新疆阜康矿区煤层气井压裂液优选研究

张 军 孙 斌

(1.新疆煤田地质局一五六煤田地质勘探队，新疆 830091；2.中石油煤层气有限责任公司，北京 100028)

煤层气井的增产主要靠储层改造，而储层改造的主要工程手段为水力加砂压裂。由于煤层比表面积大，煤层具有很强的吸附或吸收各类液体和气体的能力。根据相关研究测得煤层总的割理孔隙度仅为1%～2%，煤层基质吸附压裂液会导致割理孔隙度和渗透率的大幅下降，且这种吸附性伤害是不可逆的，会极大影响储层改造的效果。因此，煤层气井压裂液与煤储层的配伍性极为重要。

为了优选出适用于阜康矿区煤层气井用的压裂液，采用了阜康矿区的煤心进行压裂液伤害实验。分别测试了活性水、清洁压裂液、胍胶压裂液等3种不同压裂液在模拟地层原始温度下的渗透率伤害值，并结合压裂液性能及成本，推荐适用于阜康矿区煤层气井的压裂液。

1 压裂液液体性能

压裂液技术是煤层压裂的核心技术，压裂液在煤层中形成一定规模的裂缝和将支撑剂携带入裂缝中对其予以支撑。目前煤层压裂常用的压裂液体系有活性水压裂液、清洁压裂液、胍胶压裂液。

压裂液的携砂能力和伤害性是压裂液的主要性能参数，也是评价压裂液是否满足煤层压裂需要的评价指标。下面将从压裂液的性能参数和现场应用情况对常用的压裂液进行分析。

1.1 活性水压裂液

活性水压裂液是煤层压裂中应用最为普遍的压裂液，主要成分为清水+氯化钾，其具有对储层伤害低、成本低的特点，但因其滤失大、携砂性能差，需要采用大排量注入的方法，提高液体流速来实现携砂，因此多采用光套管注入的方式。

分别测定不同粒径支撑剂(粗砂18～30目、中砂20～40目、中细砂40～70目)在活性水压裂液中的沉降速度，实验结果显示，粗砂的沉降速度最快，中砂的沉降速度低于粗砂，中细砂的沉降速度低于中砂；三种支撑剂在活性水中的沉降速度略低于清水，实验数据见表1。由于支撑剂在活性水中沉降速度较快，同时因活性水在压裂施工过程中滤失较大，两种因素易导致支撑剂堆积使得施工压力升高，甚至造成砂堵，因此活性水压裂液需要采用光套管大排量(8～13m3/min)注入的方式施工。

表1 活性水压裂液悬砂性能实验

1.2 清洁压裂液

由于活性水压裂液的携砂能力差、摩阻高，需要采用光套管大排量注入的方式进行施工，无法满足需要采用油管注入等特殊井压裂的需要。针对这一情况研发了适用于煤层压裂的清洁压裂液体系，它的主要成分为粘弹性表面活性剂+交联剂，其具有造缝效率较高、携砂性能较好、摩阻低等特点，对煤层的伤害率略高于活性水压裂液，成本也略高于活性水压裂液，能够实现在较低排量下加砂的要求。清洁压裂液的悬砂性能和伤害性能如下。

同样采用沉降实验测定了清洁压裂液的悬砂性能(实验数据见表2)，实验结果显示清洁压裂液中各种类型支撑剂沉降速度远低于在活性水中的沉降速度：活性水中粗砂的沉降速度是清洁压裂的6.1倍，中砂是13.6倍，粉砂是28.1倍；说明清洁压裂液具有良好的携砂性能。

表2 不同类型石英砂在新型清洁压裂液中沉降速度

清洁压裂液主要靠交联后形成的网状胶束和粘度携砂，考虑到压裂施工会对清洁压裂液造成不同程度的剪切，测定了其在30℃、170S-1剪切作用下粘度的变化情况，实验结果显示清洁压裂液具有良好的抗剪切能力，其粘度在剪切前后没有明显变化，说明清洁压裂液在进入地层前后粘度保持稳定，悬砂性能未受到影响。

1.3 胍胶压裂液

胍胶压裂液是常规油气井中应用最普遍的压裂液，主要成分为改性胍胶+交联剂，具有很强造缝效率和携砂能力，支撑剂在成胶后的压裂液中基本处于静止悬浮状态，能够在低排量下将高浓度的支撑剂携带到裂缝的远端。但传统观念认为胍胶压裂液对煤层的伤害过大(70%以上)，不适用于煤层压裂。通过分析认为，胍胶压裂液对煤层的伤害大主要是由于地层温度低无法充分破胶和破胶后残渣过多导致的。其性能参数如下：

1.3.1 残渣情况

胍胶压裂液对煤层的伤害主要是由于残渣导致，其主要来源于胍胶的质量、使用浓度、破胶情况，残渣的产生不可避免。实验评价了不同浓度胍胶破胶后残渣含量，实验结果显示相同品质的胍胶在充分破胶情况下其残渣的含量与使用浓度呈线性关系，详见图1。

图1 不同浓度胍胶液的残渣含量

1.3.2 悬砂能力与粘度

胍胶压裂液主要靠粘度携砂，测定0.12%浓度下胍胶基液的粘度为5mPa·s，交联后可挑挂，支撑剂在交联液中处于静止悬浮状态。同样测定了胍胶压裂液在剪切前后的粘度变化，在30℃、170S-1剪切作用下剪切100分钟，测得胶联液的粘度在50mPa·s以上，仍然具有很强的悬砂能力。

2 渗透率伤害实验成果及分析

本次渗透率伤害实验采用的仪器为岩心流动实验装置，选用的实验流体为标准盐水:2.0%KCl+5.5%NaCl+0.45%MgCl2+0.55%CaCl2， 共配置了18种压裂液进行压裂液伤害实验，清洁压裂液和胍胶压裂液采用的是按照配方比例滤去残渣后的破胶液。

本次压裂液伤害实验用的样品来至阜康矿区，将采集的煤样混合后再破碎成一定粒度后，在人造煤心制备机上压制成煤心使用。

本次实验方法为先用标准盐水正向驱替人造煤心，待渗透率稳定后得到渗透率K1。然后再用一定浓度的压裂液反向驱替煤心待压裂液与人造煤心充分反应后，再用标准盐水正向驱替人造煤心，待渗透率稳定后得到渗透率K2，通过计算(K1-K2)/K1比值计算出压裂液对人造煤心的伤害率。压裂液伤害实验结果见表3。

表2 三种压裂液性能对比

表3 伤害实验结果数据表

续表

通过试验结果分析如下：

(1)表3给出了不同类型压裂液在地层温度下煤心伤害前后的平均渗透率及三种压裂液对煤心的平均伤害率。由于清洁压裂液和胍胶压裂液采用的是按照配方比例滤去残渣后的破胶液做的伤害性实验，所以这两种液体的实际伤害率由于受到残渣和破胶不完全的影响比真实的渗透率伤害要高，因此，由表3可以看出加入助排剂和粘土稳定剂的新型活性水对煤心的伤害率最小，是与煤层配伍性最好的压裂液体系。

(2)活性水压裂液中加入一定比例的助排剂和粘土稳定剂有助于降低压裂液对煤储层的渗透率伤害。

3 阜康矿区以往压裂情况分析

根据阜康矿区某区块压裂的8口井的压裂数据(表4)分析可知，储层深度超过1100m，活性水压裂施工难度很大，易发生砂堵，平均砂比低于6%，裂缝中铺砂强度低，不利于裂缝的支撑，无法按照设计要求改造储层。

4 压裂液成本分析

根据以往每层压裂施工使用的支撑剂约为60m3，按照液体的携砂性能折算每层携砂液的费用，三种压裂液成本如表5。

表4 阜康矿区部分井压裂数据表

表5 三种压裂液(仅化工料)成本概算

5 结论

综合考虑压裂液粘度、携砂性能、粘度、对储层的伤害及经济性，经过对比，加入一定比例助排剂和粘土稳定剂的活性水压裂液是对煤层伤害性最小、与煤层配伍性最好的压裂液，建议以后在新疆准南煤田阜康矿区煤层气井压裂施工中应该首选加入一定比例助排剂和粘土稳定剂的活性水压裂液。

若对施工压力高的深煤层气井(储层深度超过1100m)进行压裂施工，可以在活性水性能不足的前提下选择低浓度低伤害低温破胶的清洁压裂液。

参 考 文 献

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