新型表面活性剂清洁压裂液体系研究及应用

李 科， 荣 雄， 王增存， 胡鱈茹， 王金生， 白 霜

(1玉门油田分公司老君庙采油厂 2玉门油田分公司油田作业公司)

在煤层气开采过程中往往需要采用水力压裂等措施来达到增产的目的，与常规砂岩储层相比，煤层气储层具有弹性模量小、泊松比大、裂缝发育以及吸附力强等特点，并且往往属于低孔、低渗、低压、水敏性强储层[1-6]。所以，针对不同煤层气储层的现场条件，选择合适的压裂液体系成为煤层气增产技术研究的重点[7-8]。

目前，针对煤层气储层常用的压裂液体系主要有活性水压裂液、稠化水压裂液、交联冻胶压裂液、泡沫压裂液以及清洁压裂液等[9-14]。其中活性水、稠化水以及交联冻胶压裂液具有携砂性能好、现场配制简单以及使用范围广等优点，但对地层的伤害较大；而泡沫压裂液虽然具有低伤害的特点，但成本较高，且现场施工工艺要求高，难以大规模推广应用；清洁压裂液具有无残渣、摩阻低、对储层伤害低等优点，在煤层气压裂施工中具有比较好的推广应用前景[15-17]。

西部某煤层气矿区煤层深度在1 200～1 420 m左右，地层温度在50℃～60℃之间，在前期压裂施工过程中使用常规胍胶压裂液时破胶返排不彻底，对储层造成严重损害等问题，研究了一种适合煤层气井的新型表面活性剂清洁压裂液体系，室内评价了压裂液体系的性能，并在现场进行了试验，为该地区煤层气的高效开发提供一定的技术支持。

一、压裂液体系研究思路及配方

1. 研究思路

黏弹性表面活性剂在水溶液中随着加量的增大，棒状胶束含量会逐渐增多，在水中反离子盐的作用下，棒状胶束继续生长为蠕虫状结构，随着蠕虫状结构的逐渐增多，它们互相缠绕形成一定的网状结构，使水溶液具有良好的黏弹性[18]。

针对目前使用较多的阳离子黏弹性表面活性剂容易与地层流体不配伍而产生二次伤害等问题，室内研制了新型非离子表面活性剂VEC-8和阴离子表面活性剂VEC-3，两种表面活性剂具有较好的相容性和协同作用，具有在地层中吸附少、易溶解、对地层伤害下等特点。将两种表面活性剂按一定比例混合，在水溶液中能够形成黏弹性表面活性剂溶液，然后加入一定量的助排剂和氯化钾，提高表面活性剂溶液的稳定性和防膨性，从而能够满足煤层气井压裂施工的要求。

2. 体系配方

通过大量室内实验评价，最终确定适应于煤层气井的新型表面活性剂清洁压裂液体系配方为：1.5%非离子表面活性剂VEC-8+0.5%阴离子表面活性剂VEC-3+0.5%助排剂VEZ-2+1.0%KCl。

二、压裂液体系性能评价

1. 流变性能

室内使用CVRO200型高温高压流变仪测定新型表面活性剂清洁压裂液体系的流变性能，将温度升高至90℃，在170 s-1下剪切100 min，测定压裂液体系黏度随剪切时间的变化情况。实验结果见图1。

图1 压裂液体系流变性能测试结果

由图1结果可知，在90℃、170 s-1下条件下，新型表面活性剂清洁压裂液体系经过100 min剪切后黏度仍能维持在30 mPa·s以上，说明压裂液体系性能稳定，完全能够满足浅层煤层气压裂施工的要求。

2. 携砂性能

压裂液携砂性能的好坏将直接影响到压裂液在井筒中的流变性以及压裂所形成裂缝的导流能力，最终影响压裂施工的效果。携砂性能评价方法参照石油天然气行业标准SY/T5185-2016《砾石充填防砂水基携砂液性能评价方法》中携砂液携砂能力的测定部分，具体实验方法为：选取粒径在20～40目之间的陶粒，将100 mL压裂液放入量筒中，使用镊子取一粒陶粒放入液面下2 cm处，松开镊子，使其自然沉降，记录陶粒均匀沉降一定距离(大于20 cm)所需的时间，并计算沉降速度，重复测定三次，取平均值。在不同温度下分别测定了陶粒在不同压裂液中的静态沉降速度，实验结果见表1。

表1 压裂液体系的携砂性能评价结果

由表1结果可知，陶粒在新型表面活性剂清洁压裂液体系中的沉降速度小于0.2 mm/s，小于常规胍胶压裂液和清水中的沉降速度，说明该清洁压裂液体系具有良好的携砂性能，在压裂施工过程中能够避免出现砂堵，提高压裂施工的砂比，从而达到良好的压裂施工效果。

3. 防膨性能

目标区块内煤层气储层中黏土矿物含量普遍较多，且以水敏性矿物(蒙脱石以及伊/蒙混层)为主，因此，需要压裂液体系具有良好的防膨性能，避免黏土矿物水化膨胀对储层造成的伤害。室内参照SY/T 5971-2016《油气田压裂酸化及注水用黏土稳定剂性能评价方法》测定压裂液体系的防膨率，实验选用膨润土，温度为60℃。实验结果见表2。

由表2结果可知，新型表面活性剂清洁压裂液体系的平均防膨率能够达到96.3%，远远高于常规胍胶压裂液体系，说明清洁压裂液体系具有良好的防膨性能。

表2 压裂液体系防膨率测定结果

4. 溶解性能

室内参照SY/T 5886-2012标准，使用目标区块煤层气储层段煤样粉末，评价压裂液体系的溶解性能，实验温度为60℃，实验时间为72 h，实验结果见表3。

表3 压裂液体系溶解性能测定结果

由表3结果可知，新型表面活性剂清洁压裂液体系对煤粉的平均溶解率可以达到3.60%，而常规胍胶压裂液对煤粉几乎没有溶解作用。这是由于清洁压裂液体系能够溶解煤储层中的部分有机质，从而能够提高裂缝的导流能力，达到压裂增产的目的。

5. 破胶性能

清洁压裂液在煤层中不能实现自动破胶，需要加入破胶剂。室内评价了不同加量的破胶剂PJZ-3对新型表面活性剂清洁压裂液体系的破胶效果，实验温度为60℃，破胶液黏度随破胶时间的变化情况见图2。压裂液完全破胶后的表面/界面张力测量结果见表4。

图2 压裂液体系破胶性能评价结果

由图2结果可知，加入破胶剂PJZ-3后，新型表面活性剂清洁压裂液体系的黏度迅速下降。其中PJZ-3的加量在0.2%时，破胶60 min后，压裂液体系黏度为3.8 mPa·s，与地层水黏度相当，说明压裂液体系达到完全破胶。

表4 破胶液的表面/界面张力值

由表4结果可知，加入0.2%PJZ-3的破胶液的表面张力值为25.62 mN/m，界面张力值能够达到0.8m N/m，具有良好的界面活性，能够保证压裂后返排作业的顺利进行。

6. 对储层的伤害性能

室内参照标准NB/T10034-2016《煤层气藏用水基压裂液性能评价方法》测定新型表面活性剂清洁压裂液体系对储层煤岩心的渗透率伤害性能，并与常规胍胶压裂液体系进行对比，实验结果见表5。

表5 压裂液体系对煤岩心的伤害性能实验结果

注:煤岩心长度为5.0cm，直径为2.5cm，实验温度为60℃。

由表5结果可知，新型表面活性剂清洁压裂液体系对煤岩心的平均伤害率为-2.014%，而常规胍胶压裂液为20.875%，这是由于清洁压裂液体系能够溶解煤岩心中的部分有机质，抑制黏土矿物的水化膨胀，能够改善煤储层的孔隙结构，从而提高煤储层的基质渗透率。

三、矿场试验

新型表面活性剂清洁压裂液体系在西部某煤层气矿区共计现场试验10余井次，施工成功率100%，均取得了良好的压裂增产效果。表6为部分井的施工及压后生产效果情况，可以看出，新型表面活性剂清洁压裂液体系均满足了施工工艺设计的要求，压裂后返排液的黏度较低，日产气量较高，达到了压裂增产的预期效果。

表6 部分煤层气井压裂施工及压后生产效果

四、结论

(1)针对西部某煤层气矿区使用常规胍胶压裂液施工时对储层的损害较严重等问题，室内研制了由非离子表面活性剂、阴离子表面活性剂、助排剂以及KCl等添加剂组成的新型表面活性剂清洁压裂液体系。

(2)新型表面活性剂清洁压裂液体系的配方为：1.5%VEC-8+0.5%VEC-3+0.5%VEZ-2+1.0%KCl。体系综合性能评价结果表明，该压裂液体系具有良好的流变性能、携砂性能、防膨性能、溶解性能以及破胶性能，并且压裂液体系对煤储层具有一定改造作用，对储层无伤害，能够有效提高煤层基质渗透率。

(3)煤层气井矿场试验结果表明，新型表面活性剂清洁压裂液体系能够满足压裂现场施工工艺要求，且压后日产气量较高，取得了良好的压裂增产效果。