沁水盆地煤层气压裂液体系优化与性能研究

田跃儒，张双双，李昀昀

（中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300457）

煤层气主要是由煤基质表面的吸附气、煤层割离与裂缝中的游离气、地层水中的溶解气和地层中的游离气组成［1］。煤层与常见砂岩储层差异较大，无论在矿物的组成、成岩方式和岩石力学等方面均有不同。煤层具有割离发育、泊松比高、松软、非均质性较强、表面积大等特点［2］。水力压裂增产是目前国内煤层气增产的主要方式，我国煤层气定向井、直井基本都是完井后通过水力压裂施工后投产，由于煤层吸附能力比较强且天然裂缝发育，与煤层不配伍的压裂液将降低地层渗透率从而导致煤层伤害［3］。压裂过程中黏土矿物与压裂液接触容易引起水敏膨胀，及煤储层温度相对降低，从而导致瓜胶类压裂液难以返排，储层中毛细管自吸等，最终引起储层渗透率降低［4］。煤层基质的伤害一旦形成则很难恢复，因此优选出与目的煤层配伍的压裂液体系至关重要。

本文针对沁水盆地沁源区块2#煤层特点，通过优化压裂液体系配方对比岩心伤害前后渗透率变化，测试其性能，拟得到适用于该区块2#煤层防煤粉压裂液和活性水体系，旨在解决该区块压裂液造成的地层渗透率伤害大的问题。

1 仪器与样品

1.1 主要仪器

FTA- 200 表面张力测定仪：承德优特检测仪器制造有限公司；Jouan KR4i 型离心机：法国Jouan 公司；ZNN- D12 型数显粘度计：山东美科仪器有限公司；ZNS- 5A 动态滤失仪：肯测仪器有限公司；自行研制的稳态法渗透率伤害评价仪（见图1）。

图1 煤岩储层稳态法渗透率伤害评价装置Fig.1 The equipment of permeability damage evaluation device for steady-state method of coal-rock reservoir

实验样品选用山西沁水盆地沁源区块2#煤层作为研究对象。从图2 可以看出沁水盆地煤层位于沁水盆地中段，紧邻霍山隆起区，地层产状呈明显三分带：西部挤压构造带、中部宽缓背斜带、东部凹槽带。断层主要分布在西部和南部，走向多为NE ～NNE方向，2#煤层埋深普遍大于1 000 m。煤层厚度变化较大（0.5 ～6.7 m），由东南- 西北方向逐渐变薄，局部出现尖灭现象。由西向东依次呈现出薄- 分叉- 厚单层的变化趋势，西部薄且分布不稳定。

图2 沁水盆地煤层气区块分布图（a）及顶界面埋深图（b）Fig.2 Distribution (a) and depth (b) of coalbed methane in Qinshui Basin

1.2 试验方法

1.2.1 常规压裂液评价实验方法 参照SY/T 5107—2017《水基压裂液性能评价方法》［5］、SY/T 6376—2008《压裂液通用技术条件》［6］、SY/T 5370—2018《表面及界面张力测定方法》［7］和SY/T 5971—2016《油气田压裂酸化及注水用粘土稳定剂性能评价方法》［8］对压裂液体系及配方各项性能进行评价。

1.2.2 渗透率伤害评价方法 渗透率伤害试验使用自行研制的稳态法渗透率伤害评价仪（图1），该装置包括气- 液注入系统、高压岩心夹持器、围压泵、回压控制阀、智能皂膜流量计、玻璃刻度移液管和温度控制系统。实验注入压力0 ～15 MPa，注入液量由活塞式中间容器控制，围压范围0 ～150 MPa，实验采用钻取直径为2.5 cm，长度为3.2 ～7.2 cm 的岩心柱塞，参照文献［9］的方法进行压裂液对煤岩储层渗流性能的伤害评价试验。

2 结果与分析

2.1 活性水压裂液体系配方优化

活性水压裂液由于没有加入稠化剂，具有粘度低、伤害率低、成本低、不存在低温破胶问题等特点，因而在国内煤层气压裂增产中广泛应用。但活性水压裂液由于粘度低携砂能力较差，压裂过程中滤失量大，没有降阻剂且高摩阻限制施工排量，进而影响压裂施工，有一定局限性［10］。在改善活性水压裂液体系的性能试验中，主要采取添加防膨剂和助排剂等措施［11］。助排剂主要通过表面张力优化配方，而防膨剂是根据目的层岩心防膨性能优化加量。

2.1.1 压裂液配方优化 压裂施工完成后压裂液应尽快返排至地面，减少压裂液与地层接触时间，从而降低压裂液对煤层基质的伤害，需加入一定量助排剂降低水的表面张力［12］。本文测试了5 种助排剂对地表水表面张力的影响，结果见表1。

表1 不同体系不同浓度助排剂对表面张力值的影响Tab.1 Effect of different concentration drainage aids in different systems on surface tension value

从表1 可以看出，不同助排剂体系的溶液表面张力值有较大差异，其中TY 助排剂成本最低性能较好，在0.2% 、0.3% 和0.4% 浓度下的表面张力值均低于行业标准（28 mN/m）。考虑到助排剂TY 的原料成本，建议选择用量浓度为0.2% 的TY 助排剂，既可降低生产成本，又可满足现场施工的要求。

煤储层中黏土膨胀运移将造成地层伤害，因此压裂液中需要加入一定量的防膨剂，K+侵入黏土中的硅氧四面体可防止黏土膨胀，从而稳定黏土［13］。本文优选KCl 为防膨剂，探讨其对煤储层中黏土膨胀的影响，试验结果见表2。

表2 不同浓度KCl 溶液对防膨率的影响Tab.2 Effect of KCl solution with different concentrations on the anti-swelling rate

从不同浓度的KCl 防膨效果可以看出，KCl 浓度大于1.5% 时，防膨率在83.37% 以上，满足煤层气井压裂施工要求，从实验效果及经济成本角度考虑，压裂液中KCl 浓度可选择1.5% 。

2.1.2 压裂液对煤岩基质伤害评价 沁源区块2#煤层以贫煤和无烟煤为主，多为块状，少量呈颗粒状，煤体结构以原生结构煤为主（图3）。镜质组反射率为2.218% ～3.094% ，煤层水分较低，灰分值分布于12.71% ～20.69% ，属低- 中灰煤。含气量变化范围为7.07 ～29.14 m3/t，临界解吸压力变化范围为0.71 ～20.01 MPa，平均压力值为7.71 MPa，平均压力梯度为0.88 MPa/100 m，储层平均温度为34.6 ℃。

图3 沁源区块2#煤层取芯照片Fig.3 The picture of Qinshui 2# core

煤层气压裂效果与煤层储层本身特性、压裂液优选体系、现场施工参数有关外，还与压裂过程中带来的压裂液储层伤害有关。因此需根据该区块煤层特点优选匹配的压裂液体系。

压裂施工结束后压裂液滞留在孔隙体积高达数万立方米的煤岩储层时，压裂液更多是存在于人工裂缝沟通的割理或裂隙中。因此压裂液的主要伤害是因吸附滞留和压裂液与地层水及地层岩石不配伍等造成的绝对渗透率下降。本试验针对压裂液污染前后的岩心进行渗透率测试，结果见表3。由表3 可知，1.5% KCl 的活性水造成样品渗透率伤害率分别为19.1% 和19.73%，平均值为19.41%；1.5%KCl+ 0.2%TY 助排剂造成样品渗透率伤害率分别为7.39% 和16.45%，平均值为11.92%，两个体系对煤层基质伤害率均小于行业伤害指标标准（≤ 30%），满足行业标准要求。

表3 活性水压裂液岩心伤害评价结果Tab.3 Core damage evaluation results of active water fracturing fluid

压裂过程中产生的煤粉将影响煤层气的解吸扩散，由于煤层气的产出要经历“解吸- 扩散-渗流”的多尺度传质过程。产生的煤粉将间接影响甲烷的解吸以及游离气相扩散，从而最终影响压裂后单井产气量［14-15］，因此需尽量将压裂产生的煤粉带出地面。两种压裂液与沁源岩心接触角见图4 和图5。图4 显示1.5%KCl 压裂液与沁源岩心的接触角为77.46°，图5 显示1.5%KCl +0.2%TY 助排剂压裂液与岩心接触角为14.59°，加入助排剂后能增强压裂液对煤粉的润湿性，从而利于压裂后改善裂缝导流能力。

图4 1.5%KCl 压裂液Fig.4 1.5%KCl fracturing fluid

图5 1.5%KCl+ 0.2%TY 压裂液Fig.5 1.5%KCl+ 0.2%TY fracturing fluid

2.2 防煤粉压裂液

煤层气压裂液过程中产生的煤粉不容易溶解和分散在压裂液中，易聚集起来在裂缝前端阻塞压裂裂缝扩展，从而可能改变裂缝走向，在裂缝前端形成一定阻力不利于裂缝扩展，进而导致施工压力过高，增加地面施工难度，同时也增加砂堵的可能性［16］。

为最大限度降低煤粉对煤层伤害，针对沁源压块2#煤层特点研究出防煤粉压裂体系，压裂液配方2.0%KCl + 0.3%GR- 3 + 0.2%ZP- 1，通过试验对其性能进行综合评价，包括基液性能、防膨性能、悬浮性能、配伍性能、煤岩伤害程度等。得到防煤粉低伤害压裂液密度为0.981 g/cm3，表观粘度为1.00 mPa·s，pH 值为9，防膨率为83.37% ，表面张力为26.21 mN/m，界面张力为1.85 mN/m，煤粉悬浮率为21.36% ，配伍性能良好。采用压裂液与模拟地表水按1∶1 体积比混合，观察溶液澄清透明，压裂液配伍性能良好，测定结果见表4。

表4 沁源区块2#煤样品渗透率伤害率测定结果Tab.4 Test results of permeability damage rate for Qinyuan block 2# coal sample

由表4 可知，两种煤岩岩心伤害率分别为24.54% 和20.75% ，伤害率平均值为22.65% ，均低于行业伤害指标标准（≤ 30%），对储层伤害小，满足施工要求。

3 结论

本文针对沁源区块2#煤层特点进行了压裂伤害试验，优化压裂液配方，得到适用于该区块的活性水压裂液体系及防煤粉压裂液体系。

1）活性水压裂液体系1.5%KCl + 0.2%TY 满足现场施工要求，压裂液表面张力为23.68 mN/m，压裂液与岩心接触角为14.59°，对沁源区块2#煤层平均渗透率伤害率为11.92% ，伤害低。

2）防煤粉压裂液体系对煤粉悬浮率为21.36% ，煤岩渗透率伤害率平均为22.65% ，能够有效地将压裂过程中产生的煤粉携带出地层。