煤层气井用新型活性水压裂液体系研究及应用

刘钰莹，韩同方，何亚锐，张 温，应 敏

1长江大学地球科学学院2中石化胜利石油工程有限公司井下作业公司3中国石油西南油气田公司工程技术研究院4中国石油长庆油田分公司第二采油厂工艺研究所5中国石油青海油田分公司勘探开发研究院

0 引言

中国的煤层气资源十分丰富，其中沁水盆地煤层气的储量和勘探开发程度均较高，具有较广阔的开发利用前景［1-3］。煤层气储层由于其特殊的地质构造及赋存状态，往往需要采用压裂增产的方式来获得工业气流［4-8］。目前用于煤层气储层的常用压裂液体系主要包括活性水压裂液、胍胶压裂液、泡沫压裂液以及清洁压裂液等，其中活性水压裂液的应用最为广泛［9-13］。

本文在调研分析煤层气井常规活性水压裂液体系优缺点的基础上，通过对防膨剂、防水锁剂和煤粉悬浮剂等主要处理剂的优选及性能评价实验，研制出了一套新型活性水压裂液体系，在室内对其综合性能进行了评价，并在沁水盆地南部某煤层气区块成功开展了矿场试验，取得了良好应用效果，为丰富煤层气压裂液的理论及技术实践提供一定的借鉴。

1 新型活性水压裂液体系主要处理剂优选及配方确定

1.1 防膨剂优选

室内参照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》，评价了几种防膨剂的防膨效果，将其中的钠膨润土换成粉碎过筛并处理后的现场储层段煤岩，防膨剂加量均为2.0%，实验结果见图1。

图1 防膨剂性能评价结果

由图1结果可知，不同类型的防膨剂对现场储层段煤岩均具有一定的防膨效果，其中防膨剂FP-102的效果最好，当其加量为2.0%时，防膨率能够达到90%以上。因此，选择2.0%FP-102作为新型活性水压裂液体系的防膨剂。

1.2 防水锁剂优选

为提高压裂液的返排效率，降低水锁损害程度，通常选择在压裂液中加入防水锁剂（表面活性剂）来实现。室内通过测定水溶液的表面张力以及煤岩表面接触角的方式对几种表面活性剂的性能进行了评价，实验结果见表1。

表1 防水锁剂性能评价结果

由表1结果可知，不同类型的表面活性剂均能显著降低溶液的表面张力，并能对煤岩表面的接触角产生不同程度的影响。而由毛细管阻力方程P c＝2σ·cosθ/r可知，表面张力和接触角都能对毛细管阻力产生影响，毛细管阻力的大小与σ·cosθ值成正比，即σ·cosθ值越小，则毛细管阻力则越小。因此，综合以上实验结果，当表面活性剂FSZ-20的加量为0.3%时，σ·cosθ值最小为19.42，此时的毛细管阻力最小，所以选择0.3%FSZ-20作为新型活性水压裂液体系的防水锁剂。

1.3 煤粉悬浮剂性能评价

室内采用现场不同粒径的煤粉对煤粉悬浮剂XMF-03的性能进行了评价，实验方法为：在100 mL活性水压裂液（2.0%FP-102+0.3%FSZ-20）中加入不同质量浓度的煤粉悬浮剂XMF-03，然后再分别加入5 g不同粒径的煤粉，记录煤粉沉降的时间，实验结果见表2。

表2 煤粉悬浮剂性能评价结果

由表2结果可知，煤粉粒径越大，沉降时间越短，随着煤粉悬浮剂XMF-03浓度的增大，煤粉沉降时间越来越长。对于粒径为0.1～0.3 nm和0.3～0.05 nm的煤粉，煤粉悬浮剂XMF-03的质量浓度为0.6%时，24 h后仍能使煤粉保持均匀悬浮的状态，而对于粒径为0.5～0.8 nm的煤粉，XMF-03的质量浓度为0.8%时，才能使煤粉在24 h后仍保持均匀悬浮的状态，即XMF-03的浓度越大，悬浮煤粉的效果越好。综合考虑经济因素，选择0.8%XMF-03作为新型活性水压裂液体系的煤粉悬浮剂。

1.4 新型活性水压裂液体系配方

综合以上主要处理剂优选评价实验的结果，最终确定新型活性水压裂液体系的配方为：2.0%防膨剂FP-102+0.3%防水锁剂FSZ-20+0.8%煤粉悬浮剂XMF-03。

2 新型活性水压裂液体系性能评价

2.1 压裂液常规性能评价

室内参照国家能源行业标准NB/T 10034—2016《煤层气藏用水基压裂液性能评价方法》，对比活性水压裂液技术指标，对研制的新型活性水压裂液体系的常规性能进行了评价，实验结果见表3。

表3 新型活性水压裂液体系常规性能测试结果

由表3可知，研制的新型活性水压裂液体系的各项性能测试结果均能达到标准规定的技术指标要求，说明该压裂液体系具有良好的综合性能，可以满足煤层气压裂施工对活性水压裂液性能的需求。

2.2 压裂液携砂性能

室内测定了陶粒支撑剂在新型活性水压裂液体系中的沉降速度，以此评价压裂液体系的携砂性能。实验温度为25～60℃，支撑剂粒径为0.425～0.500 mm，实验结果见表4。

表4 新型活性水压裂液体系携砂性能

由表4可知，随着温度的升高，支撑剂在新型活性水压裂液体系中的沉降速度有所增大，但增大幅度较小，当温度为60℃时，支撑剂的沉降速度为0.795 mm/s，沉降速度较小，说明新型活性水压裂液体系具有较好的携砂性能，能够满足煤层气储层压裂施工对压裂液携砂性能的要求。

2.3 压裂液对煤层气解吸的影响

室内对比评价了干燥煤样以及经过新型活性水压裂液和常规胍胶压裂液破胶液处理后的煤样的常压解吸量，实验用煤样均取自现场储层段，实验温度为25℃，解吸实验时间为360 min，实验结果见图2。

图2 压裂液对煤层气解吸量的影响

由图2可知，干燥煤样在360 min的累计解吸量为7.98 cm3/g，经过新型活性水压裂液处理后煤样的累计解吸量仍可以达到7.83 cm3/g，与干燥煤样相差不大；而使用常规胍胶压裂液破胶液处理后煤样的累计解吸量只有5.91 cm3/g，与干燥煤样相比解吸量明显降低。这是由于相比较于常规胍胶压裂液破胶液而言，新型活性水压裂液体系中含有的防水锁剂等表面活性剂能够通过改变表面张力来降低毛细管压力，进而降低水锁效应的损害程度，使气体更容易从孔隙中解吸出来，所以其解吸量较大，能够满足煤气储层压裂增产的需求。

2.4 压裂液对煤岩心渗透率的影响

按照NB/T 10034—2016《煤层气藏用水基压裂液性能评价方法》中煤心渗透率损害率测定方法，对比评价了新型活性水压裂液体系和常规胍胶压裂液破胶液对现场储层段煤岩心渗透率的影响，实验结果见表5。

表5 压裂液对煤岩心渗透率的影响实验结果

由表5可知，新型活性水压裂液体系对现场储层段煤岩心的渗透率损害率小于15%，远小于常规胍胶压裂液破胶液的30%左右，说明研制的新型活性水压裂液体系具有良好的低损害特性，不会在压裂施工过程中对煤储层造成较高的损害。

3 矿场应用效果

新型活性水压裂液体系在沁水盆地南部某煤层气区块成功进行了矿场应用试验，施工的5口煤层气井均达到了压裂施工的工艺要求，未发生煤粉卡泵等井下复杂事故，施工过程顺利，成功率达到100%，5口井的具体施工参数及压裂效果见表6。

表6 新型活性水压裂液现场压裂施工效果

由表6可以看出，现场5口煤层气井使用新型活性水压裂液体系压裂施工后，日产气量均超过1 000 m3，取得了良好的压裂增产效果，具有较好的推广应用前景。

4 结论

（1）室内通过对防膨剂、防水锁剂和煤粉悬浮剂等主要处理剂的优选及评价实验，研制了一套适合煤层气井压裂施工用的新型活性水压裂液体系，其具体配方为：2.0%防膨剂FP-102+0.3%防水锁剂FSZ-20+0.8%煤粉悬浮剂XMF-03。

（2）综合性能评价结果表明，该压裂液体系能够满足煤层气藏用活性水压裂液行业标准规定的各项技术指标；与干燥煤样相比，该压裂液对煤层气的解吸量影响不大；压裂液体系具有较好的携砂性能；另外，该压裂液体系对煤岩心的渗透率损害率小于15%，具有低损害特性，能够满足煤层气井压裂施工对压裂液性能的要求。

（3）矿场应用结果表明，5口煤层气井使用研制的新型活性水压裂液体系施工后，均取得了良好的压裂增产效果，表明该活性水压裂液体系能够在煤层气储层压裂施工中进一步展开推广。