李 科， 榮 雄， 王增存， 胡鱈茹， 王金生， 白 霜

(1玉門油田分公司老君廟采油廠 2玉門油田分公司油田作業(yè)公司)

在煤層氣開(kāi)采過(guò)程中往往需要采用水力壓裂等措施來(lái)達(dá)到增產(chǎn)的目的，與常規(guī)砂巖儲(chǔ)層相比，煤層氣儲(chǔ)層具有彈性模量小、泊松比大、裂縫發(fā)育以及吸附力強(qiáng)等特點(diǎn)，并且往往屬于低孔、低滲、低壓、水敏性強(qiáng)儲(chǔ)層[1-6]。所以，針對(duì)不同煤層氣儲(chǔ)層的現(xiàn)場(chǎng)條件，選擇合適的壓裂液體系成為煤層氣增產(chǎn)技術(shù)研究的重點(diǎn)[7-8]。

目前，針對(duì)煤層氣儲(chǔ)層常用的壓裂液體系主要有活性水壓裂液、稠化水壓裂液、交聯(lián)凍膠壓裂液、泡沫壓裂液以及清潔壓裂液等[9-14]。其中活性水、稠化水以及交聯(lián)凍膠壓裂液具有攜砂性能好、現(xiàn)場(chǎng)配制簡(jiǎn)單以及使用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)地層的傷害較大；而泡沫壓裂液雖然具有低傷害的特點(diǎn)，但成本較高，且現(xiàn)場(chǎng)施工工藝要求高，難以大規(guī)模推廣應(yīng)用；清潔壓裂液具有無(wú)殘?jiān)?、摩阻低、?duì)儲(chǔ)層傷害低等優(yōu)點(diǎn)，在煤層氣壓裂施工中具有比較好的推廣應(yīng)用前景[15-17]。

西部某煤層氣礦區(qū)煤層深度在1 200～1 420 m左右，地層溫度在50℃～60℃之間，在前期壓裂施工過(guò)程中使用常規(guī)胍膠壓裂液時(shí)破膠返排不徹底，對(duì)儲(chǔ)層造成嚴(yán)重?fù)p害等問(wèn)題，研究了一種適合煤層氣井的新型表面活性劑清潔壓裂液體系，室內(nèi)評(píng)價(jià)了壓裂液體系的性能，并在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了試驗(yàn)，為該地區(qū)煤層氣的高效開(kāi)發(fā)提供一定的技術(shù)支持。

一、壓裂液體系研究思路及配方

1. 研究思路

黏彈性表面活性劑在水溶液中隨著加量的增大，棒狀膠束含量會(huì)逐漸增多，在水中反離子鹽的作用下，棒狀膠束繼續(xù)生長(zhǎng)為蠕蟲(chóng)狀結(jié)構(gòu)，隨著蠕蟲(chóng)狀結(jié)構(gòu)的逐漸增多，它們互相纏繞形成一定的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使水溶液具有良好的黏彈性[18]。

針對(duì)目前使用較多的陽(yáng)離子黏彈性表面活性劑容易與地層流體不配伍而產(chǎn)生二次傷害等問(wèn)題，室內(nèi)研制了新型非離子表面活性劑VEC-8和陰離子表面活性劑VEC-3，兩種表面活性劑具有較好的相容性和協(xié)同作用，具有在地層中吸附少、易溶解、對(duì)地層傷害下等特點(diǎn)。將兩種表面活性劑按一定比例混合，在水溶液中能夠形成黏彈性表面活性劑溶液，然后加入一定量的助排劑和氯化鉀，提高表面活性劑溶液的穩(wěn)定性和防膨性，從而能夠滿足煤層氣井壓裂施工的要求。

2. 體系配方

通過(guò)大量室內(nèi)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)，最終確定適應(yīng)于煤層氣井的新型表面活性劑清潔壓裂液體系配方為：1.5%非離子表面活性劑VEC-8+0.5%陰離子表面活性劑VEC-3+0.5%助排劑VEZ-2+1.0%KCl。

二、壓裂液體系性能評(píng)價(jià)

1. 流變性能

室內(nèi)使用CVRO200型高溫高壓流變儀測(cè)定新型表面活性劑清潔壓裂液體系的流變性能，將溫度升高至90℃，在170 s-1下剪切100 min，測(cè)定壓裂液體系黏度隨剪切時(shí)間的變化情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 壓裂液體系流變性能測(cè)試結(jié)果

由圖1結(jié)果可知，在90℃、170 s-1下條件下，新型表面活性劑清潔壓裂液體系經(jīng)過(guò)100 min剪切后黏度仍能維持在30 mPa·s以上，說(shuō)明壓裂液體系性能穩(wěn)定，完全能夠滿足淺層煤層氣壓裂施工的要求。

2. 攜砂性能

壓裂液攜砂性能的好壞將直接影響到壓裂液在井筒中的流變性以及壓裂所形成裂縫的導(dǎo)流能力，最終影響壓裂施工的效果。攜砂性能評(píng)價(jià)方法參照石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T5185-2016《礫石充填防砂水基攜砂液性能評(píng)價(jià)方法》中攜砂液攜砂能力的測(cè)定部分，具體實(shí)驗(yàn)方法為：選取粒徑在20～40目之間的陶粒，將100 mL壓裂液放入量筒中，使用鑷子取一粒陶粒放入液面下2 cm處，松開(kāi)鑷子，使其自然沉降，記錄陶粒均勻沉降一定距離(大于20 cm)所需的時(shí)間，并計(jì)算沉降速度，重復(fù)測(cè)定三次，取平均值。在不同溫度下分別測(cè)定了陶粒在不同壓裂液中的靜態(tài)沉降速度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 壓裂液體系的攜砂性能評(píng)價(jià)結(jié)果

由表1結(jié)果可知，陶粒在新型表面活性劑清潔壓裂液體系中的沉降速度小于0.2 mm/s，小于常規(guī)胍膠壓裂液和清水中的沉降速度，說(shuō)明該清潔壓裂液體系具有良好的攜砂性能，在壓裂施工過(guò)程中能夠避免出現(xiàn)砂堵，提高壓裂施工的砂比，從而達(dá)到良好的壓裂施工效果。

3. 防膨性能

目標(biāo)區(qū)塊內(nèi)煤層氣儲(chǔ)層中黏土礦物含量普遍較多，且以水敏性礦物(蒙脫石以及伊/蒙混層)為主，因此，需要壓裂液體系具有良好的防膨性能，避免黏土礦物水化膨脹對(duì)儲(chǔ)層造成的傷害。室內(nèi)參照SY/T 5971-2016《油氣田壓裂酸化及注水用黏土穩(wěn)定劑性能評(píng)價(jià)方法》測(cè)定壓裂液體系的防膨率，實(shí)驗(yàn)選用膨潤(rùn)土，溫度為60℃。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

由表2結(jié)果可知，新型表面活性劑清潔壓裂液體系的平均防膨率能夠達(dá)到96.3%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常規(guī)胍膠壓裂液體系，說(shuō)明清潔壓裂液體系具有良好的防膨性能。

表2 壓裂液體系防膨率測(cè)定結(jié)果

4. 溶解性能

室內(nèi)參照SY/T 5886-2012標(biāo)準(zhǔn)，使用目標(biāo)區(qū)塊煤層氣儲(chǔ)層段煤樣粉末，評(píng)價(jià)壓裂液體系的溶解性能，實(shí)驗(yàn)溫度為60℃，實(shí)驗(yàn)時(shí)間為72 h，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 壓裂液體系溶解性能測(cè)定結(jié)果

由表3結(jié)果可知，新型表面活性劑清潔壓裂液體系對(duì)煤粉的平均溶解率可以達(dá)到3.60%，而常規(guī)胍膠壓裂液對(duì)煤粉幾乎沒(méi)有溶解作用。這是由于清潔壓裂液體系能夠溶解煤儲(chǔ)層中的部分有機(jī)質(zhì)，從而能夠提高裂縫的導(dǎo)流能力，達(dá)到壓裂增產(chǎn)的目的。

5. 破膠性能

清潔壓裂液在煤層中不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)破膠，需要加入破膠劑。室內(nèi)評(píng)價(jià)了不同加量的破膠劑PJZ-3對(duì)新型表面活性劑清潔壓裂液體系的破膠效果，實(shí)驗(yàn)溫度為60℃，破膠液黏度隨破膠時(shí)間的變化情況見(jiàn)圖2。壓裂液完全破膠后的表面/界面張力測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表4。

圖2 壓裂液體系破膠性能評(píng)價(jià)結(jié)果

由圖2結(jié)果可知，加入破膠劑PJZ-3后，新型表面活性劑清潔壓裂液體系的黏度迅速下降。其中PJZ-3的加量在0.2%時(shí)，破膠60 min后，壓裂液體系黏度為3.8 mPa·s，與地層水黏度相當(dāng)，說(shuō)明壓裂液體系達(dá)到完全破膠。

表4 破膠液的表面/界面張力值

由表4結(jié)果可知，加入0.2%PJZ-3的破膠液的表面張力值為25.62 mN/m，界面張力值能夠達(dá)到0.8m N/m，具有良好的界面活性，能夠保證壓裂后返排作業(yè)的順利進(jìn)行。

6. 對(duì)儲(chǔ)層的傷害性能

室內(nèi)參照標(biāo)準(zhǔn)NB/T10034-2016《煤層氣藏用水基壓裂液性能評(píng)價(jià)方法》測(cè)定新型表面活性劑清潔壓裂液體系對(duì)儲(chǔ)層煤巖心的滲透率傷害性能，并與常規(guī)胍膠壓裂液體系進(jìn)行對(duì)比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 壓裂液體系對(duì)煤巖心的傷害性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果

注:煤巖心長(zhǎng)度為5.0cm，直徑為2.5cm，實(shí)驗(yàn)溫度為60℃。

由表5結(jié)果可知，新型表面活性劑清潔壓裂液體系對(duì)煤巖心的平均傷害率為-2.014%，而常規(guī)胍膠壓裂液為20.875%，這是由于清潔壓裂液體系能夠溶解煤巖心中的部分有機(jī)質(zhì)，抑制黏土礦物的水化膨脹，能夠改善煤儲(chǔ)層的孔隙結(jié)構(gòu)，從而提高煤儲(chǔ)層的基質(zhì)滲透率。

三、礦場(chǎng)試驗(yàn)

新型表面活性劑清潔壓裂液體系在西部某煤層氣礦區(qū)共計(jì)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)10余井次，施工成功率100%，均取得了良好的壓裂增產(chǎn)效果。表6為部分井的施工及壓后生產(chǎn)效果情況，可以看出，新型表面活性劑清潔壓裂液體系均滿足了施工工藝設(shè)計(jì)的要求，壓裂后返排液的黏度較低，日產(chǎn)氣量較高，達(dá)到了壓裂增產(chǎn)的預(yù)期效果。

表6 部分煤層氣井壓裂施工及壓后生產(chǎn)效果

四、結(jié)論

(1)針對(duì)西部某煤層氣礦區(qū)使用常規(guī)胍膠壓裂液施工時(shí)對(duì)儲(chǔ)層的損害較嚴(yán)重等問(wèn)題，室內(nèi)研制了由非離子表面活性劑、陰離子表面活性劑、助排劑以及KCl等添加劑組成的新型表面活性劑清潔壓裂液體系。

(2)新型表面活性劑清潔壓裂液體系的配方為：1.5%VEC-8+0.5%VEC-3+0.5%VEZ-2+1.0%KCl。體系綜合性能評(píng)價(jià)結(jié)果表明，該壓裂液體系具有良好的流變性能、攜砂性能、防膨性能、溶解性能以及破膠性能，并且壓裂液體系對(duì)煤儲(chǔ)層具有一定改造作用，對(duì)儲(chǔ)層無(wú)傷害，能夠有效提高煤層基質(zhì)滲透率。

(3)煤層氣井礦場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，新型表面活性劑清潔壓裂液體系能夠滿足壓裂現(xiàn)場(chǎng)施工工藝要求，且壓后日產(chǎn)氣量較高，取得了良好的壓裂增產(chǎn)效果。