李 夢(mèng)，陳 磊，鮑文輝，趙 健，申金偉，孫厚臺(tái)，許田鵬

（中海油田服務(wù)股份有限公司油田生產(chǎn)事業(yè)部，天津 300459）

鄂爾多斯盆地東緣神府-臨興區(qū)塊在含煤巖系中，除賦存有豐富的煤層氣資源外，在煤層頂?shù)装鍑鷰r中往往共生有豐富的頁(yè)巖氣、致密砂巖氣資源，同樣具有巨大開發(fā)潛力。為了提高資源采收率，低成本、高效益開采非常規(guī)天然氣資源，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)規(guī)?；_發(fā)，需要進(jìn)行煤層氣、頁(yè)巖氣、致密砂巖氣等多目標(biāo)層合采，即致密砂巖氣、煤層氣、頁(yè)巖氣合層壓裂[1，2]。由于致密砂巖氣、煤層氣、頁(yè)巖氣三者的儲(chǔ)層物性、裂縫形態(tài)、增產(chǎn)機(jī)理、傷害機(jī)理等存在較大區(qū)別，在壓裂合采過(guò)程中，壓裂液的選擇要同時(shí)考慮施工成功率和儲(chǔ)層的保護(hù)。

1 多目標(biāo)儲(chǔ)層特征及難點(diǎn)

在鄂爾多斯盆地東緣臨興區(qū)塊含煤巖系中，在埋深1 500～2 000 m 處，廣覆式生烴的煤系烴源巖與大面積分布的致密砂巖儲(chǔ)集層、煤儲(chǔ)層及泥巖儲(chǔ)層相互疊置[3]，形成了煤層氣、頁(yè)巖氣、致密氣“三氣”共存的氣藏特征。

1.1 煤層氣

在儲(chǔ)層內(nèi)，山西組的4+5 號(hào)煤層和太原組8+9 號(hào)煤為區(qū)內(nèi)主力煤層，4+5 號(hào)煤層，平均孔隙度為4.53%，平均滲透率為0.28×10-3μm2；8+9 號(hào)煤平均孔隙度為4.45%，平均滲透率為0.298×10-3μm2，煤巖物性較好[4，5]。但由于煤儲(chǔ)層具有松軟、割理發(fā)育、表面積大、吸附性強(qiáng)、壓力低等與油藏儲(chǔ)層不同的特性，容易引起施工壓力高、裂縫系統(tǒng)復(fù)雜、易砂堵、支撐劑嵌入、壓裂液的返排率低及煤粉堵塞等問題。煤層氣壓裂工藝一般通過(guò)大排量形成縫網(wǎng)達(dá)到增產(chǎn)的目的，目前常用的煤層氣壓裂液有活性水壓裂液、線性膠壓裂液、交聯(lián)凍膠壓裂液、清潔壓裂液和泡沫壓裂液等類型[6]。

1.2 頁(yè)巖氣

臨興區(qū)塊上古生代發(fā)育了太原組和山西組兩套泥頁(yè)巖地層，山西組泥頁(yè)巖總有機(jī)碳含量范圍1.13%～8.62%，平均值3.91%，有機(jī)質(zhì)成熟度1.28～1.60；太原組泥頁(yè)巖總有機(jī)碳含量范圍1.15%～40.81%，平均值13.94%，有機(jī)質(zhì)成熟度0.93～1.78，顯示出具有較高的頁(yè)巖氣資源潛力[7]。

頁(yè)巖氣儲(chǔ)層傷害機(jī)理與常規(guī)天然氣的不同，頁(yè)巖的敏感性礦物、物性及孔隙結(jié)構(gòu)、巖石潤(rùn)濕性和含水飽和度等特征都存在特殊性，壓裂液對(duì)頁(yè)巖的傷害除固相和液相傷害外，還存在頁(yè)巖自吸和軟化帶來(lái)的傷害[8]。頁(yè)巖氣壓裂工藝采用水平井分段壓裂，并以大排量形成縫網(wǎng)實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)。目前頁(yè)巖氣壓裂開發(fā)中的壓裂液體系分為以滑溜水、清潔壓裂液和纖維素壓裂液為主的水基壓裂液以及高壓CO2和N2為注入氣體的泡沫壓裂液[9]，尤其以滑溜水應(yīng)用最為廣泛。

1.3 致密砂巖氣

煤系致密砂巖以巖屑砂巖為主，其次為巖屑石英砂巖和長(zhǎng)石巖屑砂巖：山西組致密砂巖儲(chǔ)層長(zhǎng)石含量較高，以巖屑砂巖為主，其次為巖屑長(zhǎng)石砂巖和長(zhǎng)石巖屑砂巖，少量巖屑石英砂巖；太原組致密砂巖儲(chǔ)層長(zhǎng)石含量明顯減少，主要為巖屑砂巖，巖屑石英砂巖次之[4]。儲(chǔ)集層的孔隙度和滲透率均較低，孔隙度主要分布在2%～10%，滲透率主要分布在0～0.5 mD，屬于典型的致密砂巖[7]。致密氣儲(chǔ)層以低孔、低滲、低溫的特征為主，孔喉堵塞、水鎖傷害、黏土膨脹等是造成儲(chǔ)層傷害的主要因素[10，11]。目前致密砂巖主要采用低傷害的凍膠壓裂液，施工工藝采用小排量、高砂比形成長(zhǎng)裂縫。

2 壓裂液適應(yīng)性研究

通過(guò)對(duì)煤層氣、致密砂巖氣、頁(yè)巖氣三類儲(chǔ)層特征的分析，選取了活性水、滑溜水、線性膠、清潔壓裂液和凍膠壓裂液5 種壓裂液體系，通過(guò)增黏、攜砂、破膠和儲(chǔ)層保護(hù)性能的研究，優(yōu)選出適合多目標(biāo)儲(chǔ)層的壓裂液。5 種壓裂液配方如下：

1#（活性水）：水+2%KCl+助排劑；

2#（滑溜水）：2%KCl+0.2%減阻劑+0.5%助排劑；

3#（線性膠）：0.25%HPG+2%KCl+0.5%助排劑；

4#（清潔壓裂液）：2%KCl+1.5%主劑+0.8%交聯(lián)劑；

5#（凍膠壓裂液）：2%KCl+0.3%HPG+0.5%助排劑+0.2%低溫活化劑+0.05%殺菌劑+0.3%交聯(lián)劑。

2.1 增黏性能

用黏度計(jì)測(cè)試5 種壓裂液在50 ℃下的黏度，測(cè)試結(jié)果（見表1）。從表1 可知，1#活性水黏度最小，5#凍膠壓裂液的黏度最高。從不同壓裂液攜砂原理分析，1#活性水壓裂液小，液體造縫效率低，主要通過(guò)大排量增壓造縫，其施工砂比一般10%左右；2#和3#壓裂液具有較小的黏度，由于其具有較好降阻效果，主要是通過(guò)大排量造縫和攜砂，其施工最高砂比較低，一般不超過(guò)30%；4#清潔壓裂液具有較強(qiáng)的黏彈性，其造縫效率較高，并通過(guò)黏彈性攜砂，其施工最高砂比可達(dá)40%；5#凍膠壓裂液通過(guò)高黏度造縫和攜砂，可實(shí)現(xiàn)小排量大砂比，最高砂比可超過(guò)60%。

表1 壓裂液黏度測(cè)試數(shù)據(jù)

2.2 攜砂能力

參照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《礫石充填防砂水基攜砂液性能評(píng)價(jià)方法》的實(shí)驗(yàn)方法，通過(guò)測(cè)試20/40 目陶粒在壓裂液中的沉降速度表征壓裂液的攜砂能力，測(cè)試結(jié)果（見表2）。從表2 可知，1#到3#壓裂液隨著黏度的增加，陶粒沉降速度降低，有利于壓裂液更好的攜砂；4#與5#壓裂液相比，凍膠壓裂液中陶粒沉降速度更低，說(shuō)明5#壓裂液攜砂能力更強(qiáng)。

表2 壓裂液攜砂能力測(cè)試數(shù)據(jù)

2.3 破膠性能

在50 ℃下，5 種壓裂液加入破膠劑破膠4 h，測(cè)試破膠的黏度和殘?jiān)?，測(cè)試結(jié)果（見表3）。1#活性水沒有大分子添加劑，無(wú)需破膠。2#和3#添加了少量的高分子聚合物，破膠后破膠液黏度低，殘?jiān)可佟?#清潔壓裂液選用清水破膠，破膠液黏度低，殘?jiān)啃?，但煤層氣、?yè)巖氣、致密氣均屬于氣藏，無(wú)法提供大量地層水用于破膠，所以現(xiàn)場(chǎng)破膠存在困難。5#凍膠壓裂液加破膠液后破膠液黏度和殘?jiān)烤哂谄渌麎毫岩?，這是由于破膠液含有交聯(lián)劑，仍可與胍膠大分子交聯(lián)形成殘膠，導(dǎo)致破膠液黏度和殘?jiān)可?，因此?duì)非常規(guī)低孔、低滲儲(chǔ)層造成的傷害不可忽視。

表3 壓裂液破膠性能數(shù)據(jù)

2.4 儲(chǔ)層保護(hù)性能

以氮?dú)鉃榱鲃?dòng)介質(zhì)，測(cè)試壓裂液破膠液對(duì)不同儲(chǔ)層巖心基質(zhì)滲透率損害率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果（見表4）。從表4分析可知，1#活性水對(duì)三種巖心的損害率最低，活性水中不含聚合物大分子，不存在固相堵塞傷害，其傷害主要來(lái)源于水敏和水鎖傷害。2#與3#壓裂液相比，2#壓裂液對(duì)三種巖性的損害率小于3#，3#壓裂液的稠化劑為HPG，本身存在少量水不溶物，破膠后殘?jiān)扛哂?#壓裂液，其造成固相堵塞傷害就越高。4#清潔壓裂液破膠后變成小分子表面活性劑，基本無(wú)固相堵塞傷害，其對(duì)三種巖性的損害率略高于1#活性水壓裂液。5#凍膠壓裂液的損害率大大高于其他壓裂液，其主要原因是破膠液中存在大量的大分子和殘膠，其帶來(lái)較高的固相傷害，致使其損害率較高。

表4 巖心基質(zhì)滲透率損害率

根據(jù)儲(chǔ)層改造工藝分析，多目標(biāo)儲(chǔ)層改造以致密砂巖為主，煤層氣和頁(yè)巖氣為輔，施工排量6～8 m3/min，設(shè)計(jì)最高砂比35%。綜合上述壓裂液性能評(píng)價(jià)結(jié)果，1#活性水和2#滑溜水壓裂液黏度低，攜砂能力差，只適用于大排量、低砂比壓裂施工工藝；4#清潔壓裂液的攜砂能力強(qiáng)、儲(chǔ)層傷害小，但對(duì)于非常規(guī)氣藏壓裂，難以提供大量地層水用于破膠，存在破膠困難的問題，不適用于非常規(guī)儲(chǔ)層壓裂；5#凍膠壓裂液攜砂能力強(qiáng)，但其破膠液殘?jiān)扛?、巖心損害率大，對(duì)儲(chǔ)層污染大，可能會(huì)影響后期產(chǎn)量；3#線性膠壓裂液的攜砂能力、殘?jiān)俊r心損害率性能較為均衡，其性能滿足深部（1 500～2 000 m）非常規(guī)多目標(biāo)儲(chǔ)層壓裂改造對(duì)排量和砂比的要求[12]。

3 結(jié)論

（1）通過(guò)分析煤層氣、致密砂巖氣、頁(yè)巖氣三類目標(biāo)儲(chǔ)層特征，不同儲(chǔ)層增產(chǎn)機(jī)理、傷害機(jī)理和施工工藝存在較大差異，因此壓裂液選擇時(shí)重點(diǎn)考慮施工工藝和儲(chǔ)層傷害。

（2）通過(guò)對(duì)比5 種水基壓裂液，活性水和滑溜水壓裂液黏度低、攜砂能力差，適用于大排量、低砂比壓裂施工工藝；清潔壓裂液存在破膠困難的問題，不適用于非常規(guī)儲(chǔ)層壓裂；凍膠壓裂液破膠液殘?jiān)扛?、巖心損害率大，對(duì)儲(chǔ)層污染大。所以，針對(duì)煤層氣、致密砂巖氣、頁(yè)巖氣三類目標(biāo)儲(chǔ)層合層壓裂，推薦線性膠壓裂液，其具有一定的攜砂能力、殘?jiān)康汀?chǔ)層傷害較小的優(yōu)點(diǎn)，滿足深部（1 500～2 000 m）非常規(guī)多目標(biāo)儲(chǔ)層壓裂改造對(duì)較大排量和較高砂比的要求。