，推薦適用于阜康礦區(qū)煤層氣井的壓裂液。

1 壓裂液液體性能

壓裂液技術(shù)是煤層壓裂的核心技術(shù)，壓裂液在煤層中形成一定規(guī)模的裂縫和將支撐劑攜帶入裂縫中對其予以支撐。目前煤層壓裂常用的壓裂液體系有活性水壓裂液、清潔壓裂液、胍膠壓裂液。

壓裂液的攜砂能力和傷害性是壓裂液的主要性能參數(shù)，也是評價壓裂液是否滿足煤層壓裂需要的評價指標(biāo)。下面將從壓裂液的性能參數(shù)和現(xiàn)場應(yīng)用情況對常用的壓裂液進(jìn)行分析。

1.1 活性水壓裂液

活性水壓裂液是煤層壓裂中應(yīng)用最為普遍的壓裂液，主要成分為清水+氯化鉀，其具有對儲層傷害低、成本低的特點，但因其濾失大、攜砂性能差，需要采用大排量注入的方法，提高液體流速來實現(xiàn)攜砂，因此多采用光套管注入的方式。

分別測定不同粒徑支撐劑(粗砂18～30目、中砂20～40目、中細(xì)砂40～70目)在活性水壓裂液中的沉降速度，實驗結(jié)果顯示，粗砂的沉降速度最快，中砂的沉降速度低于粗砂，中細(xì)砂的沉降速度低于中砂；三種支撐劑在活性水中的沉降速度略低于清水，實驗數(shù)據(jù)見表1。由于支撐劑在活性水中沉降速度較快，同時因活性水在壓裂施工過程中濾失較大，兩種因素易導(dǎo)致支撐劑堆積使得施工壓力升高，甚至造成砂堵，因此活性水壓裂液需要采用光套管大排量(8～13m3/min)注入的方式施工。

表1 活性水壓裂液懸砂性能實驗

1.2 清潔壓裂液

由于活性水壓裂液的攜砂能力差、摩阻高，需要采用光套管大排量注入的方式進(jìn)行施工，無法滿足需要采用油管注入等特殊井壓裂的需要。針對這一情況研發(fā)了適用于煤層壓裂的清潔壓裂液體系，它的主要成分為粘彈性表面活性劑+交聯(lián)劑，其具有造縫效率較高、攜砂性能較好、摩阻低等特點，對煤層的傷害率略高于活性水壓裂液，成本也略高于活性水壓裂液，能夠?qū)崿F(xiàn)在較低排量下加砂的要求。清潔壓裂液的懸砂性能和傷害性能如下。

同樣采用沉降實驗測定了清潔壓裂液的懸砂性能(實驗數(shù)據(jù)見表2)，實驗結(jié)果顯示清潔壓裂液中各種類型支撐劑沉降速度遠(yuǎn)低于在活性水中的沉降速度：活性水中粗砂的沉降速度是清潔壓裂的6.1倍，中砂是13.6倍，粉砂是28.1倍；說明清潔壓裂液具有良好的攜砂性能。

表2 不同類型石英砂在新型清潔壓裂液中沉降速度

清潔壓裂液主要靠交聯(lián)后形成的網(wǎng)狀膠束和粘度攜砂，考慮到壓裂施工會對清潔壓裂液造成不同程度的剪切，測定了其在30℃、170S-1剪切作用下粘度的變化情況，實驗結(jié)果顯示清潔壓裂液具有良好的抗剪切能力，其粘度在剪切前后沒有明顯變化，說明清潔壓裂液在進(jìn)入地層前后粘度保持穩(wěn)定，懸砂性能未受到影響。

1.3 胍膠壓裂液

胍膠壓裂液是常規(guī)油氣井中應(yīng)用最普遍的壓裂液，主要成分為改性胍膠+交聯(lián)劑，具有很強造縫效率和攜砂能力，支撐劑在成膠后的壓裂液中基本處于靜止懸浮狀態(tài)，能夠在低排量下將高濃度的支撐劑攜帶到裂縫的遠(yuǎn)端。但傳統(tǒng)觀念認(rèn)為胍膠壓裂液對煤層的傷害過大(70%以上)，不適用于煤層壓裂。通過分析認(rèn)為，胍膠壓裂液對煤層的傷害大主要是由于地層溫度低無法充分破膠和破膠后殘渣過多導(dǎo)致的。其性能參數(shù)如下：

1.3.1 殘渣情況

胍膠壓裂液對煤層的傷害主要是由于殘渣導(dǎo)致，其主要來源于胍膠的質(zhì)量、使用濃度、破膠情況，殘渣的產(chǎn)生不可避免。實驗評價了不同濃度胍膠破膠后殘渣含量，實驗結(jié)果顯示相同品質(zhì)的胍膠在充分破膠情況下其殘渣的含量與使用濃度呈線性關(guān)系，詳見圖1。

圖1 不同濃度胍膠液的殘渣含量

1.3.2 懸砂能力與粘度

胍膠壓裂液主要靠粘度攜砂，測定0.12%濃度下胍膠基液的粘度為5mPa·s，交聯(lián)后可挑掛，支撐劑在交聯(lián)液中處于靜止懸浮狀態(tài)。同樣測定了胍膠壓裂液在剪切前后的粘度變化，在30℃、170S-1剪切作用下剪切100分鐘，測得膠聯(lián)液的粘度在50mPa·s以上，仍然具有很強的懸砂能力。

2 滲透率傷害實驗成果及分析

本次滲透率傷害實驗采用的儀器為巖心流動實驗裝置，選用的實驗流體為標(biāo)準(zhǔn)鹽水:2.0%KCl+5.5%NaCl+0.45%MgCl2+0.55%CaCl2， 共配置了18種壓裂液進(jìn)行壓裂液傷害實驗，清潔壓裂液和胍膠壓裂液采用的是按照配方比例濾去殘渣后的破膠液。

本次壓裂液傷害實驗用的樣品來至阜康礦區(qū)，將采集的煤樣混合后再破碎成一定粒度后，在人造煤心制備機上壓制成煤心使用。

本次實驗方法為先用標(biāo)準(zhǔn)鹽水正向驅(qū)替人造煤心，待滲透率穩(wěn)定后得到滲透率K1。然后再用一定濃度的壓裂液反向驅(qū)替煤心待壓裂液與人造煤心充分反應(yīng)后，再用標(biāo)準(zhǔn)鹽水正向驅(qū)替人造煤心，待滲透率穩(wěn)定后得到滲透率K2，通過計算(K1-K2)/K1比值計算出壓裂液對人造煤心的傷害率。壓裂液傷害實驗結(jié)果見表3。

表2 三種壓裂液性能對比

表3 傷害實驗結(jié)果數(shù)據(jù)表

續(xù)表

通過試驗結(jié)果分析如下：

(1)表3給出了不同類型壓裂液在地層溫度下煤心傷害前后的平均滲透率及三種壓裂液對煤心的平均傷害率。由于清潔壓裂液和胍膠壓裂液采用的是按照配方比例濾去殘渣后的破膠液做的傷害性實驗，所以這兩種液體的實際傷害率由于受到殘渣和破膠不完全的影響比真實的滲透率傷害要高，因此，由表3可以看出加入助排劑和粘土穩(wěn)定劑的新型活性水對煤心的傷害率最小，是與煤層配伍性最好的壓裂液體系。

(2)活性水壓裂液中加入一定比例的助排劑和粘土穩(wěn)定劑有助于降低壓裂液對煤儲層的滲透率傷害。

3 阜康礦區(qū)以往壓裂情況分析

根據(jù)阜康礦區(qū)某區(qū)塊壓裂的8口井的壓裂數(shù)據(jù)(表4)分析可知，儲層深度超過1100m，活性水壓裂施工難度很大，易發(fā)生砂堵，平均砂比低于6%，裂縫中鋪砂強度低，不利于裂縫的支撐，無法按照設(shè)計要求改造儲層。

4 壓裂液成本分析

根據(jù)以往每層壓裂施工使用的支撐劑約為60m3，按照液體的攜砂性能折算每層攜砂液的費用，三種壓裂液成本如表5。

表4 阜康礦區(qū)部分井壓裂數(shù)據(jù)表

表5 三種壓裂液(僅化工料)成本概算

5 結(jié)論

綜合考慮壓裂液粘度、攜砂性能、粘度、對儲層的傷害及經(jīng)濟性，經(jīng)過對比，加入一定比例助排劑和粘土穩(wěn)定劑的活性水壓裂液是對煤層傷害性最小、與煤層配伍性最好的壓裂液，建議以后在新疆準(zhǔn)南煤田阜康礦區(qū)煤層氣井壓裂施工中應(yīng)該首選加入一定比例助排劑和粘土穩(wěn)定劑的活性水壓裂液。

若對施工壓力高的深煤層氣井(儲層深度超過1100m)進(jìn)行壓裂施工，可以在活性水性能不足的前提下選擇低濃度低傷害低溫破膠的清潔壓裂液。

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