适用于煤层的新型氮气泡沫压裂液研究

张云鹏，杨兆中，李小刚，刘敏，路艳军

(西南石油大学 油气藏地质及开发工程国家重点实验室，四川 成都 610500)

煤层气是一种非常规油气资源，其资源量巨大，在全球能源产业中具有举足轻重的地位，目前在美国已经进行了大规模的开采，在其天然气产量中占有较大比重，发挥着重要作用［1］。煤层气储层与常规天然气储层差别较大，具有低温、低压、低渗透等特征，使得煤层气的开采面临巨大的挑战，压裂改造是目前最有效的开发手段之一。然而，煤层特殊的赋存环境及复杂的割理系统对压裂液也提出了更高的性能要求:煤岩中大量甲烷吸附于储层，进行压裂改造提高产气量的同时必须考虑压裂液对解吸规律的影响，防止外来流体被大量的吸附致使压裂效果变差［2］;煤层气储层割理发育，易滤失，因此也要求压裂液滤失量小;煤岩较为松软、易出粉，开采过程中会产生大量煤粉，如果压裂液的悬砂能力较差，会造成沉积的砂与煤粉相混杂，堵塞支撑裂缝和储层孔隙，使裂缝失去导流能力，因此压裂液必须具有良好的携砂能力;煤层气储层敏感性强，易造成伤害，压裂液必须具有低伤害的特性，才能够有效提高储层渗流能力。

泡沫压裂液作为一种少水压裂液，具有低伤害、低滤失、悬砂能力强、有利于甲烷解吸提高产气量等突出特性［3-4］。泡沫压裂液已经得到了越来越多的关注，并不断被成功应用于煤层气井的压裂改造中，20 世纪末美国已经将泡沫压裂液应用于煤层气的开发［5］，我国在2005 年成功的进行了两口煤层气井的现场应用，并取得很好的压裂效果［6］。经过大量的实验研究，优选出了一种性能良好的新型氮气泡沫基压裂液，并进行了现场试验，取得了良好的效果。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

起泡剂XN-QP-1、XN-QP-2、降阻剂XN-JZ-1、助排剂XN-ZP-1、XN-ZP-2 均为工业品;实验用水为去离子水;山西晋城赵庄煤。

IS-100 型等温吸附仪;哈克MARS Ⅲ流变仪;GGS42-2 高温高压失水仪。

1.2 泡沫压裂液的性能评价

1.2.1 对煤岩吸附作用 将煤粉碎至60 ～80 目，用压裂液处理后按照GB/T 19560—2008 方法进行吸附实验，实验方法采用容量法。

1.2. 2 失水性能 按配方配制好压裂液，在8 000 r/min 搅速下搅拌1 min，装入底部有专用滤纸的失水筒中，迅速装好滤筒并放到加热套内，施加压力(测试筒上部施加4 MPa 压力，下部施加0.5 MPa 的回压，压差为3.5 MPa)，由于煤层气储层温度与室内温度相当并不需要对失水筒加热。滤液开始流出时记录时间、滤液的累积滤失量，测定时间为36 min。将数据以时间平方根为横坐标，累积滤失量为纵坐标作曲线图，并对曲线线性回归，回归线斜率为m，截距为h，按下式计算滤失系数和初滤失量。

式中 Cw——受滤饼控制的滤失系数，m /;

A——滤失面积，cm2;

Vc——滤失速度，m/min;

t——滤失时间，min;

Qsp——初滤失量，m3/m2;

h——滤失曲线直线段与y 轴的截距，cm。

因为煤层压裂过程不可避免会产生大量煤粉混入压裂液中，因此考虑在配方中加入一定量的煤粉测定失水性，设计配方如下:泡沫基液XN-QP-1 ∶XN-QP-2 =0.5%∶0.5%，泡沫基液+煤粉XN-QP-1∶XN-QP-2 =0.5%∶0.5% +10%煤粉。

1.2.3 悬砂性能 压裂液的悬砂性测试方法有静置状态观察法和流动状态观察法两种。本文采用静置状态观察法。将泡沫压裂液倒入量筒内，放在平面上，放入1 粒或者多粒砂子，观察砂子的沉降速度;或者在配制泡沫压裂液时就加入一定砂比的支撑剂，混合均匀后观察砂子的沉降情况。

1.2.4 对储层伤害 按照工作液伤害评价方法标准SY/T 5358—2010 对泡沫压裂液进行了室内岩心流动实验。工作液为根据现场水成分分析资料配制的地层水和泡沫压裂液基液，使用人造煤岩心展开室内岩心流动评价实验。

2 结果与讨论

2.1 压裂液对煤岩吸附作用的影响

煤层是一种具有基质孔隙和割理系统的双重介质，基质孔隙具有极大的比表面积，对甲烷有极强的吸附能力，煤化作用过程中形成大致相互垂直的面割理与端割理。煤岩基质块表面和块内微孔是煤层气的主要储集空间，而割理系统是煤层气的主要流动通道［7］。煤吸附甲烷为物理吸附，研究过程中只考虑物理吸附情况。

研究表明，气态水对煤吸附气体有显著影响，随煤中水分的增加煤吸附气体的能力降低［8］。因水分子具有极性，煤会优先吸附水分子，从而影响煤的吸附位和吸附能。但当煤中水分超过临界水分，即气态水达到相对饱和并出现液态水时，煤吸附气体的能力不再受水分的影响。但是研究基于特定条件下的气体吸附实验［9］，特定条件主要指实验煤样的水分是通过常温常压下干燥煤样吸附气态水或浸入液态水来获得的，受到孔隙界面张力的作用，液态水只能润湿煤的外表面和煤中部分大孔隙(渗流孔隙)，而煤的外表面和大孔隙表面对煤吸附能力的影响甚微，液态水无法做功、克服界面张力而进入孔径很小的凝聚-吸附孔隙和吸附孔隙，所以液态水也就不会对煤吸附气体产生明显影响。而在大的泵注压力下，工作液也可以克服一定的毛管力进入孔隙中，从而影响煤的吸附能力，泡沫压裂液、活性水压裂液、降阻活性水压裂液和1%KCl 溶液对煤岩吸附伤害的影响实验结果见图1。泡沫压裂液配方:XNQP-1(0.5%)+XN-QP-2 (0.5%)+2%KCl。

图1 压裂液对煤吸附的影响Fig.1 The influence of fracturing fluids on coal isothermal adsorption

由图1 可知，经过压裂液污染后的煤粉吸附能力为:泡沫压裂液基液＞1%KCl 溶液＞活性水压裂液＞降阻活性水压裂液。煤层气开发的过程需要煤层甲烷从吸附态解吸出来，压裂液越有利于煤层气的解吸，则越有利于煤层气的开发。压裂液污染后煤粉的吸附能力实质是压裂液对煤岩伤害的大小，压裂液处理后吸附能力弱，说明该压裂液被煤吸附占据了煤孔隙和煤分子表面，阻碍了甲烷的吸附，对煤层的吸附伤害较大，不利于解吸。实验表明，泡沫压裂液对煤层的伤害低于其它几种压裂液，具有有助解吸的作用，有利于甲烷从煤层中解吸出来，提高煤层气井产气量。

2.2 压裂液失水性能

压裂液静态滤失实验结果见表1。

表1 压裂液静态滤失性Table 1 Result of static filtration loss

由表1 可知，泡沫基液在1 min 时失水为6 mL，在此后的36 min 一直保持在6 mL，即没有液体再流出。加入10%煤粉后失水量大大减少，而且泡沫形态保持得也很好。因此完全能够满足煤层压裂过程低滤失的要求。

泡沫压裂液能够降低滤失的原因［10-11］:①泡沫压裂液中含有大量高质量的泡沫，泡沫间相互接触挤压，形成一种特殊的泡沫滤饼，阻碍压裂液的滤失;②由于泡沫滤饼的存在，占据了较大的储层空间，使得压裂液的流通通道横截面积大大降低，压裂液的滤失进一步降低;③储层中压力较高，气体泡沫并不会迅速聚集融合，同时由于气体泡沫与液体之间相互影响，在滤失压力作用下使得液态压裂液更不容易流动而发生滤失;④当加入煤粉后，构成了压裂液液体、泡沫与煤粉固体的相互作用，使压裂液的流动阻力变大，进一步降低滤失的发生。因此，泡沫压裂液相对其他常规压裂液具有显著降低滤失的作用。

2.3 压裂液悬砂性能

泡沫压裂液的静置状态悬砂性能实验结果见表2。

表2 泡沫压裂液的悬砂性能Table 2 Proppant carrying capability of foam fracturing fluids

由表2 可知，压裂液体系在半衰期内支撑剂无沉降发生，说明泡沫压裂液具有良好的悬砂能力。目前压裂液对煤层的伤害主要为:吸附伤害、堵塞伤害、水化膨胀伤害和化学伤害。如果压裂液悬砂能力较差，大量支撑剂、煤粉会发生沉降，煤粉颗粒与支撑剂相互混合，沉降聚集后堵塞渗流通道，严重污染形成的有效支撑裂缝，因此压裂液的悬砂能力至关重要［12-13］。此泡沫压裂液具有良好的悬砂能力，一方面由于此泡沫压裂具有较高的黏度，能够增大对支撑剂降落过程中的阻力，阻碍其沉降。另一方面，压裂液中大量的泡沫将支撑剂托起或挤住，形成了一种特殊阻挡，使得其较难下降，较其它常规压裂液表现出极大的优势。同时，泡沫压裂中存在的大量泡沫表面具有一定粘弹性，使得支撑剂很难突破泡沫［10］。

用流变仪在30 ℃、170 s－1剪切速率下测定泡沫压裂液的抗剪切性能，结果见图2。

图2 泡沫压裂液抗剪切性能Fig.2 The shear stability of foam fracturing fluid

由图2 可知，泡沫压裂液黏度不降低，反而慢慢升高，这是常规压裂液不具有的性质。经过长时间实验，压裂液的泡沫形态保持完好，没有液体析出。

泡沫压裂液的抗剪切性能很好，在30 ℃、170 s－1条件下剪切1 ～2 h 后，黏度能保持在90 mPa·s，能满足现场要求。

2.4 压裂液对储层的伤害程度

泡沫压裂液对煤岩心的伤害实验结果见图3。

图3 泡沫压裂液岩心流动实验Fig.3 Core flow test of foam fracturing fluid

由图3 可知，泡沫压裂液对煤岩心的伤害较小，只有4.8%，渗透率恢复到初始渗透的95.2%，对煤岩具有较低的伤害。这是由于该泡沫压裂液体系无大分子聚合物，残渣含量低，不会出现破胶不彻底产生的残留物与储层中悬浮颗粒、煤粉等相互混合，堵塞流动通道，而且对煤层吸附伤害较小，因此造成的储层伤害较低。其次，泡沫压裂液是一种少水压裂液体系，能有效降低对煤层气储层的水敏伤害。因此，该泡沫压裂液体系完全满足煤层压裂过程压裂液低伤害的要求。

2.5 现场试验

使用泡沫压裂液体系进行了五口井的压裂施工，其中两口井的施工曲线见图4、图5。

图4 TS55-06 井施工曲线Fig.4 Fracturing curve of TS55-06

图5 TS56-08 井施工曲线Fig.5 Fracturing curve of TS56-08

由图4、图5 可知，泡沫压裂施工后，四口井不久后见气并投产，见气率为80%，而周边用活性水压裂改造的煤层气井的见气率仅30%，足以说明泡沫压裂施工取得了成功，此泡沫压裂液能够满足煤层气储层压裂施工的要求，能有效提高储层渗透率，增产效果显著。

3 结论

(1)泡沫压裂液对煤岩具有较低的吸附伤害，降低压裂液在煤层中的吸附及滞留，有利于甲烷气体从煤层中解吸出来，提高煤层气产量。

(2)泡沫压裂液形成了一种特殊的泡沫滤饼，有利于降低滤失，在加入煤粉的条件下，表现出更好的降滤失性，能够很好解决煤层气井压裂过程的滤失问题。

(3)泡沫压裂液中存在大量高质量的泡沫，能够将砂子“托举”或“挤压”，将砂子悬浮于压裂液中，具有较好的悬砂性，能满足施工过程对携砂的要求。在模拟地层条件下，泡沫压裂液仍保持了较高的粘度，具有较好的流变性能，使得砂子能够稳定的悬浮于压裂液中。

(4)泡沫压裂液是一种少水压裂液，且残渣含量极低，压裂液中的气体泡沫能够在储层中聚集形成一种附加能量，不仅有利于压裂液返排，也能提高泡沫压裂的效果，对煤岩心具有较低的伤害，伤害率仅为4.8%。完成了现场5 口井施工试验，最快一口井压后8 d 见气，见气率80%，获得了良好的增产效果。

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