毛恒博，劉 毅，李 麗，岳 龍，高 軍，邱 楓，賈正良

1中國石油長慶油田分公司第十二采油廠 2中國石油長慶油田分公司第八采油廠 3中國石油青海油田公司勘探開發(fā)研究院 4中國石油青海油田公司工程技術(shù)處 5中國石油玉門油田分公司老君廟采油廠

0 引言

我國的煤層氣資源儲(chǔ)量豐富，作為一種非常規(guī)油氣資源，煤層氣的大規(guī)模開發(fā)對(duì)我國能源產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。煤層氣儲(chǔ)層與常規(guī)油氣儲(chǔ)層相比具有低壓、低孔、低滲、吸附性強(qiáng)等特點(diǎn)，給煤層氣的高效合理開發(fā)帶來巨大的挑戰(zhàn)。水力壓裂是提高煤層氣產(chǎn)量最常用且有效的技術(shù)手段之一，而煤儲(chǔ)層復(fù)雜的物性條件以及割理發(fā)育等特點(diǎn)對(duì)壓裂液的性能也提出了更高的要求[1-5]。

目前，煤層氣儲(chǔ)層壓裂施工過程中常用的壓裂液體系主要包括活性水壓裂液、胍膠壓裂液、清潔壓裂液以及泡沫壓裂液等[6-11]。活性水壓裂液體系組成簡單、成本較低、對(duì)煤層的損害較小，在煤層氣儲(chǔ)層壓裂中得到比較廣泛的應(yīng)用，但是由于其攜砂能力較差、地層濾失量較高以及大排量施工帶來的煤粉堵塞等問題，影響了壓裂施工的效果，限制了其大規(guī)模的推廣應(yīng)用；胍膠壓裂液含大分子聚合物，容易對(duì)煤儲(chǔ)層造成堵塞，煤層溫度較低，影響其破膠；清潔壓裂液成本較高，不適合在煤層氣開發(fā)過程中大規(guī)模應(yīng)用；泡沫壓裂液體系含水量少、濾失量小、攜砂能力強(qiáng)、對(duì)煤層的損害低，近年來在煤層氣儲(chǔ)層壓裂改造過程中受到越來越多的關(guān)注[12-15]。本文針對(duì)沁水盆地某煤層氣區(qū)塊前期使用活性水壓裂液體系壓裂施工效果不理想等問題，通過大量實(shí)驗(yàn)研制了一種適用于煤層氣儲(chǔ)層的新型氮?dú)馀菽瓑毫岩后w系，室內(nèi)評(píng)價(jià)了壓裂液體系的起泡能力、泡沫穩(wěn)定性、流變性能、攜砂性能、濾失性能以及對(duì)煤層的損害性能，并在現(xiàn)場得到了成功應(yīng)用，以期為煤層氣資源的高效合理開發(fā)提供一定的技術(shù)支持和借鑒。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料及儀器

實(shí)驗(yàn)材料：起泡劑SK-1、起泡劑SK-2、穩(wěn)泡劑WP-11，實(shí)驗(yàn)室自制；KCl，分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；高純N2，南京特種氣體廠有限公司；40～60目陶粒，山東啟聯(lián)新材料有限公司；實(shí)驗(yàn)用煤巖心，采用山西沁水盆地某煤層氣區(qū)塊儲(chǔ)層煤粉壓制而成(長度7.0 cm，直徑2.5 cm)。

實(shí)驗(yàn)儀器：高溫高壓泡沫評(píng)價(jià)儀、巖心動(dòng)態(tài)濾失傷害儀，海安縣石油科研儀器有限公司；DV-II Pro數(shù)顯旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)，長沙市秋龍儀器設(shè)備有限公司；高溫高壓濾失儀，青島恒泰達(dá)機(jī)電設(shè)備有限公司。

1.2 新型氮?dú)馀菽瓑毫岩后w系配方

室內(nèi)通過對(duì)起泡劑、穩(wěn)泡劑以及防膨劑等主要處理劑的優(yōu)選評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，研制了一套適用于煤層氣儲(chǔ)層的新型氮?dú)馀菽瓑毫岩后w系，具體配方為：0.2%起泡劑SK-1+0.3%起泡劑SK-2+0.2%穩(wěn)泡劑WP-11+2.0%防膨劑KCl+N2。

1.3 壓裂液體系性能評(píng)價(jià)方法

1.3.1 起泡能力及泡沫穩(wěn)定性

按1.2中的配方依次在高溫高壓泡沫評(píng)價(jià)儀器中加入不同的處理劑，初始溶液為100 mL，設(shè)定實(shí)驗(yàn)溫度為40 ℃，然后充入氮?dú)庵烈欢▔毫?，高速攪? min后，測(cè)定泡沫體積V0，然后使用秒表計(jì)時(shí)，測(cè)定泡沫的半衰期T1/2，以此評(píng)價(jià)不同壓力條件下壓裂液體系的起泡能力和泡沫穩(wěn)定性。

1.3.2 流變性能

按1.2中的配方配制泡沫質(zhì)量分?jǐn)?shù)為75%的氮?dú)馀菽瓑毫岩后w系，使用DV-Ⅱ Pro數(shù)顯旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測(cè)定新型氮?dú)馀菽瓑毫岩后w系在不同剪切時(shí)間下的黏度值，實(shí)驗(yàn)溫度為40 ℃，剪切速率為170 s-1。

1.3.3 攜砂性能

壓裂液體系配方同1.2所述，選用粒徑為40～60目的陶粒作為支撐劑，評(píng)價(jià)單顆粒支撐劑在新型氮?dú)馀菽瓑毫岩后w系中的沉降速度，并與清水、常規(guī)氮?dú)馀菽瓑毫岩骸⒊Ｒ?guī)胍膠壓裂液和活性水壓裂液體系進(jìn)行對(duì)比，以此評(píng)價(jià)其攜砂性能，實(shí)驗(yàn)溫度選擇為20 ℃、30 ℃和40 ℃。

1.3.4 濾失性能

壓裂液體系配方同1.2中所述，使用高溫高壓濾失儀測(cè)定氮?dú)馀菽瓑毫岩后w系的靜態(tài)濾失系數(shù)，并與常規(guī)氮?dú)馀菽瓑毫岩骸⒊Ｒ?guī)胍膠壓裂液和活性水壓裂液體系進(jìn)行對(duì)比，實(shí)驗(yàn)溫度選擇為20 ℃、30 ℃和40 ℃，實(shí)驗(yàn)壓力為3.5 MPa。

1.3.5 對(duì)儲(chǔ)層的損害性能

壓裂液體系配方同1.2中所述，參照國家能源行業(yè)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》，評(píng)價(jià)氮?dú)馀菽瓑毫岩后w系對(duì)目標(biāo)區(qū)塊煤儲(chǔ)層巖心基質(zhì)滲透率的損害情況，并與常規(guī)氮?dú)馀菽瓑毫岩?、常?guī)胍膠壓裂液和活性水壓裂液體系進(jìn)行對(duì)比，實(shí)驗(yàn)溫度為40 ℃。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 起泡能力及泡沫穩(wěn)定性

按照1.3.1中的實(shí)驗(yàn)方法評(píng)價(jià)不同壓力條件下壓裂液體系的起泡體積及泡沫半衰期，見圖1。

圖1 新型氮?dú)馀菽瓑毫岩旱钠鹋菽芰芭菽€(wěn)定性

由圖1結(jié)果可以看出，隨著實(shí)驗(yàn)壓力的不斷升高，新型氮?dú)馀菽瓑毫岩旱钠鹋蒹w積變化不大，均在550 mL以上；而泡沫半衰期則隨著壓力的升高而逐漸增大，當(dāng)實(shí)驗(yàn)壓力達(dá)到8 MPa時(shí)(目標(biāo)區(qū)塊煤儲(chǔ)層壓力為8.12 MPa左右)，泡沫的半衰期則可以達(dá)到250 min以上，說明研制的新型氮?dú)馀菽瓑毫岩后w系具有良好的起泡能力和泡沫穩(wěn)定性，能夠保證煤層氣儲(chǔ)層壓裂施工的順利進(jìn)行。

2.2 流變性能

按照1.3.2中的實(shí)驗(yàn)方法評(píng)價(jià)新型氮?dú)馀菽瓑毫岩后w系黏度隨剪切時(shí)間的變化關(guān)系，見圖2。

圖2 新型氮?dú)馀菽瓑毫岩吼ざ入S剪切時(shí)間的變化情況

由圖2結(jié)果可以看出，隨著剪切時(shí)間的逐漸延長，新型氮?dú)馀菽瓑毫岩后w系的黏度值有所下降，當(dāng)剪切時(shí)間達(dá)到120 min時(shí)，體系的黏度值仍能保持在90 mPa·s以上，說明研制的新型氮?dú)馀菽瓑毫岩后w系具有良好的流變性能，且具有較好的抗剪切能力，能夠滿足煤層氣井壓裂現(xiàn)場壓裂施工的要求。

2.3 攜砂性能

按照1.3.3中的實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定了支撐劑陶粒在新型氮?dú)馀菽瓑毫岩后w系、清水、常規(guī)氮?dú)馀菽瓑毫岩骸⒊Ｒ?guī)胍膠壓裂液體系以及活性水壓裂液體系中的沉降速度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 陶粒在不同流體中的沉降速度

由表1看出，支撐劑陶粒在清水和活性水壓裂液中沉降速度較快，在新型氮?dú)馀菽瓑毫岩骸⒊Ｒ?guī)氮?dú)馀菽瓑毫岩汉碗夷z壓裂液體系中沉降速度較慢，其中在新型氮?dú)馀菽瓑毫岩后w系中的沉降速度最慢，當(dāng)實(shí)驗(yàn)溫度為40 ℃時(shí)，沉降速度僅為0.004 2 mm/s，說明研制的新型氮?dú)馀菽瓑毫岩后w系具有良好的攜砂性能。這是由于氮?dú)馀菽瓑毫岩后w系主要依靠氣泡之間的相互作用來阻止支撐劑顆粒的沉降，壓裂液體系良好的起泡能力和泡沫穩(wěn)定性使其具有較強(qiáng)的攜砂能力，能夠有效防止煤層氣儲(chǔ)層壓裂施工過程中砂堵現(xiàn)象的出現(xiàn)，提高壓裂施工的效率。

2.4 濾失性能

按照1.3.4中的實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定了不同壓裂液體系的靜態(tài)濾失系數(shù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 不同壓裂液體系的濾失性能

由表2結(jié)果可以看出，隨著實(shí)驗(yàn)溫度的升高，不同壓裂液體系的靜態(tài)濾失系數(shù)均有所增大，其中新型氮?dú)馀菽瓑毫岩后w系的靜態(tài)濾失系數(shù)最小，當(dāng)實(shí)驗(yàn)溫度為40 ℃時(shí)，靜態(tài)濾失系數(shù)僅為0.057×10-3m/min1/2，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(SY/ T 6376—2008《壓裂液通用技術(shù)條件》)中的要求(≤1.0×10-3m/min1/2)，說明研制的新型氮?dú)馀菽瓑毫岩后w系具有良好的濾失性能。這是由于一方面氮?dú)馀菽瓑毫岩后w系屬于一種少水壓裂液體系，大量的泡沫相互擠壓，阻礙了液相的濾失；另一方面泡沫的形成使體系的黏度增大，同時(shí)增大了毛管阻力，使液相的流動(dòng)阻力變大，從而降低了濾失速度。

2.5 對(duì)儲(chǔ)層的傷害性能

按照1.3.5中的實(shí)驗(yàn)方法評(píng)價(jià)了不同壓裂液體系對(duì)目標(biāo)區(qū)塊煤層巖心基質(zhì)滲透率的損害情況，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 不同壓裂液體系對(duì)煤巖心的損害實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表3看出，四種煤層氣常用的壓裂液體系中，新型氮?dú)馀菽瓑毫岩后w系對(duì)目標(biāo)區(qū)塊煤儲(chǔ)層巖心基質(zhì)滲透率的損害程度最小，兩塊煤巖心的平均損害率為14.27%，遠(yuǎn)小于胍膠壓裂液體系的60.34%，也小于活性水壓裂液體系的17.03%和常規(guī)氮?dú)馀菽瓑毫岩后w系的20.35%。這是由于新型氮?dú)馀菽瓑毫岩后w系中不含大分子聚合物，不會(huì)對(duì)煤層孔隙造成嚴(yán)重的堵塞，并且其水含量也較少，可以有效減弱水敏、水鎖損害對(duì)煤層造成的堵塞現(xiàn)象。因此，該新型氮?dú)馀菽瓑毫岩后w系具有良好的低損害特性，適合應(yīng)用于煤層氣儲(chǔ)層的壓裂施工過程中。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

沁水盆地某煤層氣區(qū)塊前期壓裂開發(fā)主要采用活性水壓裂液體系，近期發(fā)現(xiàn)部分煤層氣井壓裂后產(chǎn)氣量較小，達(dá)不到配產(chǎn)要求，甚至某些井壓裂施工后長時(shí)間不見氣。因此，結(jié)合目標(biāo)區(qū)塊煤儲(chǔ)層特征，考慮使用研制的新型氮?dú)馀菽瓑毫岩后w系進(jìn)行壓裂施工。試驗(yàn)區(qū)塊井深在600～750 m左右，壓裂層位為3#煤層，地層孔隙度在4.1%～5.2%之間，滲透率在0.95～1.42 mD之間。選取該區(qū)塊內(nèi)3口煤層氣井使用新型氮?dú)馀菽瓑毫岩后w系開展壓裂施工現(xiàn)場試驗(yàn)，壓裂施工過程順利，各項(xiàng)施工參數(shù)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，施工成功率達(dá)100%，其中3口井的具體壓裂施工參數(shù)及產(chǎn)氣情況見表4，并與同區(qū)塊內(nèi)使用活性水壓裂液體系壓裂施工的2口井進(jìn)行了對(duì)比。

由表4結(jié)果可知，使用新型氮?dú)馀菽瓑毫岩后w系施工的3口煤層氣井見氣時(shí)間均在30 d以內(nèi)，平均日產(chǎn)氣量在1 000 m3左右，與使用活性水壓裂液施工的2口井相比見氣時(shí)間明顯縮短，平均日產(chǎn)氣量明顯提高。這說明研制的新型氮?dú)馀菽瓑毫岩后w系能夠很好地適應(yīng)目標(biāo)區(qū)塊煤層氣儲(chǔ)層壓裂增產(chǎn)的需要，具有較好的推廣應(yīng)用前景。

表4 煤層氣井現(xiàn)場壓裂施工參數(shù)及產(chǎn)氣情況

4 結(jié)論

(1)室內(nèi)研制了一套適用于煤層氣儲(chǔ)層的新型氮?dú)馀菽瓑毫岩后w系，綜合性能評(píng)價(jià)結(jié)果表明：該壓裂液體系在地層壓力條件下能夠具有較大的起泡體積和較長的半衰期，具有良好的起泡能力和泡沫穩(wěn)定性；該壓裂液體系還具有良好的流變性能、攜砂性能和濾失性能，且其對(duì)目標(biāo)區(qū)塊煤層巖心基質(zhì)滲透率的損害程度較小，綜合性能優(yōu)于常規(guī)的氮?dú)馀菽瓑毫岩?、常?guī)胍膠壓裂液和活性水壓裂液，能夠滿足煤層氣儲(chǔ)層壓裂施工對(duì)壓裂液性能的要求。

(2)新型氮?dú)馀菽瓑毫岩菏且环N少水壓裂液，自由水含量較少有助于降低壓裂液對(duì)煤儲(chǔ)層的損害，有利于煤層氣的解析。另外，新型氮?dú)馀菽瓑毫岩翰缓叻肿泳酆衔铮瑲堅(jiān)枯^低，對(duì)煤儲(chǔ)層的損害較小，有助于提高壓裂效率。

(3)現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明，目標(biāo)區(qū)塊3口煤層氣井使用研制的新型氮?dú)馀菽瓑毫岩后w系施工后，見氣時(shí)間均小于30 d，平均日產(chǎn)氣量在1 000 m3左右，施工效果明顯優(yōu)于同區(qū)塊內(nèi)使用活性水壓裂液體系的煤層氣井，取得了良好的壓裂增產(chǎn)效果。