新型氮气泡沫压裂液体系研究及其在煤层气储层中的应用

毛恒博，刘 毅，李 丽，岳 龙，高 军，邱 枫，贾正良

1中国石油长庆油田分公司第十二采油厂 2中国石油长庆油田分公司第八采油厂 3中国石油青海油田公司勘探开发研究院 4中国石油青海油田公司工程技术处 5中国石油玉门油田分公司老君庙采油厂

0 引言

我国的煤层气资源储量丰富，作为一种非常规油气资源，煤层气的大规模开发对我国能源产业的可持续发展起着至关重要的作用。煤层气储层与常规油气储层相比具有低压、低孔、低渗、吸附性强等特点，给煤层气的高效合理开发带来巨大的挑战。水力压裂是提高煤层气产量最常用且有效的技术手段之一，而煤储层复杂的物性条件以及割理发育等特点对压裂液的性能也提出了更高的要求[1-5]。

目前，煤层气储层压裂施工过程中常用的压裂液体系主要包括活性水压裂液、胍胶压裂液、清洁压裂液以及泡沫压裂液等[6-11]。活性水压裂液体系组成简单、成本较低、对煤层的损害较小，在煤层气储层压裂中得到比较广泛的应用，但是由于其携砂能力较差、地层滤失量较高以及大排量施工带来的煤粉堵塞等问题，影响了压裂施工的效果，限制了其大规模的推广应用；胍胶压裂液含大分子聚合物，容易对煤储层造成堵塞，煤层温度较低，影响其破胶；清洁压裂液成本较高，不适合在煤层气开发过程中大规模应用；泡沫压裂液体系含水量少、滤失量小、携砂能力强、对煤层的损害低，近年来在煤层气储层压裂改造过程中受到越来越多的关注[12-15]。本文针对沁水盆地某煤层气区块前期使用活性水压裂液体系压裂施工效果不理想等问题，通过大量实验研制了一种适用于煤层气储层的新型氮气泡沫压裂液体系，室内评价了压裂液体系的起泡能力、泡沫稳定性、流变性能、携砂性能、滤失性能以及对煤层的损害性能，并在现场得到了成功应用，以期为煤层气资源的高效合理开发提供一定的技术支持和借鉴。

1 实验部分

1.1 实验材料及仪器

实验材料：起泡剂SK-1、起泡剂SK-2、稳泡剂WP-11，实验室自制；KCl，分析纯，国药集团化学试剂有限公司；高纯N2，南京特种气体厂有限公司；40～60目陶粒，山东启联新材料有限公司；实验用煤岩心，采用山西沁水盆地某煤层气区块储层煤粉压制而成(长度7.0 cm，直径2.5 cm)。

实验仪器：高温高压泡沫评价仪、岩心动态滤失伤害仪，海安县石油科研仪器有限公司；DV-II Pro数显旋转粘度计，长沙市秋龙仪器设备有限公司；高温高压滤失仪，青岛恒泰达机电设备有限公司。

1.2 新型氮气泡沫压裂液体系配方

室内通过对起泡剂、稳泡剂以及防膨剂等主要处理剂的优选评价实验，研制了一套适用于煤层气储层的新型氮气泡沫压裂液体系，具体配方为：0.2%起泡剂SK-1+0.3%起泡剂SK-2+0.2%稳泡剂WP-11+2.0%防膨剂KCl+N2。

1.3 压裂液体系性能评价方法

1.3.1 起泡能力及泡沫稳定性

按1.2中的配方依次在高温高压泡沫评价仪器中加入不同的处理剂，初始溶液为100 mL，设定实验温度为40 ℃，然后充入氮气至一定压力，高速搅拌3 min后，测定泡沫体积V0，然后使用秒表计时，测定泡沫的半衰期T1/2，以此评价不同压力条件下压裂液体系的起泡能力和泡沫稳定性。

1.3.2 流变性能

按1.2中的配方配制泡沫质量分数为75%的氮气泡沫压裂液体系，使用DV-Ⅱ Pro数显旋转黏度计测定新型氮气泡沫压裂液体系在不同剪切时间下的黏度值，实验温度为40 ℃，剪切速率为170 s-1。

1.3.3 携砂性能

压裂液体系配方同1.2所述，选用粒径为40～60目的陶粒作为支撑剂，评价单颗粒支撑剂在新型氮气泡沫压裂液体系中的沉降速度，并与清水、常规氮气泡沫压裂液、常规胍胶压裂液和活性水压裂液体系进行对比，以此评价其携砂性能，实验温度选择为20 ℃、30 ℃和40 ℃。

1.3.4 滤失性能

压裂液体系配方同1.2中所述，使用高温高压滤失仪测定氮气泡沫压裂液体系的静态滤失系数，并与常规氮气泡沫压裂液、常规胍胶压裂液和活性水压裂液体系进行对比，实验温度选择为20 ℃、30 ℃和40 ℃，实验压力为3.5 MPa。

1.3.5 对储层的损害性能

压裂液体系配方同1.2中所述，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》，评价氮气泡沫压裂液体系对目标区块煤储层岩心基质渗透率的损害情况，并与常规氮气泡沫压裂液、常规胍胶压裂液和活性水压裂液体系进行对比，实验温度为40 ℃。

2 实验结果

2.1 起泡能力及泡沫稳定性

按照1.3.1中的实验方法评价不同压力条件下压裂液体系的起泡体积及泡沫半衰期，见图1。

图1 新型氮气泡沫压裂液的起泡能力及泡沫稳定性

由图1结果可以看出，随着实验压力的不断升高，新型氮气泡沫压裂液的起泡体积变化不大，均在550 mL以上；而泡沫半衰期则随着压力的升高而逐渐增大，当实验压力达到8 MPa时(目标区块煤储层压力为8.12 MPa左右)，泡沫的半衰期则可以达到250 min以上，说明研制的新型氮气泡沫压裂液体系具有良好的起泡能力和泡沫稳定性，能够保证煤层气储层压裂施工的顺利进行。

2.2 流变性能

按照1.3.2中的实验方法评价新型氮气泡沫压裂液体系黏度随剪切时间的变化关系，见图2。

图2 新型氮气泡沫压裂液黏度随剪切时间的变化情况

由图2结果可以看出，随着剪切时间的逐渐延长，新型氮气泡沫压裂液体系的黏度值有所下降，当剪切时间达到120 min时，体系的黏度值仍能保持在90 mPa·s以上，说明研制的新型氮气泡沫压裂液体系具有良好的流变性能，且具有较好的抗剪切能力，能够满足煤层气井压裂现场压裂施工的要求。

2.3 携砂性能

按照1.3.3中的实验方法测定了支撑剂陶粒在新型氮气泡沫压裂液体系、清水、常规氮气泡沫压裂液、常规胍胶压裂液体系以及活性水压裂液体系中的沉降速度，实验结果见表1。

表1 陶粒在不同流体中的沉降速度

由表1看出，支撑剂陶粒在清水和活性水压裂液中沉降速度较快，在新型氮气泡沫压裂液、常规氮气泡沫压裂液和胍胶压裂液体系中沉降速度较慢，其中在新型氮气泡沫压裂液体系中的沉降速度最慢，当实验温度为40 ℃时，沉降速度仅为0.004 2 mm/s，说明研制的新型氮气泡沫压裂液体系具有良好的携砂性能。这是由于氮气泡沫压裂液体系主要依靠气泡之间的相互作用来阻止支撑剂颗粒的沉降，压裂液体系良好的起泡能力和泡沫稳定性使其具有较强的携砂能力，能够有效防止煤层气储层压裂施工过程中砂堵现象的出现，提高压裂施工的效率。

2.4 滤失性能

按照1.3.4中的实验方法测定了不同压裂液体系的静态滤失系数，实验结果见表2。

表2 不同压裂液体系的滤失性能

由表2结果可以看出，随着实验温度的升高，不同压裂液体系的静态滤失系数均有所增大，其中新型氮气泡沫压裂液体系的静态滤失系数最小，当实验温度为40 ℃时，静态滤失系数仅为0.057×10-3m/min1/2，远远小于行业标准(SY/ T 6376—2008《压裂液通用技术条件》)中的要求(≤1.0×10-3m/min1/2)，说明研制的新型氮气泡沫压裂液体系具有良好的滤失性能。这是由于一方面氮气泡沫压裂液体系属于一种少水压裂液体系，大量的泡沫相互挤压，阻碍了液相的滤失；另一方面泡沫的形成使体系的黏度增大，同时增大了毛管阻力，使液相的流动阻力变大，从而降低了滤失速度。

2.5 对储层的伤害性能

按照1.3.5中的实验方法评价了不同压裂液体系对目标区块煤层岩心基质渗透率的损害情况，实验结果见表3。

表3 不同压裂液体系对煤岩心的损害实验结果

由表3看出，四种煤层气常用的压裂液体系中，新型氮气泡沫压裂液体系对目标区块煤储层岩心基质渗透率的损害程度最小，两块煤岩心的平均损害率为14.27%，远小于胍胶压裂液体系的60.34%，也小于活性水压裂液体系的17.03%和常规氮气泡沫压裂液体系的20.35%。这是由于新型氮气泡沫压裂液体系中不含大分子聚合物，不会对煤层孔隙造成严重的堵塞，并且其水含量也较少，可以有效减弱水敏、水锁损害对煤层造成的堵塞现象。因此，该新型氮气泡沫压裂液体系具有良好的低损害特性，适合应用于煤层气储层的压裂施工过程中。

3 现场应用

沁水盆地某煤层气区块前期压裂开发主要采用活性水压裂液体系，近期发现部分煤层气井压裂后产气量较小，达不到配产要求，甚至某些井压裂施工后长时间不见气。因此，结合目标区块煤储层特征，考虑使用研制的新型氮气泡沫压裂液体系进行压裂施工。试验区块井深在600～750 m左右，压裂层位为3#煤层，地层孔隙度在4.1%～5.2%之间，渗透率在0.95～1.42 mD之间。选取该区块内3口煤层气井使用新型氮气泡沫压裂液体系开展压裂施工现场试验，压裂施工过程顺利，各项施工参数均达到设计要求，施工成功率达100%，其中3口井的具体压裂施工参数及产气情况见表4，并与同区块内使用活性水压裂液体系压裂施工的2口井进行了对比。

由表4结果可知，使用新型氮气泡沫压裂液体系施工的3口煤层气井见气时间均在30 d以内，平均日产气量在1 000 m3左右，与使用活性水压裂液施工的2口井相比见气时间明显缩短，平均日产气量明显提高。这说明研制的新型氮气泡沫压裂液体系能够很好地适应目标区块煤层气储层压裂增产的需要，具有较好的推广应用前景。

表4 煤层气井现场压裂施工参数及产气情况

4 结论

(1)室内研制了一套适用于煤层气储层的新型氮气泡沫压裂液体系，综合性能评价结果表明：该压裂液体系在地层压力条件下能够具有较大的起泡体积和较长的半衰期，具有良好的起泡能力和泡沫稳定性；该压裂液体系还具有良好的流变性能、携砂性能和滤失性能，且其对目标区块煤层岩心基质渗透率的损害程度较小，综合性能优于常规的氮气泡沫压裂液、常规胍胶压裂液和活性水压裂液，能够满足煤层气储层压裂施工对压裂液性能的要求。

(2)新型氮气泡沫压裂液是一种少水压裂液，自由水含量较少有助于降低压裂液对煤储层的损害，有利于煤层气的解析。另外，新型氮气泡沫压裂液不含高分子聚合物，残渣含量较低，对煤储层的损害较小，有助于提高压裂效率。

(3)现场应用结果表明，目标区块3口煤层气井使用研制的新型氮气泡沫压裂液体系施工后，见气时间均小于30 d，平均日产气量在1 000 m3左右，施工效果明显优于同区块内使用活性水压裂液体系的煤层气井，取得了良好的压裂增产效果。