煤體結(jié)構(gòu)及煤層氣壓裂液參數(shù)優(yōu)選試驗研究

蘇 龍

（山西陽泉新宇巖土工程有限責(zé)任公司，山西 陽泉 045000）

本文以煤層氣地質(zhì)學(xué)作為理論基礎(chǔ)，深入研究了煤層氣的賦存狀態(tài)與吸附作用。在現(xiàn)場得到的資料和實驗室資料的基礎(chǔ)上，對壓裂參數(shù)進(jìn)行了比較和優(yōu)選，為其他相同地質(zhì)環(huán)境礦區(qū)的煤層氣研究提供一定借鑒。

1 煤層氣賦存和吸附特性

一般情況下，煤層氣在煤層內(nèi)有3種基本賦存狀態(tài)：①被吸附于煤的孔隙、裂隙內(nèi)表面上的氣體，即吸附氣；②以游離狀態(tài)存在于煤的孔（裂）隙中，即游離氣；③溶解于煤層水中的氣體，即溶解氣。在煤化過程中產(chǎn)生的氣體首先滿足吸附，之后是溶解與自由沉淀。溫度和壓力共同作用之下，3種不同形式的氣體處于動態(tài)的平衡體系內(nèi)。

1.1 吸附氣體

大部分瓦斯被吸附在煤層中，據(jù)估計，吸附瓦斯占煤中瓦斯總量的70～85%，其比值取決于煤變質(zhì)作用和埋藏深度等因素。

1.2 游離氣體

煤中游離氣體含量不大。據(jù)來自艾魯尼和其他來自前蘇聯(lián)科學(xué)院的信息，煤具有適度的變質(zhì)程度，自由氣體占總氣體含量只有6～10% ，深度范圍為300～1100m。

1.3 水溶性氣體

甲烷具有一定的水溶性。根據(jù)煤科學(xué)研究院西安分院進(jìn)行的系統(tǒng)甲烷水溶性試驗的結(jié)果，每升水可溶解0.1L至幾升甲烷。甲烷在水中的溶解度很低。然而，當(dāng)極難溶解的甲烷被大量的地下水溶解時，大量的氣體被從氣池中運出，導(dǎo)致甲烷消散。在自然界中，煤層往往是含水層，當(dāng)儲層壓力足夠低以使氣體從煤中解吸時，由于地下水的流動，可以從煤層中去除甲烷。據(jù)統(tǒng)計，山西煤田中的煤層氣大部分存在于吸附狀態(tài)的煤層微孔中，占總氣量的49～99%，而游離氣體占?xì)怏w總量的1～51%，其中大部分小于10%，如圖1。

圖1 山西煤田煤中吸附氣與游離氣所占百分比

2 煤層斷裂特征

煤的裂隙是煤儲層中煤層氣進(jìn)行流動的渠道，是煤儲層滲透性的前提。影響煤儲層最大滲透方向和煤層氣井壓裂方向的重要參數(shù)，與井網(wǎng)布置及井距的關(guān)系密切。借助電子顯微鏡觀察，該區(qū)1煤層的變質(zhì)程度相對較高，且發(fā)育不良好，只有在鏡面煤帶中存在。井田的煤樣經(jīng)電鏡觀察，煤發(fā)育次生裂隙，二次裂縫寬度和伸長率不均勻，不同裂縫的形狀主要孤立或幾個裂縫相交，無網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的形成，局部高嶺石或方解石填充。古3孔裂縫密度遠(yuǎn)大于古2孔，而交叉裂縫現(xiàn)象普遍存在，反映了礦區(qū)不同地段煤層裂隙的非均質(zhì)性和滲透性差異。

3 壓裂液試驗及優(yōu)化

所采用的壓裂水基凝膠壓裂液由清水、增稠劑、交聯(lián)助劑、凝膠斷路器等組成。具有縫紉和承載能力的砂土，黏度可調(diào)，可控性好，摩擦小，損耗系數(shù)低。缺點是儲層損壞，為了使壓裂液對儲層造成的損害降到最低，以下是各種添加劑的優(yōu)選試驗。

3.1 優(yōu)選增稠劑

增稠劑是水基凝膠壓裂液的主要組成成分，主要用于提高壓裂液的粘度，提高制縫和帶砂的能力。有許多增稠劑可供選擇，根據(jù)其來源分為三類，即合成聚合物、生物聚合物、天然高分子 (纖維素和植物膠)。植物膠的高粘度及其衍生物的增稠劑，易于配料，價格低廉，被廣泛用于壓裂液的增稠。羥丙基胍膠具有融水速度快、含水不溶物含量低、耐溫性好等優(yōu)點，是國內(nèi)外油田應(yīng)用最廣泛的壓裂液增稠劑。壓裂采用羥丙基胍膠作增稠劑，增稠劑的性能主要表現(xiàn)為其增稠能力、交聯(lián)能力和水物。因此，對常用的五種胍膠的性能進(jìn)行了比較，如表1所示。

從實驗數(shù)據(jù)可以看出，瓜爾膠5的黏度、含水量、溶出率和交聯(lián)性能均良好，綜合性能最好。因此，瓜爾膠被選為壓裂液的增稠劑。

表1 幾種不同胍膠對比試驗

3.2 交聯(lián)劑優(yōu)選

交聯(lián)劑是水基凍膠壓裂液的重要組分。交聯(lián)劑是能與聚合物線型大分子鏈形成新的化學(xué)鍵，使其聯(lián)結(jié)成網(wǎng)狀體型結(jié)構(gòu)的化學(xué)劑。聚合物水溶液因交聯(lián)作用形成凍膠。交聯(lián)劑的選用由聚合物可交聯(lián)的官能團(tuán)和聚合物水溶液的pH值決定。交聯(lián)劑的用量與壓裂液的耐溫性能有關(guān)，用量越大，耐溫性能越好。因此，應(yīng)根據(jù)地層溫度確定交聯(lián)劑的用量。

交聯(lián)速度應(yīng)根據(jù)井深確定，進(jìn)入煤層段時，壓裂液開始交聯(lián)。常用的交聯(lián)劑有YL-1、 JC-15、有機(jī)鈦、有機(jī)鋯，其中有機(jī)鈦和有機(jī)鋯使用較早，多為高溫水井，在低溫下破碎凝膠困難，針對前兩個交聯(lián)劑做性能對比，如表2。

表2 交聯(lián)劑性能比較

由于研究區(qū)煤層埋深較淺，根據(jù)實驗結(jié)果，優(yōu)選YL-1作為本次壓裂液的交聯(lián)劑。

3.3 破膠劑的優(yōu)選

該膠劑可以降低增稠劑的分子，破壞凝膠的結(jié)構(gòu)，使壓裂液進(jìn)入地層，可以打破凝膠，在指定的時間內(nèi)回排并釋放壓裂液，減少損傷壓裂液的形成。常用的有有氧化破碎劑和酶制劑，APS是最常用的氧化斷路器。用量對凍膠性能有很大的影響，大量的膠凝劑能迅速地導(dǎo)致膠斷裂，使接縫和砂帶的能力較差，從而使施工失敗。小劑量會導(dǎo)致破碎的凝膠緩慢而不完全，因此，用量亟待優(yōu)化。影響破膠劑用量的主要因素是儲層的溫度與施工的時間。因此，實驗優(yōu)選出了壓裂液在不同溫度與不同時間條件下破膠劑的用量，如圖2所示。

圖2 破膠劑用量與溫度、時間的關(guān)系

由圖可以明顯的看出，溫度為24℃時，YDH-1能非常好的刺激APS，起到很好的作用。因此，該壓裂試驗選擇YDH-1作為低溫的活化劑。

4 壓裂液最佳配方優(yōu)化試驗

為了形成適合于研究區(qū)儲層的壓裂液配方，要了解壓裂液在該地區(qū)的作用；了解各種添加劑在壓裂液中的作用，并對這些添加劑進(jìn)行研究，加入這些添加劑的適當(dāng)劑量；了解添加劑的組成與壓裂液本身的相容性如何；了解地層壓裂液對油層的損害程度以及如何減少甚至避免這種破壞。根據(jù)研究區(qū)低溫儲層的特點，充分考慮了壓裂施工技術(shù)的要求，通過大量的添加劑和用量的精細(xì)試驗，得出了適合該地區(qū)的低溫壓裂液配方：

0.22%YZ-1（稠化劑）+ 0.8%KCL（防膨劑）+ 0.04%YS-1（殺菌劑）+ 0.04%YL-1（交聯(lián)劑）+0.08%YDH-1（活化劑）+ 0.04%～0.15%APS（破膠劑）

根據(jù)優(yōu)選的配方配置壓裂液，靜置一天一夜之后，壓裂液透明、無渾濁、無沉淀、相容性好。可以得出，優(yōu)選的壓裂液配方比較好的適用于研究區(qū)的儲層壓裂。

5 支撐劑實驗與優(yōu)化

水力壓裂的最終目的是在地層中建立一個高支撐裂縫，形成高流動電導(dǎo)率和足夠長的砂裂隙，是煤層氣增量提高的極為重要的因素。粒徑細(xì)小的細(xì)砂非常容易導(dǎo)致局部堵塞，一定程度上降低了裂縫的滲透性，而泥質(zhì)煤粉容易遷移和堵塞，對支撐劑及其性能的研究是非常重要的。研究區(qū)儲層中存在大量的結(jié)構(gòu)軟煤，對壓裂用的支撐劑要求就高了。常規(guī)壓裂采用的石英砂不符合施工要求，煤層不能發(fā)揮應(yīng)有的支護(hù)效果，但大量的埋入式結(jié)構(gòu)的軟煤，形成了靠近井口的壓實區(qū)，壓裂液創(chuàng)造有效的裂縫起到配角的作用，對新井的施工，對支撐劑的優(yōu)選作一定的試驗，并得到了理想的實驗效果。

描述支撐劑性能有以下幾個參數(shù)：支撐劑粒徑、支撐劑密度、支撐劑強(qiáng)度等。目前，用于煤層氣儲層壓裂施工常見的支撐劑有石英砂支撐劑、陶粒支撐劑、木質(zhì)支撐劑、樹脂包衣砂支撐劑等，對其性能描述見表3。

6 現(xiàn)場效果

壓裂施工數(shù)據(jù)表明，排量越大，形成的裂縫越窄，高度越大，且容易壓穿頂?shù)装搴畬?，而煤層壓裂的關(guān)鍵是擴(kuò)大縫寬和縫長，因此小排量施工是比較合適的方法，現(xiàn)場施工效果表明，4～5m3/min 的排量較為適宜。選用粒徑在8～10目、密度在1.3～1.4g/cm3的支撐劑，目的一是降低攜砂液的負(fù)擔(dān)，二是可迅速填滿構(gòu)造煤，使剩余的支撐劑有效支撐裂縫，使得煤層氣連續(xù)產(chǎn)出。

7 結(jié)論

研究區(qū)特殊的儲層條件要求壓裂液在壓裂時應(yīng)具有更強(qiáng)的承載能力，普通活性壓裂液并不能很好的實現(xiàn)這一要求。胍膠的砂承載能力較好，但破碎塑料外殼不完整，對整體地層的滲透性造成了一定的損害。結(jié)合本文所做的一系列試驗與現(xiàn)場相結(jié)合，得出以下優(yōu)化后的配比方案：0.22%YZ-1（稠化劑）+ 0.8%KCL（防膨劑）+ 0.04%YS-1（殺菌劑）+0.04%YL-1（交聯(lián)劑）+ 0.08%YDH-1（活化劑）+0.04%-0.15%APS（破膠劑）。此方案在現(xiàn)場應(yīng)用，取得了理想的效果，對煤礦的經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)起到了重要的作用。