王 坤， 趙倩云， 黃 超

(1川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院 2低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實(shí)驗(yàn)室 3長慶油田分公司油氣工藝研究院)

中國埋藏2 000 m以內(nèi)的煤層氣資源量約為36.81×1012m3，與常規(guī)天然氣資源量大致相當(dāng)[1-2]，具有廣闊的開發(fā)前景。煤層氣儲(chǔ)層由于其低含氣飽和度、低滲透率以及低壓力的“三低”特性[3-4]，必須通過儲(chǔ)層改造才能實(shí)現(xiàn)煤層氣資源的有效開發(fā)。

以山西省寧武盆地9號(hào)煤層為例，針對(duì)目前煤層氣井儲(chǔ)層改造用活性水、清潔壓裂液體系存在的問題，研制了一種可實(shí)時(shí)變黏壓裂液體系，兼顧上述兩種體系優(yōu)點(diǎn)，具有低傷害、低摩阻、攜砂性好、施工簡單等技術(shù)優(yōu)勢(shì)。通過控制施工過程中稠化劑濃度，可實(shí)現(xiàn)不同階段壓裂液黏度的實(shí)時(shí)控制。現(xiàn)場應(yīng)用表明，這種可實(shí)時(shí)變黏壓裂液體系在施工過程中性能良好，能夠滿足設(shè)計(jì)要求，施工成功率100%。

一、寧武盆地9號(hào)煤層基本概況

寧武盆地構(gòu)造特點(diǎn)為由南往北略呈平緩抬起，向斜東西兩翼邊部產(chǎn)狀較陡，軸部產(chǎn)狀平緩，向斜南、北二端開闊平緩。主要含煤地層為石炭系上統(tǒng)太原組9號(hào)煤層，埋深300～1 500 m，厚度為8～14 m，煤層滲透率普遍0.1～1.0 mD，孔隙度為3.9%～5.2%，屬于特低滲透、低壓煤層氣田[5]。

由于煤層普遍具有松散、弱膠結(jié)、高濾失性等特點(diǎn)，前期改造過程中多采用活性水壓裂液體系，存在地面施工壓力高、波動(dòng)大、易砂堵等問題。經(jīng)壓后資料統(tǒng)計(jì)，前期活性水壓裂液改造9井次，僅5井次能夠按照設(shè)計(jì)施工參數(shù)完成施工，施工成功率僅為55.6%，嚴(yán)重影響改造效果。

二、可實(shí)時(shí)變黏壓裂液體系性能評(píng)價(jià)

結(jié)合寧武盆地9號(hào)煤層壓裂改造存在的問題，制定的壓裂液思路為：黏度可實(shí)時(shí)控制、能夠滿足低溫條件下破膠、殘?jiān)康?、煤巖傷害小，室內(nèi)研制了一種能夠?qū)崟r(shí)變黏的壓裂液體系，并完成了其性能評(píng)價(jià)。

1.實(shí)驗(yàn)材料及儀器

可實(shí)時(shí)變黏壓裂液體系稠化劑HT-1、破膠劑PJ-1，川慶鉆探鉆采工程技術(shù)研究院研發(fā)產(chǎn)品；巖心，寧武盆地9號(hào)煤層巖心。

品氏毛細(xì)管黏度計(jì)，上海耶茂儀器儀表有限公司；ZNN_D6六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)，青島海通達(dá)專用儀器有限公司；RS6000型流變儀，德國HAAKE公司；表界面張力儀，德國KRUSS公司；巖心傷害測試儀，美國TEMCO公司。

壓裂液體系配方： 高砂比(砂比大于15%)階段：2.0%HT-1+清水。前置液及低砂比階段：1.0%HT-1+清水。

2.稠化時(shí)間

可實(shí)時(shí)變黏壓裂液體系采用液態(tài)稠化劑HT-1，遇水即可使水體稠化。室溫25℃，水溫18℃，測試不同濃度稠化劑體系遇水后運(yùn)動(dòng)黏度達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的稠化時(shí)間，結(jié)果如圖1。

圖1 不同濃度HT-1體系遇水稠化時(shí)間

從圖1可看出，不同濃度HT-1稠化劑遇水在40 s時(shí)黏度基本達(dá)到穩(wěn)定，根據(jù)稠化劑濃度1.0%～2.0%的變化，體系運(yùn)動(dòng)黏度保持在8.8～20.3 mPa · s左右。

3.不同溫度和濃度下體系黏度變化

圖2為不同濃度壓裂液體系在剪切速率為170 s-1下黏度隨溫度的變化曲線。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)溫度開始上升時(shí)，增稠劑中表面活性劑分子鏈隨溫度升高后舒展，纏繞交叉的分子鏈相互疏松，導(dǎo)致黏度降低，體系黏度隨溫度升高呈先迅速減小后逐漸趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)。當(dāng)溫度升至40℃時(shí)不同濃度壓裂液體系黏度在7.8～15.2 mPa·s。

圖2 不同溫度不同濃度壓裂液耐溫試驗(yàn)

4.破膠實(shí)驗(yàn)

破膠劑的加入可在一定時(shí)間內(nèi)使壓裂液水化，從而提高返排速度。室內(nèi)研發(fā)出破膠劑PJ-1，進(jìn)行HT-1稠化劑濃度在2%時(shí)的破膠實(shí)驗(yàn)(表1)，在溫度為30℃時(shí)，當(dāng)PJ-1加入比例0.02%時(shí)，體系120 min破膠，破膠液黏度4.3 mPa · s；在溫度為40℃時(shí)，當(dāng)PJ-1加入比例0.02%時(shí)，體系120 min破膠，破膠液黏度3.5 mPa · s，說明PJ-1加入比例0.02%時(shí)壓裂液體系即可徹底破膠。

表1 破膠試驗(yàn)(2% HT-1+清水)

5.殘?jiān)鼫y定

壓裂液殘?jiān)窃斐傻貙雍椭蝿?dǎo)流能力傷害的主要原因。對(duì)破膠后的不同濃度可實(shí)時(shí)變黏壓裂液體系進(jìn)行殘?jiān)鼫y試，殘?jiān)科骄?.63～1.37 mg/L，基本無殘?jiān)?/p>

6.巖心傷害測試

壓裂液對(duì)煤層導(dǎo)流能力的損害主要是固體顆粒對(duì)割理裂縫的堵塞傷害和煤巖對(duì)壓裂液中有機(jī)組分的吸附而引起的傷害[6]。

分別采用2.0%和1.0%濃度的稠化劑HT-1對(duì)寧武9號(hào)煤巖進(jìn)行滲透率傷害測試，測試過程滲透率隨時(shí)間變化如圖3和圖4。

圖3 實(shí)時(shí)變黏壓裂液體系(2.0% HT-1)

圖4 實(shí)時(shí)變黏壓裂液體系(1.0% HT-1)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，2.0%HT-1可實(shí)時(shí)變黏壓裂液體系對(duì)煤巖傷害率是17.6%，1.0%HT-1可實(shí)時(shí)變黏壓裂液體系對(duì)煤巖傷害率是15.6%，可見隨著稠化劑濃度的降低，煤巖的傷害率也越低。

三、現(xiàn)場應(yīng)用

1.施工流程

可實(shí)時(shí)變黏壓裂液體系現(xiàn)場施工流程如圖5，施工過程在線混配、連續(xù)施工，通過控制稠化劑加入濃度，可實(shí)現(xiàn)不同階段壓裂液黏度的實(shí)時(shí)控制。HT-1稠化劑按照1.0% ～2.0%的比例連接至混砂車，與清水在混砂車混合、攪拌后即可攜砂。在施工過程中，前置液階段采用2.0%HT-1+清水，利用高黏液造縫，加砂階段低砂比采用1.0%HT-1+清水即可滿足攜砂要求，當(dāng)砂比大于15%后，可提高稠化劑濃度至2.0%，可滿足最高砂比30%的現(xiàn)場施工。

圖5 實(shí)時(shí)變黏壓裂液體系現(xiàn)場施工流程圖

2.應(yīng)用情況

可實(shí)時(shí)變黏壓裂液體系在寧武盆地9號(hào)煤層累計(jì)完成現(xiàn)場試驗(yàn)13井次，最低施工排量8.0 m3/min(表2)，施工成功率100%，較前期提高了近50%。

表2可實(shí)時(shí)變黏壓裂液體系現(xiàn)場試驗(yàn)情況統(tǒng)計(jì)表

施工井號(hào)砂量/m3液量/m3砂比排量/(m3·min-1)施工壓力/MPaNW1171.21172.910.3%9.029.8～37.6NW11-271.51053.810.6%9.016.1～27.9NW11-472.3924.513.6%8.013.9～29.1NW5-161.41053.79.8%8.020.6～35.4NW5-353.3745.912.7%9.021.9～27.6NW5-262.71012.49.8%8.027.8～31.7NW5-560.3841.612.6%9.035.9～42.3NW5-464.6890.710.8%8.027.5～34.8NW9-551.8943.610.6%8.023.8～32.8NW9-263.4714.521.6%8.024.3～33.6NW9-152.7842.612.5%8.031.8～35.6NW9-362.51013.710.8%8.033.5～36.9NW9-468.7953.611.7%8.029.7～30.8

通過對(duì)施工過程分析，可實(shí)時(shí)變黏壓裂液體系現(xiàn)場施工具有以下特點(diǎn)：

2.1 低摩阻性能好

現(xiàn)場應(yīng)用13井次中最低施工排量8.0 m3/min，1井次最高施工壓力超過40 MPa(表2)，占比7.7%，較前期活性水改造77.8%井次最高施工壓力超過40 MPa降幅明顯，有效降低了施工風(fēng)險(xiǎn)，提高了施工成功率。

2.2 液體效率高，造縫效果好

前置液造縫階段和高砂比階段時(shí)加入2.0% HT-1稠化劑，體系黏度可保持在20.3 mPa · s左右，能夠有效提高液體的造縫效率。施工過程壓力基本平穩(wěn)(圖6)，裂縫延伸情況較好。

圖6 實(shí)時(shí)變黏壓裂液體系施工曲線

2.3 攜砂性能好，滿足高砂比壓裂施工要求

可實(shí)時(shí)變黏壓裂液體系高砂比階段攜砂性能好，在2.0%HT-1濃度下最高施工砂比可達(dá)28.2%(圖7)，平均砂比21.6%，提高了支撐劑的鋪置濃度和鋪置效果。

四、結(jié)論

(1)研究開發(fā)形成了煤層氣井用可實(shí)時(shí)變黏壓裂液體系，該體系具有可實(shí)時(shí)變黏、在線混配、連續(xù)施工、破膠液殘?jiān)康偷燃夹g(shù)優(yōu)勢(shì)。

圖7 實(shí)時(shí)變黏壓裂液體系高砂比壓裂施工試驗(yàn)

(2)可實(shí)時(shí)變黏壓裂液體系滿足低傷害的要求，平均巖心傷害率為16.6%。

(3)現(xiàn)場試驗(yàn)表明，該技術(shù)解決前期寧武盆地煤層氣井施工難度大的問題，施工成功率較前期提高了近50%，為該地區(qū)今后煤層氣高效開發(fā)提供了重要的技術(shù)保障。

[1]李相臣，康毅力，陳德飛，等.鉆井完井液對(duì)煤層氣解吸-擴(kuò)散-滲流過程的影響—以寧武盆地9號(hào)煤層為例[J].天然氣工業(yè)，2014，34(1)：1-6.

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[4]姜偉，管保山.煤層氣壓裂返排過程中煤粉產(chǎn)出規(guī)律實(shí)驗(yàn)研究[J].煤田地質(zhì)與勘探，2014，42(3)：47-49.

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