煤層氣井水力壓裂液體系現(xiàn)狀與分析

袁夢然

新疆維吾爾自治區(qū)煤炭煤層氣測試研究所 新疆烏魯木齊 830000

我國煤層氣地質(zhì)構(gòu)造具有儲層復(fù)雜，彈性模量低，結(jié)構(gòu)脆弱，易變形，滲透率低，易損害等特點(diǎn)。煤層氣的長期開采也將大大降低煤儲層的滲透率，通過煤層氣壓裂技術(shù)，使用合適的壓裂液，可以極大的增多煤儲層之間的裂縫，提高煤儲層之間的滲透率和連通性，進(jìn)而大大提高煤層氣的開采效率。

1 我國煤層氣井水力壓裂特點(diǎn)

隨著我國煤層氣資源開發(fā)的深度越來越深，對水力壓裂液技術(shù)提出了更高的要求。水力壓裂液技術(shù)在北美國家的煤層氣開發(fā)中已經(jīng)有多年的發(fā)展歷史，其應(yīng)用可以追溯至40年以前。而我國雖然對水力壓裂液技術(shù)有多年的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，但對新技術(shù)的研發(fā)及應(yīng)用較為緩慢。我國煤層氣儲層在滲透率方面與美國相比一般低2～3個數(shù)量級，針對我國特殊的煤層地質(zhì)構(gòu)造，采用傳統(tǒng)的壓裂液技術(shù)很難達(dá)到預(yù)期的效果。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國煤層氣儲量約為30.35萬億立方，煤層氣儲量位居世界前列，但是開采效率卻很低。通過水力壓裂，煤儲層的裂縫和連通性增加，提高了滲流空間，擴(kuò)大了壓裂液的過濾面積，縮短了裂縫長度[1]，進(jìn)而提高儲層的滲透率，來提高煤層氣的開采效率。所有新型壓裂液的開發(fā)都基于兩個目標(biāo)，一是將儲層損害降至最低，二是保障產(chǎn)量最高。

2 水力壓裂技術(shù)原理分析

水力壓裂技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展及應(yīng)用，屬于典型的煤層氣開發(fā)實(shí)用技術(shù)。在煤層形成過程中，由于地殼運(yùn)動或構(gòu)造擠壓，煤層中產(chǎn)生的天然裂縫和孔隙有限，并會發(fā)生構(gòu)造相互作用和斷裂。煤層的形成受到非常復(fù)雜的力學(xué)效應(yīng)的影響，在斷裂過程中自然會出現(xiàn)不同的問題。水力壓裂的工作原理主要是依靠其高粘度的壓裂液，通過高壓泵給壓裂液加壓，促使其流入煤層并使煤層破碎，使煤層氣在氣井中的通道打開，以便于煤層氣向氣井中聚集，利于開采。因此，利用水的不可壓縮性支撐煤層壁，從而增強(qiáng)煤儲層的連通性是煤層水力壓裂技術(shù)的核心。

3 煤層氣井壓裂技術(shù)的使用意義

首先，消除煤層氣井建設(shè)過程中對周圍土層的影響。在壓裂過程中，能夠?qū)饩械闹車翆舆M(jìn)行充分壓實(shí)，有效提高井壁的穩(wěn)定性，有利于后續(xù)煤層氣的開采利用。

其次，加強(qiáng)鉆井與煤層氣的銜接，確保煤層氣通過裂縫進(jìn)入氣井，提高生產(chǎn)效率。

最后，煤層氣可以通過裂縫有效排出，減少脫水作業(yè)中煤層氣的損失，提高煤層氣產(chǎn)量。

4 水力壓裂液的研究現(xiàn)狀

4.1 常規(guī)壓裂液

4.1.1 活性水壓裂液

活性水壓裂液是目前較為常用的一種壓裂液體系，具有諸多優(yōu)點(diǎn)，主要表現(xiàn)在粘度低，易排水等方面。當(dāng)用于煤層氣開采時，能夠使煤層氣與地下水進(jìn)行聯(lián)合開采。但活性水壓裂液同樣具有很明顯的缺點(diǎn)，由于其自身特點(diǎn)對施工規(guī)模及排量均有明顯限制，因此影響最終施工效果。活性水壓裂液的種類較多，其中以清水壓裂液最為常見。清水壓裂液與油基壓裂液相比，不僅在儲存和使用方面更加方便，而且不易引起火災(zāi)，使用過程更加安全。清水壓裂液配置成本低，同時對煤層氣井的危害也較低。使用后在現(xiàn)場清理過程變得更加方便、快捷，能夠最大程度的滿足環(huán)保的要求。因此，具有廣闊的應(yīng)用前景，在煤層氣井開發(fā)過程中應(yīng)用更加普遍?；钚运畨毫岩褐型ǔ：锌古蛎泟┖捅砻婊钚詣┑?，它不易受地層溫度的不同對它性能的影響，且具有傷害小，摩阻低，濾失量大等特點(diǎn)，適合大煤層施工[2]。

4.1.2 交聯(lián)凍膠壓裂液

交聯(lián)凝膠壓裂液與活性水相比，攜砂能力強(qiáng)，濾失小，相對裂縫長度大，特別適用于儲層敏感和對煤層壓裂液溫度有要求的井。但其缺點(diǎn)是煤層開采難度大，存在凝膠不完全、裂隙不完全等問題[3]。

4.1.3 清潔壓裂液

清潔壓裂液具有較強(qiáng)的攜砂及抗剪能力，在破膠方面優(yōu)勢突出，破膠后不易形成殘留固體殘?jiān)Σ磷枇^小，這不僅對單井的增產(chǎn)效果具有明顯提高，而且可以對煤層的傷害降至最低。目前的新型清潔壓裂液，大多屬于小分子的表面活性劑溶液，這使其在一些特定的介質(zhì)中極易形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，壓裂效果較好[4]。新型清潔壓裂液對部分有機(jī)物具有溶解作用，不僅滿足了環(huán)保要求，而且能夠降低對煤層的破壞。該溶液質(zhì)量好，攜砂能力好，濾失小，易破碎，無殘?jiān)瑢γ簩觽π　?/p>

4.1.4 泡沫壓裂液

泡沫壓裂液能夠提高出砂率，尤其是加入氮?dú)夂螅軌蛴行Ы档兔簩訛V失量[5]。然而泡沫壓裂液的缺點(diǎn)也非常明顯，在現(xiàn)場施工過程中存在很多問題，尤其是對回流狀態(tài)的影響，在使用過程中難以進(jìn)行控制，導(dǎo)致煤粉的流動性差，易出現(xiàn)堵塞情況。且容易對煤層造成非常大的危害，對采氣效果產(chǎn)生不利影響。如果泡沫壓裂液中加入氮?dú)?，能夠明顯改善其使用效果。可以減少煤層流體的損失，縮短煤層氣井的采氣周期，特別適用于低壓、低滲透、淺層及水敏地層。

4.2 其他新型壓裂液

4.2.1 新型納米壓裂液

納米技術(shù)是一項(xiàng)綜合性技術(shù)，納米材料具有強(qiáng)表面吸附、雙相性、高穩(wěn)定性和高滲透性的特點(diǎn)?？勺鳛閴毫岩旱念A(yù)潤濕劑或過濾劑[6]。

4.2.2超分子壓裂液

隨著超分子技術(shù)的不斷發(fā)展，其應(yīng)用優(yōu)勢在不斷顯現(xiàn)。超分子技術(shù)在壓裂液體系中的研究也在逐步深化。研究表明，超分子壓裂液存在可逆交聯(lián)的多元結(jié)構(gòu)，這相比于傳統(tǒng)的常規(guī)壓裂液，具有組分少，配制簡單、攜砂能力強(qiáng)，對地層的傷害低、破膠徹底、易于返排等諸多優(yōu)勢[7]。今后，開發(fā)更加易于推廣的超分子壓裂液體系是今后研究的重點(diǎn)。

4.3 各壓裂液體系優(yōu)缺點(diǎn)分析與對比

通過分析研究不同種類壓裂液的性能及特點(diǎn)，從不同角度研究如何提高壓裂液的適用性，以便在煤層氣開發(fā)中更好的推廣使用。通過研究認(rèn)為清水壓裂液是煤層氣壓裂液的主要類型，適用于大多數(shù)的煤層氣儲層。近年來，隨著技術(shù)不斷創(chuàng)新，對泡沫壓裂液進(jìn)行了多方面的改良，擴(kuò)大了泡沫壓裂液的使用范圍。而納米壓裂液與混合型壓裂液，近年來也進(jìn)入市場，取得了不錯的應(yīng)用效果。但是鑒于成本較高，其推廣使用具有很大的局限性。最后指出，在低傷害、低成本、高效、環(huán)保的條件下，優(yōu)化成熟壓裂液，開發(fā)單體劑是今后的研究方向。新型壓裂液體系研究和壓裂液返排液回收也是今后的研究方向。

5 影響煤層氣井壓裂效果的因素

5.1 壓裂液的影響

受地質(zhì)條件的影響，煤層氣井一般由煤和各種巖石構(gòu)成。由于煤層氣分布較為廣泛，地域之間的差異，導(dǎo)致煤層氣井的構(gòu)造也存在較大差異。當(dāng)不同的煤層氣井，采用相同的壓裂液時，其施工效果也會存在較大差異。在施工前，首先應(yīng)當(dāng)對氣井的地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行研判。根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)組成選擇合適的壓裂液體系。如果壓裂液體系選擇不合理，將會對煤層氣的開發(fā)產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。壓裂液一般采用泵送的方式，通過加壓，使泵送液體保持持續(xù)流動。在泵送過程中，煤分子將會逐步對壓裂液進(jìn)行吸附，從而影響煤巖的總體積。粘土和溫度會對壓裂液的正常使用造成影響[8]。通過壓裂液描述和壓裂效果影響因素的分析，為了提高煤層氣井的壓裂效果，根據(jù)當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)環(huán)境、煤層氣埋藏位置和壓裂液特點(diǎn)，分析選擇合適的壓裂液，盡量減少對氣井的損害。

5.2 支撐劑的影響

支撐劑的主要作用是增強(qiáng)裂縫，保證泵送后裂縫形狀的穩(wěn)定性，提高裂縫的滲透性。支撐劑技術(shù)的改進(jìn)主要體現(xiàn)在兩個方面：首先，為了協(xié)調(diào)施工過程，分批注入不同粒徑的載體，先注入小的布朗特顆粒并固定小裂縫。然后逐漸增加布朗特顆粒的注入量，防止大的布朗特顆粒堵塞小裂縫。其次，為了保證支撐劑的性能，必須降低支撐劑的密度和粒徑。

5.3 施工工藝的影響

首先是壓裂液體積的影響。為了保證煤層良好的壓裂效果，施工隊(duì)一般使用大量壓裂液，在深度和高度上保證裂縫的完全延伸。但當(dāng)煤層靠近上下圍巖時，過度位移會導(dǎo)致煤層開裂，破壞圍巖結(jié)構(gòu)。其次是砂的配比，低含砂量可有效防止裂縫堵塞。如果含砂量過高，裂縫將被砂堵塞[9]。因此，應(yīng)根據(jù)煤層氣的地質(zhì)環(huán)境和位置，調(diào)整相應(yīng)的壓裂工藝。煤氣井壓裂工藝的選擇應(yīng)結(jié)合當(dāng)前的施工環(huán)境、適用范圍和技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行選擇。

6 煤層水力壓裂液存在的問題及對策

6.1 水力壓裂液存在的問題

在我國主要的壓裂方法是主動水力壓裂。其他類型的壓裂液由于技術(shù)條件和成本的限制，并沒有得到廣泛的應(yīng)用，如油基壓裂液，因其具有容易引起火災(zāi)、成本高、濾失量大等缺點(diǎn)，難以滿足現(xiàn)場施工的實(shí)際需要。但對于水力壓裂而言，也依然存在諸多不足，難以很好的滿足實(shí)際工作的需要。對于低溫地層，水力壓裂壓裂液破膠劑性能差，而殘余交聯(lián)凍膠壓裂液也會對煤儲層造成一定的損害。

6.2 針對以上問題，提出以下對策

傳統(tǒng)的煤層氣壓裂技術(shù)對于煤層的傷害較大，依然存在諸多問題。為了優(yōu)化壓裂工藝，必須加強(qiáng)壓裂液新技術(shù)的開發(fā)。在以往的實(shí)驗(yàn)研究中，在壓裂液中加入減阻劑和分散劑的效果非常明顯。在研究交聯(lián)壓裂液體系時，應(yīng)重點(diǎn)研究和開發(fā)能適應(yīng)不同溫度條件下的壓裂液，且必須考慮生產(chǎn)成本。為了減少破膠劑的使用，節(jié)約成本，保護(hù)環(huán)境，有必要通過納米技術(shù)等加強(qiáng)對返排液的降解和處理。今后，對于研發(fā)具有濾失小、懸砂能力強(qiáng)、摩擦阻力低、穩(wěn)定性好、配伍性好、殘留殘?jiān)?，易反排、便于配制和成本低廉的壓裂液是今后研究的主要方向?/p>

7 展望與建議

7.1 新型壓裂液體系的研究突破口

如上所述，由于成本、設(shè)備和技術(shù)的原因，越來越多新型的壓裂液體系已被研發(fā)出來，通過研究開發(fā)不同條件下的低傷害壓裂液體系，可以選擇合適的壓裂液體系。通過實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)確定不同的條件，以降低試劑的主要成本，使新壓裂液具有經(jīng)濟(jì)競爭力。

7.2 壓裂液返排液的回收利用

如果壓裂液不流出地面，會污染周圍環(huán)境。隨著儲層工程的擴(kuò)建，對環(huán)境和地下水的威脅會逐步增大，因此壓裂液的回收是一個不可避免的問題。我國壓裂液處理的主要方法仍然是物理法。如何結(jié)合煤層特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)直接開采和化學(xué)處理是今后的發(fā)展方向。

8 結(jié)語

我國能源緊缺，只有大力發(fā)展煤層氣等新型清潔能源，才能改善我國的能源需求。提高煤層氣開采效率是我國煤炭資源開發(fā)產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的重要保障，有利于改善能源結(jié)構(gòu)，有效保證煤炭資源的可持續(xù)利用，對保障能源安全和降低天然氣對外依存度具有十分重要意義。隨著煤層氣壓裂液技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，將為今后煤層氣的開發(fā)提供有力的技術(shù)保障。