沁水盆地煤層氣壓裂液體系優(yōu)化與性能研究

田躍儒，張雙雙，李昀昀

（中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300457）

煤層氣主要是由煤基質(zhì)表面的吸附氣、煤層割離與裂縫中的游離氣、地層水中的溶解氣和地層中的游離氣組成［1］。煤層與常見(jiàn)砂巖儲(chǔ)層差異較大，無(wú)論在礦物的組成、成巖方式和巖石力學(xué)等方面均有不同。煤層具有割離發(fā)育、泊松比高、松軟、非均質(zhì)性較強(qiáng)、表面積大等特點(diǎn)［2］。水力壓裂增產(chǎn)是目前國(guó)內(nèi)煤層氣增產(chǎn)的主要方式，我國(guó)煤層氣定向井、直井基本都是完井后通過(guò)水力壓裂施工后投產(chǎn)，由于煤層吸附能力比較強(qiáng)且天然裂縫發(fā)育，與煤層不配伍的壓裂液將降低地層滲透率從而導(dǎo)致煤層傷害［3］。壓裂過(guò)程中黏土礦物與壓裂液接觸容易引起水敏膨脹，及煤儲(chǔ)層溫度相對(duì)降低，從而導(dǎo)致瓜膠類壓裂液難以返排，儲(chǔ)層中毛細(xì)管自吸等，最終引起儲(chǔ)層滲透率降低［4］。煤層基質(zhì)的傷害一旦形成則很難恢復(fù)，因此優(yōu)選出與目的煤層配伍的壓裂液體系至關(guān)重要。

本文針對(duì)沁水盆地沁源區(qū)塊2#煤層特點(diǎn)，通過(guò)優(yōu)化壓裂液體系配方對(duì)比巖心傷害前后滲透率變化，測(cè)試其性能，擬得到適用于該區(qū)塊2#煤層防煤粉壓裂液和活性水體系，旨在解決該區(qū)塊壓裂液造成的地層滲透率傷害大的問(wèn)題。

1 儀器與樣品

1.1 主要儀器

FTA- 200 表面張力測(cè)定儀：承德優(yōu)特檢測(cè)儀器制造有限公司；Jouan KR4i 型離心機(jī)：法國(guó)Jouan 公司；ZNN- D12 型數(shù)顯粘度計(jì)：山東美科儀器有限公司；ZNS- 5A 動(dòng)態(tài)濾失儀：肯測(cè)儀器有限公司；自行研制的穩(wěn)態(tài)法滲透率傷害評(píng)價(jià)儀（見(jiàn)圖1）。

圖1 煤巖儲(chǔ)層穩(wěn)態(tài)法滲透率傷害評(píng)價(jià)裝置Fig.1 The equipment of permeability damage evaluation device for steady-state method of coal-rock reservoir

實(shí)驗(yàn)樣品選用山西沁水盆地沁源區(qū)塊2#煤層作為研究對(duì)象。從圖2 可以看出沁水盆地煤層位于沁水盆地中段，緊鄰霍山隆起區(qū)，地層產(chǎn)狀呈明顯三分帶：西部擠壓構(gòu)造帶、中部寬緩背斜帶、東部凹槽帶。斷層主要分布在西部和南部，走向多為NE ～NNE方向，2#煤層埋深普遍大于1 000 m。煤層厚度變化較大（0.5 ～6.7 m），由東南- 西北方向逐漸變薄，局部出現(xiàn)尖滅現(xiàn)象。由西向東依次呈現(xiàn)出薄- 分叉- 厚單層的變化趨勢(shì)，西部薄且分布不穩(wěn)定。

圖2 沁水盆地煤層氣區(qū)塊分布圖（a）及頂界面埋深圖（b）Fig.2 Distribution (a) and depth (b) of coalbed methane in Qinshui Basin

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 常規(guī)壓裂液評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)方法 參照SY/T 5107—2017《水基壓裂液性能評(píng)價(jià)方法》［5］、SY/T 6376—2008《壓裂液通用技術(shù)條件》［6］、SY/T 5370—2018《表面及界面張力測(cè)定方法》［7］和SY/T 5971—2016《油氣田壓裂酸化及注水用粘土穩(wěn)定劑性能評(píng)價(jià)方法》［8］對(duì)壓裂液體系及配方各項(xiàng)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1.2.2 滲透率傷害評(píng)價(jià)方法 滲透率傷害試驗(yàn)使用自行研制的穩(wěn)態(tài)法滲透率傷害評(píng)價(jià)儀（圖1），該裝置包括氣- 液注入系統(tǒng)、高壓巖心夾持器、圍壓泵、回壓控制閥、智能皂膜流量計(jì)、玻璃刻度移液管和溫度控制系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)注入壓力0 ～15 MPa，注入液量由活塞式中間容器控制，圍壓范圍0 ～150 MPa，實(shí)驗(yàn)采用鉆取直徑為2.5 cm，長(zhǎng)度為3.2 ～7.2 cm 的巖心柱塞，參照文獻(xiàn)［9］的方法進(jìn)行壓裂液對(duì)煤巖儲(chǔ)層滲流性能的傷害評(píng)價(jià)試驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 活性水壓裂液體系配方優(yōu)化

活性水壓裂液由于沒(méi)有加入稠化劑，具有粘度低、傷害率低、成本低、不存在低溫破膠問(wèn)題等特點(diǎn)，因而在國(guó)內(nèi)煤層氣壓裂增產(chǎn)中廣泛應(yīng)用。但活性水壓裂液由于粘度低攜砂能力較差，壓裂過(guò)程中濾失量大，沒(méi)有降阻劑且高摩阻限制施工排量，進(jìn)而影響壓裂施工，有一定局限性［10］。在改善活性水壓裂液體系的性能試驗(yàn)中，主要采取添加防膨劑和助排劑等措施［11］。助排劑主要通過(guò)表面張力優(yōu)化配方，而防膨劑是根據(jù)目的層巖心防膨性能優(yōu)化加量。

2.1.1 壓裂液配方優(yōu)化 壓裂施工完成后壓裂液應(yīng)盡快返排至地面，減少壓裂液與地層接觸時(shí)間，從而降低壓裂液對(duì)煤層基質(zhì)的傷害，需加入一定量助排劑降低水的表面張力［12］。本文測(cè)試了5 種助排劑對(duì)地表水表面張力的影響，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 不同體系不同濃度助排劑對(duì)表面張力值的影響Tab.1 Effect of different concentration drainage aids in different systems on surface tension value

從表1 可以看出，不同助排劑體系的溶液表面張力值有較大差異，其中TY 助排劑成本最低性能較好，在0.2% 、0.3% 和0.4% 濃度下的表面張力值均低于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（28 mN/m）。考慮到助排劑TY 的原料成本，建議選擇用量濃度為0.2% 的TY 助排劑，既可降低生產(chǎn)成本，又可滿足現(xiàn)場(chǎng)施工的要求。

煤儲(chǔ)層中黏土膨脹運(yùn)移將造成地層傷害，因此壓裂液中需要加入一定量的防膨劑，K+侵入黏土中的硅氧四面體可防止黏土膨脹，從而穩(wěn)定黏土［13］。本文優(yōu)選KCl 為防膨劑，探討其對(duì)煤儲(chǔ)層中黏土膨脹的影響，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 不同濃度KCl 溶液對(duì)防膨率的影響Tab.2 Effect of KCl solution with different concentrations on the anti-swelling rate

從不同濃度的KCl 防膨效果可以看出，KCl 濃度大于1.5% 時(shí)，防膨率在83.37% 以上，滿足煤層氣井壓裂施工要求，從實(shí)驗(yàn)效果及經(jīng)濟(jì)成本角度考慮，壓裂液中KCl 濃度可選擇1.5% 。

2.1.2 壓裂液對(duì)煤巖基質(zhì)傷害評(píng)價(jià) 沁源區(qū)塊2#煤層以貧煤和無(wú)煙煤為主，多為塊狀，少量呈顆粒狀，煤體結(jié)構(gòu)以原生結(jié)構(gòu)煤為主（圖3）。鏡質(zhì)組反射率為2.218% ～3.094% ，煤層水分較低，灰分值分布于12.71% ～20.69% ，屬低- 中灰煤。含氣量變化范圍為7.07 ～29.14 m3/t，臨界解吸壓力變化范圍為0.71 ～20.01 MPa，平均壓力值為7.71 MPa，平均壓力梯度為0.88 MPa/100 m，儲(chǔ)層平均溫度為34.6 ℃。

圖3 沁源區(qū)塊2#煤層取芯照片F(xiàn)ig.3 The picture of Qinshui 2# core

煤層氣壓裂效果與煤層儲(chǔ)層本身特性、壓裂液優(yōu)選體系、現(xiàn)場(chǎng)施工參數(shù)有關(guān)外，還與壓裂過(guò)程中帶來(lái)的壓裂液儲(chǔ)層傷害有關(guān)。因此需根據(jù)該區(qū)塊煤層特點(diǎn)優(yōu)選匹配的壓裂液體系。

壓裂施工結(jié)束后壓裂液滯留在孔隙體積高達(dá)數(shù)萬(wàn)立方米的煤巖儲(chǔ)層時(shí)，壓裂液更多是存在于人工裂縫溝通的割理或裂隙中。因此壓裂液的主要傷害是因吸附滯留和壓裂液與地層水及地層巖石不配伍等造成的絕對(duì)滲透率下降。本試驗(yàn)針對(duì)壓裂液污染前后的巖心進(jìn)行滲透率測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表3。由表3 可知，1.5% KCl 的活性水造成樣品滲透率傷害率分別為19.1% 和19.73%，平均值為19.41%；1.5%KCl+ 0.2%TY 助排劑造成樣品滲透率傷害率分別為7.39% 和16.45%，平均值為11.92%，兩個(gè)體系對(duì)煤層基質(zhì)傷害率均小于行業(yè)傷害指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)（≤ 30%），滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。

表3 活性水壓裂液巖心傷害評(píng)價(jià)結(jié)果Tab.3 Core damage evaluation results of active water fracturing fluid

壓裂過(guò)程中產(chǎn)生的煤粉將影響煤層氣的解吸擴(kuò)散，由于煤層氣的產(chǎn)出要經(jīng)歷“解吸- 擴(kuò)散-滲流”的多尺度傳質(zhì)過(guò)程。產(chǎn)生的煤粉將間接影響甲烷的解吸以及游離氣相擴(kuò)散，從而最終影響壓裂后單井產(chǎn)氣量［14-15］，因此需盡量將壓裂產(chǎn)生的煤粉帶出地面。兩種壓裂液與沁源巖心接觸角見(jiàn)圖4 和圖5。圖4 顯示1.5%KCl 壓裂液與沁源巖心的接觸角為77.46°，圖5 顯示1.5%KCl +0.2%TY 助排劑壓裂液與巖心接觸角為14.59°，加入助排劑后能增強(qiáng)壓裂液對(duì)煤粉的潤(rùn)濕性，從而利于壓裂后改善裂縫導(dǎo)流能力。

圖4 1.5%KCl 壓裂液Fig.4 1.5%KCl fracturing fluid

圖5 1.5%KCl+ 0.2%TY 壓裂液Fig.5 1.5%KCl+ 0.2%TY fracturing fluid

2.2 防煤粉壓裂液

煤層氣壓裂液過(guò)程中產(chǎn)生的煤粉不容易溶解和分散在壓裂液中，易聚集起來(lái)在裂縫前端阻塞壓裂裂縫擴(kuò)展，從而可能改變裂縫走向，在裂縫前端形成一定阻力不利于裂縫擴(kuò)展，進(jìn)而導(dǎo)致施工壓力過(guò)高，增加地面施工難度，同時(shí)也增加砂堵的可能性［16］。

為最大限度降低煤粉對(duì)煤層傷害，針對(duì)沁源壓塊2#煤層特點(diǎn)研究出防煤粉壓裂體系，壓裂液配方2.0%KCl + 0.3%GR- 3 + 0.2%ZP- 1，通過(guò)試驗(yàn)對(duì)其性能進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，包括基液性能、防膨性能、懸浮性能、配伍性能、煤巖傷害程度等。得到防煤粉低傷害壓裂液密度為0.981 g/cm3，表觀粘度為1.00 mPa·s，pH 值為9，防膨率為83.37% ，表面張力為26.21 mN/m，界面張力為1.85 mN/m，煤粉懸浮率為21.36% ，配伍性能良好。采用壓裂液與模擬地表水按1∶1 體積比混合，觀察溶液澄清透明，壓裂液配伍性能良好，測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 沁源區(qū)塊2#煤樣品滲透率傷害率測(cè)定結(jié)果Tab.4 Test results of permeability damage rate for Qinyuan block 2# coal sample

由表4 可知，兩種煤巖巖心傷害率分別為24.54% 和20.75% ，傷害率平均值為22.65% ，均低于行業(yè)傷害指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)（≤ 30%），對(duì)儲(chǔ)層傷害小，滿足施工要求。

3 結(jié)論

本文針對(duì)沁源區(qū)塊2#煤層特點(diǎn)進(jìn)行了壓裂傷害試驗(yàn)，優(yōu)化壓裂液配方，得到適用于該區(qū)塊的活性水壓裂液體系及防煤粉壓裂液體系。

1）活性水壓裂液體系1.5%KCl + 0.2%TY 滿足現(xiàn)場(chǎng)施工要求，壓裂液表面張力為23.68 mN/m，壓裂液與巖心接觸角為14.59°，對(duì)沁源區(qū)塊2#煤層平均滲透率傷害率為11.92% ，傷害低。

2）防煤粉壓裂液體系對(duì)煤粉懸浮率為21.36% ，煤巖滲透率傷害率平均為22.65% ，能夠有效地將壓裂過(guò)程中產(chǎn)生的煤粉攜帶出地層。