新型表面活性劑清潔壓裂液體系研究及應用

李 科， 榮 雄， 王增存， 胡鱈茹， 王金生， 白 霜

(1玉門油田分公司老君廟采油廠 2玉門油田分公司油田作業(yè)公司)

在煤層氣開采過程中往往需要采用水力壓裂等措施來達到增產(chǎn)的目的，與常規(guī)砂巖儲層相比，煤層氣儲層具有彈性模量小、泊松比大、裂縫發(fā)育以及吸附力強等特點，并且往往屬于低孔、低滲、低壓、水敏性強儲層[1-6]。所以，針對不同煤層氣儲層的現(xiàn)場條件，選擇合適的壓裂液體系成為煤層氣增產(chǎn)技術(shù)研究的重點[7-8]。

目前，針對煤層氣儲層常用的壓裂液體系主要有活性水壓裂液、稠化水壓裂液、交聯(lián)凍膠壓裂液、泡沫壓裂液以及清潔壓裂液等[9-14]。其中活性水、稠化水以及交聯(lián)凍膠壓裂液具有攜砂性能好、現(xiàn)場配制簡單以及使用范圍廣等優(yōu)點，但對地層的傷害較大；而泡沫壓裂液雖然具有低傷害的特點，但成本較高，且現(xiàn)場施工工藝要求高，難以大規(guī)模推廣應用；清潔壓裂液具有無殘渣、摩阻低、對儲層傷害低等優(yōu)點，在煤層氣壓裂施工中具有比較好的推廣應用前景[15-17]。

西部某煤層氣礦區(qū)煤層深度在1 200～1 420 m左右，地層溫度在50℃～60℃之間，在前期壓裂施工過程中使用常規(guī)胍膠壓裂液時破膠返排不徹底，對儲層造成嚴重損害等問題，研究了一種適合煤層氣井的新型表面活性劑清潔壓裂液體系，室內(nèi)評價了壓裂液體系的性能，并在現(xiàn)場進行了試驗，為該地區(qū)煤層氣的高效開發(fā)提供一定的技術(shù)支持。

一、壓裂液體系研究思路及配方

1. 研究思路

黏彈性表面活性劑在水溶液中隨著加量的增大，棒狀膠束含量會逐漸增多，在水中反離子鹽的作用下，棒狀膠束繼續(xù)生長為蠕蟲狀結(jié)構(gòu)，隨著蠕蟲狀結(jié)構(gòu)的逐漸增多，它們互相纏繞形成一定的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使水溶液具有良好的黏彈性[18]。

針對目前使用較多的陽離子黏彈性表面活性劑容易與地層流體不配伍而產(chǎn)生二次傷害等問題，室內(nèi)研制了新型非離子表面活性劑VEC-8和陰離子表面活性劑VEC-3，兩種表面活性劑具有較好的相容性和協(xié)同作用，具有在地層中吸附少、易溶解、對地層傷害下等特點。將兩種表面活性劑按一定比例混合，在水溶液中能夠形成黏彈性表面活性劑溶液，然后加入一定量的助排劑和氯化鉀，提高表面活性劑溶液的穩(wěn)定性和防膨性，從而能夠滿足煤層氣井壓裂施工的要求。

2. 體系配方

通過大量室內(nèi)實驗評價，最終確定適應于煤層氣井的新型表面活性劑清潔壓裂液體系配方為：1.5%非離子表面活性劑VEC-8+0.5%陰離子表面活性劑VEC-3+0.5%助排劑VEZ-2+1.0%KCl。

二、壓裂液體系性能評價

1. 流變性能

室內(nèi)使用CVRO200型高溫高壓流變儀測定新型表面活性劑清潔壓裂液體系的流變性能，將溫度升高至90℃，在170 s-1下剪切100 min，測定壓裂液體系黏度隨剪切時間的變化情況。實驗結(jié)果見圖1。

圖1 壓裂液體系流變性能測試結(jié)果

由圖1結(jié)果可知，在90℃、170 s-1下條件下，新型表面活性劑清潔壓裂液體系經(jīng)過100 min剪切后黏度仍能維持在30 mPa·s以上，說明壓裂液體系性能穩(wěn)定，完全能夠滿足淺層煤層氣壓裂施工的要求。

2. 攜砂性能

壓裂液攜砂性能的好壞將直接影響到壓裂液在井筒中的流變性以及壓裂所形成裂縫的導流能力，最終影響壓裂施工的效果。攜砂性能評價方法參照石油天然氣行業(yè)標準SY/T5185-2016《礫石充填防砂水基攜砂液性能評價方法》中攜砂液攜砂能力的測定部分，具體實驗方法為：選取粒徑在20～40目之間的陶粒，將100 mL壓裂液放入量筒中，使用鑷子取一粒陶粒放入液面下2 cm處，松開鑷子，使其自然沉降，記錄陶粒均勻沉降一定距離(大于20 cm)所需的時間，并計算沉降速度，重復測定三次，取平均值。在不同溫度下分別測定了陶粒在不同壓裂液中的靜態(tài)沉降速度，實驗結(jié)果見表1。

表1 壓裂液體系的攜砂性能評價結(jié)果

由表1結(jié)果可知，陶粒在新型表面活性劑清潔壓裂液體系中的沉降速度小于0.2 mm/s，小于常規(guī)胍膠壓裂液和清水中的沉降速度，說明該清潔壓裂液體系具有良好的攜砂性能，在壓裂施工過程中能夠避免出現(xiàn)砂堵，提高壓裂施工的砂比，從而達到良好的壓裂施工效果。

3. 防膨性能

目標區(qū)塊內(nèi)煤層氣儲層中黏土礦物含量普遍較多，且以水敏性礦物(蒙脫石以及伊/蒙混層)為主，因此，需要壓裂液體系具有良好的防膨性能，避免黏土礦物水化膨脹對儲層造成的傷害。室內(nèi)參照SY/T 5971-2016《油氣田壓裂酸化及注水用黏土穩(wěn)定劑性能評價方法》測定壓裂液體系的防膨率，實驗選用膨潤土，溫度為60℃。實驗結(jié)果見表2。

由表2結(jié)果可知，新型表面活性劑清潔壓裂液體系的平均防膨率能夠達到96.3%，遠遠高于常規(guī)胍膠壓裂液體系，說明清潔壓裂液體系具有良好的防膨性能。

表2 壓裂液體系防膨率測定結(jié)果

4. 溶解性能

室內(nèi)參照SY/T 5886-2012標準，使用目標區(qū)塊煤層氣儲層段煤樣粉末，評價壓裂液體系的溶解性能，實驗溫度為60℃，實驗時間為72 h，實驗結(jié)果見表3。

表3 壓裂液體系溶解性能測定結(jié)果

由表3結(jié)果可知，新型表面活性劑清潔壓裂液體系對煤粉的平均溶解率可以達到3.60%，而常規(guī)胍膠壓裂液對煤粉幾乎沒有溶解作用。這是由于清潔壓裂液體系能夠溶解煤儲層中的部分有機質(zhì)，從而能夠提高裂縫的導流能力，達到壓裂增產(chǎn)的目的。

5. 破膠性能

清潔壓裂液在煤層中不能實現(xiàn)自動破膠，需要加入破膠劑。室內(nèi)評價了不同加量的破膠劑PJZ-3對新型表面活性劑清潔壓裂液體系的破膠效果，實驗溫度為60℃，破膠液黏度隨破膠時間的變化情況見圖2。壓裂液完全破膠后的表面/界面張力測量結(jié)果見表4。

圖2 壓裂液體系破膠性能評價結(jié)果

由圖2結(jié)果可知，加入破膠劑PJZ-3后，新型表面活性劑清潔壓裂液體系的黏度迅速下降。其中PJZ-3的加量在0.2%時，破膠60 min后，壓裂液體系黏度為3.8 mPa·s，與地層水黏度相當，說明壓裂液體系達到完全破膠。

表4 破膠液的表面/界面張力值

由表4結(jié)果可知，加入0.2%PJZ-3的破膠液的表面張力值為25.62 mN/m，界面張力值能夠達到0.8m N/m，具有良好的界面活性，能夠保證壓裂后返排作業(yè)的順利進行。

6. 對儲層的傷害性能

室內(nèi)參照標準NB/T10034-2016《煤層氣藏用水基壓裂液性能評價方法》測定新型表面活性劑清潔壓裂液體系對儲層煤巖心的滲透率傷害性能，并與常規(guī)胍膠壓裂液體系進行對比，實驗結(jié)果見表5。

表5 壓裂液體系對煤巖心的傷害性能實驗結(jié)果

注:煤巖心長度為5.0cm，直徑為2.5cm，實驗溫度為60℃。

由表5結(jié)果可知，新型表面活性劑清潔壓裂液體系對煤巖心的平均傷害率為-2.014%，而常規(guī)胍膠壓裂液為20.875%，這是由于清潔壓裂液體系能夠溶解煤巖心中的部分有機質(zhì)，抑制黏土礦物的水化膨脹，能夠改善煤儲層的孔隙結(jié)構(gòu)，從而提高煤儲層的基質(zhì)滲透率。

三、礦場試驗

新型表面活性劑清潔壓裂液體系在西部某煤層氣礦區(qū)共計現(xiàn)場試驗10余井次，施工成功率100%，均取得了良好的壓裂增產(chǎn)效果。表6為部分井的施工及壓后生產(chǎn)效果情況，可以看出，新型表面活性劑清潔壓裂液體系均滿足了施工工藝設(shè)計的要求，壓裂后返排液的黏度較低，日產(chǎn)氣量較高，達到了壓裂增產(chǎn)的預期效果。

表6 部分煤層氣井壓裂施工及壓后生產(chǎn)效果

四、結(jié)論

(1)針對西部某煤層氣礦區(qū)使用常規(guī)胍膠壓裂液施工時對儲層的損害較嚴重等問題，室內(nèi)研制了由非離子表面活性劑、陰離子表面活性劑、助排劑以及KCl等添加劑組成的新型表面活性劑清潔壓裂液體系。

(2)新型表面活性劑清潔壓裂液體系的配方為：1.5%VEC-8+0.5%VEC-3+0.5%VEZ-2+1.0%KCl。體系綜合性能評價結(jié)果表明，該壓裂液體系具有良好的流變性能、攜砂性能、防膨性能、溶解性能以及破膠性能，并且壓裂液體系對煤儲層具有一定改造作用，對儲層無傷害，能夠有效提高煤層基質(zhì)滲透率。

(3)煤層氣井礦場試驗結(jié)果表明，新型表面活性劑清潔壓裂液體系能夠滿足壓裂現(xiàn)場施工工藝要求，且壓后日產(chǎn)氣量較高，取得了良好的壓裂增產(chǎn)效果。