何姜毅，鄭 超，張巨峰，雷武林

（隴東學(xué)院 能源工程學(xué)院，甘肅 慶陽745000）

與常規(guī)油氣儲(chǔ)層相比，煤層氣儲(chǔ)層通常具有低孔、低滲、低壓以及低含氣飽和的特點(diǎn)，并且具有較強(qiáng)的非均質(zhì)性，導(dǎo)致煤層氣的開采難度加大，實(shí)際開發(fā)過程中往往需要采用壓裂施工的方式來提高煤層氣儲(chǔ)層的連通性，進(jìn)而達(dá)到提高煤層氣產(chǎn)能的目的[1-5]。壓裂液是壓裂施工過程中比較重要的一部分，其性能好壞對(duì)壓裂施工的影響至關(guān)重要，目前針對(duì)煤層氣儲(chǔ)層壓裂施工常用的壓裂液體系主要包括活性水壓裂液、線性膠壓裂液、清潔壓裂液以及泡沫壓裂液等[6-9]。壓裂液進(jìn)入儲(chǔ)層后不可避免的會(huì)對(duì)煤儲(chǔ)層造成一定的傷害，并且壓裂施工后如果返排不徹底，殘留在儲(chǔ)層中的壓裂返排液也會(huì)對(duì)煤儲(chǔ)層造成傷害，因此，為充分發(fā)揮壓裂施工改善煤儲(chǔ)層的作用，應(yīng)盡可能降低壓裂液或壓裂返排液對(duì)煤儲(chǔ)層的傷害程度[10-12]。目前針對(duì)壓裂液體系對(duì)煤層氣儲(chǔ)層傷害方面的研究較多，且主要集中在壓裂液體系對(duì)煤層氣儲(chǔ)層基質(zhì)滲透率的傷害方面[13-17]，而針對(duì)壓裂施工后返排液對(duì)煤層氣儲(chǔ)層傷害方面的研究則相對(duì)較少，尤其是針對(duì)壓裂返排液對(duì)煤儲(chǔ)層裂縫導(dǎo)流能力以及煤層氣解吸能力的影響方面的研究則更少[18-19]。因此，選擇山西沁水盆地某煤層氣礦區(qū)壓裂施工后的返排液作為研究對(duì)象，在室內(nèi)開展了不同類型壓裂返排液對(duì)煤層氣儲(chǔ)層的傷害實(shí)驗(yàn)研究，在評(píng)價(jià)了不同類型壓裂返排液基本性能的基礎(chǔ)上，評(píng)價(jià)了不同類型壓裂返排液對(duì)煤巖心滲透率的傷害、對(duì)煤儲(chǔ)層裂縫導(dǎo)流能力的傷害以及對(duì)煤層氣解吸能力的影響，并分析了壓裂返排液對(duì)煤層氣儲(chǔ)層造成傷害的原因，以期為煤層氣儲(chǔ)層壓裂液體系的選擇以及壓裂施工設(shè)計(jì)提供一定的技術(shù)支持。

1實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料及儀器

1）實(shí)驗(yàn)材料。實(shí)驗(yàn)流體為山西沁水盆地某煤層氣礦區(qū)現(xiàn)場(chǎng)使用的不同壓裂液體系施工后的返排液（活性水壓裂返排液：清水+0.05%減阻劑BP-12+2.0%防膨劑FP-11+0.3%防水鎖劑FS-13。清潔壓裂返排液：清水+0.2%黏彈性表面活性劑+1.5%防膨劑KCl。線性膠壓裂返排液：清水+0.3%羥丙基胍膠+0.5%交聯(lián)劑JL-101+0.5%防膨劑FJP-1+0.1%殺菌劑CSJ-15）；模擬地層水（總礦化度為12 510 mg/L）；巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)用煤巖心使用目標(biāo)區(qū)塊儲(chǔ)層段煤樣制作而成（長(zhǎng)度為6.0 cm，直徑為2.5 cm）；裂縫導(dǎo)流能力測(cè)試實(shí)驗(yàn)用導(dǎo)流板使用目標(biāo)區(qū)塊儲(chǔ)層段煤樣制作而成；支撐劑陶粒（0.38 mm～0.83μm），鄭州市安祿環(huán)保設(shè)備有限公司。

2）實(shí)驗(yàn)儀器。DX-120G全自動(dòng)液體電子密度計(jì)，廈門萊斯德科學(xué)儀器有限公司；PHS-25型pH計(jì)、DV2T黏度計(jì)，上海微川儀器有限公司；HARKESFT-A1表面張力儀，北京哈科試驗(yàn)儀器廠；FCES-100型支撐裂縫導(dǎo)流能力測(cè)試儀，南通儀創(chuàng)實(shí)驗(yàn)儀器有限公司；煤層氣吸附解吸實(shí)驗(yàn)裝置，江蘇華安科研儀器有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1）壓裂返排液基本性能測(cè)定實(shí)驗(yàn)。室內(nèi)使用DX-120G全自動(dòng)液體電子密度計(jì)、PHS-25型pH計(jì)、DV2T黏度計(jì)和HARKE-SFT-A1表面張力儀分別對(duì)不同類型壓裂返排液的密度、pH值、黏度和表面張力值進(jìn)行測(cè)定。按照石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5107—2016《水基壓裂液性能評(píng)價(jià)方法》中有關(guān)壓裂液殘?jiān)康臏y(cè)定方法，分別測(cè)定不同類型壓裂返排液的殘?jiān)俊?/p>

2）煤巖心滲透率傷害實(shí)驗(yàn)。選取山西沁水盆地某煤層氣礦區(qū)儲(chǔ)層煤樣，制備成煤巖心，使用不同類型壓裂返排液污染，測(cè)定壓裂返排液對(duì)煤巖心滲透率的傷害情況。其中煤巖心的制備、保存、飽和、滲透率測(cè)定及滲透率損害率計(jì)算等方法均參照國(guó)家能源標(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》中煤巖心滲透率傷害測(cè)定部分。

3）煤儲(chǔ)層裂縫導(dǎo)流能力傷害實(shí)驗(yàn)。①使用山西沁水盆地某煤層氣礦區(qū)儲(chǔ)層煤樣制成尺寸統(tǒng)一的導(dǎo)流板（長(zhǎng)175 mm、寬35 mm、高25 mm），并根據(jù)導(dǎo)流室尺寸進(jìn)行切割打磨，以滿足實(shí)驗(yàn)需求，將上述導(dǎo)流板裝入導(dǎo)流室；②在導(dǎo)流板上鋪置支撐劑，使用陶粒作為支撐劑（粒徑為0.38 mm～0.83μm），鋪砂濃度選擇為10 kg/m2；③加載一定的閉合壓力開始空白實(shí)驗(yàn)，使用模擬地層水測(cè)定不同閉合壓力條件下的裂縫導(dǎo)流能力值，實(shí)驗(yàn)流量為1.5 mL/min；④改變實(shí)驗(yàn)流體類型（不同類型的壓裂返排液），重復(fù)實(shí)驗(yàn)步驟①、步驟②和步驟③，考察不同類型壓裂返排液對(duì)煤儲(chǔ)層裂縫導(dǎo)流能力的傷害情況。

4）壓裂返排液對(duì)煤層氣解吸能力的影響實(shí)驗(yàn)。選取山西沁水盆地某煤層氣礦區(qū)儲(chǔ)層煤樣，粉碎過篩后收集0.18～0.25μm的煤樣顆粒，烘干后分別用不同類型的壓裂返排液進(jìn)行處理，然后對(duì)比評(píng)價(jià)經(jīng)過不同類型壓裂返排液處理后的煤樣與干燥煤樣的常壓解吸量，實(shí)驗(yàn)溫度25℃，具體實(shí)驗(yàn)方法參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19559—2008《煤層氣含量測(cè)定方法》和GB/T 19560—2008《煤的高壓等溫吸附實(shí)驗(yàn)方法》。

2 結(jié)果與討論

2.1 壓裂返排液基本性能

不同類型壓裂返排液的基本性能見表1?？梢钥闯?，3種不同類型壓裂返排液的密度、pH值和黏度值的差別均不大，而表面張力值和殘?jiān)康牟顒e則較大，其中活性水壓裂返排液的表面張力和殘?jiān)烤钚?，清潔壓裂返排液次之，線性膠壓裂返排液最大。

表1 不同類型壓裂返排液的基本性能Table 1 Basic properties of different types of fracturing flowback fluid

2.2 煤巖心滲透率傷害實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對(duì)比評(píng)價(jià)了3種壓裂返排液對(duì)目標(biāo)區(qū)塊煤巖心滲透率的傷害情況，活性水壓裂返排液、清潔壓裂返排液和線性膠壓裂返排液對(duì)煤巖心滲透率的傷害結(jié)果分別如圖1、圖2和圖3。

圖1 活性水壓裂返排液對(duì)煤巖心滲透率的傷害結(jié)果Fig.1 Damage result of active hydraulic fracturing flowback fluid to coal core permeability

圖2 清潔壓裂返排液對(duì)煤巖心滲透率的傷害結(jié)果Fig.2 Damage result of clean fracturing flowback fluid to coal core permeability

圖3 線性膠壓裂返排液對(duì)煤巖心滲透率的傷害結(jié)果Fig.3 Damage result of linear fracturing flowback fluid to coal core permeability

實(shí)驗(yàn)可以看出，1種不同類型的壓裂返排液對(duì)目標(biāo)區(qū)塊不同滲透率的煤巖心均產(chǎn)生了一定的污染傷害，且煤巖心的初始滲透率越低，傷害程度越大。其中煤巖心滲透率為0.5×10-15m2左右時(shí)，活性水壓裂返排液、清潔壓裂返排液、線性膠壓裂返排液對(duì)煤巖心的滲透率傷害率分別為39.8%、63.0%、83.8%（均為2次實(shí)驗(yàn)結(jié)果的平均值）；而煤巖心滲透率為8.0×10-15m2左右時(shí)，活性水壓裂返排液、清潔壓裂返排液、線性膠壓裂返排液對(duì)煤巖心的滲透率傷害率分別為29.8%、41.6%、67.4%（均為2次實(shí)驗(yàn)結(jié)果的平均值）；可以看出，3種不同類型壓裂返排液對(duì)目標(biāo)區(qū)塊煤巖心的傷害程度大小為：線性膠壓裂返排液>清潔壓裂返排液>活性水壓裂返排液。

2.3 煤儲(chǔ)層裂縫導(dǎo)流能力傷害實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對(duì)比評(píng)價(jià)了3種壓裂返排液對(duì)目標(biāo)區(qū)塊煤儲(chǔ)層裂縫導(dǎo)流能力的傷害情況，不同壓裂返排液對(duì)裂縫導(dǎo)流能力的傷害率見表2。不同壓裂返排液對(duì)煤儲(chǔ)層裂縫導(dǎo)流能力的影響如圖4。

表2 不同壓裂返排液對(duì)裂縫導(dǎo)流能力的傷害率Table 2 Damage rate of different fracturing flowback fluid to fracture conductivity

由表2和圖4結(jié)果可以看出，隨著閉合壓力的增大，不同實(shí)驗(yàn)流體時(shí)的裂縫導(dǎo)流能力均逐漸減??；相比較于模擬地層水而言，使用3種壓裂返排液進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，閉合壓力值越大，裂縫導(dǎo)流能力的傷害率越高；其中線性膠壓裂返排液對(duì)煤儲(chǔ)層裂縫導(dǎo)流能力的傷害率最大，清潔壓裂返排液次之，活性水壓裂返排液最小，這與煤巖心滲透率傷害實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致。這主要是由于線性膠壓裂返排液中的固相殘?jiān)孔罡撸?95 mg/L），而活性水壓裂返排液中的固相殘?jiān)孔钚。?8 mg/L），固相殘?jiān)鼤?huì)在煤巖心孔隙和煤儲(chǔ)層裂縫中產(chǎn)生一定的封堵，從而造成煤巖心滲透率和煤儲(chǔ)層裂縫導(dǎo)流能力的下降。

圖4 不同壓裂返排液對(duì)煤儲(chǔ)層裂縫導(dǎo)流能力的影響Fig.4 Influence of different types of fracturing flowback fluid on fracture conductivity of coal reservoir

2.4 壓裂返排液對(duì)煤層氣解吸能力的影響

評(píng)價(jià)了不同類型壓裂返排液對(duì)煤層氣解吸能力的影響實(shí)驗(yàn)，解吸時(shí)間均為360 min，不同類型壓裂返排液對(duì)煤層氣解吸量的影響如圖5。

圖5 不同類型壓裂返排液對(duì)煤層氣解吸量的影響Fig.5 Influence of different types of fracturing flowback fluid on desorption of coalbed methane

由圖5可以看出，與干燥煤樣相比，使用不同類型的壓裂返排液處理后的煤樣解吸量均出現(xiàn)了不同程度的下降，空白干燥煤樣的最終累計(jì)解吸量為8.14 cm3/g，而經(jīng)過活性水壓裂返排液、清潔壓裂返排液、線性膠壓裂返排液處理后的煤樣最終累計(jì)解吸量分別為7.89、6.99、5.95 cm3/g，由此可知活性水壓裂返排液對(duì)煤層氣解吸量的影響最小，清潔壓裂返排液次之，線性膠壓裂返排液最大。這是由于相比較于線性膠壓裂返排液和清潔壓裂返排液而言，活性水壓裂返排液中含有較多的表面活性物質(zhì)，其表面張力值最低，從而能夠通過降低毛細(xì)管力的方式來減弱水鎖損害程度，使氣體更加容易從煤孔隙中解吸出來，所以其對(duì)煤層氣解吸量的影響較小。

2.5 壓裂返排液對(duì)煤層氣儲(chǔ)層傷害的原因

1）固相顆粒堵塞損害。3種不同類型的壓裂返排液中均含有一定量的殘?jiān)?，因此，在煤層氣?chǔ)層壓裂施工后返排的過程中，返排液中與裂縫尺寸相匹配的部分固相顆粒會(huì)首先在裂縫中形成橋堵，而后面更小粒徑的固相顆粒會(huì)逐漸充填到大粒徑顆粒架橋形成的縫隙中，從而造成嚴(yán)重的固相顆粒堵塞損害，降低了煤巖心滲透率和煤儲(chǔ)層裂縫導(dǎo)流能力。

2）微粒運(yùn)移損害。壓裂返排液中的水相與煤儲(chǔ)層礦物接觸后容易引起一定的吸水膨脹現(xiàn)象，從而造成地層礦物的分散脫落，這些脫落的地層顆粒隨著壓裂返排液運(yùn)移到裂縫狹小的孔隙中，造成微粒運(yùn)移堵塞損害，使煤巖心滲透率下降。另外，煤層氣儲(chǔ)層吸水導(dǎo)致裂縫表面強(qiáng)度下降，支撐劑更容易嵌入和滑動(dòng)，支撐劑的嵌入也會(huì)造成煤層表面顆粒的脫離，形成微粒運(yùn)移堵塞損害，對(duì)煤儲(chǔ)層裂縫導(dǎo)流能力造成損害。

3）水鎖傷害。煤層氣儲(chǔ)層通常具有低孔、低滲以及孔喉細(xì)小等特點(diǎn)，氣相流動(dòng)阻力較大，具有十分明顯的毛細(xì)管效應(yīng)。因此，壓裂返排液大量滯留在煤儲(chǔ)層裂縫中會(huì)形成水鎖效應(yīng)，使儲(chǔ)層含水飽和度明顯增大，從而造成氣相滲透率急劇下降，形成嚴(yán)重的水鎖損害，影響煤層氣的解吸。

3結(jié)語

1）目標(biāo)區(qū)塊煤儲(chǔ)層巖心經(jīng)過不同類型的壓裂返排液污染后，滲透率均出現(xiàn)不同程度的下降，且?guī)r心初始滲透率越低，滲透率傷害率越高。其中線性膠壓裂返排液由于其殘?jiān)枯^高，對(duì)煤巖心的滲透率傷害程度最大，活性水壓裂返排液對(duì)煤巖心的滲透率傷害程度最小。

2）不同類型的壓裂返排液對(duì)目標(biāo)區(qū)塊煤儲(chǔ)層裂縫導(dǎo)流能力的損害程度不同，且閉合壓力越大，損害程度越高。其中線性膠壓裂返排液對(duì)煤儲(chǔ)層裂縫導(dǎo)流能力的傷害率最大，清潔壓裂返排液次之，活性水壓裂返排液最小，與煤巖心滲透率傷害實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合。

3）使用壓裂返排液處理后的煤樣解吸能力均出現(xiàn)不同程度的下降現(xiàn)象，其中活性水壓裂返排液由于具有較低的表面張力，其對(duì)煤層氣解吸能力的影響不大，清潔壓裂返排液和線性膠壓裂返排液對(duì)煤層氣解吸能力的影響較大。

4）綜合研究結(jié)果認(rèn)為，壓裂返排液對(duì)煤層氣儲(chǔ)層的傷害機(jī)理主要包括固相顆粒堵塞損害、微粒運(yùn)移堵塞損害和水鎖損害等。建議在目標(biāo)區(qū)塊煤層氣儲(chǔ)層壓裂施工過程中應(yīng)注意選擇合適的壓裂液體系，在滿足壓裂施工設(shè)計(jì)參數(shù)要求的同時(shí)，還應(yīng)考慮壓裂返排液對(duì)煤儲(chǔ)層的傷害情況，以期最大程度的提高煤層氣儲(chǔ)層壓裂施工的效率。

（收稿日期：2020-06-27；責(zé)任編輯：蘭 瑩）

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