宋愛莉，張 宸，陳維余，劉春祥，陳慶棟，高 雙

（中海油能源發(fā)展股份有限公司 工程技術(shù)分公司，天津 300452）

煤層氣儲層具有低滲[1]、松軟、表面積大[2]、吸附性強(qiáng)、壓力低等特性[3]。山西柳林區(qū)塊煤層氣開發(fā)主要表現(xiàn)為低含氣飽和度、低滲透率、低壓力的三低特征，極大制約了煤層氣的開發(fā)；儲層的非均質(zhì)性、松軟特點，在生產(chǎn)中極易產(chǎn)生煤粉[4]，直接造成了生產(chǎn)設(shè)備的磨損，降低生產(chǎn)效率，影響后續(xù)生產(chǎn)和增產(chǎn)措施的實施。

煤層氣儲層的壓裂改造過程中，壓裂液攜帶支撐劑進(jìn)入儲層，支撐劑強(qiáng)度較高，對煤層表面存在沖刷效應(yīng)，導(dǎo)致煤巖壁面破碎形成煤粉與壓裂液混合[5]，但由于煤粉自身不具有分散性[6]，隨壓裂液運(yùn)移過程中堆積于裂縫端部，阻擋裂縫擴(kuò)展，同時產(chǎn)生煤粉堵塞支撐裂縫[7]，導(dǎo)致裂縫導(dǎo)流能力降低，影響壓裂效果。因此煤層氣開發(fā)所需的壓裂液，應(yīng)具有良好的煤粉懸浮性能。該研究針對柳林區(qū)塊煤層氣開發(fā)過程中產(chǎn)出煤粉的問題[8]，開展壓裂液體系的研究，并成功應(yīng)用于現(xiàn)場，取得良好效果。

1 懸浮煤粉低傷害壓裂液體系研究

為增強(qiáng)煤層氣儲層改造效果，需要降低壓裂過程中儲層受到的傷害[9]。煤層氣壓裂改造過程中，壓裂液對儲層的傷害是主要因素。由于煤巖的表面積非常大，具有較強(qiáng)的吸附能力，所以要求壓裂液同煤層及煤層流體完全配伍，防止發(fā)生不良的吸附和反應(yīng)；煤層屬于低孔低滲儲層，要求壓裂液本身清潔，避免對煤層孔隙產(chǎn)生堵塞[10]；由于壓裂過程中，產(chǎn)生的煤粉對生產(chǎn)有巨大的影響，因此壓裂液最重要的性能，要對煤粉具有強(qiáng)大的懸浮和攜帶作用，使之施工后可以隨著壓裂液返排出來，對裂縫產(chǎn)生清理作用[11]。

綜合考慮煤儲層特點及壓裂工藝的要求，對煤層氣壓裂液的研發(fā)堅持如下原則：盡可能少地使用添加劑，特別是有機(jī)類添加劑；減少煤巖對壓裂液的吸附[12]，使壓裂液體系與煤層儲層相配伍；降低壓裂液殘渣含量，有效保護(hù)儲層；壓裂液對煤粉具有較高的懸浮作用，可隨著壓裂液返排從地層中攜帶出來[13]。

1.1 煤粉懸浮劑研發(fā)

提高煤粉在壓裂液中的懸浮能力，可以有效降低儲層傷害。通過對煤粉懸浮機(jī)理的分析，選擇可適用的懸浮劑進(jìn)行正交實驗，從而得到煤層氣最適用的懸浮劑配方[14]。

1.1.1 煤粉懸浮劑作用機(jī)理

當(dāng)水中煤粉懸浮劑濃度很稀時，吸附處于圖1a階段，煤粉顆粒與煤粉懸浮劑間主要作用為范德華力，吸附分子無法鋪滿煤粉表面。增加懸浮劑的加量，增加吸附分子在煤層表面的鋪置面積，進(jìn)入圖1b 階段，煤粉表面基本上被平躺的吸附分子鋪滿[4]；進(jìn)一步增加懸浮劑的加量，由于吸附分子已經(jīng)可鋪滿煤層表面，懸浮劑分子兩側(cè)為親水基團(tuán)和疏水基團(tuán)，其中疏水基團(tuán)聚集于煤粉表面，親水基團(tuán)隨之向上，直到懸浮劑濃度達(dá)到最大，如圖1c 所示。當(dāng)煤粉懸浮劑吸附于煤粉顆粒表面時，煤粉的浸潤性發(fā)生改變，因此可以將煤粉攜帶至壓裂液中，清除地層中產(chǎn)生的煤粉。

圖1 煤粉懸浮劑在煤粉表面的吸附模型Fig.1 Adsorption model of pulverized coal suspension

1.1.2 實驗方法

根據(jù)煤粉懸浮機(jī)理，選擇具有疏水親水基團(tuán)的不同種類的煤粉懸浮劑，在不同加量不同配比情況下進(jìn)行正交實驗。

實驗過程將山西柳林區(qū)塊煤樣進(jìn)行粉碎，篩選80～100 目的煤粉，置于105 ℃烘箱中干燥備用。

配制不同濃度的煤粉懸浮劑溶液備用。取50 ml懸浮劑溶液倒入50 ml 比色管中，然后加入0.5 g 煤粉。搖勻后，在超聲波中靜止30 min，再上下?lián)u勻。然后靜止2 h，觀察煤粉的沉降狀態(tài)。2 h 后，過濾上層清液，將過濾后濾紙放入105 ℃烘箱中干燥，稱量上層清液中攜帶煤粉的數(shù)量[5]。煤粉懸浮率按照式（1）計算，即

其中：η為煤粉懸浮率，%；W1為過濾前濾紙質(zhì)量，g；W2為過濾后濾紙和煤粉的質(zhì)量，g。

1.1.3 煤粉懸浮劑優(yōu)選

根據(jù)防煤粉懸浮劑機(jī)理研究，選擇14 種具有疏水親水基團(tuán)在兩側(cè)分布的分子結(jié)構(gòu)的懸浮劑，按照壓裂液添加劑助劑通常加量0.1%～0.3% 的標(biāo)準(zhǔn)，對13 種懸浮劑單劑選擇0.2% 加量，分別進(jìn)行80～100 目煤粉懸浮率測定，各懸浮率測定結(jié)果見表1。

表1 單劑煤粉懸浮率測定數(shù)據(jù)表Table 1 Data sheet for determination of suspension rate of single-agent pulverized coal

研究表明，在懸浮劑0.2%濃度加量下，b，e，g，k 煤粉懸浮性能較好，其中b，e，k 懸浮劑懸浮能力為15%～16%，g 懸浮劑懸浮率超過18%，單劑加量0.2%下效果最好。

壓裂液助劑加量一般為0.1%～0.3%，因此將懸浮性能較強(qiáng)的4 中懸浮劑單劑分別評價不同濃度下對80～100 目煤粉的懸浮性能。如表2 所示。

根據(jù)實驗結(jié)果可以看出，懸浮劑g懸浮能力最強(qiáng)，在濃度0.05%的情況下，懸浮率可達(dá)16.77%，相比于單劑懸浮劑，多種單劑進(jìn)行復(fù)配得到的懸浮劑效果通常更為理想，結(jié)合單劑實驗結(jié)果，選擇以不同濃度的懸浮劑g 作為主劑，與其他懸浮劑進(jìn)行復(fù)配，并測定懸浮率，對比不同懸浮劑復(fù)配結(jié)果，優(yōu)選最優(yōu)懸浮劑配方，實驗結(jié)果見表3。

表2 不同濃度單劑的煤粉懸浮率測定數(shù)據(jù)表Table 2 Data table for determination of pulverized coal suspension rate at different concentrations of single agent

表3 單劑復(fù)配煤粉懸浮率測定數(shù)據(jù)表Table 3 Data sheet for determination of suspension rate of single-agent compounded coal powder

通過復(fù)配懸浮劑性能對比，有多種混合懸浮劑出現(xiàn)配伍性差的現(xiàn)象。對配伍性良好的配方進(jìn)行對比，以懸浮劑g 為主劑的懸浮劑配方具有更好的懸浮效果，其中0.2%g+0.2%b 煤粉懸浮性能最好，達(dá)到25.2%。

從煤粉懸浮劑理論分析，懸浮劑的作用是吸附煤粉，減小分散的煤粉聚集趨勢，無法加速煤粉分散過程，因此加入分散劑可以加快煤粉分散速度，進(jìn)一步提高煤粉懸浮性能。選擇分散劑FP-1，F(xiàn)P-2，F(xiàn)P-5 評價煤粉懸浮性能，見表4。

研究表明，未加入分散劑時懸浮率為25.2%，加入分散劑后，煤粉懸浮性能出現(xiàn)一定變化。其中分散劑FP-1 與分散劑之間配伍性較差，加入該分散劑后懸浮率下降至19.16%～21.65%；加入分散劑FP-5 后懸浮率變化較小，懸浮率為24.03%～25.82%；加入分散劑FP-2 后懸浮率有所提高，其中加入0.1%濃度FP-2 后，懸浮率升高至27.33%。

因此,該煤粉懸浮劑最佳配方為0.2%g+0.2%b+0.1%FP-2，對80～100 目煤粉懸浮率達(dá)到27.33%。

表4 復(fù)配后煤粉懸浮率測定數(shù)據(jù)表Table 4 Data table for determination of pulverized coal suspension rate after compounding

1.2 防膨劑優(yōu)選

壓裂液進(jìn)入地層后，黏土遇水容易膨脹分散，隨著流體流動運(yùn)移，堵塞地層孔隙，降低裂縫導(dǎo)流能力，對地層造成傷害，因此體系中需加入黏土穩(wěn)定劑。

煤層與砂巖儲層有所區(qū)別，煤層滲透率受壓裂液影響變化較大，尤其與壓裂液中有機(jī)添加劑發(fā)生反應(yīng)，造成煤層滲透率下降，因此煤粉壓裂液中減少使用有機(jī)類添加劑，文中選用無機(jī)鹽KCL 作為防膨劑進(jìn)行防膨率測定。選擇KCL 濃度1.0%～2.5%進(jìn)行濃度優(yōu)化，實驗結(jié)果見表5。

表5 不同濃度KCl 的防膨率測定數(shù)據(jù)表Table 5 Anti-swelling rate data of KCl at different concentrations

實驗表明，在1.0%～2.5%濃度范圍內(nèi)KCL 加量越高，防膨效果越好，但濃度超過2%情況下，防膨效果增加的不明顯，2.0%KCl 防膨率達(dá)到87.05%，2.5%KCl 防膨率為87.38%，因此體系選用2.0%的KCl 作為防膨劑。

1.3 助排劑優(yōu)選

壓裂液進(jìn)入煤層后如不能順利返排，則會堵塞地層孔隙，進(jìn)一步降低煤層滲透率保持能力，降低壓裂施工效果。在壓裂液中添加助排劑，可以有效降低破膠液表/界面張力，改善煤層親水性能，促進(jìn)壓裂液返排。實驗使用接觸角測定儀，采用正交實驗法，懸浮劑配方中加入3 種不同助排劑在不同濃度下的表面張力，實驗結(jié)果見表6。

表6 助排劑表面張力測定數(shù)據(jù)表Table 6 Data sheet for determination of surface tension of drainage aid

由實驗結(jié)果可知，相同濃度的ZP-1，ZP-2，ZP-3 中，助排劑ZP-1 與懸浮劑混合后性能下降，表面張力高于30 mN/m；助排劑ZP-2 表面張力為27.25～28.12 mN/m，壓裂液性能指標(biāo)中要求體系表面張力小于28 mN/m，ZP-2 可達(dá)到性能要求；助排劑ZP-3 表面張力最低，助排效果最好，在0.1%時表面張力為23.21 mN/m，0.3%濃度時表面張力為21.05%。由于煤層氣壓裂液中應(yīng)盡量減少有機(jī)助劑，并且0.1%ZP-3 濃度下已具有良好助排性能。因此配方選用0.1% ZP-3 作為助排劑。

通過以上配方優(yōu)選，確定了懸浮煤粉低傷害壓裂液體系基本配方為0.2%g+0.2%b+0.1%FP-2+0.1%ZP-3+2%KCl。

1.4 懸浮煤粉低傷害壓裂液綜合性能評價

1.4.1 基本性能評價

常規(guī)水基壓裂液為凍膠狀，需具有較強(qiáng)的黏度和攜砂能力，綜合性能評價一般包括黏度、流變性能、靜態(tài)濾失等。而煤層氣所用壓裂液體系為降低對儲層傷害，不使用凍膠體系，而采用活性水體系，黏度與水接近，為1 mPa·s，因此不考慮相關(guān)流變性能及濾失性能[15]。根據(jù)壓裂液通用技術(shù)條件指標(biāo)中要求的密度、表觀黏度、pH 值、防膨率等進(jìn)行實驗測定，評價體系綜合性能，測定結(jié)果見表7。

表7 壓裂液基本性能Table 7 Basic properties of fracturing fluid

根據(jù)實驗結(jié)果可以看出，該體系環(huán)境下各性能指標(biāo)符合技術(shù)條件要求，并且壓裂液基液具有良好的防膨性能和助排性能，除此之外，該體系還具有適用于煤層氣儲層的作用，對煤粉可起到懸浮作用，懸浮率為27.81%，可提高山西柳林區(qū)塊煤層氣儲層壓裂效果。

1.4.2 體系煤巖基質(zhì)傷害率測定

為確定研究的壓裂液體系效果，鉆取目標(biāo)井區(qū)煤樣，利用室內(nèi)巖心流動儀依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)SYT 5107—2005《水基壓裂液性能評價方法》測定壓裂液體系的煤巖滲透率傷害率[16]，實驗結(jié)果見表8。

表8 巖心基質(zhì)滲透率傷害率測試Table 8 Damage rate test of core matrix permeability

根據(jù)實驗結(jié)果可以看出，普通活性水壓裂液體系煤巖基質(zhì)傷害率為31.94%，采用防煤粉壓裂液體系后，煤巖基質(zhì)傷害率為17.60%。防煤粉壓裂液體系可以有效懸浮煤粉，減少儲層堵塞，降低壓裂改造對煤層的滲透率傷害。

2 現(xiàn)場應(yīng)用情況

2016 年11 月17 日，自主研發(fā)的懸浮煤粉低傷害壓裂液在山西柳林區(qū)塊開展現(xiàn)場實施，以CLY-a 井為例：8#煤層和9#煤層正擠前置液202.70 m3，加入40～70 目石英砂2.0 m3；正擠攜砂液302.83 m3，攜砂階段累計加入20～40 目石英砂33.02 m3，16～20 目石英砂5.14 m3。3#，4#，5#煤層正擠前置液193.09 m3，加入40～70 目石英砂2.0 m3；正擠攜砂液302.48 m3，攜砂階段累計加入20～40 目石英砂33.03 m3，16～20 目石英砂5.98 m3；本段施工累計加砂38.01 m3。該壓裂液可以將煤粉攜帶出地面，降低了煤層對地層的傷害。壓裂液體系應(yīng)用情況見表9。

目前應(yīng)用該體系已成功實施4 井次多層壓裂，相比于常規(guī)活性水壓裂的煤層氣井，初期日產(chǎn)氣量增加24.5%，平均改造有效周期增加18.4%，平均累產(chǎn)增加27.6%，取得了良好效果。

表9 壓裂液體系應(yīng)用情況Table 9 Application of fracturing fluid system

3 結(jié)論

1）針對山西柳林區(qū)塊煤層氣儲層壓裂井產(chǎn)出煤粉的問題，研發(fā)出了煤粉懸浮劑配方為0.2%g+0.2%b+0.1%FP-2， 對80～100 目 以 下 煤 粉懸浮率達(dá)到27.33%。以煤粉懸浮劑為基礎(chǔ)，研發(fā)出了懸浮煤粉低傷害壓裂液體系配方為0.2%g+0.2%b+0.1%FP-2+0.1%ZP-3+2%KCl。體系綜合性能符合技術(shù)要求，具有較強(qiáng)的防膨性及助排性，并具有防煤粉懸浮的性能，煤粉懸浮率為27.81%。該體系對煤層的傷害率由31.94%降低至17.6%，大大提高了壓裂液體系對儲層的保護(hù)能力。

2）通過4 口井多層的現(xiàn)場施工表明，該壓裂液適合開發(fā)煤層氣井使用、平均產(chǎn)量增加20%以上，在壓裂工藝中發(fā)揮了攜帶煤粉，降低儲層傷害并增加產(chǎn)氣量的作用。通過使用懸浮煤粉低傷害壓裂液體系，生產(chǎn)井的檢泵周期得到延長，改造有效周期增加超過15%，壓裂后產(chǎn)量顯著增加。