適用于煤層的新型氮?dú)馀菽瓑毫岩貉芯?/h1>
2014-07-13 03:10張?jiān)迄i楊兆中李小剛劉敏路艷軍
應(yīng)用化工 2014年11期
張?jiān)迄i，楊兆中，李小剛，劉敏，路艷軍
(西南石油大學(xué) 油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610500)
煤層氣是一種非常規(guī)油氣資源，其資源量巨大，在全球能源產(chǎn)業(yè)中具有舉足輕重的地位，目前在美國(guó)已經(jīng)進(jìn)行了大規(guī)模的開(kāi)采，在其天然氣產(chǎn)量中占有較大比重，發(fā)揮著重要作用［1］。煤層氣儲(chǔ)層與常規(guī)天然氣儲(chǔ)層差別較大，具有低溫、低壓、低滲透等特征，使得煤層氣的開(kāi)采面臨巨大的挑戰(zhàn)，壓裂改造是目前最有效的開(kāi)發(fā)手段之一。然而，煤層特殊的賦存環(huán)境及復(fù)雜的割理系統(tǒng)對(duì)壓裂液也提出了更高的性能要求:煤巖中大量甲烷吸附于儲(chǔ)層，進(jìn)行壓裂改造提高產(chǎn)氣量的同時(shí)必須考慮壓裂液對(duì)解吸規(guī)律的影響，防止外來(lái)流體被大量的吸附致使壓裂效果變差［2］;煤層氣儲(chǔ)層割理發(fā)育，易濾失，因此也要求壓裂液濾失量小;煤巖較為松軟、易出粉，開(kāi)采過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量煤粉，如果壓裂液的懸砂能力較差，會(huì)造成沉積的砂與煤粉相混雜，堵塞支撐裂縫和儲(chǔ)層孔隙，使裂縫失去導(dǎo)流能力，因此壓裂液必須具有良好的攜砂能力;煤層氣儲(chǔ)層敏感性強(qiáng)，易造成傷害，壓裂液必須具有低傷害的特性，才能夠有效提高儲(chǔ)層滲流能力。
泡沫壓裂液作為一種少水壓裂液，具有低傷害、低濾失、懸砂能力強(qiáng)、有利于甲烷解吸提高產(chǎn)氣量等突出特性［3-4］。泡沫壓裂液已經(jīng)得到了越來(lái)越多的關(guān)注，并不斷被成功應(yīng)用于煤層氣井的壓裂改造中，20 世紀(jì)末美國(guó)已經(jīng)將泡沫壓裂液應(yīng)用于煤層氣的開(kāi)發(fā)［5］，我國(guó)在2005 年成功的進(jìn)行了兩口煤層氣井的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，并取得很好的壓裂效果［6］。經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)研究，優(yōu)選出了一種性能良好的新型氮?dú)馀菽鶋毫岩?，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，取得了良好的效果。
1 實(shí)驗(yàn)部分
1.1 材料與儀器
起泡劑XN-QP-1、XN-QP-2、降阻劑XN-JZ-1、助排劑XN-ZP-1、XN-ZP-2 均為工業(yè)品;實(shí)驗(yàn)用水為去離子水;山西晉城趙莊煤。
IS-100 型等溫吸附儀;哈克MARS Ⅲ流變儀;GGS42-2 高溫高壓失水儀。
1.2 泡沫壓裂液的性能評(píng)價(jià)
1.2.1 對(duì)煤巖吸附作用 將煤粉碎至60 ～80 目，用壓裂液處理后按照GB/T 19560—2008 方法進(jìn)行吸附實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)方法采用容量法。
1.2. 2 失水性能 按配方配制好壓裂液，在8 000 r/min 攪速下攪拌1 min，裝入底部有專用濾紙的失水筒中，迅速裝好濾筒并放到加熱套內(nèi)，施加壓力(測(cè)試筒上部施加4 MPa 壓力，下部施加0.5 MPa 的回壓，壓差為3.5 MPa)，由于煤層氣儲(chǔ)層溫度與室內(nèi)溫度相當(dāng)并不需要對(duì)失水筒加熱。濾液開(kāi)始流出時(shí)記錄時(shí)間、濾液的累積濾失量，測(cè)定時(shí)間為36 min。將數(shù)據(jù)以時(shí)間平方根為橫坐標(biāo)，累積濾失量為縱坐標(biāo)作曲線圖，并對(duì)曲線線性回歸，回歸線斜率為m，截距為h，按下式計(jì)算濾失系數(shù)和初濾失量。
式中 Cw——受濾餅控制的濾失系數(shù)，m /;
A——濾失面積，cm2;
Vc——濾失速度，m/min;
t——濾失時(shí)間，min;
Qsp——初濾失量，m3/m2;
h——濾失曲線直線段與y 軸的截距，cm。
因?yàn)槊簩訅毫堰^(guò)程不可避免會(huì)產(chǎn)生大量煤粉混入壓裂液中，因此考慮在配方中加入一定量的煤粉測(cè)定失水性，設(shè)計(jì)配方如下:泡沫基液XN-QP-1 ∶XN-QP-2 =0.5%∶0.5%，泡沫基液+煤粉XN-QP-1∶XN-QP-2 =0.5%∶0.5% +10%煤粉。
1.2.3 懸砂性能 壓裂液的懸砂性測(cè)試方法有靜置狀態(tài)觀察法和流動(dòng)狀態(tài)觀察法兩種。本文采用靜置狀態(tài)觀察法。將泡沫壓裂液倒入量筒內(nèi)，放在平面上，放入1 ?；蛘叨嗔Ｉ白?，觀察砂子的沉降速度;或者在配制泡沫壓裂液時(shí)就加入一定砂比的支撐劑，混合均勻后觀察砂子的沉降情況。
1.2.4 對(duì)儲(chǔ)層傷害 按照工作液傷害評(píng)價(jià)方法標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5358—2010 對(duì)泡沫壓裂液進(jìn)行了室內(nèi)巖心流動(dòng)實(shí)驗(yàn)。工作液為根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)水成分分析資料配制的地層水和泡沫壓裂液基液，使用人造煤巖心展開(kāi)室內(nèi)巖心流動(dòng)評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)。
2 結(jié)果與討論
2.1 壓裂液對(duì)煤巖吸附作用的影響
煤層是一種具有基質(zhì)孔隙和割理系統(tǒng)的雙重介質(zhì)，基質(zhì)孔隙具有極大的比表面積，對(duì)甲烷有極強(qiáng)的吸附能力，煤化作用過(guò)程中形成大致相互垂直的面割理與端割理。煤巖基質(zhì)塊表面和塊內(nèi)微孔是煤層氣的主要儲(chǔ)集空間，而割理系統(tǒng)是煤層氣的主要流動(dòng)通道［7］。煤吸附甲烷為物理吸附，研究過(guò)程中只考慮物理吸附情況。
研究表明，氣態(tài)水對(duì)煤吸附氣體有顯著影響，隨煤中水分的增加煤吸附氣體的能力降低［8］。因水分子具有極性，煤會(huì)優(yōu)先吸附水分子，從而影響煤的吸附位和吸附能。但當(dāng)煤中水分超過(guò)臨界水分，即氣態(tài)水達(dá)到相對(duì)飽和并出現(xiàn)液態(tài)水時(shí)，煤吸附氣體的能力不再受水分的影響。但是研究基于特定條件下的氣體吸附實(shí)驗(yàn)［9］，特定條件主要指實(shí)驗(yàn)煤樣的水分是通過(guò)常溫常壓下干燥煤樣吸附氣態(tài)水或浸入液態(tài)水來(lái)獲得的，受到孔隙界面張力的作用，液態(tài)水只能潤(rùn)濕煤的外表面和煤中部分大孔隙(滲流孔隙)，而煤的外表面和大孔隙表面對(duì)煤吸附能力的影響甚微，液態(tài)水無(wú)法做功、克服界面張力而進(jìn)入孔徑很小的凝聚-吸附孔隙和吸附孔隙，所以液態(tài)水也就不會(huì)對(duì)煤吸附氣體產(chǎn)生明顯影響。而在大的泵注壓力下，工作液也可以克服一定的毛管力進(jìn)入孔隙中，從而影響煤的吸附能力，泡沫壓裂液、活性水壓裂液、降阻活性水壓裂液和1%KCl 溶液對(duì)煤巖吸附傷害的影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1。泡沫壓裂液配方:XNQP-1(0.5%)+XN-QP-2 (0.5%)+2%KCl。
圖1 壓裂液對(duì)煤吸附的影響Fig.1 The influence of fracturing fluids on coal isothermal adsorption
由圖1 可知，經(jīng)過(guò)壓裂液污染后的煤粉吸附能力為:泡沫壓裂液基液＞1%KCl 溶液＞活性水壓裂液＞降阻活性水壓裂液。煤層氣開(kāi)發(fā)的過(guò)程需要煤層甲烷從吸附態(tài)解吸出來(lái)，壓裂液越有利于煤層氣的解吸，則越有利于煤層氣的開(kāi)發(fā)。壓裂液污染后煤粉的吸附能力實(shí)質(zhì)是壓裂液對(duì)煤巖傷害的大小，壓裂液處理后吸附能力弱，說(shuō)明該壓裂液被煤吸附占據(jù)了煤孔隙和煤分子表面，阻礙了甲烷的吸附，對(duì)煤層的吸附傷害較大，不利于解吸。實(shí)驗(yàn)表明，泡沫壓裂液對(duì)煤層的傷害低于其它幾種壓裂液，具有有助解吸的作用，有利于甲烷從煤層中解吸出來(lái)，提高煤層氣井產(chǎn)氣量。
2.2 壓裂液失水性能
壓裂液靜態(tài)濾失實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。
表1 壓裂液靜態(tài)濾失性Table 1 Result of static filtration loss
由表1 可知，泡沫基液在1 min 時(shí)失水為6 mL，在此后的36 min 一直保持在6 mL，即沒(méi)有液體再流出。加入10%煤粉后失水量大大減少，而且泡沫形態(tài)保持得也很好。因此完全能夠滿足煤層壓裂過(guò)程低濾失的要求。
泡沫壓裂液能夠降低濾失的原因［10-11］:①泡沫壓裂液中含有大量高質(zhì)量的泡沫，泡沫間相互接觸擠壓，形成一種特殊的泡沫濾餅，阻礙壓裂液的濾失;②由于泡沫濾餅的存在，占據(jù)了較大的儲(chǔ)層空間，使得壓裂液的流通通道橫截面積大大降低，壓裂液的濾失進(jìn)一步降低;③儲(chǔ)層中壓力較高，氣體泡沫并不會(huì)迅速聚集融合，同時(shí)由于氣體泡沫與液體之間相互影響，在濾失壓力作用下使得液態(tài)壓裂液更不容易流動(dòng)而發(fā)生濾失;④當(dāng)加入煤粉后，構(gòu)成了壓裂液液體、泡沫與煤粉固體的相互作用，使壓裂液的流動(dòng)阻力變大，進(jìn)一步降低濾失的發(fā)生。因此，泡沫壓裂液相對(duì)其他常規(guī)壓裂液具有顯著降低濾失的作用。
2.3 壓裂液懸砂性能
泡沫壓裂液的靜置狀態(tài)懸砂性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。
表2 泡沫壓裂液的懸砂性能Table 2 Proppant carrying capability of foam fracturing fluids
由表2 可知，壓裂液體系在半衰期內(nèi)支撐劑無(wú)沉降發(fā)生，說(shuō)明泡沫壓裂液具有良好的懸砂能力。目前壓裂液對(duì)煤層的傷害主要為:吸附傷害、堵塞傷害、水化膨脹傷害和化學(xué)傷害。如果壓裂液懸砂能力較差，大量支撐劑、煤粉會(huì)發(fā)生沉降，煤粉顆粒與支撐劑相互混合，沉降聚集后堵塞滲流通道，嚴(yán)重污染形成的有效支撐裂縫，因此壓裂液的懸砂能力至關(guān)重要［12-13］。此泡沫壓裂液具有良好的懸砂能力，一方面由于此泡沫壓裂具有較高的黏度，能夠增大對(duì)支撐劑降落過(guò)程中的阻力，阻礙其沉降。另一方面，壓裂液中大量的泡沫將支撐劑托起或擠住，形成了一種特殊阻擋，使得其較難下降，較其它常規(guī)壓裂液表現(xiàn)出極大的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，泡沫壓裂中存在的大量泡沫表面具有一定粘彈性，使得支撐劑很難突破泡沫［10］。
用流變儀在30 ℃、170 s－1剪切速率下測(cè)定泡沫壓裂液的抗剪切性能，結(jié)果見(jiàn)圖2。
圖2 泡沫壓裂液抗剪切性能Fig.2 The shear stability of foam fracturing fluid
由圖2 可知，泡沫壓裂液黏度不降低，反而慢慢升高，這是常規(guī)壓裂液不具有的性質(zhì)。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間實(shí)驗(yàn)，壓裂液的泡沫形態(tài)保持完好，沒(méi)有液體析出。
泡沫壓裂液的抗剪切性能很好，在30 ℃、170 s－1條件下剪切1 ～2 h 后，黏度能保持在90 mPa·s，能滿足現(xiàn)場(chǎng)要求。
2.4 壓裂液對(duì)儲(chǔ)層的傷害程度
泡沫壓裂液對(duì)煤巖心的傷害實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3。
圖3 泡沫壓裂液巖心流動(dòng)實(shí)驗(yàn)Fig.3 Core flow test of foam fracturing fluid
由圖3 可知，泡沫壓裂液對(duì)煤巖心的傷害較小，只有4.8%，滲透率恢復(fù)到初始滲透的95.2%，對(duì)煤巖具有較低的傷害。這是由于該泡沫壓裂液體系無(wú)大分子聚合物，殘?jiān)康?，不?huì)出現(xiàn)破膠不徹底產(chǎn)生的殘留物與儲(chǔ)層中懸浮顆粒、煤粉等相互混合，堵塞流動(dòng)通道，而且對(duì)煤層吸附傷害較小，因此造成的儲(chǔ)層傷害較低。其次，泡沫壓裂液是一種少水壓裂液體系，能有效降低對(duì)煤層氣儲(chǔ)層的水敏傷害。因此，該泡沫壓裂液體系完全滿足煤層壓裂過(guò)程壓裂液低傷害的要求。
2.5 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)
使用泡沫壓裂液體系進(jìn)行了五口井的壓裂施工，其中兩口井的施工曲線見(jiàn)圖4、圖5。
圖4 TS55-06 井施工曲線Fig.4 Fracturing curve of TS55-06
圖5 TS56-08 井施工曲線Fig.5 Fracturing curve of TS56-08
由圖4、圖5 可知，泡沫壓裂施工后，四口井不久后見(jiàn)氣并投產(chǎn)，見(jiàn)氣率為80%，而周邊用活性水壓裂改造的煤層氣井的見(jiàn)氣率僅30%，足以說(shuō)明泡沫壓裂施工取得了成功，此泡沫壓裂液能夠滿足煤層氣儲(chǔ)層壓裂施工的要求，能有效提高儲(chǔ)層滲透率，增產(chǎn)效果顯著。
3 結(jié)論
(1)泡沫壓裂液對(duì)煤巖具有較低的吸附傷害，降低壓裂液在煤層中的吸附及滯留，有利于甲烷氣體從煤層中解吸出來(lái)，提高煤層氣產(chǎn)量。
(2)泡沫壓裂液形成了一種特殊的泡沫濾餅，有利于降低濾失，在加入煤粉的條件下，表現(xiàn)出更好的降濾失性，能夠很好解決煤層氣井壓裂過(guò)程的濾失問(wèn)題。
(3)泡沫壓裂液中存在大量高質(zhì)量的泡沫，能夠?qū)⑸白印巴信e”或“擠壓”，將砂子懸浮于壓裂液中，具有較好的懸砂性，能滿足施工過(guò)程對(duì)攜砂的要求。在模擬地層條件下，泡沫壓裂液仍保持了較高的粘度，具有較好的流變性能，使得砂子能夠穩(wěn)定的懸浮于壓裂液中。
(4)泡沫壓裂液是一種少水壓裂液，且殘?jiān)繕O低，壓裂液中的氣體泡沫能夠在儲(chǔ)層中聚集形成一種附加能量，不僅有利于壓裂液返排，也能提高泡沫壓裂的效果，對(duì)煤巖心具有較低的傷害，傷害率僅為4.8%。完成了現(xiàn)場(chǎng)5 口井施工試驗(yàn)，最快一口井壓后8 d 見(jiàn)氣，見(jiàn)氣率80%，獲得了良好的增產(chǎn)效果。
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泡沫壓裂液作為一種少水壓裂液，具有低傷害、低濾失、懸砂能力強(qiáng)、有利于甲烷解吸提高產(chǎn)氣量等突出特性［3-4］。泡沫壓裂液已經(jīng)得到了越來(lái)越多的關(guān)注，并不斷被成功應(yīng)用于煤層氣井的壓裂改造中，20 世紀(jì)末美國(guó)已經(jīng)將泡沫壓裂液應(yīng)用于煤層氣的開(kāi)發(fā)［5］，我國(guó)在2005 年成功的進(jìn)行了兩口煤層氣井的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，并取得很好的壓裂效果［6］。經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)研究，優(yōu)選出了一種性能良好的新型氮?dú)馀菽鶋毫岩?，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，取得了良好的效果。
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式中 Cw——受濾餅控制的濾失系數(shù)，m /;
A——濾失面積，cm2;
Vc——濾失速度，m/min;
t——濾失時(shí)間，min;
Qsp——初濾失量，m3/m2;
h——濾失曲線直線段與y 軸的截距，cm。
因?yàn)槊簩訅毫堰^(guò)程不可避免會(huì)產(chǎn)生大量煤粉混入壓裂液中，因此考慮在配方中加入一定量的煤粉測(cè)定失水性，設(shè)計(jì)配方如下:泡沫基液XN-QP-1 ∶XN-QP-2 =0.5%∶0.5%，泡沫基液+煤粉XN-QP-1∶XN-QP-2 =0.5%∶0.5% +10%煤粉。
1.2.3 懸砂性能 壓裂液的懸砂性測(cè)試方法有靜置狀態(tài)觀察法和流動(dòng)狀態(tài)觀察法兩種。本文采用靜置狀態(tài)觀察法。將泡沫壓裂液倒入量筒內(nèi)，放在平面上，放入1 ?；蛘叨嗔Ｉ白?，觀察砂子的沉降速度;或者在配制泡沫壓裂液時(shí)就加入一定砂比的支撐劑，混合均勻后觀察砂子的沉降情況。
1.2.4 對(duì)儲(chǔ)層傷害 按照工作液傷害評(píng)價(jià)方法標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5358—2010 對(duì)泡沫壓裂液進(jìn)行了室內(nèi)巖心流動(dòng)實(shí)驗(yàn)。工作液為根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)水成分分析資料配制的地層水和泡沫壓裂液基液，使用人造煤巖心展開(kāi)室內(nèi)巖心流動(dòng)評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)。
2 結(jié)果與討論
2.1 壓裂液對(duì)煤巖吸附作用的影響
煤層是一種具有基質(zhì)孔隙和割理系統(tǒng)的雙重介質(zhì)，基質(zhì)孔隙具有極大的比表面積，對(duì)甲烷有極強(qiáng)的吸附能力，煤化作用過(guò)程中形成大致相互垂直的面割理與端割理。煤巖基質(zhì)塊表面和塊內(nèi)微孔是煤層氣的主要儲(chǔ)集空間，而割理系統(tǒng)是煤層氣的主要流動(dòng)通道［7］。煤吸附甲烷為物理吸附，研究過(guò)程中只考慮物理吸附情況。
研究表明，氣態(tài)水對(duì)煤吸附氣體有顯著影響，隨煤中水分的增加煤吸附氣體的能力降低［8］。因水分子具有極性，煤會(huì)優(yōu)先吸附水分子，從而影響煤的吸附位和吸附能。但當(dāng)煤中水分超過(guò)臨界水分，即氣態(tài)水達(dá)到相對(duì)飽和并出現(xiàn)液態(tài)水時(shí)，煤吸附氣體的能力不再受水分的影響。但是研究基于特定條件下的氣體吸附實(shí)驗(yàn)［9］，特定條件主要指實(shí)驗(yàn)煤樣的水分是通過(guò)常溫常壓下干燥煤樣吸附氣態(tài)水或浸入液態(tài)水來(lái)獲得的，受到孔隙界面張力的作用，液態(tài)水只能潤(rùn)濕煤的外表面和煤中部分大孔隙(滲流孔隙)，而煤的外表面和大孔隙表面對(duì)煤吸附能力的影響甚微，液態(tài)水無(wú)法做功、克服界面張力而進(jìn)入孔徑很小的凝聚-吸附孔隙和吸附孔隙，所以液態(tài)水也就不會(huì)對(duì)煤吸附氣體產(chǎn)生明顯影響。而在大的泵注壓力下，工作液也可以克服一定的毛管力進(jìn)入孔隙中，從而影響煤的吸附能力，泡沫壓裂液、活性水壓裂液、降阻活性水壓裂液和1%KCl 溶液對(duì)煤巖吸附傷害的影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1。泡沫壓裂液配方:XNQP-1(0.5%)+XN-QP-2 (0.5%)+2%KCl。
圖1 壓裂液對(duì)煤吸附的影響Fig.1 The influence of fracturing fluids on coal isothermal adsorption
由圖1 可知，經(jīng)過(guò)壓裂液污染后的煤粉吸附能力為:泡沫壓裂液基液＞1%KCl 溶液＞活性水壓裂液＞降阻活性水壓裂液。煤層氣開(kāi)發(fā)的過(guò)程需要煤層甲烷從吸附態(tài)解吸出來(lái)，壓裂液越有利于煤層氣的解吸，則越有利于煤層氣的開(kāi)發(fā)。壓裂液污染后煤粉的吸附能力實(shí)質(zhì)是壓裂液對(duì)煤巖傷害的大小，壓裂液處理后吸附能力弱，說(shuō)明該壓裂液被煤吸附占據(jù)了煤孔隙和煤分子表面，阻礙了甲烷的吸附，對(duì)煤層的吸附傷害較大，不利于解吸。實(shí)驗(yàn)表明，泡沫壓裂液對(duì)煤層的傷害低于其它幾種壓裂液，具有有助解吸的作用，有利于甲烷從煤層中解吸出來(lái)，提高煤層氣井產(chǎn)氣量。
2.2 壓裂液失水性能
壓裂液靜態(tài)濾失實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。
表1 壓裂液靜態(tài)濾失性Table 1 Result of static filtration loss
由表1 可知，泡沫基液在1 min 時(shí)失水為6 mL，在此后的36 min 一直保持在6 mL，即沒(méi)有液體再流出。加入10%煤粉后失水量大大減少，而且泡沫形態(tài)保持得也很好。因此完全能夠滿足煤層壓裂過(guò)程低濾失的要求。
泡沫壓裂液能夠降低濾失的原因［10-11］:①泡沫壓裂液中含有大量高質(zhì)量的泡沫，泡沫間相互接觸擠壓，形成一種特殊的泡沫濾餅，阻礙壓裂液的濾失;②由于泡沫濾餅的存在，占據(jù)了較大的儲(chǔ)層空間，使得壓裂液的流通通道橫截面積大大降低，壓裂液的濾失進(jìn)一步降低;③儲(chǔ)層中壓力較高，氣體泡沫并不會(huì)迅速聚集融合，同時(shí)由于氣體泡沫與液體之間相互影響，在濾失壓力作用下使得液態(tài)壓裂液更不容易流動(dòng)而發(fā)生濾失;④當(dāng)加入煤粉后，構(gòu)成了壓裂液液體、泡沫與煤粉固體的相互作用，使壓裂液的流動(dòng)阻力變大，進(jìn)一步降低濾失的發(fā)生。因此，泡沫壓裂液相對(duì)其他常規(guī)壓裂液具有顯著降低濾失的作用。
2.3 壓裂液懸砂性能
泡沫壓裂液的靜置狀態(tài)懸砂性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。
表2 泡沫壓裂液的懸砂性能Table 2 Proppant carrying capability of foam fracturing fluids
由表2 可知，壓裂液體系在半衰期內(nèi)支撐劑無(wú)沉降發(fā)生，說(shuō)明泡沫壓裂液具有良好的懸砂能力。目前壓裂液對(duì)煤層的傷害主要為:吸附傷害、堵塞傷害、水化膨脹傷害和化學(xué)傷害。如果壓裂液懸砂能力較差，大量支撐劑、煤粉會(huì)發(fā)生沉降，煤粉顆粒與支撐劑相互混合，沉降聚集后堵塞滲流通道，嚴(yán)重污染形成的有效支撐裂縫，因此壓裂液的懸砂能力至關(guān)重要［12-13］。此泡沫壓裂液具有良好的懸砂能力，一方面由于此泡沫壓裂具有較高的黏度，能夠增大對(duì)支撐劑降落過(guò)程中的阻力，阻礙其沉降。另一方面，壓裂液中大量的泡沫將支撐劑托起或擠住，形成了一種特殊阻擋，使得其較難下降，較其它常規(guī)壓裂液表現(xiàn)出極大的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，泡沫壓裂中存在的大量泡沫表面具有一定粘彈性，使得支撐劑很難突破泡沫［10］。
用流變儀在30 ℃、170 s－1剪切速率下測(cè)定泡沫壓裂液的抗剪切性能，結(jié)果見(jiàn)圖2。
圖2 泡沫壓裂液抗剪切性能Fig.2 The shear stability of foam fracturing fluid
由圖2 可知，泡沫壓裂液黏度不降低，反而慢慢升高，這是常規(guī)壓裂液不具有的性質(zhì)。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間實(shí)驗(yàn)，壓裂液的泡沫形態(tài)保持完好，沒(méi)有液體析出。
泡沫壓裂液的抗剪切性能很好，在30 ℃、170 s－1條件下剪切1 ～2 h 后，黏度能保持在90 mPa·s，能滿足現(xiàn)場(chǎng)要求。
2.4 壓裂液對(duì)儲(chǔ)層的傷害程度
泡沫壓裂液對(duì)煤巖心的傷害實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3。
圖3 泡沫壓裂液巖心流動(dòng)實(shí)驗(yàn)Fig.3 Core flow test of foam fracturing fluid
由圖3 可知，泡沫壓裂液對(duì)煤巖心的傷害較小，只有4.8%，滲透率恢復(fù)到初始滲透的95.2%，對(duì)煤巖具有較低的傷害。這是由于該泡沫壓裂液體系無(wú)大分子聚合物，殘?jiān)康?，不?huì)出現(xiàn)破膠不徹底產(chǎn)生的殘留物與儲(chǔ)層中懸浮顆粒、煤粉等相互混合，堵塞流動(dòng)通道，而且對(duì)煤層吸附傷害較小，因此造成的儲(chǔ)層傷害較低。其次，泡沫壓裂液是一種少水壓裂液體系，能有效降低對(duì)煤層氣儲(chǔ)層的水敏傷害。因此，該泡沫壓裂液體系完全滿足煤層壓裂過(guò)程壓裂液低傷害的要求。
2.5 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)
使用泡沫壓裂液體系進(jìn)行了五口井的壓裂施工，其中兩口井的施工曲線見(jiàn)圖4、圖5。
圖4 TS55-06 井施工曲線Fig.4 Fracturing curve of TS55-06
圖5 TS56-08 井施工曲線Fig.5 Fracturing curve of TS56-08
由圖4、圖5 可知，泡沫壓裂施工后，四口井不久后見(jiàn)氣并投產(chǎn)，見(jiàn)氣率為80%，而周邊用活性水壓裂改造的煤層氣井的見(jiàn)氣率僅30%，足以說(shuō)明泡沫壓裂施工取得了成功，此泡沫壓裂液能夠滿足煤層氣儲(chǔ)層壓裂施工的要求，能有效提高儲(chǔ)層滲透率，增產(chǎn)效果顯著。
3 結(jié)論
(1)泡沫壓裂液對(duì)煤巖具有較低的吸附傷害，降低壓裂液在煤層中的吸附及滯留，有利于甲烷氣體從煤層中解吸出來(lái)，提高煤層氣產(chǎn)量。
(2)泡沫壓裂液形成了一種特殊的泡沫濾餅，有利于降低濾失，在加入煤粉的條件下，表現(xiàn)出更好的降濾失性，能夠很好解決煤層氣井壓裂過(guò)程的濾失問(wèn)題。
(3)泡沫壓裂液中存在大量高質(zhì)量的泡沫，能夠?qū)⑸白印巴信e”或“擠壓”，將砂子懸浮于壓裂液中，具有較好的懸砂性，能滿足施工過(guò)程對(duì)攜砂的要求。在模擬地層條件下，泡沫壓裂液仍保持了較高的粘度，具有較好的流變性能，使得砂子能夠穩(wěn)定的懸浮于壓裂液中。
(4)泡沫壓裂液是一種少水壓裂液，且殘?jiān)繕O低，壓裂液中的氣體泡沫能夠在儲(chǔ)層中聚集形成一種附加能量，不僅有利于壓裂液返排，也能提高泡沫壓裂的效果，對(duì)煤巖心具有較低的傷害，傷害率僅為4.8%。完成了現(xiàn)場(chǎng)5 口井施工試驗(yàn)，最快一口井壓后8 d 見(jiàn)氣，見(jiàn)氣率80%，獲得了良好的增產(chǎn)效果。
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