氮氣泡沫壓裂技術(shù)在煤層氣井重復(fù)壓裂中的應(yīng)用*

楊琦

(中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司，北京 100020)

沁水盆地煤層氣儲層具有儲層滲透率低、含氣飽和度低、地層壓力低以及非均質(zhì)性強等特點，可采性條件相對較差。壓裂改造是煤層氣開發(fā)中的必要增產(chǎn)手段，但是在進(jìn)行壓裂改造過程中井場出現(xiàn)高注入泵壓、砂堵等，地層閉合后會出現(xiàn)支撐劑嵌入以及在排采過程中出現(xiàn)煤粉堵塞等問題。因此，優(yōu)選與煤層相適應(yīng)的壓裂液體系一直是煤層氣開發(fā)的研究重點[1-3]。

氮氣泡沫壓裂液具有黏度高、濾失量小、攜砂能力強等特點，較易于在地層中產(chǎn)生長而寬的支撐裂縫，同時由于對地層傷害較小，適用于低壓力、易水敏、低滲透率儲層的改造[4-9]。

近年來，隨著對沁水盆地煤層氣開發(fā)的逐漸深入，部分煤層氣井經(jīng)過初次壓裂后改造效果不夠理想，壓裂時地層中產(chǎn)生了煤粉堵塞、支撐劑嵌入、地層濾失嚴(yán)重、裂縫延伸困難以及近井筒污染等問題，導(dǎo)致單井產(chǎn)氣量低，甚至基本無產(chǎn)量。因此，需要對低產(chǎn)井進(jìn)行重復(fù)壓裂改造，以解除井筒堵塞，提升改造效果，實現(xiàn)煤層氣井的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)[10-11]。若仍然采用常規(guī)的活性水壓裂液體系，將大量的入井液體注入地層，井筒需要經(jīng)歷長期的排水降壓過程，影響煤層氣井的快速增產(chǎn)[12]。因而，可以利用氮氣泡沫壓裂液技術(shù)來實現(xiàn)對低產(chǎn)煤層氣井的重復(fù)壓裂改造。筆者根據(jù)氮氣泡沫壓裂技術(shù)在煤層氣井重復(fù)壓裂中的應(yīng)用試驗情況，重點分析了氮氣泡沫壓裂工藝技術(shù)原理、氮氣泡沫壓裂技術(shù)在煤層氣老井重復(fù)壓裂中的優(yōu)點，為煤層氣老井重復(fù)壓裂改造提供理論和技術(shù)支撐。

1 氮氣泡沫壓裂技術(shù)

1.1 氮氣泡沫壓裂技術(shù)原理

常規(guī)的活性水壓裂液濾失大，造縫效率不高，在壓裂過程中易出現(xiàn)砂堵、高泵壓等問題。目前現(xiàn)場常用的壓裂液體系，除活性水之外，還有泡沫壓裂液和胍膠壓裂液，胍膠壓裂液性能良好，但胍膠壓裂液中的高分子有機物容易在煤層中被吸附，同時煤層普遍溫度較低，破膠困難，壓裂后通常需要經(jīng)過較長時間的排采階段，進(jìn)而使得地層中的壓裂液不能快速返排出來，易對地層造成污染和堵塞。因此，在對煤層氣老井進(jìn)行重復(fù)壓裂改造時，考慮使用氮氣泡沫壓裂液，氮氣泡沫壓裂液體系由于具有高黏度、濾失少、用液量少等特點，同時對煤層的傷害也較小，注入地層的氮氣在壓裂后可以促進(jìn)壓裂液的快速返排[6,13-17]。

泡沫質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于52%的壓裂液體系稱為增能體系，一般用于常規(guī)壓裂處理后作為尾追液幫助返排；泡沫質(zhì)量分?jǐn)?shù)為52%~96%的壓裂液體系稱為泡沫體系，具有有效壓裂液所需的各種特征，如含液量低、攜砂和懸砂能力強、濾失低、黏度高、返排能力強等；若泡沫質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于96%，則會退化為霧狀。在重復(fù)壓裂施工過程中，液氮泵車將液氮通過地面三通，與含發(fā)泡劑的水基壓裂液進(jìn)行混合，形成一定質(zhì)量的泡沫壓裂液。通常在井底施工壓力(BHTP)條件下，壓裂施工所用的泡沫質(zhì)量分?jǐn)?shù)多在65%~85%，然后再利用液氮和凍膠或者清潔壓裂液的混合液進(jìn)行重復(fù)壓裂施工[18-19]。

1.2 氮氣泡沫壓裂液特點

氮氣泡沫壓裂技術(shù)原理與常規(guī)水力壓裂是相同的，均是向煤層中注入大排量的高壓流體，將煤層氣儲層壓裂開，并在煤巖層中形成人工的支撐裂縫，同時可以溝通煤層中原有的裂隙，使得在煤層中形成復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)，從而實現(xiàn)增產(chǎn)改造[20]。相比于常規(guī)活性水壓裂液，氮氣泡沫壓裂液具有一些優(yōu)良的特性：①氮氣泡沫壓裂液的黏度較高，具有較好的攜砂性能。在氮氣泡沫壓裂液中，支撐劑的沉降速率僅為水的百分之一[19]，因而氮氣泡沫壓裂液能夠攜帶更多體積的支撐劑鋪置到支撐裂縫中，并且隨著裂縫的延伸和展布，支撐劑也可以隨之被氮氣泡沫壓裂液鋪置到新造的裂縫中，從而在煤層中形成長且寬的支撐裂縫，從而可以最大限度的提高煤層的滲透率和支撐裂縫的導(dǎo)流能力[20]。②濾失量小，減少壓裂液對煤層傷害以及煤粉堵塞。氮氣泡沫壓裂液中的泡沫質(zhì)量較高，可以大幅降低液相的用量，并且氮氣泡沫壓裂液具有較好的抗濾失性能，濾失量小，能夠有效降低壓裂液對煤層氣儲層的傷害。此外，氮氣泡沫壓裂液對煤粉的潤濕性進(jìn)行改善，使煤粉的分散性得到提高，在返排時壓裂液可將大量煤粉帶出地層，從而減少煤粉對支撐裂縫和地層的堵塞[13-14,21]。③用液量少，助返排。氮氣泡沫壓裂液可以降低壓裂液體系的密度，使井筒的壓差降低，返排壓差增大，加快壓裂液的返排[19]。氮氣泡沫壓裂液也可以在常規(guī)活性水壓裂后，作為尾追液幫助壓裂液快速返排，同時由于氮氣泡沫壓裂液所用液體量較少，也比較適用于水敏地層的壓裂施工。

2 氮氣泡沫壓裂液性能評價

根據(jù)煤層氣儲層的特點，為了減小壓裂液對煤層的傷害，快速返排建產(chǎn)，優(yōu)選得到了泡沫壓裂液的配方，其組成(w)為(0.2%~0.3%)HPG+0.3%起泡劑+0.5%黏土穩(wěn)定劑+(5~20)×10-6生物酶，并且通過室內(nèi)試驗評價了泡沫壓裂液的性能。

2.1 耐剪切性能

在溫度為30 ℃，剪切速率為170 s-1的條件下，對氮氣泡沫壓裂液進(jìn)行耐剪切試驗，結(jié)果見圖1。

圖1 氮氣泡沫壓裂耐剪切性能

由圖1可見：隨著剪切時間的延長，壓裂液黏度開始快速下降，之后呈現(xiàn)升高的趨勢，當(dāng)剪切時間達(dá)到80 min時，壓裂液黏度開始逐漸下降并趨于穩(wěn)定，制備的壓裂液經(jīng)過116 min的連續(xù)剪切后，黏度仍高于100 mPa·s。

2.2 起泡性能

對泡沫壓裂液在不同條件下的泡沫性能進(jìn)行了試驗評價，起泡劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對泡沫質(zhì)量分?jǐn)?shù)及泡沫半衰期t1/2的影響見表1，pH值對泡沫質(zhì)量分?jǐn)?shù)及泡沫半衰期t1/2的影響見表2。

表1 不同起泡劑濃度下泡沫性能

表2 不同pH值下泡沫性能

由表1可見：隨著起泡劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，泡沫質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸下降，起泡效果變?nèi)酰€(wěn)泡效果增強，半衰期變長。因此，起泡劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)優(yōu)選0.3%。

由表2可見：pH值越低時，泡沫質(zhì)量分?jǐn)?shù)越差，穩(wěn)泡性能也越差；pH值越高時，泡沫穩(wěn)定性及泡沫質(zhì)量分?jǐn)?shù)就越高，氮氣泡沫壓裂液整體通常呈非酸性。因此，泡沫壓裂液的pH值優(yōu)選7~9。

2.3 破膠性能

破膠性能是一個評價壓裂液性能的重要指標(biāo)，也是減小對煤層傷害的重要影響因素。壓裂液常用的破膠劑為過硫酸銨等過硫酸鹽，但該類破膠劑在低溫下釋放速率緩慢，導(dǎo)致破膠速率慢。生物酶在低溫下能有效地降解胍膠分子，同時可有效降低殘渣含量。在溫度為30 ℃的條件下，考察了生物酶加量(w)對破膠性能的影響，結(jié)果見表3。

表3 生物酶加量對破膠性能的影響

由表3可見：當(dāng)生物酶加量(w)為20×10-6，破膠時間為120 min時，壓裂液的破膠液黏度為3.43 mPa·s，此時破膠較為徹底。

2.4 防膨性能和表、界面張力

當(dāng)溫度為30 ℃時，對泡沫壓裂液的防膨性能進(jìn)行了測定，結(jié)果見表4。

表4 防膨性能測定結(jié)果

由表4可見：泡沫壓裂液防膨率的平均值為88.43%，表明該泡沫壓裂液防膨效果好，能有效地抑制煤層氣儲層中黏土礦物的膨脹。

當(dāng)溫度為30 ℃時，對泡沫壓裂液的表面張力及界面張力進(jìn)行了測定，結(jié)果見表5。

表5 表面張力及界面張力測定結(jié)果

由表5可見：泡沫壓裂液的表面張力平均值為25.26 mN/m，界面張力平均值為0.46 mN/m，表明該泡沫壓裂液具有較好的助排性能。

2.5 殘渣含量測定和對巖心基質(zhì)滲透率的傷害評價

對泡沫壓裂液破膠液的殘渣含量進(jìn)行了測定，結(jié)果見表6。

表6 殘渣含量測定

由表6可見：泡沫壓裂液破膠液的殘渣(ρ)平均值為212 mg/L。與常規(guī)無機硼、有機硼壓裂液破膠液的殘渣含量相比，泡沫壓裂液破膠液的殘渣含量較低，有利于減小對地層的傷害。

壓裂液中的胍膠含量越低，對煤層的傷害就越小。為了評價氮氣泡沫壓裂液對巖心基質(zhì)滲透率的傷害，選取天然巖心通過試驗測定了氮氣泡沫壓裂液對巖心基質(zhì)滲透率的傷害率，結(jié)果見表7。

表7 泡沫壓裂液對巖心基質(zhì)滲透率的傷害性能評價

由表7可見：泡沫壓裂液對巖心基質(zhì)滲透率損害率為16.43%~17.39%，平均值為16.89%，其對巖心基質(zhì)滲透率的傷害率遠(yuǎn)小于水基壓裂液通用技術(shù)中要求的30%，表明該氮氣泡沫壓裂液對煤層的傷害較小。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

3.1 重復(fù)壓裂選井原則

煤層氣井低產(chǎn)的原因一般可分為：①初次壓裂施工后未能在地層形成有效的支撐裂縫；②初次壓裂施工后已形成有效的裂縫通道，但由于后期排采等原因使裂縫通道發(fā)生堵塞，阻礙氣體流動。利用重復(fù)壓裂技術(shù)可以有效解決地層裂縫通道堵塞的問題，使氣體可以采出。對于前期壓裂以后的低效井，應(yīng)具體分析低產(chǎn)原因，選擇需要進(jìn)行重復(fù)壓裂的二次壓裂井，對其進(jìn)行針對性地增產(chǎn)改造。

重復(fù)壓裂選井時一般選擇資源豐度較高，開發(fā)潛力較好的低產(chǎn)壓裂井，具體的選井原則為：①具有較大的開發(fā)潛力，并且含氣飽和度和資源豐度較高；②裂縫延伸困難，壓裂效果差；③一次壓裂改造不明顯，生產(chǎn)過程中氣井產(chǎn)量較低或無產(chǎn)量；④地層濾失嚴(yán)重，易發(fā)生砂堵，造縫不完善；⑤該井的日產(chǎn)氣量低于周邊鄰井或者初期產(chǎn)氣量較好，但是受不連續(xù)排采影響。

3.2 重復(fù)壓裂井基本概況

A井煤層埋深為770~800 m，煤層厚度約6 m，含氣量15.26 m3/t，煤體結(jié)構(gòu)以原生-碎裂結(jié)構(gòu)為主。對該井進(jìn)行了壓裂施工，隨著裂縫的擴展，裂縫滲透率增大，地層濾失增大，縫寬減小，當(dāng)在排量為8.5 m3/min時，施工壓力穩(wěn)定上升，發(fā)生輕微砂堵現(xiàn)象。

A井自投產(chǎn)以來，見氣時間較短，前期產(chǎn)氣高峰為1 118 m3/d，穩(wěn)產(chǎn)時間較長，最高產(chǎn)氣量達(dá)到1 760 m3/d，最高套壓為0.48 MPa，當(dāng)前氣量為264 m3/d，套壓0.09 MPa，產(chǎn)水量為0.1 m3/d，動液面始終維持在煤層頂板附近，其低產(chǎn)原因為地層存在較為嚴(yán)重的濾失，地層壓裂裂縫延伸效果較差，導(dǎo)致產(chǎn)氣效果差，產(chǎn)氣量難以上升，高產(chǎn)期較短。

根據(jù)重復(fù)壓裂選井的原則及依據(jù)，選取低效煤層氣壓裂井A井，利用氮氣泡沫壓裂技術(shù)對其進(jìn)行重復(fù)壓裂改造。

3.3 氮氣泡沫壓裂施工分析

在A井重復(fù)壓裂施工過程中，入井液量為378.1 m3，其中前置液量為115.84 m3，入井砂量為41 m3，平均砂比為20%，并且A井在重復(fù)壓裂施工過程中，施工壓力比較平穩(wěn)，與第一次壓裂施工相比，施工壓力較低，加砂階段基本保持在30 MPa左右，未出現(xiàn)砂堵等異常情況，地層裂縫延伸效果較好，加砂完成率100%，壓后30 min左右實現(xiàn)壓裂液快速返排，累計排出液體40.32 m3，自然返排率達(dá)到13.37%。

A井在第一次壓裂后累計產(chǎn)氣量達(dá)到895 811 m3，最高產(chǎn)氣量為1 760 m3/d，當(dāng)前產(chǎn)氣量已經(jīng)下降至264 m3/d，表明地層漏失嚴(yán)重，壓裂改造及裂縫延伸效果較差，難以實現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)。在利用氮氣泡沫壓裂技術(shù)進(jìn)對A井進(jìn)行重復(fù)壓裂改造后，第11天開始見套壓，壓后持續(xù)保持排采，隨后見氣，產(chǎn)氣量逐漸上升，最高產(chǎn)氣量達(dá)到2 100 m3/d左右，比重復(fù)壓裂之前的最高產(chǎn)氣量提高了19.3%，目前產(chǎn)氣量持續(xù)穩(wěn)定在1 488 m3/d，與重復(fù)壓裂前的前期產(chǎn)氣高峰相比，產(chǎn)氣量提升明顯。對A井在第一次壓裂后和重復(fù)壓裂后分別進(jìn)行壓后分析，結(jié)果見表8。

表8 A井壓后分析數(shù)據(jù)

由表8可見：與第一次壓裂后相比，第二次重復(fù)壓裂后A井井底閉合壓力和閉合時間均有所增加，說明氮氣泡沫壓裂技術(shù)可以適當(dāng)?shù)卦龃髢訅毫?，補充地層能量，加快壓裂液返排，降低地層濾失量，起增能助排的作用。與第一次壓裂采用常規(guī)活性壓裂液體系相比，A井增產(chǎn)效果提升明顯，地層濾失減少，裂縫延伸效果較好，在整個排采周期內(nèi)累產(chǎn)水量少，見套壓時間短，見氣速率快，重復(fù)壓裂后產(chǎn)氣量提升明顯，并且壓裂液的快速返排，使得對地層的傷害較小，同時也避免了煤粉對裂縫通道的堵塞。因而，氮氣泡沫壓裂技術(shù)在煤層氣井的重復(fù)壓裂應(yīng)用中表現(xiàn)出較好的適用性。

4 結(jié)論

1)氮氣泡沫壓裂液具有黏度高，耐剪切性能、防膨性能、破膠性能及助排性能較強等特點，且殘渣含量少，對巖心基質(zhì)滲透率傷害小，相較于常規(guī)壓裂液，對煤層氣儲層的污染也較小，可以更好地滿足煤層氣井重復(fù)壓裂施工的要求。

2)氮氣泡沫壓裂液具有濾失量小，攜砂能力好及用液量少等特點，可以廣泛用于地層濾失大、易砂堵的煤層氣井重復(fù)壓裂施工，有利于促進(jìn)煤層氣井的快速解吸，使得壓裂后產(chǎn)氣速率快，累產(chǎn)水量少，進(jìn)而提高單井日產(chǎn)氣量。

3)氮氣泡沫壓裂技術(shù)可以在一定程度上彌補常規(guī)壓裂液的不足，加快壓裂液返排，縮短排采見氣周期，減少地層污染，避免重復(fù)壓裂后地層堵塞，提高壓裂施工效率和綜合開發(fā)效益。