煤层气压裂液研究及展望

李 亭

(成都理工大学能源学院)

我国煤层气储量位居世界第三，仅次于俄罗斯和加拿大。我国地下2000 m以内的浅煤层气资源量为36.7×1012m3，与天然气总量相当，但是我国大部分煤层气属于低压、低渗、低饱和，开采难度相当大，基本上所有的煤层气直井都要靠水力压裂才能正常生产[1，2]。由于煤储层具有松软、吸附能力强、天然裂隙发育等特殊性，在水力压裂过程中很容易受到伤害，因此对压裂液的要求非常高，压裂液一直以来受到非常大的关注。本文在总结煤层气压裂液发展情况的基础之上，分析压裂液所存在的问题，并提出解决方法，同时指出未来的发展趋势[3，4]。

1 煤层气压裂液研究

1.1 活性水压裂液

美国在20世纪80年代，使用活性水压裂液，可以加砂也可以不加砂，根据煤层特性而定。

活性水加砂压裂是我国煤层气井压裂所采用的主要方式。如在中联煤公司所属的沁南盆地南部，国家级煤层气开发示范工程中有148口井采用清水加砂压裂技术,占压裂井数的98.7%。实践证明，活性水加砂压裂对煤层伤害较小、成本较低、配液工艺简单，在应用中取得了较好的效果[5]。

1.2 线性胶/冻胶压裂液

在水力压裂过程中，为了降低滤失，使压裂缝长延伸到较远的地层，往往使用线性胶/冻胶压裂液。由于煤层是一个低温低压储层，造成交联压裂液的破胶和返排困难。在国外挖开的煤层裂缝中发现了大量的压裂液残渣，证明了吸附和残渣对地层的伤害[6]。

1.3 泡沫压裂液

一般由液相、气相和起泡剂组成，主要有CO2和N2泡沫压裂液两大类。国内先后进行了非交联泡沫压裂液、酸性交联CO2泡沫压裂液、有机硼(碱性)交联N2泡沫压裂液等研究及应用[7]。

通常泡沫质量为60%～90%时才称为泡沫压裂, 低于60%时称为增能压裂。泡沫压裂液的气相选择，国内外普遍采用CO2和N2，但由于煤基质吸附能力强，对CO2和N2在地层条件下的吸附解吸特性以及是否会对煤层造成气锁伤害、哪种气体更适合于煤层压裂，还有待进一步的研究[8,9]。

常规水基压裂液是在碱性环境下交联, 酸性环境下破胶; 而CO2泡沫压裂液则要求在酸性环境下交联。国外使用CO2泡沫压裂液时,稠化剂为羧甲基羟丙基瓜胶, 它在酸性条件下能形成良好的冻胶，中国没有此种产品，只好使用类似的替代品[10]。

美国和加拿大在20世纪50～60年代，将泡沫压裂液应用到低渗透油气田的改造上。在20世纪90年代，北美地区(美国和加拿大)油气井的90%均采用泡沫压裂技术，同时美国斯伦贝谢公司将CO2泡沫压裂工艺技术成功应用于煤层气改造，使一批低产煤层气井的产量得到大幅度提高,给煤层气的开发提供了强有力的支持[11,12]。

我国在20世纪90年代中期引进泡沫压裂液，并开始进行研究。国内大多数专家学者研究的主要是CO2泡沫压裂液，大多应用在低压低渗透油气田的改造中，如川西低渗透致密气藏。我国在煤层气压裂改造方面起步较晚，如在2007年，中原油田井下特种作业处在安徽淮北矿业集团LG-3井上，完成国内首次CO2泡沫压裂施工。后来，中原油田井下作业公司又在淮北矿区芦岭矿进行了CO2增能压裂和活性水压裂的施工,对比分析后认为增能压裂效果明显好于活性水压裂[13-15]。

在N2泡沫压裂技术方面，多在实验室内研究配方组成和对各项性能的评价工作,并结合煤样评价N2泡沫压裂液的适用性和优越性。在现场施工方面，国内尚处于试验阶段。如中联煤在山西沁南盆地南部煤层气开发项目中，于2010年选择2口井,将国家“十五”科技攻关成果—“氮气泡沫压裂技术”首次进行工业试验，并获得成功。这可以看作是使用N2泡沫压裂液对煤层气增产改造所进行的一次探索[16-18]。

1.4 清洁压裂液

1997年，斯伦贝谢公司首先研制出清洁压裂液并应用于水力压裂现场。这类压裂液与胍胶和羟乙基纤维素不同,它由黏弹性表面活性剂和其它添加剂构成。由于破胶问题和成本过高，导致在国内煤层气水力压裂中，还处于试用阶段[19-21]。

1.5 4种压裂液性能对比

综合上述，四种压裂液性能对比见表1。

表1 四种压裂液对比

山西沁水盆地是我国主要的煤层气产区，进行了大部分水力压裂的试验，尝试了上述四种压裂液，通过分析对比应用效果，最后认为N2泡沫压裂液效果最好，其次是清洁压裂液和活性水加砂压裂液[22，23]。

2 存在问题及对策研究

纵观上述压裂液的优缺点以及使用情况，可以认为压裂液在煤层气使用中存在的主要问题有：

(1)尽管N2和CO2泡沫压裂效果较好，但是由于压裂成本较高，其推广应用受到很大限制。

(2)由于煤储层吸附能力强、微裂隙发育、易变形等特点，要求压裂液具有降滤失、防膨降阻、易返排、低伤害等性能，因此压裂液添加剂至关重要，但是目前的效果并不满意，还需要研制开发出新的产品。

(3)压裂过程中存在压力异常过高、煤粉堵塞以及砂堵和裂缝延伸较短等问题，需要从压裂液方面考虑解决方法。

(4)国内活性水压裂仍然居主导地位，但具有携砂能力弱、造缝能力较差等明显缺陷，距现场增产要求还有一段距离。

针对这些问题，提出如下对策：

(1)进一步加强泡沫压裂液的研究，进行各项性能如携砂、降阻、抗剪切、返排和流变性等的改进，并结合设备和施工工艺，形成完善的成套技术，扩大应用范围。

(2)将泡沫或者空气与新型清洁压裂液结合，进一步降低液相含量，提高压裂效果。

(3)为延长水力裂缝的长度，研制煤层处理液，预先对煤层进行处理，降低摩阻和滤失，然后再进行水力压裂。

(4)加强压裂液与煤储层的配伍性研究，研制出伤害小或无伤害的新的压裂液体系。

(5)改善活性水的性能，在已有的基础上，研制低伤害、滤失少、高粘度的压裂液, 进一步改善压裂效果。

3 结论与建议

在对4种压裂液分析评价的基础上，提出下述认识与建议：

(1)对比现场应用效果，氮气泡沫压裂液效果最好。尽管在我国应用还十分有限，但在国外应用早已非常普遍，因此我国应加强泡沫压裂液的研究。

(2)借鉴空气泡沫钻井和煤层气裸眼洞穴完井的经验，仿照稠油蒸汽吞吐的方式，使用高压空气对煤层气井进行定期处理，以改善近井地带煤层的渗透性。

(3)对于泡沫压裂液，最大限度地降低含液量，同时又能形成较长的水力压裂裂缝，这将是泡沫压裂液所面对的最大挑战。

(4)由于煤储层的特殊性，压裂液在煤层气井增产改造中的地位至关重要，应该寻求增产改造和储层保护两方面需要的平衡点，开发出合适的压裂液体系。

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