煤層氣井用新型活性水壓裂液體系研究及應(yīng)用

劉鈺瑩，韓同方，何亞銳，張 溫，應(yīng) 敏

1長(zhǎng)江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院2中石化勝利石油工程有限公司井下作業(yè)公司3中國(guó)石油西南油氣田公司工程技術(shù)研究院4中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第二采油廠工藝研究所5中國(guó)石油青海油田分公司勘探開(kāi)發(fā)研究院

0 引言

中國(guó)的煤層氣資源十分豐富，其中沁水盆地煤層氣的儲(chǔ)量和勘探開(kāi)發(fā)程度均較高，具有較廣闊的開(kāi)發(fā)利用前景［1-3］。煤層氣儲(chǔ)層由于其特殊的地質(zhì)構(gòu)造及賦存狀態(tài)，往往需要采用壓裂增產(chǎn)的方式來(lái)獲得工業(yè)氣流［4-8］。目前用于煤層氣儲(chǔ)層的常用壓裂液體系主要包括活性水壓裂液、胍膠壓裂液、泡沫壓裂液以及清潔壓裂液等，其中活性水壓裂液的應(yīng)用最為廣泛［9-13］。

本文在調(diào)研分析煤層氣井常規(guī)活性水壓裂液體系優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)防膨劑、防水鎖劑和煤粉懸浮劑等主要處理劑的優(yōu)選及性能評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，研制出了一套新型活性水壓裂液體系，在室內(nèi)對(duì)其綜合性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)，并在沁水盆地南部某煤層氣區(qū)塊成功開(kāi)展了礦場(chǎng)試驗(yàn)，取得了良好應(yīng)用效果，為豐富煤層氣壓裂液的理論及技術(shù)實(shí)踐提供一定的借鑒。

1 新型活性水壓裂液體系主要處理劑優(yōu)選及配方確定

1.1 防膨劑優(yōu)選

室內(nèi)參照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》，評(píng)價(jià)了幾種防膨劑的防膨效果，將其中的鈉膨潤(rùn)土換成粉碎過(guò)篩并處理后的現(xiàn)場(chǎng)儲(chǔ)層段煤巖，防膨劑加量均為2.0%，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 防膨劑性能評(píng)價(jià)結(jié)果

由圖1結(jié)果可知，不同類型的防膨劑對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儲(chǔ)層段煤巖均具有一定的防膨效果，其中防膨劑FP-102的效果最好，當(dāng)其加量為2.0%時(shí)，防膨率能夠達(dá)到90%以上。因此，選擇2.0%FP-102作為新型活性水壓裂液體系的防膨劑。

1.2 防水鎖劑優(yōu)選

為提高壓裂液的返排效率，降低水鎖損害程度，通常選擇在壓裂液中加入防水鎖劑（表面活性劑）來(lái)實(shí)現(xiàn)。室內(nèi)通過(guò)測(cè)定水溶液的表面張力以及煤巖表面接觸角的方式對(duì)幾種表面活性劑的性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 防水鎖劑性能評(píng)價(jià)結(jié)果

由表1結(jié)果可知，不同類型的表面活性劑均能顯著降低溶液的表面張力，并能對(duì)煤巖表面的接觸角產(chǎn)生不同程度的影響。而由毛細(xì)管阻力方程P c＝2σ·cosθ/r可知，表面張力和接觸角都能對(duì)毛細(xì)管阻力產(chǎn)生影響，毛細(xì)管阻力的大小與σ·cosθ值成正比，即σ·cosθ值越小，則毛細(xì)管阻力則越小。因此，綜合以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)表面活性劑FSZ-20的加量為0.3%時(shí)，σ·cosθ值最小為19.42，此時(shí)的毛細(xì)管阻力最小，所以選擇0.3%FSZ-20作為新型活性水壓裂液體系的防水鎖劑。

1.3 煤粉懸浮劑性能評(píng)價(jià)

室內(nèi)采用現(xiàn)場(chǎng)不同粒徑的煤粉對(duì)煤粉懸浮劑XMF-03的性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)，實(shí)驗(yàn)方法為：在100 mL活性水壓裂液（2.0%FP-102+0.3%FSZ-20）中加入不同質(zhì)量濃度的煤粉懸浮劑XMF-03，然后再分別加入5 g不同粒徑的煤粉，記錄煤粉沉降的時(shí)間，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 煤粉懸浮劑性能評(píng)價(jià)結(jié)果

由表2結(jié)果可知，煤粉粒徑越大，沉降時(shí)間越短，隨著煤粉懸浮劑XMF-03濃度的增大，煤粉沉降時(shí)間越來(lái)越長(zhǎng)。對(duì)于粒徑為0.1～0.3 nm和0.3～0.05 nm的煤粉，煤粉懸浮劑XMF-03的質(zhì)量濃度為0.6%時(shí)，24 h后仍能使煤粉保持均勻懸浮的狀態(tài)，而對(duì)于粒徑為0.5～0.8 nm的煤粉，XMF-03的質(zhì)量濃度為0.8%時(shí)，才能使煤粉在24 h后仍保持均勻懸浮的狀態(tài)，即XMF-03的濃度越大，懸浮煤粉的效果越好。綜合考慮經(jīng)濟(jì)因素，選擇0.8%XMF-03作為新型活性水壓裂液體系的煤粉懸浮劑。

1.4 新型活性水壓裂液體系配方

綜合以上主要處理劑優(yōu)選評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，最終確定新型活性水壓裂液體系的配方為：2.0%防膨劑FP-102+0.3%防水鎖劑FSZ-20+0.8%煤粉懸浮劑XMF-03。

2 新型活性水壓裂液體系性能評(píng)價(jià)

2.1 壓裂液常規(guī)性能評(píng)價(jià)

室內(nèi)參照國(guó)家能源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NB/T 10034—2016《煤層氣藏用水基壓裂液性能評(píng)價(jià)方法》，對(duì)比活性水壓裂液技術(shù)指標(biāo)，對(duì)研制的新型活性水壓裂液體系的常規(guī)性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 新型活性水壓裂液體系常規(guī)性能測(cè)試結(jié)果

由表3可知，研制的新型活性水壓裂液體系的各項(xiàng)性能測(cè)試結(jié)果均能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)要求，說(shuō)明該壓裂液體系具有良好的綜合性能，可以滿足煤層氣壓裂施工對(duì)活性水壓裂液性能的需求。

2.2 壓裂液攜砂性能

室內(nèi)測(cè)定了陶粒支撐劑在新型活性水壓裂液體系中的沉降速度，以此評(píng)價(jià)壓裂液體系的攜砂性能。實(shí)驗(yàn)溫度為25～60℃，支撐劑粒徑為0.425～0.500 mm，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 新型活性水壓裂液體系攜砂性能

由表4可知，隨著溫度的升高，支撐劑在新型活性水壓裂液體系中的沉降速度有所增大，但增大幅度較小，當(dāng)溫度為60℃時(shí)，支撐劑的沉降速度為0.795 mm/s，沉降速度較小，說(shuō)明新型活性水壓裂液體系具有較好的攜砂性能，能夠滿足煤層氣儲(chǔ)層壓裂施工對(duì)壓裂液攜砂性能的要求。

2.3 壓裂液對(duì)煤層氣解吸的影響

室內(nèi)對(duì)比評(píng)價(jià)了干燥煤樣以及經(jīng)過(guò)新型活性水壓裂液和常規(guī)胍膠壓裂液破膠液處理后的煤樣的常壓解吸量，實(shí)驗(yàn)用煤樣均取自現(xiàn)場(chǎng)儲(chǔ)層段，實(shí)驗(yàn)溫度為25℃，解吸實(shí)驗(yàn)時(shí)間為360 min，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 壓裂液對(duì)煤層氣解吸量的影響

由圖2可知，干燥煤樣在360 min的累計(jì)解吸量為7.98 cm3/g，經(jīng)過(guò)新型活性水壓裂液處理后煤樣的累計(jì)解吸量仍可以達(dá)到7.83 cm3/g，與干燥煤樣相差不大；而使用常規(guī)胍膠壓裂液破膠液處理后煤樣的累計(jì)解吸量只有5.91 cm3/g，與干燥煤樣相比解吸量明顯降低。這是由于相比較于常規(guī)胍膠壓裂液破膠液而言，新型活性水壓裂液體系中含有的防水鎖劑等表面活性劑能夠通過(guò)改變表面張力來(lái)降低毛細(xì)管壓力，進(jìn)而降低水鎖效應(yīng)的損害程度，使氣體更容易從孔隙中解吸出來(lái)，所以其解吸量較大，能夠滿足煤氣儲(chǔ)層壓裂增產(chǎn)的需求。

2.4 壓裂液對(duì)煤巖心滲透率的影響

按照NB/T 10034—2016《煤層氣藏用水基壓裂液性能評(píng)價(jià)方法》中煤心滲透率損害率測(cè)定方法，對(duì)比評(píng)價(jià)了新型活性水壓裂液體系和常規(guī)胍膠壓裂液破膠液對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儲(chǔ)層段煤巖心滲透率的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 壓裂液對(duì)煤巖心滲透率的影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表5可知，新型活性水壓裂液體系對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儲(chǔ)層段煤巖心的滲透率損害率小于15%，遠(yuǎn)小于常規(guī)胍膠壓裂液破膠液的30%左右，說(shuō)明研制的新型活性水壓裂液體系具有良好的低損害特性，不會(huì)在壓裂施工過(guò)程中對(duì)煤儲(chǔ)層造成較高的損害。

3 礦場(chǎng)應(yīng)用效果

新型活性水壓裂液體系在沁水盆地南部某煤層氣區(qū)塊成功進(jìn)行了礦場(chǎng)應(yīng)用試驗(yàn)，施工的5口煤層氣井均達(dá)到了壓裂施工的工藝要求，未發(fā)生煤粉卡泵等井下復(fù)雜事故，施工過(guò)程順利，成功率達(dá)到100%，5口井的具體施工參數(shù)及壓裂效果見(jiàn)表6。

表6 新型活性水壓裂液現(xiàn)場(chǎng)壓裂施工效果

由表6可以看出，現(xiàn)場(chǎng)5口煤層氣井使用新型活性水壓裂液體系壓裂施工后，日產(chǎn)氣量均超過(guò)1 000 m3，取得了良好的壓裂增產(chǎn)效果，具有較好的推廣應(yīng)用前景。

4 結(jié)論

（1）室內(nèi)通過(guò)對(duì)防膨劑、防水鎖劑和煤粉懸浮劑等主要處理劑的優(yōu)選及評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，研制了一套適合煤層氣井壓裂施工用的新型活性水壓裂液體系，其具體配方為：2.0%防膨劑FP-102+0.3%防水鎖劑FSZ-20+0.8%煤粉懸浮劑XMF-03。

（2）綜合性能評(píng)價(jià)結(jié)果表明，該壓裂液體系能夠滿足煤層氣藏用活性水壓裂液行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)；與干燥煤樣相比，該壓裂液對(duì)煤層氣的解吸量影響不大；壓裂液體系具有較好的攜砂性能；另外，該壓裂液體系對(duì)煤巖心的滲透率損害率小于15%，具有低損害特性，能夠滿足煤層氣井壓裂施工對(duì)壓裂液性能的要求。

（3）礦場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明，5口煤層氣井使用研制的新型活性水壓裂液體系施工后，均取得了良好的壓裂增產(chǎn)效果，表明該活性水壓裂液體系能夠在煤層氣儲(chǔ)層壓裂施工中進(jìn)一步展開(kāi)推廣。