周睿，江厚順, 簡(jiǎn)霖，陳飛

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煤層氣壓裂液傷害對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究

周睿1，江厚順1, 簡(jiǎn)霖1，陳飛2

（1. 長(zhǎng)江大學(xué)， 湖北 武漢 430000； 2. 中國(guó)石油川慶鉆探工程有限公司 長(zhǎng)慶井下技術(shù)作業(yè)公司，陜西 西安 710000）

我國(guó)煤層氣儲(chǔ)層條件較差，具有低滲、低孔、非均質(zhì)性強(qiáng)的特點(diǎn)，均存在的問題就是一般開采方式效果不好。壓裂是煤層巖增產(chǎn)的主要技術(shù)之一，而壓裂的關(guān)鍵在于壓裂液體系的選擇，壓裂液對(duì)儲(chǔ)層的傷害將會(huì)導(dǎo)致達(dá)不到理想的產(chǎn)量。通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究，進(jìn)行煤層氣壓裂傷害評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，對(duì)壓裂液體系的進(jìn)行優(yōu)選，選擇濃度低，低摩阻的清潔壓裂液,提高煤層氣單井產(chǎn)量，改善井底滲流條件，提高煤層氣滲透率以及儲(chǔ)層滲透能力。解決寧武地區(qū)煤層氣井壓裂改造成功率低的問題，取得了巨大的突破，增產(chǎn)效果明顯。

煤層氣；儲(chǔ)層損害機(jī)理；壓裂液；潤(rùn)濕性；清潔壓裂液

在我國(guó)，有著十分充足的煤層氣資源，然而大部分煤層氣儲(chǔ)層條件較差，壓裂則是提高產(chǎn)能的一項(xiàng)重要措施，現(xiàn)已經(jīng)得到了很好的發(fā)展及廣泛的運(yùn)用了[1]。而在水力壓裂過程中壓裂液是一個(gè)重要環(huán)節(jié)，而由于較差的儲(chǔ)層物性，在水力壓裂的過程中儲(chǔ)層就可能受到傷害，這個(gè)時(shí)候就需要要求更高的壓裂液，所以清潔與環(huán)保的壓裂液是今后壓裂技術(shù)發(fā)展的重要研究對(duì)象之一。目前煤層氣井現(xiàn)場(chǎng)采用的壓裂液主要有清水壓裂液、活性水壓裂液、清潔壓裂液、胍膠壓裂液等[2-6]?；诿簝?chǔ)層的獨(dú)特性，使得煤層氣井壓裂液與常規(guī)的油氣井壓裂液存在較大的區(qū)別。在煤層氣壓裂過程中，壓裂液對(duì)儲(chǔ)層的傷害造成的開發(fā)效果并不理想。所以有關(guān)煤層氣壓裂液對(duì)儲(chǔ)層的傷害對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究具有十分深遠(yuǎn)的研究必要性。

國(guó)內(nèi)外開展壓裂液對(duì)煤層儲(chǔ)層傷害評(píng)價(jià)研究多選用煤粉壓制的人造巖心，然而不能夠充分反映煤巖儲(chǔ)層天然構(gòu)造特性，對(duì)煤巖的滲流能力評(píng)價(jià)不夠。高品質(zhì)的壓裂液不僅可以提高煤層氣的產(chǎn)量，而且可以提高近井地帶的滲透率，達(dá)到很好的產(chǎn)量的目的。這次實(shí)驗(yàn)主要以寧武地區(qū)為例，開展煤層氣壓裂液傷害對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究，根據(jù)寧武盆地煤巖儲(chǔ)層的特點(diǎn)及其壓裂液適用情況，選擇瓜膠壓裂液、活性水壓裂液、廊坊清潔壓裂液、分別將這三種壓裂液體系對(duì)儲(chǔ)層的傷害進(jìn)行評(píng)價(jià)。為后續(xù)開發(fā)提供一定的指導(dǎo)意義。

1 煤巖儲(chǔ)層壓裂液損害機(jī)理

壓裂液對(duì)儲(chǔ)層的主要傷害是壓裂液濾液對(duì)基質(zhì)滲透率的傷害和壓裂液遇黏土膨脹及濾失等對(duì)支撐裂縫導(dǎo)流能力的傷害[7,8]。

1.1 壓裂液對(duì)煤層基質(zhì)滲透率的傷害

（1）黏土具有顆粒性、可塑性強(qiáng)、結(jié)合性好。壓裂液濾液中含水，而黏土的特征是與適量水結(jié)合，易造成黏土水化膨脹，運(yùn)移后將孔道堵塞，致使油相滲透率降低，對(duì)儲(chǔ)層造成傷害。

（2）由于濾失作用，壓裂液破膠水化后，殘留固相顆粒和因?yàn)閴毫岩簽V失造成的濃縮膠堵塞地層喉道從而影響支撐劑的導(dǎo)流能力[7]。

1.2 壓裂液濾液對(duì)煤層基質(zhì)滲透率的傷害

（1）粘土水化膨脹、分散運(yùn)移

基本上有產(chǎn)油砂巖顆粒間都含有粘土礦物，它的含量一般在1%～20%之間[9]。由于粘土礦物的膨脹和分散運(yùn)移，壓裂液將會(huì)傷害儲(chǔ)層，降低地層的滲透率。在膨脹過程當(dāng)中，黏土與適量的水相結(jié)合，使粘土發(fā)生水化膨脹，引起堵塞地層孔道[7]；在運(yùn)移過程中，在孔隙喉道處形成封堵，進(jìn)而降低地層滲透率，傷害儲(chǔ)層。

（2）乳化

地層油和壓裂液發(fā)生乳化時(shí)，乳化液滴將會(huì)在孔隙介質(zhì)中堵塞與附著，將導(dǎo)致堵塞地層。這種堵塞作用是乳化液中的分散相在流經(jīng)地層毛管、喉道時(shí)產(chǎn)生的賈敏效應(yīng)疊加而成的[7]。所以對(duì)孔隙介質(zhì)的對(duì)滲透率具有重要的影響。

（3）潤(rùn)濕性反轉(zhuǎn)

作為壓裂施工的砂巖油藏，巖石表面大多數(shù)都是親水性。如果表面活性劑使用不當(dāng)，將會(huì)發(fā)生潤(rùn)濕性反轉(zhuǎn)[9]。盡管潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)不會(huì)改變巖石的絕對(duì)滲透率，然將對(duì)油、水兩相的相對(duì)滲透率有著不小的影響。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 壓裂液傷害對(duì)比實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

以陜西寧武盆地某煤層區(qū)塊為例，將寧武盆地煤巖儲(chǔ)層石炭統(tǒng)太原組某煤層作為研究對(duì)象，該煤層厚度為13~21 m，煤巖特性整體以半暗-半亮型為主。實(shí)驗(yàn)煤樣是沿平行層理方向鉆取柱狀巖心，測(cè)量后獲得滲透率以及用液體加壓飽和法測(cè)孔隙度[10]。巖心基本物性見表1。

表1 壓裂液傷害評(píng)價(jià)煤樣基本物性參數(shù)

2.2 壓裂液傷害評(píng)價(jià)方法

將準(zhǔn)備好的巖心裝入巖心夾持器，然后在接好流程。接著在先正向驅(qū)替地層水，驅(qū)替液量為巖心孔隙體積的10倍以上，可以讓巖心更好的飽和溶液。測(cè)定巖心滲透率a。然后再反向驅(qū)替壓裂液，驅(qū)替液量為巖心孔隙體積的2倍以上，停止驅(qū)替，待巖心冷卻后，再用煤油正向驅(qū)替其流量，直至流量穩(wěn)定，測(cè)得壓裂液傷害后巖心滲透率b。

2.3 實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)

實(shí)驗(yàn)研究中，以巖心基質(zhì)滲透率的傷害率作為評(píng)價(jià)參數(shù)。巖心基質(zhì)滲透率傷害率按下式計(jì)算：

式中：d——巖心基質(zhì)滲透率損害率，%；

a——巖心基準(zhǔn)滲透率，10-3μm2；

b——壓裂液損害后巖心滲透率，10-3μm2。

2.4 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

壓裂液傷害程度評(píng)價(jià)指標(biāo)見表2。

表2 壓裂液傷害程度評(píng)價(jià)指標(biāo)

為了評(píng)價(jià)不同壓裂液對(duì)煤巖儲(chǔ)層的傷害程度，按照壓裂液傷害評(píng)價(jià)程序?qū)θN不同壓裂液進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3、圖1。

表3 壓裂液傷害實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表3、圖1 所示，通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)煤巖比表面積較大。與常規(guī)砂巖不同，煤巖具有很強(qiáng)的吸附的能力，吸附液體的后果將會(huì)導(dǎo)致煤基質(zhì)膨脹[10]。而清潔壓裂液對(duì)黏土有著較好的防膨作用，減少對(duì)儲(chǔ)層的傷害。而且清潔壓裂液徹底破膠能力很容易，破膠后不易產(chǎn)生固相顆粒，同時(shí)具有較好的攜砂能力。這些特征使得清潔壓裂液具有更大的優(yōu)勢(shì)[11]。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，瓜膠壓裂液對(duì)巖心滲透率損害率平均為86.62%，活性水壓裂液損害率平均為46.79%，廊坊清潔壓裂液損害率平均為39.12%。但是目前清潔壓裂液體系還不夠成熟，其成本高是制約其大規(guī)模應(yīng)用的影響因素之一。

3 結(jié)論

（1）實(shí)驗(yàn)研究中，針對(duì)三種壓裂液：活性水壓裂液、瓜膠壓裂液、清潔壓裂液對(duì)巖心滲透率的傷害進(jìn)行對(duì)比。其中清潔壓裂液對(duì)黏土具有不錯(cuò)的防膨能力，不僅對(duì)煤層的傷害更小，而且提高了巖心的滲透率，是煤層氣壓裂的理想壓裂液之一。

（2）活性水壓裂液粘度低，配液工藝簡(jiǎn)單、成本偏低，具有一定的防膨效果，易反排，對(duì)儲(chǔ)層傷害較小，不會(huì)發(fā)生破膠現(xiàn)象，可以隨地層水一起采出，在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中取得了不錯(cuò)的應(yīng)用。不足之處就是由于活性水壓裂液的特性，導(dǎo)致近井地帶滲透率降低，所以壓裂的整體效果不會(huì)達(dá)到很好的效果。

（3）針對(duì)煤層的不同特點(diǎn)，既要考慮通過壓裂的增產(chǎn)改造又要需求儲(chǔ)層保護(hù)和增產(chǎn)改造的平衡點(diǎn)，當(dāng)然還需要重點(diǎn)考慮的一點(diǎn)就是成本以及施工配套等因素。開發(fā)出更加清潔的新型壓裂液體系，并在未來考慮可否將淺層氣壓裂的壓裂液回收再利用，這樣能夠更好的降低成本，節(jié)約水資源，保護(hù)環(huán)境。這樣對(duì)于水資源匱乏的地區(qū)，有著巨大的優(yōu)勢(shì)。

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Experimental Study on Damage of Coalbed Gas Fracturing Fluid

1,1,1,2

（1. Yangtze University, Hubei Wuhan 43000，China; 2.Changqing Downhole Technology Service Company, CNPC Chuanqing Drilling Engineering Co.,Ltd., Shaanxi Xi'an 710000，China）

China's coalbed methane reservoir conditions are poor, these reservoirs have the characteristics of low permeability, low porosity and heterogeneity, common development methods is not effective for these reservoirs. Fracturing is one of the important technologies for coal seam rock production, and the key to fracturing is the choice of fracturing fluid system, and the damage of fracturing fluid to reservoir will lead to poor yield. Through the laboratory experiment, the evaluation of fracturing damage of coalbed methane was carried out. The fracturing fluid system was optimized, the clean fracturing fluid with low concentration and low friction was selected to improve the single well production of coalbed methane, the bottom seepage condition and reservoir permeability. The problem of low success rate of fracturing and reforming coalbed methane wells in Ningwu area was solved, and great breakthroughs were obtained, and the effect of increasing production was obvious.

Coalbed methane; Mechanism of reservoir damage; Fracturing fluid; Wettability; Clean fracturing fluid

TE 357

A

1671-0460（2017）10-2153-03

2017-09-18

周睿（1992-），男，湖北省荊門人，長(zhǎng)江大學(xué)油氣田開發(fā)專業(yè)在讀碩士研究生，主要從事采油采氣工藝技術(shù)研究。E-mail：15771062805@163.com。

江厚順（1969-），教授，碩士生導(dǎo)師，從事高含水油田提高采收率技術(shù)、采油采氣工程技術(shù)等油氣田開發(fā)工程方面的研究及教學(xué)工作。E-mail：40592597@qq.com。