煤体结构及煤层气压裂液参数优选试验研究

苏 龙

（山西阳泉新宇岩土工程有限责任公司，山西 阳泉 045000）

本文以煤层气地质学作为理论基础，深入研究了煤层气的赋存状态与吸附作用。在现场得到的资料和实验室资料的基础上，对压裂参数进行了比较和优选，为其他相同地质环境矿区的煤层气研究提供一定借鉴。

1 煤层气赋存和吸附特性

一般情况下，煤层气在煤层内有3种基本赋存状态：①被吸附于煤的孔隙、裂隙内表面上的气体，即吸附气；②以游离状态存在于煤的孔（裂）隙中，即游离气；③溶解于煤层水中的气体，即溶解气。在煤化过程中产生的气体首先满足吸附，之后是溶解与自由沉淀。温度和压力共同作用之下，3种不同形式的气体处于动态的平衡体系内。

1.1 吸附气体

大部分瓦斯被吸附在煤层中，据估计，吸附瓦斯占煤中瓦斯总量的70～85%，其比值取决于煤变质作用和埋藏深度等因素。

1.2 游离气体

煤中游离气体含量不大。据来自艾鲁尼和其他来自前苏联科学院的信息，煤具有适度的变质程度，自由气体占总气体含量只有6～10% ，深度范围为300～1100m。

1.3 水溶性气体

甲烷具有一定的水溶性。根据煤科学研究院西安分院进行的系统甲烷水溶性试验的结果，每升水可溶解0.1L至几升甲烷。甲烷在水中的溶解度很低。然而，当极难溶解的甲烷被大量的地下水溶解时，大量的气体被从气池中运出，导致甲烷消散。在自然界中，煤层往往是含水层，当储层压力足够低以使气体从煤中解吸时，由于地下水的流动，可以从煤层中去除甲烷。据统计，山西煤田中的煤层气大部分存在于吸附状态的煤层微孔中，占总气量的49～99%，而游离气体占气体总量的1～51%，其中大部分小于10%，如图1。

图1 山西煤田煤中吸附气与游离气所占百分比

2 煤层断裂特征

煤的裂隙是煤储层中煤层气进行流动的渠道，是煤储层渗透性的前提。影响煤储层最大渗透方向和煤层气井压裂方向的重要参数，与井网布置及井距的关系密切。借助电子显微镜观察，该区1煤层的变质程度相对较高，且发育不良好，只有在镜面煤带中存在。井田的煤样经电镜观察，煤发育次生裂隙，二次裂缝宽度和伸长率不均匀，不同裂缝的形状主要孤立或几个裂缝相交，无网状结构的形成，局部高岭石或方解石填充。古3孔裂缝密度远大于古2孔，而交叉裂缝现象普遍存在，反映了矿区不同地段煤层裂隙的非均质性和渗透性差异。

3 压裂液试验及优化

所采用的压裂水基凝胶压裂液由清水、增稠剂、交联助剂、凝胶断路器等组成。具有缝纫和承载能力的砂土，黏度可调，可控性好，摩擦小，损耗系数低。缺点是储层损坏，为了使压裂液对储层造成的损害降到最低，以下是各种添加剂的优选试验。

3.1 优选增稠剂

增稠剂是水基凝胶压裂液的主要组成成分，主要用于提高压裂液的粘度，提高制缝和带砂的能力。有许多增稠剂可供选择，根据其来源分为三类，即合成聚合物、生物聚合物、天然高分子 (纤维素和植物胶)。植物胶的高粘度及其衍生物的增稠剂，易于配料，价格低廉，被广泛用于压裂液的增稠。羟丙基胍胶具有融水速度快、含水不溶物含量低、耐温性好等优点，是国内外油田应用最广泛的压裂液增稠剂。压裂采用羟丙基胍胶作增稠剂，增稠剂的性能主要表现为其增稠能力、交联能力和水物。因此，对常用的五种胍胶的性能进行了比较，如表1所示。

从实验数据可以看出，瓜尔胶5的黏度、含水量、溶出率和交联性能均良好，综合性能最好。因此，瓜尔胶被选为压裂液的增稠剂。

表1 几种不同胍胶对比试验

3.2 交联剂优选

交联剂是水基冻胶压裂液的重要组分。交联剂是能与聚合物线型大分子链形成新的化学键，使其联结成网状体型结构的化学剂。聚合物水溶液因交联作用形成冻胶。交联剂的选用由聚合物可交联的官能团和聚合物水溶液的pH值决定。交联剂的用量与压裂液的耐温性能有关，用量越大，耐温性能越好。因此，应根据地层温度确定交联剂的用量。

交联速度应根据井深确定，进入煤层段时，压裂液开始交联。常用的交联剂有YL-1、 JC-15、有机钛、有机锆，其中有机钛和有机锆使用较早，多为高温水井，在低温下破碎凝胶困难，针对前两个交联剂做性能对比，如表2。

表2 交联剂性能比较

由于研究区煤层埋深较浅，根据实验结果，优选YL-1作为本次压裂液的交联剂。

3.3 破胶剂的优选

该胶剂可以降低增稠剂的分子，破坏凝胶的结构，使压裂液进入地层，可以打破凝胶，在指定的时间内回排并释放压裂液，减少损伤压裂液的形成。常用的有有氧化破碎剂和酶制剂，APS是最常用的氧化断路器。用量对冻胶性能有很大的影响，大量的胶凝剂能迅速地导致胶断裂，使接缝和砂带的能力较差，从而使施工失败。小剂量会导致破碎的凝胶缓慢而不完全，因此，用量亟待优化。影响破胶剂用量的主要因素是储层的温度与施工的时间。因此，实验优选出了压裂液在不同温度与不同时间条件下破胶剂的用量，如图2所示。

图2 破胶剂用量与温度、时间的关系

由图可以明显的看出，温度为24℃时，YDH-1能非常好的刺激APS，起到很好的作用。因此，该压裂试验选择YDH-1作为低温的活化剂。

4 压裂液最佳配方优化试验

为了形成适合于研究区储层的压裂液配方，要了解压裂液在该地区的作用；了解各种添加剂在压裂液中的作用，并对这些添加剂进行研究，加入这些添加剂的适当剂量；了解添加剂的组成与压裂液本身的相容性如何；了解地层压裂液对油层的损害程度以及如何减少甚至避免这种破坏。根据研究区低温储层的特点，充分考虑了压裂施工技术的要求，通过大量的添加剂和用量的精细试验，得出了适合该地区的低温压裂液配方：

0.22%YZ-1（稠化剂）+ 0.8%KCL（防膨剂）+ 0.04%YS-1（杀菌剂）+ 0.04%YL-1（交联剂）+0.08%YDH-1（活化剂）+ 0.04%～0.15%APS（破胶剂）

根据优选的配方配置压裂液，静置一天一夜之后，压裂液透明、无浑浊、无沉淀、相容性好。可以得出，优选的压裂液配方比较好的适用于研究区的储层压裂。

5 支撑剂实验与优化

水力压裂的最终目的是在地层中建立一个高支撑裂缝，形成高流动电导率和足够长的砂裂隙，是煤层气增量提高的极为重要的因素。粒径细小的细砂非常容易导致局部堵塞，一定程度上降低了裂缝的渗透性，而泥质煤粉容易迁移和堵塞，对支撑剂及其性能的研究是非常重要的。研究区储层中存在大量的结构软煤，对压裂用的支撑剂要求就高了。常规压裂采用的石英砂不符合施工要求，煤层不能发挥应有的支护效果，但大量的埋入式结构的软煤，形成了靠近井口的压实区，压裂液创造有效的裂缝起到配角的作用，对新井的施工，对支撑剂的优选作一定的试验，并得到了理想的实验效果。

描述支撑剂性能有以下几个参数：支撑剂粒径、支撑剂密度、支撑剂强度等。目前，用于煤层气储层压裂施工常见的支撑剂有石英砂支撑剂、陶粒支撑剂、木质支撑剂、树脂包衣砂支撑剂等，对其性能描述见表3。

6 现场效果

压裂施工数据表明，排量越大，形成的裂缝越窄，高度越大，且容易压穿顶底板含水层，而煤层压裂的关键是扩大缝宽和缝长，因此小排量施工是比较合适的方法，现场施工效果表明，4～5m3/min 的排量较为适宜。选用粒径在8～10目、密度在1.3～1.4g/cm3的支撑剂，目的一是降低携砂液的负担，二是可迅速填满构造煤，使剩余的支撑剂有效支撑裂缝，使得煤层气连续产出。

7 结论

研究区特殊的储层条件要求压裂液在压裂时应具有更强的承载能力，普通活性压裂液并不能很好的实现这一要求。胍胶的砂承载能力较好，但破碎塑料外壳不完整，对整体地层的渗透性造成了一定的损害。结合本文所做的一系列试验与现场相结合，得出以下优化后的配比方案：0.22%YZ-1（稠化剂）+ 0.8%KCL（防膨剂）+ 0.04%YS-1（杀菌剂）+0.04%YL-1（交联剂）+ 0.08%YDH-1（活化剂）+0.04%-0.15%APS（破胶剂）。此方案在现场应用，取得了理想的效果，对煤矿的经济生产起到了重要的作用。