煤系非常規(guī)天然氣一體化壓裂液體系研究與應用

徐棟，王玉斌，白坤森，朱衛(wèi)平，劉川慶，李 兵，何朋勃

(1.中石油煤層氣有限責任公司工程技術研究院，陜西 西安 710082；2.中聯(lián)煤層氣國家工程研究中心有限責任公司，北京 100089)

我國鄂爾多斯盆地煤系非常規(guī)天然氣儲量豐富，分布范圍廣泛，煤層氣、頁巖氣、致密砂巖氣“同盆共存”，開采潛力巨大[1-4]。目前煤層氣、頁巖氣、致密砂巖氣采用不同的壓裂改造工藝以及相配套的壓裂液體系。煤層氣以活性水壓裂液體系為主，成本低，防膨性能和助排性能較好[5-6]，但壓裂液造縫效率和攜砂性能較差，加砂難度大。頁巖氣以滑溜水壓裂液體系為主，減阻性能較好，適配于體積壓裂工藝技術，通過提高排量來提高壓裂液的攜砂性能。致密砂巖氣以胍膠壓裂液體系為主，壓裂液造縫效率和攜砂性能較好，但成本較高，且壓裂液配制工序復雜，限制了壓裂施工規(guī)模。上述各類壓裂液體系普遍存在應用靈活性差、性能單一的問題。隨著水力裂縫擴展規(guī)律研究的深入，傳統(tǒng)單一性能壓裂液造縫的思路已發(fā)生變化，通過靈活精細調控壓裂液黏度，對裂縫擴展形態(tài)、空間展布規(guī)律、起裂壓力等施加不同的影響，已成為壓裂工藝技術發(fā)展的趨勢[7-11]。頁巖氣開發(fā)了滑溜水+膠液的組合壓裂液模式，施工時通過切換壓裂液來實現(xiàn)調整液體性能的目的，但這種模式滑溜水和膠液需要提前分開配液，增加了施工操作難度，并且配制的膠液黏度施工時也無法調整。周仲建等[12]報道了一種滑溜水和線性膠混合的復合壓裂液，兼具滑溜水和線性膠的性能，但配方和工藝較為復雜。賈金亞[13]、劉寬[14]、孟磊[15]等報道了一種一體化稠化劑，兼具減阻和增黏性能，但稠化劑為粉劑，不便于連續(xù)混配施工。孫亞東[16]、趙玉東[17]、何大鵬[18]、張曉虎[19]等報道了一種乳液稠化劑，兼具減阻和增黏性能，可以在線連續(xù)混配施工，在頁巖氣應用試驗成效顯著。一體化壓裂液現(xiàn)有研究大多基于頁巖氣應用試驗，論述了功能上的一體化。筆者基于壓裂液的性能分析，一方面論述了一體化壓裂液功能上的一體化，系統(tǒng)研究一體化壓裂液體系的增黏、減阻、懸砂、防膨等性能，另一方面論述應用上的一體化，壓裂液可集煤層氣、頁巖氣、致密砂巖氣應用性于一體，比較適用于煤系“三氣”地區(qū)應用需求，最后將一體化壓裂液在鄂爾多斯盆地東緣煤系非常規(guī)天然氣開發(fā)現(xiàn)場進行應用試驗，檢驗其效果，以推廣應用。

1 一體化壓裂液作用機理

一體化壓裂液稠化劑分子為高分子長鏈聚合物，分子鏈結構上含側基官能團，側基官能團的引入不僅增強了鏈段間的相互作用，促進網(wǎng)狀結構的形成和穩(wěn)定[20]，還賦予了聚合物分子鏈具有更多功能性的可能。稠化劑乳液制備過程中適度調控聚合物分子鏈的親疏水性，結合添加的表面活性劑，提升了聚合物的分散溶解性能，實現(xiàn)了一體化壓裂液連續(xù)混配施工。

1.1 減阻機理

高排量施工時，由于管道內壁摩擦阻力高，流體產(chǎn)生湍流運動，大量漩渦的產(chǎn)生加劇了能量損耗，增大了流體流動阻力。一體化稠化劑的高分子柔性長鏈在水中充分舒展，一方面在管道近壁流動區(qū)域內拉伸產(chǎn)生應力，一定程度上抵消渦流作用力，抑制湍流脈動，減少漩渦再生，起到減阻效果，另一方面，柔性聚合物具有較好的黏彈性，易于吸收管道近壁處的動能，轉化為彈性能，形成近壁彈性緩沖層，賦予流體一定的緩沖作用[21-23]。作用效果如圖1 所示。

圖1 清水與一體化稠化劑溶液的湍流分布Fig.1 Turbulence distribution of clean water and integrated thickener solution

1.2 增黏機理

一體化稠化劑在水中可以通過非結構黏度和結構黏度協(xié)同作用，獲取較好的增黏性能[24]。一方面，一體化稠化劑高分子聚合物分子鏈在水中充分舒展，增大了流體力學尺寸，提高了非結構黏度。另一方面，一體化稠化劑通過分子間締合作用以及范德華力作用，形成彈性空間網(wǎng)絡結構以及鏈間纏結，貢獻了結構黏度[25-26]。增黏機理如圖2 所示。

2 實驗樣品及實驗方法

2.1 實驗樣品與儀器

改性聚合物乳液類一體化稠化劑YTC-1、YTC-2、YTN-1，實驗室自制；有機季銨鹽類黏土穩(wěn)定劑CQ-F2、SG-F；氟碳表面活性劑類助排劑SG-P、SH-P；核糖多苷類和氟碳類解水鎖劑CQ-J1、SH-J；破膠劑為過硫酸銨；以上為工業(yè)級，均為現(xiàn)場取樣。

RS300 型哈克流變儀(德國哈克公司)；ZNN-D6A 型六速旋轉黏度計(青島海通達專用儀器有限公司)；管路摩阻測試裝置(自制)；K100 型全自動表面張力儀(德國克呂氏公司)；D2025W 型數(shù)顯電動攪拌器(上海梅穎浦儀器儀表制造有限公司)；離心機(上海安亭科學儀器廠)；恒溫水浴鍋(深圳市唯品精密儀器有限公司)等。

2.2 實驗方法

1)壓裂液配制

在清水中加入一定比例的一體化稠化劑、助劑和破膠劑，攪拌均勻即制得一體化壓裂液體系。壓裂液體系具體配方組分和加量不固定，需要根據(jù)實驗目的設計。

2)增黏性能評價

參照SY/T 5107-2016《水基壓裂液性能評價方法》，實驗選用3 種一體化稠化劑，每種稠化劑配制2 組一體化壓裂液(配方：清水+體積分數(shù)為0.1%～2.0%一體化稠化劑)，使用六速旋轉黏度計分別在25、60℃水浴條件下測定一體化稠化劑的黏度。

3)減阻性能評價

參照SY/T 5107-2016《水基壓裂液性能評價方法》，實驗選用3 種一體化稠化劑配制壓裂液(配方：清水+體積分數(shù)為0.03%或0.04%一體化稠化劑)，使用管路摩阻測試裝置測定不同流速條件下一體化稠化劑的減阻性能。

4)靜態(tài)懸砂性能評價

參照SY/T 5185-2016《礫石充填防砂水基攜砂液性能評價方法》，配制1 組不同含量的一體化壓裂液(配方：清水+體積分數(shù)為0.5%～2.0%一體化稠化劑)和胍膠壓裂液(配方：清水+質量分數(shù)為0.3%羥丙基胍膠+質量分數(shù)為0.3%交聯(lián)劑+質量分數(shù)為0.1%調節(jié)劑)，實驗溫度為60℃，石英砂目數(shù)為20～40 目(0.425～0.850 mm)，通過攪拌將10 g 石英砂均勻分散于100 mL壓裂液中，迅速倒入100 mL 的量筒中，記錄不同時間下石英砂的沉降情況。

5)耐溫抗剪切性能評價

參照SY/T 5107-2016《水基壓裂液性能評價方法》，使用哈克流變儀測定一體化壓裂液(配方：清水+體積分數(shù)為1.0%一體化稠化劑)在儲層溫度60℃條件下的流變性能曲線。

6)破膠性能評價

參照SY/T 5107-2016《水基壓裂液性能評價方法》，壓裂液配方為清水+體積分數(shù)為0.5%或1.0%一體化稠化劑+質量分數(shù)為0.01%～0.1%破膠劑，破膠劑選用現(xiàn)場常用的過硫酸銨，在區(qū)塊儲層溫度60℃水浴條件下，記錄一體化壓裂液在不同時間下的破膠情況，并用毛細管黏度計測定破膠液的黏度。

7)添加劑配伍性能評價

在現(xiàn)場選取常用的6 種添加劑，種類有黏土穩(wěn)定劑、助排劑、解水鎖劑，每種一體化稠化劑配制6 組不同含量添加劑的壓裂液(配方：清水+體積分數(shù)為0.5%一體化稠化劑+體積分數(shù)為0～0.5%添加劑+質量分數(shù)為0.04%破膠劑)，對比添加劑加入前后壓裂液的黏度以及破膠性能有無明顯變化。

8)防膨性能評價

參照SY/T 5971-2016《油氣田壓裂酸化及注水用黏土穩(wěn)定劑性能評價方法》，配制不同含量黏土穩(wěn)定劑的一體化壓裂液(配方：清水+體積分數(shù)為0.5%或1.0%一體化稠化劑+體積分數(shù)為0～0.5%黏土穩(wěn)定劑+質量分數(shù)為0.06%破膠劑)，采用離心法測定破膠液的防膨率。

9)表面張力評價

配制不同含量助排劑的一體化壓裂液(配方：清水+體積分數(shù)為0.5%或1.0%一體化稠化劑+體積分數(shù)為0～0.3% 助排劑+質量分數(shù)為0.06% 破膠劑)，使用表面張力儀測定破膠液的表面張力。

3 實驗結果與分析

3.1 增黏性能

增黏性能是評價一體化壓裂液的關鍵指標，黏度越大，表明壓裂液的攜砂性能和造縫效率越好。3 種一體化稠化劑的黏度與體積分數(shù)關系曲線如圖3 所示。由圖3a 可知，一體化壓裂液的黏度隨著稠化劑的含量增加而增大，黏度易調節(jié)控制，高含量加量下黏度超過200 mPa·s，黏度變化區(qū)間范圍寬，表明壓裂液可以提高黏度滿足目前致密砂巖氣高黏液體造長縫的需求，也可以降低黏度滿足頁巖氣、煤層氣體積壓裂的需求，具備線性膠、交聯(lián)液黏度的功能，可以在線變黏滿足壓裂新工藝發(fā)展需求。3 種稠化劑中，YTN-1 和YTC-2增黏性能較好，YTC-1 增黏性能稍差。對比圖3b 可知，YTC-2 耐溫性能相比YTC-1、YTN-1 差。結合25℃和60℃下黏度，以常用黏度區(qū)間20～30、100～150 mPa·s做分析對比，相同黏度下YTC-1 的體積分數(shù)是YTN-1的1.3～1.5 倍，是YTC-2 的1.1～1.5 倍，需要強調的是YTC-2 耐溫性較差，60℃下體積分數(shù)未有明顯優(yōu)勢。在藥劑價格上，YTN-1 是YTC-1 的1.7 倍，YTC-2 是YTC-1 的1.6 倍，YTC-2 的成本也未有明顯優(yōu)勢。綜合成本考慮，YTC-1 的經(jīng)濟性最好，因此，現(xiàn)場優(yōu)選YTC-1 為主用一體化稠化劑，YTN-1 為備選一體化稠化劑。

圖3 不同溫度下一體化稠化劑黏度與體積分數(shù)變化關系Fig.3 Changes of viscosity with volume fraction of integrated thickener at different temperatures

3.2 減阻性能

減阻率是一體化壓裂液滿足大排量施工要求的關鍵指標，減阻率越高，壓裂施工時摩阻越低，施工壓力降低效果越好。減阻率通常與減阻劑含量密切正相關，優(yōu)秀的減阻劑要求更低的含量和更高的減阻率，這代表著更高的性價比。3 種一體化稠化劑的減阻性能實驗結果如圖4 所示。結果表明，體積分數(shù)為0.03%的加量下，YTN-1 減阻性能最好，隨著流速的增大，壓裂液的減阻率提高，考慮到YTC-1 成本較低，體積分數(shù)為0.04%YTC-1 減阻性能具有優(yōu)勢。綜上，0.04%YTC-1、0.03%YTN-1抗剪切性良好，高流速下減阻率最高可達70%以上，具備滑溜水的功能性，可以滿足頁巖氣、煤層氣低成本大排量施工的需求，而YTC-2 在性能上和經(jīng)濟上不具備優(yōu)勢，后續(xù)實驗不再開展。

圖4 一體化稠化劑的減阻效果對比Fig.4 Drag reduction effect comparison of integrated thickener

3.3 靜態(tài)懸砂性能

靜態(tài)懸砂性可表征壓裂液的攜砂性能，支撐劑的沉降時間越長，說明壓裂液的攜砂性能越好，有利于將支撐劑攜帶至裂縫遠端，施工中也更容易提高砂比。同等含量下，YTN-1 的靜態(tài)懸砂實驗結果優(yōu)于YTC-1，考慮到YTC-1 為優(yōu)選的主用一體化稠化劑，進一步開展了相關實驗。不同含量條件下YTC-1 一體化稠化劑的靜態(tài)懸砂實驗結果見表1。圖5 為實驗結果對應的部分實驗現(xiàn)象。結果表明，一體化壓裂液攜砂性能較強，當稠化劑YTC-1 體積分數(shù)超過1.0%時，一體化壓裂液的靜態(tài)懸砂性能較好。對比現(xiàn)場胍膠壓裂液，高含量的一體化壓裂液明顯具有攜砂性能優(yōu)勢，極具應用潛力。

圖5 不同壓裂液體系的靜態(tài)懸砂實驗現(xiàn)象Fig.5 Phenomena of static sand suspension experiment in different fracturing fluid systems

表1 一體化壓裂液和胍膠壓裂液靜態(tài)懸砂實驗結果Table 1 Results of static sand suspension experiment of integrated fracturing fluid and guar gum fracturing fluid

3.4 耐溫抗剪切性能

稠化劑在現(xiàn)場施工過程中會受到高壓管線、壓裂管柱、射孔孔眼、裂縫縫隙的剪切作用。稠化劑分子鏈受剪切作用力以及溫度場的影響，會發(fā)生不同程度卷曲甚至破壞，影響壓裂液的攜砂性能，因此，需要考察一體化壓裂液的耐溫抗剪切性能。結合靜態(tài)懸砂實驗結果，選取體積分數(shù)為1.0%的一體化稠化劑，考察其耐溫抗剪切性能。體積分數(shù)為1.0%的一體化稠化劑YTC-1 和YTN-1 在儲層溫度60 ℃條件下的流變性能曲線分別如圖6 所示。結果表明，一體化稠化劑YTC-1、YTN-1 黏度波動平穩(wěn)，均具備較好的耐溫抗剪切性能，在溫度60℃剪切下黏度在100 mPa·s 左右，完全滿足現(xiàn)場應用要求。其中，YTN-1 在170 S-1剪切速率下黏度要高于100 S-1剪切速率下的YTC-1，表明YTN-1 的剪切速率更高且60℃下黏度基本無降低趨勢，表現(xiàn)出更好的耐溫抗剪切性能。

圖6 1.0%YTC-1 和1.0%YTN-1 的流變性能曲線Fig.6 Rheological property curves of 1.0% YTC-1 and 1.0% YTN-1

3.5 破膠性能

壓裂液需要在施工完成后快速破膠、快速返排，以最大化地降低對儲層的傷害。一體化壓裂液能否在儲層溫度條件下徹底破膠，是能否滿足現(xiàn)場應用的重要性能指標之一。一體化壓裂液的破膠性能實驗結果見表2。結果表明，一體化稠化劑YTC-1、YTN-1 均可使用常用破膠劑過硫酸銨破膠，可以通過調整破膠劑含量調控破膠速度，破膠徹底，滿足SY/T 7627-2021《水基壓裂液技術要求》中破膠液黏度小于等于5 mPa·s 的指標要求。YTC-1 比YTN-1 更易破膠，表現(xiàn)出較好的破膠性能。

表2 一體化壓裂液破膠實驗結果Table 2 Results of gel breaking experiment of integrated fracturing fluid

3.6 添加劑配伍性能

除一體化稠化劑外，一體化壓裂液體系中還可以根據(jù)實際應用情況，加入額外的添加劑以滿足其他性能要求，例如常用的黏土穩(wěn)定劑、助排劑等。不同添加劑對壓裂液的黏度影響實驗結果見表3。結果表明，除黏土穩(wěn)定劑在高含量添加下會明顯降低壓裂液黏度外，其余現(xiàn)場添加劑均未影響一體化壓裂液的黏度。此外，加入各類添加劑后，一體化壓裂液的破膠時間等性能無明顯變化，破膠液中無雜質或絮體生成，表明一體化稠化劑與添加劑的配伍性良好。

表3 一體化壓裂液添加劑配伍性實驗結果Table 3 Results of compatibility experiment of integrated fracturing fluid additives

3.7 防膨性能

破膠液的防膨率越高，對儲層中黏土類礦物水化膨脹的抑制性越好，從而降低黏土類礦物分散運移對儲層孔隙的堵塞傷害。添加不同含量黏土穩(wěn)定劑時一體化壓裂液的防膨率見表4。結果表明，一體化稠化劑具備防膨性能，YTN-1 優(yōu)于YTC-1。這是因為稠化劑分子聚合過程中添加了小陽離子單體，一體化稠化劑在破膠后分子鏈斷裂，含陽離子單體的小分子鏈段具有正電性，通過靜電吸引作用，可吸附插入黏土礦物晶層之間，抑制黏土礦物的水化膨脹。加入黏土穩(wěn)定劑可起到協(xié)同作用進一步提高防膨率，綜合考慮成本和性能因素，現(xiàn)場黏土穩(wěn)定劑體積分數(shù)為0.1%～0.3%。

表4 一體化壓裂液防膨率實驗結果Table 4 Results of anti-swelling rate experiment of integrated fracturing fluid

3.8 表面張力

破膠液的表面張力越低，返排過程中毛細管阻力越小，熱力學水鎖效應越弱，壓裂液的返排效果越好。在不同含量助排劑下一體化壓裂液的表面張力實驗結果見表5。結果表明，一體化壓裂液體系中加入體積分數(shù)為0.1% 的助排劑即可滿足表面張力不大于28 mN/m 的要求，隨著助排劑用量增大，表面張力略有降低。綜合考慮成本因素，現(xiàn)場助排劑體積分數(shù)為0.1%。

表5 一體化壓裂液表面張力實驗結果Table 5 Results of surface tension experiment of integrated fracturing fluid

4 現(xiàn)場典型井應用試驗效果

4.1 煤層氣井

鄂爾多斯盆地東緣保德B1 煤層氣區(qū)塊，煤層平均埋深891～1 050 m，煤層厚度較大，平均10.5～13.0 m，煤層滲透性較好，平均(5.93～6.96)×10-3μm2。大寧-吉縣B2 煤層氣區(qū)塊，煤層埋深886～1 537 m，煤層厚度較小，平均在3.5～6.0 m，煤層滲透率極低，平均在(0.04～0.12)×10-3μm2。

B1、B2 區(qū)塊前期采用活性水壓裂液體系，設計排量7～9 m3/min，前置液比例40%～50%，總液量517～1 471 m3，總砂量6.8～45.0 m3，平均砂比1.2%～8.5%。前期采用活性水壓裂液，施工時加砂困難，用液量大，超出設計液量井占比62.9%，平均超出液量126 m3，未達到設計砂量井占比25.4%，平均少加砂9.9 m3，壓裂改造規(guī)模受到限制。應用一體化壓裂液后，推動了壓裂工藝改進，突破了壓裂改造規(guī)模，壓裂液為減阻配方(活性水或清水+體積分數(shù)為0.03%～0.05% 一體化稠化劑YTC-1)，施工排量提高至15～16 m3/min，總液量1 086～1 434 m3，砂量提高至74～104 m3，平均砂比提高至9.1%～12.7%。一體化壓裂液的應用不僅擴大了壓裂改造規(guī)模，還提高了施工成功率，未達到設計砂量井占比降低至8.7%，并且前置液比例降低至20%～25%，實現(xiàn)了控液多砂?；钚运c一體化壓裂液具體施工參數(shù)對比見表6。

表6 煤層氣井活性水壓裂液與一體化壓裂液施工參數(shù)對比Table 6 Comparison of construction parameters of active hydraulic fracturing fluid with integrated fracturing fluid for coalbed methane wells

B1 區(qū)塊前期整體開發(fā)效益較好，單井日均產(chǎn)氣量在761～2 611 m3。B2 區(qū)塊前期整體開發(fā)效益較差，單井日均產(chǎn)氣量在449～596 m3，區(qū)域內單井日產(chǎn)氣量均未突破1 000 m3，長期處于低產(chǎn)低效開發(fā)瓶頸。一體化壓裂液在B1、B2 區(qū)塊累計應用50 余口井，目前已投產(chǎn)井初步展現(xiàn)出較好的產(chǎn)氣效果，其中B1 區(qū)塊平均見氣時間較前期活性水壓裂液體系縮短近三分之一，單井日均產(chǎn)氣量平均提高1.4 倍，而B2 區(qū)塊突破了低產(chǎn)低效開發(fā)瓶頸，成效明顯，單井日均產(chǎn)氣量均突破1 000 m3，平均較前期活性水壓裂液體系提高2.5 倍，最高日產(chǎn)氣量目前已達2 586 m3。活性水與一體化壓裂液生產(chǎn)效果對比見表7。

表7 煤層氣井活性水壓裂液與一體化壓裂液生產(chǎn)效果對比Table 7 Comparison of production effect of active hydraulic fracturing fluid with integrated fracturing fluid for coalbed methane wells

4.2 致密砂巖氣井與頁巖氣井

致密砂巖氣井、頁巖氣井一體化壓裂液體系靈活采用高黏、變黏配方，高黏配方現(xiàn)場攜砂性能優(yōu)秀，加砂強度優(yōu)于前期胍膠壓裂液體系，變黏配方充分協(xié)同低黏擴縫、高黏造縫攜砂優(yōu)勢，促進復雜有效縫網(wǎng)形成，保證改造體積大和填充率高。

鄂爾多斯盆地東緣大寧-吉縣致密砂巖氣區(qū)塊，砂巖埋深平均在2 114～2 466 m，砂巖厚度平均為3.9 m，滲透率平均在(0.1～0.4)×10-3μm2，隨著勘探開發(fā)的深入，Ⅰ、Ⅱ類儲層占比逐年降低，Ⅲ類儲層占比增大，原有的壓裂工藝和胍膠壓裂液體系在Ⅲ類儲層表現(xiàn)出不適應性，水平井平均日產(chǎn)氣量僅2.47 萬m3。一體化壓裂液體系配方設計上較為靈活，便于應對各種復雜情況。以某致密砂巖氣井DJ-1 井為例，DJ-1 井水平段長862 m，砂巖鉆遇率34.45%，儲層鉆遇率低，砂體不連續(xù)，儲層整體品質較差，壓裂改造難度大，該井共設計7 級壓裂，結合各級儲層物性特征，選用一體化壓裂液，設計了高黏+變黏體系配方：清水+體積分數(shù)為0.05%和0.8%～1.0%一體化稠化劑YTC-1+體積分數(shù)為0.1% 黏土穩(wěn)定劑+體積分數(shù)為0.1% 助排劑，現(xiàn)場取得了良好的應用效果，壓裂后日產(chǎn)氣量達3.52 萬m3。

鄂爾多斯盆地東緣大寧-吉縣頁巖氣區(qū)塊，為海陸過渡相頁巖，頁巖埋深平均在2 080～2 550 m，滲透率超低，平均在(0.000 58～0.005 30)×10-3μm2，前期試驗井壓裂液體系為滑溜水壓裂液，區(qū)塊水平井日產(chǎn)氣量0.96～6.70 萬m3，平均日產(chǎn)氣量2.98 萬m3。以某頁巖氣井DH-1 井為例，DH-1 井水平段長1 729 m，鉆遇儲層以炭質泥頁巖為主，儲層物性、含氣性均較差，該井共設計12 級壓裂，采用頁巖氣體積壓裂思路，設計變黏配方：清水+體積分數(shù)為0.05% 和0.5%～0.8% 一體化稠化劑YTC-1+體積分數(shù)為0.1%黏土穩(wěn)定劑+體積分數(shù)為0.1%助排劑，壓裂后日產(chǎn)氣量取得了同類井新高。2 口使用一體化壓裂液井與區(qū)塊其他井生產(chǎn)效果對比見表8。

表8 2 口典型試驗井與區(qū)塊其他井生產(chǎn)效果對比Table 8 Comparison of production effect of two typical test wells and block wells

4.3 深層煤層氣井

鄂爾多斯盆地東緣大寧-吉縣深層煤層氣區(qū)塊，煤層埋深平均為2 232～2 505 m，煤層厚度平均為4～12 m，煤層埋深大，地層壓力高，滲透率極低，平均在(0.03～0.05)×10-3μm2。前期采用常規(guī)壓裂工藝，壓裂液體系為活性水+滑溜液，改造效果差，日產(chǎn)氣量在1 805～10 435 m3。

深層煤層氣井一體化壓裂液體系采用變黏配方，累計試驗了大規(guī)模、超大規(guī)模壓裂工藝6 口井，初見成效，其中，定向井單井日產(chǎn)氣提高2～3 倍，水平井單井日產(chǎn)氣提高9 倍。以吉深-X 井為例，煤層埋深2 448 m，煤層厚度8.1 m，水平段長1 000 m，煤層鉆遇率94.8%，該井共設計11 級壓裂，采用超大規(guī)模壓裂工藝，設計變黏配方：清水+體積分數(shù)0.05% 和0.4%～0.6% 一體化稠化劑YTC-1+體積分數(shù)0.1% 黏土穩(wěn)定劑+體積分數(shù)0.1% 助排劑，單級液量2 631～3 540 m3，砂量312～421 m3，排量16～18 m3/min，壓裂后見氣速度快，日產(chǎn)氣量超9 萬m3，取得了深層煤層氣領域的重大突破。深層煤層氣井一體化壓裂液生產(chǎn)效果對比見表9。

表9 深層煤層氣井一體化壓裂液生產(chǎn)效果對比Table 9 Comparison of production effect of integrated fracturing fluid in deep coalbed methane wells

5 結論

a.一體化壓裂液體系具有較好的減阻率和增黏性能，減阻率大于70%，黏度調整區(qū)間3～200 mPa·s，與黏土穩(wěn)定劑、助排劑等各類添加劑配伍性良好，耐溫抗剪切性能優(yōu)異，防膨率大于70%，表面張力小于28 mN/m，能夠滿足各類氣層壓裂改造工藝對造縫、減阻、防膨、攜砂、快速返排等性能的不同要求。一體化壓裂液配方可概括為：主劑(一體化稠化劑)+助劑(助排劑、黏土穩(wěn)定劑等)+破膠劑，配方設計比較靈活，可根據(jù)不同儲層的物性要求以及壓裂工藝要求進行性能調整，應用優(yōu)勢明顯。

b.一體化壓裂液是一種集功能性和應用性一體化的壓裂液體系，功能上集滑溜水、線性膠、交聯(lián)液壓裂液體系功能性為一體，應用上可用于煤層氣、頁巖氣、致密砂巖氣，比較適用于煤系“三氣”地區(qū)“三氣合采”的一體化開發(fā)思路?，F(xiàn)場應用結果表明，一體化壓裂液體系性能靈活可調，在煤層氣、頁巖氣、致密砂巖氣井均取得了較好的應用效果，適用性較為廣泛，對推動各種壓裂工藝試驗起到了重要作用，特別是在中淺層和深層煤層氣領域，大規(guī)模壓裂工藝試驗取得了突破。

c.一體化壓裂液體系解決了傳統(tǒng)壓裂液體系應用靈活性差、性能不可調問題，具有廣闊的推廣應用前景，可繼續(xù)擴大應用試驗。同時，將繼續(xù)開展研究新型多功能、低傷害、低成本、高抗鹽、可回收利用的一體化壓裂液體系，以進一步推動非常規(guī)氣藏效益開發(fā)，解決現(xiàn)場返排液回收利用難題。