新型氮?dú)馀菽瓑毫岩后w系研究及其在煤層氣儲(chǔ)層中的應(yīng)用

毛恒博，劉 毅，李 麗，岳 龍，高 軍，邱 楓，賈正良

1中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第十二采油廠 2中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第八采油廠 3中國(guó)石油青海油田公司勘探開發(fā)研究院 4中國(guó)石油青海油田公司工程技術(shù)處 5中國(guó)石油玉門油田分公司老君廟采油廠

0 引言

我國(guó)的煤層氣資源儲(chǔ)量豐富，作為一種非常規(guī)油氣資源，煤層氣的大規(guī)模開發(fā)對(duì)我國(guó)能源產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。煤層氣儲(chǔ)層與常規(guī)油氣儲(chǔ)層相比具有低壓、低孔、低滲、吸附性強(qiáng)等特點(diǎn)，給煤層氣的高效合理開發(fā)帶來巨大的挑戰(zhàn)。水力壓裂是提高煤層氣產(chǎn)量最常用且有效的技術(shù)手段之一，而煤儲(chǔ)層復(fù)雜的物性條件以及割理發(fā)育等特點(diǎn)對(duì)壓裂液的性能也提出了更高的要求[1-5]。

目前，煤層氣儲(chǔ)層壓裂施工過程中常用的壓裂液體系主要包括活性水壓裂液、胍膠壓裂液、清潔壓裂液以及泡沫壓裂液等[6-11]?；钚运畨毫岩后w系組成簡(jiǎn)單、成本較低、對(duì)煤層的損害較小，在煤層氣儲(chǔ)層壓裂中得到比較廣泛的應(yīng)用，但是由于其攜砂能力較差、地層濾失量較高以及大排量施工帶來的煤粉堵塞等問題，影響了壓裂施工的效果，限制了其大規(guī)模的推廣應(yīng)用；胍膠壓裂液含大分子聚合物，容易對(duì)煤儲(chǔ)層造成堵塞，煤層溫度較低，影響其破膠；清潔壓裂液成本較高，不適合在煤層氣開發(fā)過程中大規(guī)模應(yīng)用；泡沫壓裂液體系含水量少、濾失量小、攜砂能力強(qiáng)、對(duì)煤層的損害低，近年來在煤層氣儲(chǔ)層壓裂改造過程中受到越來越多的關(guān)注[12-15]。本文針對(duì)沁水盆地某煤層氣區(qū)塊前期使用活性水壓裂液體系壓裂施工效果不理想等問題，通過大量實(shí)驗(yàn)研制了一種適用于煤層氣儲(chǔ)層的新型氮?dú)馀菽瓑毫岩后w系，室內(nèi)評(píng)價(jià)了壓裂液體系的起泡能力、泡沫穩(wěn)定性、流變性能、攜砂性能、濾失性能以及對(duì)煤層的損害性能，并在現(xiàn)場(chǎng)得到了成功應(yīng)用，以期為煤層氣資源的高效合理開發(fā)提供一定的技術(shù)支持和借鑒。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料及儀器

實(shí)驗(yàn)材料：起泡劑SK-1、起泡劑SK-2、穩(wěn)泡劑WP-11，實(shí)驗(yàn)室自制；KCl，分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；高純N2，南京特種氣體廠有限公司；40～60目陶粒，山東啟聯(lián)新材料有限公司；實(shí)驗(yàn)用煤巖心，采用山西沁水盆地某煤層氣區(qū)塊儲(chǔ)層煤粉壓制而成(長(zhǎng)度7.0 cm，直徑2.5 cm)。

實(shí)驗(yàn)儀器：高溫高壓泡沫評(píng)價(jià)儀、巖心動(dòng)態(tài)濾失傷害儀，海安縣石油科研儀器有限公司；DV-II Pro數(shù)顯旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)，長(zhǎng)沙市秋龍儀器設(shè)備有限公司；高溫高壓濾失儀，青島恒泰達(dá)機(jī)電設(shè)備有限公司。

1.2 新型氮?dú)馀菽瓑毫岩后w系配方

室內(nèi)通過對(duì)起泡劑、穩(wěn)泡劑以及防膨劑等主要處理劑的優(yōu)選評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，研制了一套適用于煤層氣儲(chǔ)層的新型氮?dú)馀菽瓑毫岩后w系，具體配方為：0.2%起泡劑SK-1+0.3%起泡劑SK-2+0.2%穩(wěn)泡劑WP-11+2.0%防膨劑KCl+N2。

1.3 壓裂液體系性能評(píng)價(jià)方法

1.3.1 起泡能力及泡沫穩(wěn)定性

按1.2中的配方依次在高溫高壓泡沫評(píng)價(jià)儀器中加入不同的處理劑，初始溶液為100 mL，設(shè)定實(shí)驗(yàn)溫度為40 ℃，然后充入氮?dú)庵烈欢▔毫?，高速攪? min后，測(cè)定泡沫體積V0，然后使用秒表計(jì)時(shí)，測(cè)定泡沫的半衰期T1/2，以此評(píng)價(jià)不同壓力條件下壓裂液體系的起泡能力和泡沫穩(wěn)定性。

1.3.2 流變性能

按1.2中的配方配制泡沫質(zhì)量分?jǐn)?shù)為75%的氮?dú)馀菽瓑毫岩后w系，使用DV-Ⅱ Pro數(shù)顯旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測(cè)定新型氮?dú)馀菽瓑毫岩后w系在不同剪切時(shí)間下的黏度值，實(shí)驗(yàn)溫度為40 ℃，剪切速率為170 s-1。

1.3.3 攜砂性能

壓裂液體系配方同1.2所述，選用粒徑為40～60目的陶粒作為支撐劑，評(píng)價(jià)單顆粒支撐劑在新型氮?dú)馀菽瓑毫岩后w系中的沉降速度，并與清水、常規(guī)氮?dú)馀菽瓑毫岩骸⒊Ｒ?guī)胍膠壓裂液和活性水壓裂液體系進(jìn)行對(duì)比，以此評(píng)價(jià)其攜砂性能，實(shí)驗(yàn)溫度選擇為20 ℃、30 ℃和40 ℃。

1.3.4 濾失性能

壓裂液體系配方同1.2中所述，使用高溫高壓濾失儀測(cè)定氮?dú)馀菽瓑毫岩后w系的靜態(tài)濾失系數(shù)，并與常規(guī)氮?dú)馀菽瓑毫岩?、常?guī)胍膠壓裂液和活性水壓裂液體系進(jìn)行對(duì)比，實(shí)驗(yàn)溫度選擇為20 ℃、30 ℃和40 ℃，實(shí)驗(yàn)壓力為3.5 MPa。

1.3.5 對(duì)儲(chǔ)層的損害性能

壓裂液體系配方同1.2中所述，參照國(guó)家能源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NB/T 10034—2016《煤層氣藏用水基壓裂液性能評(píng)價(jià)方法》，評(píng)價(jià)氮?dú)馀菽瓑毫岩后w系對(duì)目標(biāo)區(qū)塊煤儲(chǔ)層巖心基質(zhì)滲透率的損害情況，并與常規(guī)氮?dú)馀菽瓑毫岩?、常?guī)胍膠壓裂液和活性水壓裂液體系進(jìn)行對(duì)比，實(shí)驗(yàn)溫度為40 ℃。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 起泡能力及泡沫穩(wěn)定性

按照1.3.1中的實(shí)驗(yàn)方法評(píng)價(jià)不同壓力條件下壓裂液體系的起泡體積及泡沫半衰期，見圖1。

圖1 新型氮?dú)馀菽瓑毫岩旱钠鹋菽芰芭菽€(wěn)定性

由圖1結(jié)果可以看出，隨著實(shí)驗(yàn)壓力的不斷升高，新型氮?dú)馀菽瓑毫岩旱钠鹋蒹w積變化不大，均在550 mL以上；而泡沫半衰期則隨著壓力的升高而逐漸增大，當(dāng)實(shí)驗(yàn)壓力達(dá)到8 MPa時(shí)(目標(biāo)區(qū)塊煤儲(chǔ)層壓力為8.12 MPa左右)，泡沫的半衰期則可以達(dá)到250 min以上，說明研制的新型氮?dú)馀菽瓑毫岩后w系具有良好的起泡能力和泡沫穩(wěn)定性，能夠保證煤層氣儲(chǔ)層壓裂施工的順利進(jìn)行。

2.2 流變性能

按照1.3.2中的實(shí)驗(yàn)方法評(píng)價(jià)新型氮?dú)馀菽瓑毫岩后w系黏度隨剪切時(shí)間的變化關(guān)系，見圖2。

圖2 新型氮?dú)馀菽瓑毫岩吼ざ入S剪切時(shí)間的變化情況

由圖2結(jié)果可以看出，隨著剪切時(shí)間的逐漸延長(zhǎng)，新型氮?dú)馀菽瓑毫岩后w系的黏度值有所下降，當(dāng)剪切時(shí)間達(dá)到120 min時(shí)，體系的黏度值仍能保持在90 mPa·s以上，說明研制的新型氮?dú)馀菽瓑毫岩后w系具有良好的流變性能，且具有較好的抗剪切能力，能夠滿足煤層氣井壓裂現(xiàn)場(chǎng)壓裂施工的要求。

2.3 攜砂性能

按照1.3.3中的實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定了支撐劑陶粒在新型氮?dú)馀菽瓑毫岩后w系、清水、常規(guī)氮?dú)馀菽瓑毫岩?、常?guī)胍膠壓裂液體系以及活性水壓裂液體系中的沉降速度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 陶粒在不同流體中的沉降速度

由表1看出，支撐劑陶粒在清水和活性水壓裂液中沉降速度較快，在新型氮?dú)馀菽瓑毫岩骸⒊Ｒ?guī)氮?dú)馀菽瓑毫岩汉碗夷z壓裂液體系中沉降速度較慢，其中在新型氮?dú)馀菽瓑毫岩后w系中的沉降速度最慢，當(dāng)實(shí)驗(yàn)溫度為40 ℃時(shí)，沉降速度僅為0.004 2 mm/s，說明研制的新型氮?dú)馀菽瓑毫岩后w系具有良好的攜砂性能。這是由于氮?dú)馀菽瓑毫岩后w系主要依靠氣泡之間的相互作用來阻止支撐劑顆粒的沉降，壓裂液體系良好的起泡能力和泡沫穩(wěn)定性使其具有較強(qiáng)的攜砂能力，能夠有效防止煤層氣儲(chǔ)層壓裂施工過程中砂堵現(xiàn)象的出現(xiàn)，提高壓裂施工的效率。

2.4 濾失性能

按照1.3.4中的實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定了不同壓裂液體系的靜態(tài)濾失系數(shù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 不同壓裂液體系的濾失性能

由表2結(jié)果可以看出，隨著實(shí)驗(yàn)溫度的升高，不同壓裂液體系的靜態(tài)濾失系數(shù)均有所增大，其中新型氮?dú)馀菽瓑毫岩后w系的靜態(tài)濾失系數(shù)最小，當(dāng)實(shí)驗(yàn)溫度為40 ℃時(shí)，靜態(tài)濾失系數(shù)僅為0.057×10-3m/min1/2，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(SY/ T 6376—2008《壓裂液通用技術(shù)條件》)中的要求(≤1.0×10-3m/min1/2)，說明研制的新型氮?dú)馀菽瓑毫岩后w系具有良好的濾失性能。這是由于一方面氮?dú)馀菽瓑毫岩后w系屬于一種少水壓裂液體系，大量的泡沫相互擠壓，阻礙了液相的濾失；另一方面泡沫的形成使體系的黏度增大，同時(shí)增大了毛管阻力，使液相的流動(dòng)阻力變大，從而降低了濾失速度。

2.5 對(duì)儲(chǔ)層的傷害性能

按照1.3.5中的實(shí)驗(yàn)方法評(píng)價(jià)了不同壓裂液體系對(duì)目標(biāo)區(qū)塊煤層巖心基質(zhì)滲透率的損害情況，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 不同壓裂液體系對(duì)煤巖心的損害實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表3看出，四種煤層氣常用的壓裂液體系中，新型氮?dú)馀菽瓑毫岩后w系對(duì)目標(biāo)區(qū)塊煤儲(chǔ)層巖心基質(zhì)滲透率的損害程度最小，兩塊煤巖心的平均損害率為14.27%，遠(yuǎn)小于胍膠壓裂液體系的60.34%，也小于活性水壓裂液體系的17.03%和常規(guī)氮?dú)馀菽瓑毫岩后w系的20.35%。這是由于新型氮?dú)馀菽瓑毫岩后w系中不含大分子聚合物，不會(huì)對(duì)煤層孔隙造成嚴(yán)重的堵塞，并且其水含量也較少，可以有效減弱水敏、水鎖損害對(duì)煤層造成的堵塞現(xiàn)象。因此，該新型氮?dú)馀菽瓑毫岩后w系具有良好的低損害特性，適合應(yīng)用于煤層氣儲(chǔ)層的壓裂施工過程中。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

沁水盆地某煤層氣區(qū)塊前期壓裂開發(fā)主要采用活性水壓裂液體系，近期發(fā)現(xiàn)部分煤層氣井壓裂后產(chǎn)氣量較小，達(dá)不到配產(chǎn)要求，甚至某些井壓裂施工后長(zhǎng)時(shí)間不見氣。因此，結(jié)合目標(biāo)區(qū)塊煤儲(chǔ)層特征，考慮使用研制的新型氮?dú)馀菽瓑毫岩后w系進(jìn)行壓裂施工。試驗(yàn)區(qū)塊井深在600～750 m左右，壓裂層位為3#煤層，地層孔隙度在4.1%～5.2%之間，滲透率在0.95～1.42 mD之間。選取該區(qū)塊內(nèi)3口煤層氣井使用新型氮?dú)馀菽瓑毫岩后w系開展壓裂施工現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，壓裂施工過程順利，各項(xiàng)施工參數(shù)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，施工成功率達(dá)100%，其中3口井的具體壓裂施工參數(shù)及產(chǎn)氣情況見表4，并與同區(qū)塊內(nèi)使用活性水壓裂液體系壓裂施工的2口井進(jìn)行了對(duì)比。

由表4結(jié)果可知，使用新型氮?dú)馀菽瓑毫岩后w系施工的3口煤層氣井見氣時(shí)間均在30 d以內(nèi)，平均日產(chǎn)氣量在1 000 m3左右，與使用活性水壓裂液施工的2口井相比見氣時(shí)間明顯縮短，平均日產(chǎn)氣量明顯提高。這說明研制的新型氮?dú)馀菽瓑毫岩后w系能夠很好地適應(yīng)目標(biāo)區(qū)塊煤層氣儲(chǔ)層壓裂增產(chǎn)的需要，具有較好的推廣應(yīng)用前景。

表4 煤層氣井現(xiàn)場(chǎng)壓裂施工參數(shù)及產(chǎn)氣情況

4 結(jié)論

(1)室內(nèi)研制了一套適用于煤層氣儲(chǔ)層的新型氮?dú)馀菽瓑毫岩后w系，綜合性能評(píng)價(jià)結(jié)果表明：該壓裂液體系在地層壓力條件下能夠具有較大的起泡體積和較長(zhǎng)的半衰期，具有良好的起泡能力和泡沫穩(wěn)定性；該壓裂液體系還具有良好的流變性能、攜砂性能和濾失性能，且其對(duì)目標(biāo)區(qū)塊煤層巖心基質(zhì)滲透率的損害程度較小，綜合性能優(yōu)于常規(guī)的氮?dú)馀菽瓑毫岩骸⒊Ｒ?guī)胍膠壓裂液和活性水壓裂液，能夠滿足煤層氣儲(chǔ)層壓裂施工對(duì)壓裂液性能的要求。

(2)新型氮?dú)馀菽瓑毫岩菏且环N少水壓裂液，自由水含量較少有助于降低壓裂液對(duì)煤儲(chǔ)層的損害，有利于煤層氣的解析。另外，新型氮?dú)馀菽瓑毫岩翰缓叻肿泳酆衔?，殘?jiān)枯^低，對(duì)煤儲(chǔ)層的損害較小，有助于提高壓裂效率。

(3)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明，目標(biāo)區(qū)塊3口煤層氣井使用研制的新型氮?dú)馀菽瓑毫岩后w系施工后，見氣時(shí)間均小于30 d，平均日產(chǎn)氣量在1 000 m3左右，施工效果明顯優(yōu)于同區(qū)塊內(nèi)使用活性水壓裂液體系的煤層氣井，取得了良好的壓裂增產(chǎn)效果。