适合煤层气储层的新型清洁压裂液体系研究与应用

时间：2024-09-03

秦祝卿，刘刚，刘彦青，杨文斌，范锦锋，宋琦

(1长江大学地球科学学院 2中国石油渤海钻探工程公司钻井技术服务分公司 3中国石油集团渤海钻探工程公司定向井分公司 4中国石油集团渤海钻探工程公司第四钻井工程分公司 5中国石油集团渤海钻探工程公司井下作业分公司)

煤层气储层与常规油气储层相比具有脆性强、吸附性强、割理发育以及压力低等特点，在压裂施工过程中容易引起砂堵、煤粉沉积堵塞、压裂液吸附以及压裂液返排困难等问题，这就要求煤层气储层压裂液的性能与其他常用油气储层压裂液存在一定的区别[1]。主要表现为压裂液要与煤储层岩石和流体配伍性良好，降低压裂液吸附和反应造成的煤储层损害；由于煤储层存在割理发育，要求压裂液足够清洁，除配制用水水质达到要求外，还应使压裂液破胶后的残渣含量较低，避免堵塞煤层孔隙；此外，煤层气储层用压裂液还应该满足煤岩防膨、降低摩阻、降低滤失量以及提高返排效率等方面的要求。

目前，国内外针对煤层气储层常用的压裂液体系主要包括线性胶压裂液、活性水压裂液、泡沫压裂液以及清洁压裂液等[2-10]，其中线性胶压裂液存在破胶不彻底、残渣含量高以及返排困难等缺点，易对煤储层造成二次损害；活性水压裂液则存在携砂能力差以及造缝效率低的缺陷，影响压裂增产效果；泡沫压裂液存在施工成本高、工艺复杂以及返排难以控制等缺点，限制了其大规模的应用。而清洁压裂液通常具有携砂能力强、对储层的损害小、破胶彻底无残渣以及摩阻较小等优点，近年来在煤层气压裂施工中的研究及应用越来越多[11-16]。

清洁液压裂液的核心处理剂是黏弹性表面活性剂，根据以往研究经验及结果，由于煤储层表面通常带有负电荷，阴离子型表面活性剂与煤储层接触时，在静电斥力的作用下，使煤层微粒运移程度加剧，容易对煤储层造成严重的损害；而阳离子型和非离子型表面活性剂由于不含与煤层表面电荷相互排斥的基团，其对煤储层的损害程度则相对较小[17-18]。因此，本文以阳离子型表活性剂和非离子型表面活性剂作为主剂，辅助以助表面活性剂和KCl，研制了一种适合煤层气储层的新型清洁压裂液体系，在分析了压裂液体系成胶机理的基础上，室内对其综合性能进行了评价，并成功在沁水盆地某煤层气区块开展了现场应用，以期为煤层气的高效合理开发提供一定的技术支持和借鉴。

一、煤层气储层新型清洁压裂液成胶机理及体系配方

1. 成胶机理

清洁压裂液体系以黏弹性表面活性剂为主剂，随着溶液中黏弹性表面活性剂浓度的不断增大，直至达到临界胶束浓度时，水溶液中首先会形成大量的球状胶束，再继续增大表面活性剂的浓度，球状胶束会逐渐转变为棒状胶束；此时，在反离子或助表面活性剂的作用下棒状胶束会继续生长为更长的蠕虫状胶束，随着蠕虫状胶束的不断生长，胶束链互相缠绕交叠，形成类似高分子溶液的网状结构，使溶液呈现出一定的黏弹性能，从而满足煤层气储层压裂施工的需要[19-20]。

2. 体系配方

室内通过大量的优化评价实验，确定了两种黏弹性表面活性剂的类型及合适加量，并通过黏度测定和配伍性实验，优选出了合适的助表面活性剂和防膨剂，最终研制出的适合煤层气储层的新型清洁压裂液体系配方为：1.0%SE-1(非离子型黏弹性表面活性剂)+0.3%SY-2(阳离子型黏弹性表面活性剂)+0.5%ZRT-10(助表面活性剂)+1.5%KCl(防膨剂)。

二、实验部分

1. 主要实验材料及仪器

实验材料：非离子型黏弹性表面活性剂SE-1、阳离子型黏弹性表面活性剂SY-2，实验室自制；助表面活性剂ZRT-10、破胶剂PJS-3、KCl、煤油，上海凯尔化学品有限公司；20～40目陶粒，天虹石油压裂支撑剂有限责任公司；煤岩心，使用目标区块煤储层煤粉压制而成。

实验仪器：HAAKE RS75型流变仪，上海力晶科学仪器有限公司；MST型动态线性膨胀仪，湘潭市恒一仪器有限公司；JYW-200型全自动表面张力仪，承德金和仪器有限公司；HKTY型动态岩心驱替实验装置，海安石油仪器有限公司。

2. 实验方法

2.1 耐温抗剪切性能

使用HAAKE RS75型流变仪评价新型清洁压裂液体系的耐温抗剪切性能，实验温度为60℃，剪切速率为170 s-1，剪切时间为100 min。

2.2 黏弹性能

使用HAAKE RS75型流变仪评价新型清洁压裂液体系的黏弹性能，实验应力设定为0.5 Pa，频率变化范围为0.1～10 Hz，实验温度为60℃。

2.3 悬砂性能

按照石油天然气行业标准SY/T 5185-2016《砾石充填防砂水基携砂液性能评价方法》对新型清洁压裂液体系在不同温度下的悬砂性能进行了评价，测定20～40目陶粒在压裂液体系中的静态沉降速度，每组实验做三次，取其平均值。

2.4 破胶性能

在新型清洁压裂液体系中加入不同浓度的破胶剂PJS-3，测定破胶液黏度随时间的变化关系，并测定最终破胶液的表面张力和残渣含量，实验温度为60℃。

2.5 防膨性能

在新型清洁压裂液体系中加入0.1%的破胶剂PJS-3，使体系完全破胶，然后使用MST型动态线性膨胀仪测定煤岩心在破胶液中的防膨率。实验压力为3 MPa，实验温度为60℃，实验时间为120 min。

2.6 对煤层的损害性能

参照能源行业标准NB/T 10034-2016《煤层气藏用水基压裂液性能评价方法》评价了新型清洁压裂液对煤岩心渗透率的损害情况，并与常规线性胶压裂液和活性水压裂液进行对比。

三、结果与讨论

1. 耐温抗剪切性能

图1为新型清洁压裂液体系黏度随剪切时间的变化曲线，可以看出，在60℃、170 s-1的实验条件下，压裂液体系经过100 min的剪切后其黏度值仍可以达到30 mPa·s以上，说明新型清洁压裂液体系具有良好的耐温抗剪切性能，能够满足煤层气储层压裂施工的需要。

图1 清洁压裂液体系耐温抗剪切性能实验结果

2. 黏弹性能

图2为新型清洁压裂液体系黏弹性能评价的结果，可以看出，在所定实验频率范围内，新型清洁压裂液体系的弹性模量G′明显大于黏性模量G″，表现出较好的弹性结构，且其剪切稳定性能较好，属于一种黏弹性流体。对于清洁压裂液体系而言，具有良好的黏弹性可以提高压裂液体系的携砂能力，进而有助于提高煤层气储层压裂施工的效率。

图2 清洁压裂液体系黏弹性能实验曲线

3. 悬砂性能

表1为新型清洁压裂液体系在不同温度下的悬砂性能评价实验结果，可以看出，支撑剂陶粒在新型清洁压裂液体系中的静态沉降速率随着实验温度的升高而逐渐增大，当实验温度为60℃时，静态沉降速度为0.13 mm/s，远远小于陶粒在清水中的沉降速度，说明新型清洁压裂液体系具有良好的悬砂性能。这是由于清洁压裂液属于一种黏弹性流体，其稳定的网状结构对陶粒的沉降能够起到较好的阻止作用，从而可以有效避免压裂施工过程中支撑剂过快沉降导致砂堵的现象，提高压裂施工的效率。

表1 清洁压裂液体系悬砂性能实验结果

4. 破胶性能

表2为新型清洁压裂液体系的破胶性能评价实验结果，可以看出，随着破胶剂PJS-3加量的逐渐增大，不同时间后的破胶液黏度值均逐渐减小，当其加量为0.1%时，60 min后破胶液的黏度值可以降低至5 mPa·s以下，使清洁压裂液达到完全破胶。另外，加入不同浓度的PJS-3后，最终破胶液的表面张力值均较小，且均无残渣产生。说明新型清洁压裂液体系具有良好的破胶性能，破胶液具有一定的表面活性，有助于压裂施工后的返排作业，并且不会由于压裂液残渣对煤层气储层造成二次损害。

5. 防膨性能

表3为新型清洁压裂液体系破胶液的防膨性能评价实验结果，可以看出，清洁压裂液体系破胶后溶液具有良好的防膨性能，对目标区块煤岩心的防膨率可以达到90%以上。这是由于新型清洁压裂液体系本身含有较多的表面活性物质，能够起到良好的黏土稳定作用，在煤层气储层压裂施工过程中可以有效抑制黏土的水化膨胀，降低压裂液对煤储层的损害程度。

表2 清洁压裂液体系破胶性能实验结果

表3 清洁压裂液体系防膨性能实验结果

6. 对煤层的损害性能

表4可以看出，新型清洁压裂液体系对目标区块煤岩心的渗透率平均损害率仅为7.27%，与活性水压裂液体系的损害率基本相当，但远远小于线性胶压裂液的33.37%。说明研制的新型清洁压裂液体系对煤层的损害程度较低，具有低损害特性，是一种性能良好的煤层气储层用压裂液体系。

表4 不同压裂液体系对煤岩心渗透率的影响

四、现场应用

沁水盆地某煤层气矿区煤层埋深在1 195～1 390 m左右，地层温度一般在50℃～60℃之间，煤层厚度在5.5～7.8 m之间。采用研究的新型清洁压裂液体系在该煤层气区块进行了10余井次的现场试验，均取得了良好的压裂施工效果，成功率达到100%，措施效果明显优于相同区块内使用活性水压裂液体系施工的煤层气井。

表5为使用不同压裂液体系的煤层气井压裂施工参数及产量对比结果，可以看出，使用新型清洁压裂液体系施工的2口井平均砂比在30%以上，而使用活性水压裂液施工的2口井平均砂比只有15%左右，清洁压裂液的携砂能力明显优于活性水压裂液；另外，由于清洁压裂液体系黏度高于活性水压裂液体系等因素，其在压裂施工过程中的排量要小于活性水压裂液；最终使用新型清洁压裂液措施后的日产气量是活性水压裂液措施后的两倍左右，说明研制的新型清洁压裂液体系起到了良好的压裂增产效果，能够满足煤层气井压裂施工的需求。

表5 现场试验结果对比