表面活性剂对煤层的多尺度伤害研究进展

2021-01-20宋峙潮卓振州李小刚任军林

石油化工应用 2020年12期

宋峙潮，宋瑞，卓振州，李小刚，任军林

（1.中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300457；2.西南石油大学，油气藏地质与开发国家重点实验室，四川成都 610500；3.渤海钻探工程有限公司第一固井分公司，河北任丘 062552）

从煤层气开发的角度讲，由于煤层渗透率极低（可达到10-3mD），需要进行水力压裂施工[1]。施工用压裂液以活性水为主，少数井使用了线性胶和冻胶[2，3]。但活性水压裂存在滤失大、携砂及煤粉分散能力差等问题，导致施工后增产效果不明显。线性胶及冻胶由于存在大量高分子聚合物，而煤基质主要成分为有机分子，对于高分子物质的吸附能力远大于常规储层，大分子物质会吸附在基质表面上，造成阻塞孔喉、增大渗流阻力、阻碍甲烷解吸等一系列后果，所以线性胶及冻胶两种液体对煤层改造效果也不明显[4]。

以表面活性剂为主要成分的清洁压裂液及泡沫压裂液，逐渐尝试应用于煤层气的开发，并越来越得到重视[5，6]。清洁及泡沫压裂液具有无固相残留、摩阻较小、煤层伤害低、携砂能力强、滤失量小等优点。2006 年，中联煤层气有限责任公司对陕西省韩城地区的3 口井，共8 个煤层进行了清洁压裂液压裂试验，施工成功率100 %，取得了良好的压裂效果[7]。2014 年，刘敏[8]研制出了不添加高分子聚合物的泡沫压裂液体系，并选择山西省沁水县的5 口井进行现场实验，压裂施工后气井见气率为80 %，相比周边活性水压裂后的见气率30 %，有更显著的效果。但使用表面活性剂压裂也存在着少数失败的案例，例如滇东黔西的EH-C6 井，同样采用低伤害泡沫压裂液体系进行压裂施工后，最高产气量仅为84.662 m3/d。针对问题井，需要分析其可能存在的伤害类型。2019 年，冯青[9]从地质、工程及排采三个方面分析了煤层气井潜在伤害因素，总结后发现在工程因素中，压裂液种类及浸泡时间、压裂施工异常对储层产气量影响较大。假设施工过程不存在问题，压裂液的侵入会对煤层造成怎样的损害，液体伤害率实验是否能完整的展现表面活性剂对煤层的伤害。笔者思考了煤层气从地层到井底的整个过程，并梳理出每个环节中的潜在损害因素，总结了表面活性剂对煤层的伤害机理，提出了如何更科学的评价表面活性剂伤害率。

1 甲烷在煤基质中解吸能力损害

煤层气的开采主要分为排水降压、解吸扩散、渗流采气这几个过程。排水是为了通过带走地层中的物质，进而带走地层能量，降低地层压力，使原本吸附在煤基质中的甲烷气体解吸出来，这一过程与常规砂岩储层存在显著差别。煤岩有特殊的赋存机理[10]，一般把煤基质理想化为若干个规则的立方体单元，这些单元是煤层气的主要储集空间，而割理则是流体运移的主要通道。表面活性剂作为小分子进入煤层，可能不会对甲烷在煤层中的运移造成巨大影响，但是相对于甲烷分子的大小，含有12～18 个碳（或更多碳）的表面活性剂已经属于大分子，它吸附在煤基质中会对更小分子的甲烷解吸造成影响，通过常规的渗透率实验，无法准确地评价表面活性剂对煤层的真实伤害。

2016 年，高波等[11]以沁水盆地石炭统太原组15 号煤为研究对象，研究了低伤害活性水压裂液通过毛管自吸进入煤储层后，会对储层吸附解吸性能的影响。实验通过对比未经处理煤粉及压裂液处理后煤粉的甲烷解吸量，发现压裂液处理后煤样的甲烷解吸率下降了10.23 %。

虽然高波等使用活性水进行的甲烷在基质中的解吸能力损害实验，但对以表面活性剂为主要成分的清洁压裂液及泡沫压裂液依然具有指导意义。虽然活性水压裂液在携砂降滤等方面与清洁及泡沫压裂液相比，性能较差，但对煤层的伤害程度却最低[12]。所以考虑不同种类单一表面活性剂或多种表面活性剂混合，对甲烷在煤基质中的解吸能力损害是有意义的。

2018 年，康志勤等[13]使用自行设计的块煤吸附解吸实验装置，研究了低压下块状同体积原生结构煤、碎裂煤和糜棱煤的CH4吸附解吸能力。实验发现，结构致密的原生煤甲烷吸附量低，而碎裂煤则由于脆性变形，增加了中孔和微小孔等吸附孔体积，导致煤中CH4解吸量的增加。2019 年，Xiaokai Xu[14]、Zhenni Ye 等[15]对比了原生煤与构造煤结构的区别，讨论了构造应力对孔隙结构的影响，并进一步分析了孔隙结构对瓦斯吸附和渗流的控制机理，结果表明：强烈的构造应力引起的变形，有利于形成甲烷吸附的孔隙，但会破坏天然形成的割理裂缝，造成甲烷渗流能力变差。综合前人结论可知，相较于使用煤粉进行的实验，使用煤块能够显示出煤体结构对甲烷吸附解吸能力的影响。2019 年，NiGuanhua 等[16]指出，脉动水力压裂使用低压高频、高压低频、高压高频能促进甲烷气体的解吸，相较于传统的静态水力压裂，具有提高甲烷解吸能力的效果。所以考虑，对高波等的实验装置进行改进，使装置能够模拟不同的水力压裂方法，且样品为煤块状态。通过对比表面活性剂未处理及处理后的甲烷解吸率，将会更加真实地还原，使用清洁或泡沫压裂液进行压裂施工后，煤层中甲烷解吸能力损害情况。

2 甲烷在割理缝中渗流能力损害

甲烷通过解吸扩散过程顺利进入割理裂缝后，将会渗流进入支撑裂缝中。而最能表现渗流能力损害情况的指标就是渗透率。2018 年，郑力会等[17]在室内采用恒压法、恒流量法、岩屑脉冲衰减法、柱塞脉冲衰减法、压力振荡法和核磁共振法对15 个煤样，进行了钻井液及压裂液伤害前后渗透率测定。综合实验结果及数学处理得出，岩屑脉冲衰减法适用于煤基质的伤害程度测试，而恒流量法适用于测量整体的伤害程度，两者并行使用测定渗透率以评价煤层气储层伤害程度最为合理。针对甲烷渗流能力损害程度，虽然郑力会等通过比选分析，给出了较为完整的测试方法。但这种方法只具备宏观性与整体性，表面活性剂对甲烷渗流能力的损害是通过多个方面体现的，需要“抽丝剥茧”通过宏观或微观的手段一一分析。笔者思考，表面活性剂对渗流的影响是从吸附这个方面来体现。

2005 年，郑军等[18]考察了阴离子、阳离子、非离子表面活性剂（共六种药剂）对煤样的气相损害率ag，实验发现阴离子表面活性剂对气相渗透率的损害程度最大，损害率高达97.2 %。因为存在以下两点条件：（1）煤分子表面上的胺基在中性条件下一般不带电荷，故羧基使煤表面带负电荷。（2）微粒之所以能吸附在孔壁上，是因为煤微粒与孔壁之间的范德华引力大于静电斥力。所以可以推断，阴离子表面活性剂对煤层伤害程度高是因为：阴离子型表面活性剂的阴离子基团与煤表面上阴离子基团相互排斥，疏水基团趋向于吸附在煤表面上，阴离子基团朝外，使煤微粒与孔隙壁面之间排斥作用增加，促使微粒分散运移，对煤岩造成损害。郑军等从可能会造成煤粉运移这个角度，指出了表面活性剂吸附对甲烷渗流能力的损害。笔者考虑，这种推断可以通过扫描电镜等微观手段，定点观测不同表面活性剂处理前后，煤样结构的变化来验证。

由于表面活性剂结构的特殊性，吸附在煤层中还会造成润湿性的改变，进而影响气相渗透率[19-21]。邱正松等[22]、胡友林等[23]认为：在压裂液中加入憎水的表面活性剂，增大压裂液与储层的接触角，使得压裂液不易进入储层的基质孔隙、且不易附着在储层孔隙表面形成水锁。但2018 年，宋金星等[24]指出，在压裂施工过程中，压裂液是被压裂车高压压入，而非通过毛管自吸进入储层，所以亲水的表面活性剂能增大水相渗流能力，使排水降压过程进行得更加充分，防止产生水锁[21]。宋金星等筛选了一种亲水的表面活性剂复配体系AN，并评价了亲水表面活性剂对煤层造成的水锁损害率，实验发现表面活性剂压裂液的水锁伤害率比活性水压裂液降低约40 %。

根据郑军等的研究可知，使煤层表现为亲水的表面活性剂应为阴离子型表面活性剂，但阴离子表面活性剂对气相渗透率的损害程度是最大的，所以不应该只比较含亲水表面活性剂压裂液与活性水压裂液的水锁伤害率。例如，2019 年Shuaifeng Lyu 等[25]就使用了一种无毒、可降解的天然表面活性剂大豆磷脂，虽然这种表面活性剂本身性能并不突出，但与常用的非离子表面活性剂OP-10 以1:3 的比例复配后，能够有效降低水锁伤害，提高气相渗流能力。所以笔者认为，可以考虑使用结构致密的原生煤，对比不同类型表面活性剂处理前后，束缚水饱和度下气相渗透率的大小，即可准确判断哪种表面活性剂对煤层造成的水锁损害更低。使用结构致密的原生煤主要原因：（1）原生煤喉道较细，能够使水锁造成的气相渗透率损害放大；（2）原生煤结构完整，不易产生煤粉影响实验结果。

同样由于表面活性剂结构的特殊性，表面活性剂溶液更易与气体形成一个相对稳定的体系[26]，即泡沫。人们对注气提高采收率进行研究，发现气水交替注入相对于连续注气，实施效果要更好一些[27]。2018 年，王微[28]通过室内实验比较了不同注入程序下，驱油效率的大小，发现气水交替注入驱油效率最高（83.2 %），并准确给出了最佳段塞体积以及气水比。气水交替注入能够通过增大气体渗流阻力，有效改善流度控制，扩大注入波及体积，减缓气水突破时间。从这种思路出发，人们发现如果向水中加入表面活性剂，气水两相形成泡沫，在某些情况下能更有效的提高驱油效率，还能提供封堵调剖的效果[29]。含有表面活性剂的压裂液通过滤失进入煤层后，吸附在割理裂缝上。前文中提到表面活性剂吸附会改变煤层润湿性、诱导煤粉脱落产出，出现液、固两相滞留在割理裂缝中的现象。当甲烷通过解吸进入割理中，气液两相就会形成泡沫，夹杂脱落的煤粉形成相对稳定的三相流[30]，导致渗流产生的贾敏效应增强[31]，与泡沫驱原理类似，这会极大增加气体渗流阻力。但在泡沫驱中是为了提高波及效率，而在煤层气井开发中，则会导致严重损害，影响气井产能。

前人实验大多在含水条件下进行，排除液体对气相渗流能力的影响，深入分析表面活性剂的吸附可能对甲烷渗流能力造成的伤害。2019 年，笔者采用滇东黔西地区L 煤矿煤样，钻取直径约为2.5 cm 的岩心，按如下步骤进行气测渗透率实验：（1）烘干岩样正驱做气测渗透率K1；（2）将煤样饱和自行筛选的表面活性剂复配体系XN-QP；（3）烘干岩样正驱做气测渗透率K2。气测渗透率实验结果（见图1）。

图1 表面活性剂溶液对煤心伤害实验

在经表面活性剂溶液饱和后，出现渗透率升高的现象，伤害率为-40.96%。而在实验后期，出现了渗透率陡降的现象，这可能是因为煤体结构较弱，出现了煤粉运移堵塞，但随着继续驱替，渗透率有所恢复。为了研究为什么会出现气相渗透率升高的现象，使用扫描电镜的手段，进行镜下观察（见图2、图3）。

图2 未浸泡煤岩，850 倍

图3 浸泡后煤岩，2 800 倍

由图2 可知，未经浸泡处理的煤岩，其表面微裂缝很少。而在图3 中可以看出，浸泡处理后的煤岩上发生了表面活性剂吸附且吸附现象主要发生在次生微裂缝产生较多的区域，而没有吸附现象发生的区域，就没有次生微裂缝产生。

2002 年Colin RWard[32]研究发现煤质中的矿物通常包括方解石、白云石、黄铁矿和黏土矿物等，黏土矿物主要为高岭石及伊利石。Yiyu Lu 等[33，34]使用XRD 衍射及扫描电镜等手段综合分析发现，表面活性剂能够降低煤中黏土矿物的含量，提高煤样渗透率，改善甲烷在割理裂缝中的流动。2019 年Fan C 等[35]指出盐酸和氢氟酸的复合溶液，可以破坏煤的孔隙结构，提高煤层的渗透性，在后续研究中发现，十二烷基硫酸钠（SDS）与酸溶液有协同增效作用，与土酸溶液混合后，能有效提高酸蚀破坏程度，使煤层中裂隙明显增加。可以假设，表面活性剂在煤层吸附，可能会生成次生微裂缝，提高甲烷渗流能力。在后续研究中，可以考虑使用不同种类的单一表面活性剂分别饱和岩心，镜下观察表面活性剂吸附区域次生微裂缝发育情况是否有区别，尝试解释表面活性剂吸附致裂的机理。

3 表面活性剂对支撑裂缝导流能力的损害

前文提到，以表面活性剂为主要成分的压裂液主要为清洁压裂液及泡沫压裂液。清洁压裂液对支撑裂缝导流能力的损害主要体现在，由于表面活性剂压裂液的滤失及吸附（在割理及微裂缝发育的煤岩中尤其严重），导致表面活性剂的蠕虫状胶束被破坏[36，37]。失去黏弹性的表面活性剂压裂液携砂能力降低，支撑剂沉降过快影响压裂施工效果，甚至会造成砂堵[38]。由于泡沫的特殊结构，虽然其滤失程度低，在煤层中的吸附量也较少，但其相对稳定的气液两相结构如果不能及时被破坏，就会导致贾敏效应增强，阻碍甲烷气体的流动，影响支撑裂缝的导流能力。肖博等[39]，通过在表面活性剂溶液中加入纳米复合纤维，使此压裂液体系在预防支撑剂回流、缓解煤粉聚集、降低滤失、增强携砂性能、降低摩阻等方面效果显著，降低对支撑剂层的导流能力伤害。但是如何通过一些宏观或微观的手段，量化表面活性剂对支撑裂缝导流能力造成的损害，还有待研究。