煤层气压裂液伤害对比实验研究

周睿，江厚顺, 简霖，陈飞



煤层气压裂液伤害对比实验研究

周睿1，江厚顺1, 简霖1，陈飞2

（1. 长江大学， 湖北 武汉 430000； 2. 中国石油川庆钻探工程有限公司 长庆井下技术作业公司，陕西 西安 710000）

我国煤层气储层条件较差，具有低渗、低孔、非均质性强的特点，均存在的问题就是一般开采方式效果不好。压裂是煤层岩增产的主要技术之一，而压裂的关键在于压裂液体系的选择，压裂液对储层的伤害将会导致达不到理想的产量。通过室内实验研究，进行煤层气压裂伤害评价实验，对压裂液体系的进行优选，选择浓度低，低摩阻的清洁压裂液,提高煤层气单井产量，改善井底渗流条件，提高煤层气渗透率以及储层渗透能力。解决宁武地区煤层气井压裂改造成功率低的问题，取得了巨大的突破，增产效果明显。

煤层气；储层损害机理；压裂液；润湿性；清洁压裂液

在我国，有着十分充足的煤层气资源，然而大部分煤层气储层条件较差，压裂则是提高产能的一项重要措施，现已经得到了很好的发展及广泛的运用了[1]。而在水力压裂过程中压裂液是一个重要环节，而由于较差的储层物性，在水力压裂的过程中储层就可能受到伤害，这个时候就需要要求更高的压裂液，所以清洁与环保的压裂液是今后压裂技术发展的重要研究对象之一。目前煤层气井现场采用的压裂液主要有清水压裂液、活性水压裂液、清洁压裂液、胍胶压裂液等[2-6]。基于煤储层的独特性，使得煤层气井压裂液与常规的油气井压裂液存在较大的区别。在煤层气压裂过程中，压裂液对储层的伤害造成的开发效果并不理想。所以有关煤层气压裂液对储层的伤害对比实验研究具有十分深远的研究必要性。

国内外开展压裂液对煤层储层伤害评价研究多选用煤粉压制的人造岩心，然而不能够充分反映煤岩储层天然构造特性，对煤岩的渗流能力评价不够。高品质的压裂液不仅可以提高煤层气的产量，而且可以提高近井地带的渗透率，达到很好的产量的目的。这次实验主要以宁武地区为例，开展煤层气压裂液伤害对比实验研究，根据宁武盆地煤岩储层的特点及其压裂液适用情况，选择瓜胶压裂液、活性水压裂液、廊坊清洁压裂液、分别将这三种压裂液体系对储层的伤害进行评价。为后续开发提供一定的指导意义。

1 煤岩储层压裂液损害机理

压裂液对储层的主要伤害是压裂液滤液对基质渗透率的伤害和压裂液遇黏土膨胀及滤失等对支撑裂缝导流能力的伤害[7,8]。

1.1 压裂液对煤层基质渗透率的伤害

（1）黏土具有颗粒性、可塑性强、结合性好。压裂液滤液中含水，而黏土的特征是与适量水结合，易造成黏土水化膨胀，运移后将孔道堵塞，致使油相渗透率降低，对储层造成伤害。

（2）由于滤失作用，压裂液破胶水化后，残留固相颗粒和因为压裂液滤失造成的浓缩胶堵塞地层喉道从而影响支撑剂的导流能力[7]。

1.2 压裂液滤液对煤层基质渗透率的伤害

（1）粘土水化膨胀、分散运移

基本上有产油砂岩颗粒间都含有粘土矿物，它的含量一般在1%～20%之间[9]。由于粘土矿物的膨胀和分散运移，压裂液将会伤害储层，降低地层的渗透率。在膨胀过程当中，黏土与适量的水相结合，使粘土发生水化膨胀，引起堵塞地层孔道[7]；在运移过程中，在孔隙喉道处形成封堵，进而降低地层渗透率，伤害储层。

（2）乳化

地层油和压裂液发生乳化时，乳化液滴将会在孔隙介质中堵塞与附着，将导致堵塞地层。这种堵塞作用是乳化液中的分散相在流经地层毛管、喉道时产生的贾敏效应叠加而成的[7]。所以对孔隙介质的对渗透率具有重要的影响。

（3）润湿性反转

作为压裂施工的砂岩油藏，岩石表面大多数都是亲水性。如果表面活性剂使用不当，将会发生润湿性反转[9]。尽管润湿反转不会改变岩石的绝对渗透率，然将对油、水两相的相对渗透率有着不小的影响。

2 实验部分

2.1 压裂液伤害对比实验基础数据

以陕西宁武盆地某煤层区块为例，将宁武盆地煤岩储层石炭统太原组某煤层作为研究对象，该煤层厚度为13~21 m，煤岩特性整体以半暗-半亮型为主。实验煤样是沿平行层理方向钻取柱状岩心，测量后获得渗透率以及用液体加压饱和法测孔隙度[10]。岩心基本物性见表1。

表1 压裂液伤害评价煤样基本物性参数

2.2 压裂液伤害评价方法

将准备好的岩心装入岩心夹持器，然后在接好流程。接着在先正向驱替地层水，驱替液量为岩心孔隙体积的10倍以上，可以让岩心更好的饱和溶液。测定岩心渗透率a。然后再反向驱替压裂液，驱替液量为岩心孔隙体积的2倍以上，停止驱替，待岩心冷却后，再用煤油正向驱替其流量，直至流量稳定，测得压裂液伤害后岩心渗透率b。

2.3 实验评价

实验研究中，以岩心基质渗透率的伤害率作为评价参数。岩心基质渗透率伤害率按下式计算：

式中：d——岩心基质渗透率损害率，%；

a——岩心基准渗透率，10-3µm2；

b——压裂液损害后岩心渗透率，10-3µm2。

2.4 评价标准

压裂液伤害程度评价指标见表2。

表2 压裂液伤害程度评价指标

为了评价不同压裂液对煤岩储层的伤害程度，按照压裂液伤害评价程序对三种不同压裂液进行了实验，实验结果如表3、图1。

表3 压裂液伤害实验结果

由表3、图1 所示，通过实验结果可以发现煤岩比表面积较大。与常规砂岩不同，煤岩具有很强的吸附的能力，吸附液体的后果将会导致煤基质膨胀[10]。而清洁压裂液对黏土有着较好的防膨作用，减少对储层的伤害。而且清洁压裂液彻底破胶能力很容易，破胶后不易产生固相颗粒，同时具有较好的携砂能力。这些特征使得清洁压裂液具有更大的优势[11]。由实验结果可知，瓜胶压裂液对岩心渗透率损害率平均为86.62%，活性水压裂液损害率平均为46.79%，廊坊清洁压裂液损害率平均为39.12%。但是目前清洁压裂液体系还不够成熟，其成本高是制约其大规模应用的影响因素之一。

3 结论

（1）实验研究中，针对三种压裂液：活性水压裂液、瓜胶压裂液、清洁压裂液对岩心渗透率的伤害进行对比。其中清洁压裂液对黏土具有不错的防膨能力，不仅对煤层的伤害更小，而且提高了岩心的渗透率，是煤层气压裂的理想压裂液之一。

（2）活性水压裂液粘度低，配液工艺简单、成本偏低，具有一定的防膨效果，易反排，对储层伤害较小，不会发生破胶现象，可以随地层水一起采出，在现场应用中取得了不错的应用。不足之处就是由于活性水压裂液的特性，导致近井地带渗透率降低，所以压裂的整体效果不会达到很好的效果。

（3）针对煤层的不同特点，既要考虑通过压裂的增产改造又要需求储层保护和增产改造的平衡点，当然还需要重点考虑的一点就是成本以及施工配套等因素。开发出更加清洁的新型压裂液体系，并在未来考虑可否将浅层气压裂的压裂液回收再利用，这样能够更好的降低成本，节约水资源，保护环境。这样对于水资源匮乏的地区，有着巨大的优势。

［1］Bustin R M，Clarkson C R．Geological controls on coalbed methane reservoir capacity and gas content [J]．International Journal of Coal Geology，1998，38（1-2）：3-26.

［2］陈进，刘蜀知，钟双飞，等．压裂液吸附对煤层损害的实验研究及影响因素分析[J]．西部探矿工程，2008，11：62-64.

［3］黄磊光，陈馥，陈浩，等. VES压裂液应用于煤层的实验室研究[J]．内蒙古石油化工，2009，2：4-5.

［4］张义，鲜保安，孙粉锦，等．煤层气低产井低产原因及增产改造技术[J]. 天然气工业，2010，06（30）：55-59.

［5］中联煤层气有限责任公司．煤层气勘探开发技术研究[M]．北京：石油工业出版社，2007：33-36.

［6］赵修太，陈泽华，陈文雪，等. 颗粒类调剖堵水剂的研究现状与发展趋势[J]. 石油钻采工艺，2015，37 (4):105-112.

［7］洪怡春. 低伤害水基压裂液体系研究[D].吉林：吉林大学，2006.

［8］陈进，刘蜀知，钟双飞，等. 阜新组煤层气井用压裂液优选研究 [J]. 特种油气藏, 2008，04 (25): 4-5.

［8］卢拥军. 压裂液对储层的损害及其保护技术[J]. 钻井液与完井液，1995，10 (15): 2-3.

［9］Pan Z，Connell L D．A theoretical model for gas adsorption-induced coal swelling[J]．International Journal of Coal Geology，2007，69（4）：243-252.

［10］张树田.延长西部油区延长组深层低伤害胍胶压裂液体系研究[D].西安：西安石油大学，2012.

［11］崔会杰，王国强，冯三利等.清洁压裂液在煤层气井压裂中的应用 [J].钻井液与完井液，2006,07(23):2-3.

Experimental Study on Damage of Coalbed Gas Fracturing Fluid

1,1,1,2

（1. Yangtze University, Hubei Wuhan 43000，China; 2.Changqing Downhole Technology Service Company, CNPC Chuanqing Drilling Engineering Co.,Ltd., Shaanxi Xi'an 710000，China）

China's coalbed methane reservoir conditions are poor, these reservoirs have the characteristics of low permeability, low porosity and heterogeneity, common development methods is not effective for these reservoirs. Fracturing is one of the important technologies for coal seam rock production, and the key to fracturing is the choice of fracturing fluid system, and the damage of fracturing fluid to reservoir will lead to poor yield. Through the laboratory experiment, the evaluation of fracturing damage of coalbed methane was carried out. The fracturing fluid system was optimized, the clean fracturing fluid with low concentration and low friction was selected to improve the single well production of coalbed methane, the bottom seepage condition and reservoir permeability. The problem of low success rate of fracturing and reforming coalbed methane wells in Ningwu area was solved, and great breakthroughs were obtained, and the effect of increasing production was obvious.

Coalbed methane; Mechanism of reservoir damage; Fracturing fluid; Wettability; Clean fracturing fluid

TE 357

A

1671-0460（2017）10-2153-03

2017-09-18

周睿（1992-），男，湖北省荆门人，长江大学油气田开发专业在读硕士研究生，主要从事采油采气工艺技术研究。E-mail：15771062805@163.com。

江厚顺（1969-），教授，硕士生导师，从事高含水油田提高采收率技术、采油采气工程技术等油气田开发工程方面的研究及教学工作。E-mail：40592597@qq.com。