高 翔

中國(guó)石油大慶油田第七采油廠

柳林地區(qū)煤層壓裂液傷害評(píng)價(jià)及應(yīng)用

高 翔

中國(guó)石油大慶油田第七采油廠

壓裂增產(chǎn)技術(shù)是煤層氣開(kāi)發(fā)的重要手段之一。針對(duì)鄂爾多斯盆地柳林地區(qū)煤層具有儲(chǔ)層壓力低、滲透率低、孔隙度低和含氣飽和度低以及煤層吸附性較強(qiáng)等特點(diǎn)，通過(guò)使用短巖心（暫堵）酸化流動(dòng)儀進(jìn)行了活性水壓裂液、線性膠壓裂液、凍膠壓裂液和清潔壓裂液對(duì)煤巖的柳林地區(qū)煤巖心滲透率傷害評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，活性水對(duì)巖心滲透率的傷害程度最低，為9.82%，清潔壓裂液的傷害程度為43.49%，凍膠破膠液壓裂液的傷害程度為81%，線性膠壓裂液的傷害程度為89.3%，對(duì)煤層傷害程度依次為：活性水＜清潔壓裂液＜凍膠破膠液＜線性膠。使用優(yōu)選出的活性水壓裂液對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施壓裂10口井，單井的最大砂比不超過(guò)30%，平均砂比15%左右，顯示出活性水壓裂液的攜砂能力滿足壓裂施工要求，施工成功率接近100%。

煤層氣滲透率壓裂液活性水傷害評(píng)價(jià)

柳林地區(qū)煤層氣區(qū)塊位于山西省的西部，河?xùn)|煤田的中部，煤層地層發(fā)育于二疊系山西組—石炭系太原組，含氣面積達(dá)194.42 km2，其煤層氣資源開(kāi)發(fā)潛力巨大。柳林地區(qū)煤層測(cè)試結(jié)果表明，儲(chǔ)層壓力低、滲透率低、孔隙度低和含氣飽和度低的“四低”特性且具有非常強(qiáng)烈的非均質(zhì)性。目前，對(duì)“四低”煤層氣的開(kāi)采比較困難，需要通過(guò)壓裂增加煤層中連通性好的裂縫來(lái)提高煤層氣井產(chǎn)能。但是柳林地區(qū)煤層節(jié)理發(fā)育完善，吸附性較強(qiáng)，常規(guī)壓裂液會(huì)對(duì)煤層產(chǎn)生較大的堵塞傷害。針對(duì)以上問(wèn)題，在進(jìn)行文獻(xiàn)調(diào)研的基礎(chǔ)上，優(yōu)選了活性水（清水）、線性膠壓裂液、凍膠壓裂液、清潔壓裂液作為該地區(qū)的備選壓裂液，并通過(guò)巖心流動(dòng)模擬實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)了這些壓裂液對(duì)煤層的傷害。

1 柳林地區(qū)煤層氣藏地質(zhì)特征與壓裂作業(yè)傷害特征

1.1 柳林地區(qū)煤氣藏壓裂地質(zhì)特征

1）柳林地區(qū)煤巖儲(chǔ)層有效孔隙度小于5%，滲透性差，具有特低孔、特低滲的特點(diǎn)。

2）煤層與上下遮擋層間的最小主應(yīng)力差超過(guò)4 MPa，煤層破裂壓力較低，壓裂施工采用大排量作業(yè)成為可能［1］。

3）煤層埋藏淺，煤層溫度低，限制了稠化劑交聯(lián)壓裂液的應(yīng)用［2］。

4）煤層具有中低壓特性，壓裂過(guò)程中壓差大、易濾失，煤層壓裂傷害大。

1.2 柳林地區(qū)煤氣藏壓裂傷害特征

煤巖晶格結(jié)構(gòu)特殊性使巖石表面性質(zhì)較活躍，對(duì)流體具有較大吸附能力，導(dǎo)致煤巖孔隙孔喉縮小或堵塞，滲流能力降低[3-4]。另外，煤巖通常比較疏松，導(dǎo)致煤層具有比較強(qiáng)的壓敏性，即使高壓后恢復(fù)原始?jí)毫?，煤層的滲透性也不能恢復(fù)。煤層中通常夾有一定的沙泥巖成份，遇水發(fā)生膨脹、運(yùn)移使煤層在各種作業(yè)過(guò)程中表現(xiàn)出水敏特性［1］。同時(shí)，純的煤層無(wú)常規(guī)膠結(jié)，巖體脆而易散，在流體剪切作用下，煤粉極易脫落、遷移，從而容易導(dǎo)致對(duì)支撐裂縫的堵塞傷害[4-6]。

2 柳林地區(qū)煤層氣井的壓裂液體系及其特點(diǎn)

針對(duì)柳林地區(qū)煤層低孔、低滲以及埋藏淺、儲(chǔ)層溫度低的地質(zhì)特點(diǎn)，選出活性水（清水）、線性膠壓裂液、凍膠壓裂液、清潔壓裂液作為該地區(qū)的備選壓裂液。

2.1 活性水壓裂液

活性水、清水作為壓裂液的突出特點(diǎn)是價(jià)格便宜，對(duì)煤層傷害小[7-8]。但是這種壓裂液攜砂能力弱，難以形成長(zhǎng)的支撐裂縫，而且導(dǎo)流能力不高。另外，活性水存在表面活性劑的吸附傷害；由于煤層夾有泥巖、黏土礦物，采用清水壓裂容易引起黏土膨脹傷害。

受限于煤層氣低產(chǎn)特性，降低成本是煤層氣開(kāi)發(fā)的主要原因之一，因而，活性水壓裂液成為目前國(guó)內(nèi)外煤層壓裂的主要液體材料。

2.2 線性膠及凍膠壓裂液

線性壓裂液黏度高，攜砂能力好，能夠形成長(zhǎng)支撐裂縫。對(duì)煤層的主要傷害表現(xiàn)在聚合物及表面活性劑吸附傷害、壓裂液濾餅傷害、植物膠的殘?jiān)氯麄?，破膠不徹底造成傷害[9]。另外，線性壓裂液費(fèi)用較高，特別是瓜膠的價(jià)格漲幅劇增后，經(jīng)濟(jì)上的劣勢(shì)更加明顯。

2.3 清潔壓裂液

清潔壓裂液屬于高分子聚合物壓裂液，其突出特點(diǎn)在于黏度高、攜砂能力好，能夠形成長(zhǎng)的支撐裂縫，抗剪切性能好，易于破膠，無(wú)殘?jiān)?，?duì)煤層傷害小。其不足在于對(duì)煤層形成表面活性劑的吸附傷害，以及黏土膨脹傷害。同時(shí)，材料費(fèi)用高，經(jīng)濟(jì)上不具備優(yōu)勢(shì)[10-11]。

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)相關(guān)儀器和設(shè)備：短巖心（暫堵）酸化流動(dòng)儀（如圖1）1臺(tái)、氮?dú)馄?個(gè)、恒流泵1臺(tái)、巖樣模型1個(gè)、手動(dòng)壓力機(jī)1臺(tái)、60目篩子1套、游標(biāo)卡尺1個(gè)以及燒杯、量筒和天平。

圖1 短巖心（暫堵）酸化流動(dòng)儀及示意圖

3.2 實(shí)驗(yàn)樣品

針對(duì)煤層壓裂常用的壓裂液，本次實(shí)驗(yàn)選用清潔壓裂液、活性水壓裂液、線性膠壓裂液和凍膠壓裂液作為實(shí)驗(yàn)檢測(cè)液體。

煤心（制備方法）[12]：將柳林地區(qū)煤層煤塊搗碎，用60目篩子篩制成煤粉加入到巖樣模型，在壓力機(jī)上加壓15 MPa成型，然后用氯化銨鹽水飽和備用，制備巖心數(shù)量為50個(gè)，其中留10個(gè)備用煤心。

3.3 實(shí)驗(yàn)方法

根據(jù)SY/T 5107—2005《水基壓裂液性能評(píng)價(jià)方法》，通過(guò)選用活性水、線性膠、凍膠及清潔壓裂液分別模擬煤心流動(dòng)試驗(yàn)，分析滲透性的損害程度，評(píng)價(jià)了4種不同壓裂液體系對(duì)來(lái)自柳林地區(qū)煤層的煤心滲透率的傷害大小。

3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

如圖2所示，分別為活性水壓裂液、清潔壓裂液、線性膠壓裂液和凍膠壓裂的破膠液對(duì)煤巖滲透率傷害實(shí)驗(yàn)結(jié)果。由圖可知，活性水的傷害程度最低，為9.82%（圖2-a）；清潔壓裂液的傷害程度為43.49%（圖2-b）；線性膠壓裂液的傷害程度為89.3%（圖2-c）；凍膠壓裂的破膠液對(duì)煤樣巖心滲透性的傷害率為81%（圖2-d），通過(guò)對(duì)比可以得出4種不同類型的壓裂液對(duì)煤層傷害程度依次為：活性水＜清潔壓裂液＜凍膠破膠液＜線性膠壓裂液。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

結(jié)合了柳林地區(qū)煤層氣井壓后產(chǎn)量低、施工壓力低、要求壓后傷害低等特點(diǎn)和需求，現(xiàn)場(chǎng)主要采用注入活性水進(jìn)行壓裂，一是降低成本，二是增加壓后助排及排采。對(duì)柳林地區(qū)使用活性水壓裂液對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施壓裂10口井，施工成功率接近100%。圖3給出了4口井的不同層位施工壓裂曲線圖。如圖3所示，每口井的最大施工排量控制在8 m3/min以內(nèi)。每口井的最大砂比不超過(guò)30%，平均砂比在15%左右，顯示出活性水壓裂液的攜砂能力滿足壓裂施工要求。另外，采用活性水作為主要壓裂液避免了過(guò)去煤層氣井壓裂易砂堵的不利局面。

現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中，通過(guò)提高加砂量、施工排量、最高砂比和平均砂比等相關(guān)參數(shù)，在優(yōu)化裂縫寬度、長(zhǎng)度、控制縫高的前提下，保證了現(xiàn)場(chǎng)施工的安全、順利和高效。

圖3 柳林地區(qū)部分井煤層壓裂施工曲線圖

5 結(jié)論

1）活性水壓裂液在柳林地區(qū)煤層滲透率傷害評(píng)價(jià)中傷害最小，為9.82%。

2）采用活性水壓裂施工最大排量控制在8m3/min內(nèi)，縫高控制好；最大砂比不超過(guò)30%，平均砂比在15%左右；活性水壓裂液的攜砂能力滿足壓裂施工要求。

3）活性水壓裂液在柳林地區(qū)煤層壓裂應(yīng)用效果較好，施工成功率100%。

[1]張遂安.壓裂液對(duì)煤層的傷害機(jī)理研究21世紀(jì)中國(guó)煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展與展望研討會(huì)[C].昆明:2002:273-276.

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（修改回稿日期 2016-7-12 編輯 陳古明）

高翔，1988年生，工程師，碩士；從事鉆井液壓裂酸化液技術(shù)研究工作。地址：（163517）黑龍江省大慶市大同區(qū)慶葡北街120號(hào)。電話：15776168183。E-mail：84238273@qq.com