悬浮煤粉低伤害压裂液体系研究与应用

宋爱莉，张 宸，陈维余，刘春祥，陈庆栋，高 双

（中海油能源发展股份有限公司 工程技术分公司，天津 300452）

煤层气储层具有低渗[1]、松软、表面积大[2]、吸附性强、压力低等特性[3]。山西柳林区块煤层气开发主要表现为低含气饱和度、低渗透率、低压力的三低特征，极大制约了煤层气的开发；储层的非均质性、松软特点，在生产中极易产生煤粉[4]，直接造成了生产设备的磨损，降低生产效率，影响后续生产和增产措施的实施。

煤层气储层的压裂改造过程中，压裂液携带支撑剂进入储层，支撑剂强度较高，对煤层表面存在冲刷效应，导致煤岩壁面破碎形成煤粉与压裂液混合[5]，但由于煤粉自身不具有分散性[6]，随压裂液运移过程中堆积于裂缝端部，阻挡裂缝扩展，同时产生煤粉堵塞支撑裂缝[7]，导致裂缝导流能力降低，影响压裂效果。因此煤层气开发所需的压裂液，应具有良好的煤粉悬浮性能。该研究针对柳林区块煤层气开发过程中产出煤粉的问题[8]，开展压裂液体系的研究，并成功应用于现场，取得良好效果。

1 悬浮煤粉低伤害压裂液体系研究

为增强煤层气储层改造效果，需要降低压裂过程中储层受到的伤害[9]。煤层气压裂改造过程中，压裂液对储层的伤害是主要因素。由于煤岩的表面积非常大，具有较强的吸附能力，所以要求压裂液同煤层及煤层流体完全配伍，防止发生不良的吸附和反应；煤层属于低孔低渗储层，要求压裂液本身清洁，避免对煤层孔隙产生堵塞[10]；由于压裂过程中，产生的煤粉对生产有巨大的影响，因此压裂液最重要的性能，要对煤粉具有强大的悬浮和携带作用，使之施工后可以随着压裂液返排出来，对裂缝产生清理作用[11]。

综合考虑煤储层特点及压裂工艺的要求，对煤层气压裂液的研发坚持如下原则：尽可能少地使用添加剂，特别是有机类添加剂；减少煤岩对压裂液的吸附[12]，使压裂液体系与煤层储层相配伍；降低压裂液残渣含量，有效保护储层；压裂液对煤粉具有较高的悬浮作用，可随着压裂液返排从地层中携带出来[13]。

1.1 煤粉悬浮剂研发

提高煤粉在压裂液中的悬浮能力，可以有效降低储层伤害。通过对煤粉悬浮机理的分析，选择可适用的悬浮剂进行正交实验，从而得到煤层气最适用的悬浮剂配方[14]。

1.1.1 煤粉悬浮剂作用机理

当水中煤粉悬浮剂浓度很稀时，吸附处于图1a阶段，煤粉颗粒与煤粉悬浮剂间主要作用为范德华力，吸附分子无法铺满煤粉表面。增加悬浮剂的加量，增加吸附分子在煤层表面的铺置面积，进入图1b 阶段，煤粉表面基本上被平躺的吸附分子铺满[4]；进一步增加悬浮剂的加量，由于吸附分子已经可铺满煤层表面，悬浮剂分子两侧为亲水基团和疏水基团，其中疏水基团聚集于煤粉表面，亲水基团随之向上，直到悬浮剂浓度达到最大，如图1c 所示。当煤粉悬浮剂吸附于煤粉颗粒表面时，煤粉的浸润性发生改变，因此可以将煤粉携带至压裂液中，清除地层中产生的煤粉。

图1 煤粉悬浮剂在煤粉表面的吸附模型Fig.1 Adsorption model of pulverized coal suspension

1.1.2 实验方法

根据煤粉悬浮机理，选择具有疏水亲水基团的不同种类的煤粉悬浮剂，在不同加量不同配比情况下进行正交实验。

实验过程将山西柳林区块煤样进行粉碎，筛选80～100 目的煤粉，置于105 ℃烘箱中干燥备用。

配制不同浓度的煤粉悬浮剂溶液备用。取50 ml悬浮剂溶液倒入50 ml 比色管中，然后加入0.5 g 煤粉。摇匀后，在超声波中静止30 min，再上下摇匀。然后静止2 h，观察煤粉的沉降状态。2 h 后，过滤上层清液，将过滤后滤纸放入105 ℃烘箱中干燥，称量上层清液中携带煤粉的数量[5]。煤粉悬浮率按照式（1）计算，即

其中：η为煤粉悬浮率，%；W1为过滤前滤纸质量，g；W2为过滤后滤纸和煤粉的质量，g。

1.1.3 煤粉悬浮剂优选

根据防煤粉悬浮剂机理研究，选择14 种具有疏水亲水基团在两侧分布的分子结构的悬浮剂，按照压裂液添加剂助剂通常加量0.1%～0.3% 的标准，对13 种悬浮剂单剂选择0.2% 加量，分别进行80～100 目煤粉悬浮率测定，各悬浮率测定结果见表1。

表1 单剂煤粉悬浮率测定数据表Table 1 Data sheet for determination of suspension rate of single-agent pulverized coal

研究表明，在悬浮剂0.2%浓度加量下，b，e，g，k 煤粉悬浮性能较好，其中b，e，k 悬浮剂悬浮能力为15%～16%，g 悬浮剂悬浮率超过18%，单剂加量0.2%下效果最好。

压裂液助剂加量一般为0.1%～0.3%，因此将悬浮性能较强的4 中悬浮剂单剂分别评价不同浓度下对80～100 目煤粉的悬浮性能。如表2 所示。

根据实验结果可以看出，悬浮剂g悬浮能力最强，在浓度0.05%的情况下，悬浮率可达16.77%，相比于单剂悬浮剂，多种单剂进行复配得到的悬浮剂效果通常更为理想，结合单剂实验结果，选择以不同浓度的悬浮剂g 作为主剂，与其他悬浮剂进行复配，并测定悬浮率，对比不同悬浮剂复配结果，优选最优悬浮剂配方，实验结果见表3。

表2 不同浓度单剂的煤粉悬浮率测定数据表Table 2 Data table for determination of pulverized coal suspension rate at different concentrations of single agent

表3 单剂复配煤粉悬浮率测定数据表Table 3 Data sheet for determination of suspension rate of single-agent compounded coal powder

通过复配悬浮剂性能对比，有多种混合悬浮剂出现配伍性差的现象。对配伍性良好的配方进行对比，以悬浮剂g 为主剂的悬浮剂配方具有更好的悬浮效果，其中0.2%g+0.2%b 煤粉悬浮性能最好，达到25.2%。

从煤粉悬浮剂理论分析，悬浮剂的作用是吸附煤粉，减小分散的煤粉聚集趋势，无法加速煤粉分散过程，因此加入分散剂可以加快煤粉分散速度，进一步提高煤粉悬浮性能。选择分散剂FP-1，FP-2，FP-5 评价煤粉悬浮性能，见表4。

研究表明，未加入分散剂时悬浮率为25.2%，加入分散剂后，煤粉悬浮性能出现一定变化。其中分散剂FP-1 与分散剂之间配伍性较差，加入该分散剂后悬浮率下降至19.16%～21.65%；加入分散剂FP-5 后悬浮率变化较小，悬浮率为24.03%～25.82%；加入分散剂FP-2 后悬浮率有所提高，其中加入0.1%浓度FP-2 后，悬浮率升高至27.33%。

因此,该煤粉悬浮剂最佳配方为0.2%g+0.2%b+0.1%FP-2，对80～100 目煤粉悬浮率达到27.33%。

表4 复配后煤粉悬浮率测定数据表Table 4 Data table for determination of pulverized coal suspension rate after compounding

1.2 防膨剂优选

压裂液进入地层后，黏土遇水容易膨胀分散，随着流体流动运移，堵塞地层孔隙，降低裂缝导流能力，对地层造成伤害，因此体系中需加入黏土稳定剂。

煤层与砂岩储层有所区别，煤层渗透率受压裂液影响变化较大，尤其与压裂液中有机添加剂发生反应，造成煤层渗透率下降，因此煤粉压裂液中减少使用有机类添加剂，文中选用无机盐KCL 作为防膨剂进行防膨率测定。选择KCL 浓度1.0%～2.5%进行浓度优化，实验结果见表5。

表5 不同浓度KCl 的防膨率测定数据表Table 5 Anti-swelling rate data of KCl at different concentrations

实验表明，在1.0%～2.5%浓度范围内KCL 加量越高，防膨效果越好，但浓度超过2%情况下，防膨效果增加的不明显，2.0%KCl 防膨率达到87.05%，2.5%KCl 防膨率为87.38%，因此体系选用2.0%的KCl 作为防膨剂。

1.3 助排剂优选

压裂液进入煤层后如不能顺利返排，则会堵塞地层孔隙，进一步降低煤层渗透率保持能力，降低压裂施工效果。在压裂液中添加助排剂，可以有效降低破胶液表/界面张力，改善煤层亲水性能，促进压裂液返排。实验使用接触角测定仪，采用正交实验法，悬浮剂配方中加入3 种不同助排剂在不同浓度下的表面张力，实验结果见表6。

表6 助排剂表面张力测定数据表Table 6 Data sheet for determination of surface tension of drainage aid

由实验结果可知，相同浓度的ZP-1，ZP-2，ZP-3 中，助排剂ZP-1 与悬浮剂混合后性能下降，表面张力高于30 mN/m；助排剂ZP-2 表面张力为27.25～28.12 mN/m，压裂液性能指标中要求体系表面张力小于28 mN/m，ZP-2 可达到性能要求；助排剂ZP-3 表面张力最低，助排效果最好，在0.1%时表面张力为23.21 mN/m，0.3%浓度时表面张力为21.05%。由于煤层气压裂液中应尽量减少有机助剂，并且0.1%ZP-3 浓度下已具有良好助排性能。因此配方选用0.1% ZP-3 作为助排剂。

通过以上配方优选，确定了悬浮煤粉低伤害压裂液体系基本配方为0.2%g+0.2%b+0.1%FP-2+0.1%ZP-3+2%KCl。

1.4 悬浮煤粉低伤害压裂液综合性能评价

1.4.1 基本性能评价

常规水基压裂液为冻胶状，需具有较强的黏度和携砂能力，综合性能评价一般包括黏度、流变性能、静态滤失等。而煤层气所用压裂液体系为降低对储层伤害，不使用冻胶体系，而采用活性水体系，黏度与水接近，为1 mPa·s，因此不考虑相关流变性能及滤失性能[15]。根据压裂液通用技术条件指标中要求的密度、表观黏度、pH 值、防膨率等进行实验测定，评价体系综合性能，测定结果见表7。

表7 压裂液基本性能Table 7 Basic properties of fracturing fluid

根据实验结果可以看出，该体系环境下各性能指标符合技术条件要求，并且压裂液基液具有良好的防膨性能和助排性能，除此之外，该体系还具有适用于煤层气储层的作用，对煤粉可起到悬浮作用，悬浮率为27.81%，可提高山西柳林区块煤层气储层压裂效果。

1.4.2 体系煤岩基质伤害率测定

为确定研究的压裂液体系效果，钻取目标井区煤样，利用室内岩心流动仪依据标准SYT 5107—2005《水基压裂液性能评价方法》测定压裂液体系的煤岩渗透率伤害率[16]，实验结果见表8。

表8 岩心基质渗透率伤害率测试Table 8 Damage rate test of core matrix permeability

根据实验结果可以看出，普通活性水压裂液体系煤岩基质伤害率为31.94%，采用防煤粉压裂液体系后，煤岩基质伤害率为17.60%。防煤粉压裂液体系可以有效悬浮煤粉，减少储层堵塞，降低压裂改造对煤层的渗透率伤害。

2 现场应用情况

2016 年11 月17 日，自主研发的悬浮煤粉低伤害压裂液在山西柳林区块开展现场实施，以CLY-a 井为例：8#煤层和9#煤层正挤前置液202.70 m3，加入40～70 目石英砂2.0 m3；正挤携砂液302.83 m3，携砂阶段累计加入20～40 目石英砂33.02 m3，16～20 目石英砂5.14 m3。3#，4#，5#煤层正挤前置液193.09 m3，加入40～70 目石英砂2.0 m3；正挤携砂液302.48 m3，携砂阶段累计加入20～40 目石英砂33.03 m3，16～20 目石英砂5.98 m3；本段施工累计加砂38.01 m3。该压裂液可以将煤粉携带出地面，降低了煤层对地层的伤害。压裂液体系应用情况见表9。

目前应用该体系已成功实施4 井次多层压裂，相比于常规活性水压裂的煤层气井，初期日产气量增加24.5%，平均改造有效周期增加18.4%，平均累产增加27.6%，取得了良好效果。

表9 压裂液体系应用情况Table 9 Application of fracturing fluid system

3 结论

1）针对山西柳林区块煤层气储层压裂井产出煤粉的问题，研发出了煤粉悬浮剂配方为0.2%g+0.2%b+0.1%FP-2， 对80～100 目 以 下 煤 粉悬浮率达到27.33%。以煤粉悬浮剂为基础，研发出了悬浮煤粉低伤害压裂液体系配方为0.2%g+0.2%b+0.1%FP-2+0.1%ZP-3+2%KCl。体系综合性能符合技术要求，具有较强的防膨性及助排性，并具有防煤粉悬浮的性能，煤粉悬浮率为27.81%。该体系对煤层的伤害率由31.94%降低至17.6%，大大提高了压裂液体系对储层的保护能力。

2）通过4 口井多层的现场施工表明，该压裂液适合开发煤层气井使用、平均产量增加20%以上，在压裂工艺中发挥了携带煤粉，降低储层伤害并增加产气量的作用。通过使用悬浮煤粉低伤害压裂液体系，生产井的检泵周期得到延长，改造有效周期增加超过15%，压裂后产量显著增加。