超低浓度多元改性胍胶压裂液在煤层气井中的应用

2021-04-06常建忠相兴华翟志伟季长江

煤矿安全 2021年3期

包兴，常建忠，相兴华，翟志伟，季长江

（1.山西能源学院，山西太原030006；2.煤与煤层气共采国家重点实验室，山西晋城048000；3.易安蓝焰煤与煤层气共采技术有限责任公司，山西晋城048000）

与常规油气储层相比，煤层气储层通常具有低孔、低渗、低压以及低含气饱和度的特点，自然产能极低，必须通过压裂的方式进行储层改造以达到有效开发的目的，压裂液在煤层气储层压裂施工过程中扮演着至关重要的角色，其性能的好坏是压裂施工成功与否的关键[1-4]。因此，近年来国内外众多学者开始对煤层气压裂液开展了越来越多的研究，其中针对常规油气储层压裂用的活性水压裂液和胍胶压裂液在煤层气储层中的研究及应用比较多。活性水压裂液由于其具有成本低、伤害低以及施工简单等优点，在煤层气储层压裂施工中得到了较为广泛的应用，但由于其黏度较低，导致携砂能力和造缝能力较差，从而影响了压裂施工的效果[5-10]。胍胶压裂液通常具有较高的黏度和良好的携砂性能，使其具有较强的造缝能力，但由于常规胍胶具有水不溶物含量高、溶解速度慢且破胶后残渣含量高等缺点，容易对煤层气储层造成比较严重的损害[11-15]。因此，为解决以上问题，通过对常规胍胶进行改性，研制了1种新型多元改性胍胶DX-HPG，并以此为基础，通过大量室内实验，研究出1 套适合煤层气储层的超低浓度多元改性胍胶压裂液体系，其不仅具有常规胍胶压裂液的携砂造缝能力，而且由于稠化剂的使用浓度低，使压裂液体系具有破胶迅速彻底、残渣含量低、对储层的伤害低以及成本较低的特点[16-18]。室内对超低浓度多元改性胍胶压裂液体系的性能进行了评价，并在山西沁水盆地某煤层气区块成功进行了现场应用，具有较好的推广应用前景。

1 实验

1.1 实验材料及仪器

实验材料：胍胶粉、羟丙基胍胶，郑州普尔化工产品有限公司；氢氧化钠、有机分散介质、羧甲基化试剂、羟丙基化试剂、无水乙醇、冰乙酸，国药集团化学试剂有限公司；交联剂GLY-109，实验室自制；助排剂ZB-50、防膨剂FP-4、杀菌剂SY-30、复合破胶剂PJS-03、pH 值调节剂，市售工业品，湖北天恒化工有限公司；煤岩心取自目标煤层气区块储层段。

实验仪器：FA2104S 型电子天平，上海仪天科学仪器有限公司；HH-420 型恒温水浴锅，莱州市电子仪器有限公司；哈克RS6000 型流变仪，上海金山化工发展有限公司；ZNN-D6 型旋转粘度计，青岛恒泰达机电设备有限公司；ZL1021 型表面张力测定仪，西瓦卡精密量仪有限公司；STY 型岩心渗透率测定仪，南通仪创实验仪器有限公司。

1.2 新型多元改性胍胶的制备

将胍胶粉使用80%乙醇水溶液进行提纯后烘干粉碎，然后称取一定质量提纯后的胍胶粉置于装有搅拌装置和冷凝装置的3 口烧瓶中，加入有机分散介质后搅拌均匀。在通入氮气的情况下加入氢氧化钠溶液进行碱化反应一段时间，再缓慢加入羧甲基化试剂和羟丙基化试剂，在50 ℃下继续反应一段时间后，使用冰乙酸调节溶液pH 值至中性，再使用乙醇溶液对产物进行洗涤，抽滤、烘干后粉碎，即得新型多元改性胍胶DX-HPG。

1.3 压裂液体系配方及配制方法

为降低胍胶类压裂液对煤层气储层的损害程度，最直接的办法是减少稠化剂胍胶的用量，因此，通过大量室内实验评价，以新型多元改性胍胶DXHPG 为主要处理剂，研究出1 种适合煤层气储层压裂施工用的超低浓度多元改性胍胶压裂液体系，其具体配方为：0.2%多元改性胍胶DX-HPG+0.35%交联剂GLY-109+0.5%助排剂ZB-50+0.3%防膨剂FP-4+0.15%杀菌剂SY-30+pH 值调节剂。

选取山西沁水盆地某煤层气矿区储层煤样，制备成煤岩心，使用不同类型压裂返排液污染，测定压裂返排液对煤岩心渗透率的伤害情况。其中煤岩心的制备、保存、饱和、渗透率测定及渗透率损害率计算等方法均参照国家能源标准NB/T 10034—2016《煤层气藏用水基压裂液性能评价方法》中煤岩心渗透率伤害测定部分。

1.4 性能评价方法

1）剪切流变性能。在哈克RS6000 型流变仪中加入配制好的压裂液，调节温度加热至40 ℃，剪切速率设置为170 s-1，测试时间设置为120 min，测定压裂液体系的黏度变化情况。

2）携砂性能。参照石油天然气行业标准SY/T 5185—2016《砾石充填防砂水基携砂液性能评价方法》，测定了支撑剂陶粒在超低浓度多元改性胍胶压裂液体系中的沉降速度，陶粒的粒径为0.425～0.500 mm，实验温度为40 ℃。

3）破胶性能。在配制好的压裂液中按不同质量比加入复合破胶剂PJS-03，然后在40 ℃下进行破胶实验，测定压裂液不同破胶时间后的黏度变化。

4）残渣含量及表面张力。按上述方法配制不同浓度的多元改性胍胶压裂液冻胶，加入质量浓度为0.2%的复合破胶剂PJS-03，在40 ℃下破胶3 h 后，然后测定破胶液的残渣含量和表面张力。作为对比，按相同的实验方法评价不同浓度的羟丙基胍胶压裂液破胶后的残渣含量和表面张力。

5）煤岩心损害性能。参照国家能源行业标准NB/T 10034—2016《煤层气藏用水基压裂液性能评价方法》，分别选择多元改性胍胶和羟丙基胍胶浓度为0.2%的压裂液破胶液，测试其对目标区块储层段煤岩心的渗透率损害情况，实验温度为40 ℃。

2 结果与讨论

2.1 剪切流变性

按照实验方法评价了超低浓度多元改性胍胶压裂液的剪切流变性能，压裂液体系剪切流变性能如图1。从图1 可以看出，在40 ℃、170 s-1下剪切20 min 左右，压裂液体系的黏度由165.4 mPa·s 迅速降低至60 mPa·s 左右，然后继续在此条件下进行剪切实验，压裂液体系的黏度基本趋于稳定，当剪切120 min 后，体系的黏度仍能达到60 mPa·s 以上，这说明研制的超低浓度多元改性胍胶压裂液体系具有良好的耐剪切性能，能够满足煤层气压裂施工中对携砂和造缝性能的要求。

图1 压裂液体系剪切流变性能Fig.1 Shear rheological properties of fracturing fluid system

2.2 携砂性能

超低浓度多元改性胍胶压裂液体系携砂性能见表1。由表1 可知，随着多元改性胍胶加量的增大，支撑剂陶粒的沉降速度逐渐下降，当多元改性胍胶加量为0.2%时，支撑剂沉降速度降低至0.028 mm/s以下，说明该压裂液体系具有良好的携砂性能。

表1 超低浓度多元改性胍胶压裂液体系携砂性能Table 1 Sand carrying performance of ultra low concentration polybasic modified guar gum fracturing fluid system

2.3 破胶性能

压裂液破胶性能实验结果见表2。由表2 可以看出，随着复合破胶剂PJS-03 加量的增大和破胶时间的延长，压裂液破胶液的黏度逐渐降低，当PJS-03 加量为0.2%时，压裂液能够在3 h 内实现完全破胶，此时破胶液黏度能够降低至3 mPa·s，可以达到返排作业的要求，说明研制的超低浓度多元改性胍胶压裂液体系具有良好的破胶性能。

表2 压裂液破胶性能实验结果Table 2 Experimental results of gel breaking performance of fracturing fluid

2.4 残渣含量及表面张力

不同浓度压裂液破胶液的残渣含量和表面张力见表3。由表3 可以看出，随着胍胶用量的增大，2 种压裂液体系破胶液的残渣含量均逐渐增大，当胍胶用量为0.2%和0.3%时，多元改性胍胶压裂液的残渣含量分别为29、42 mg/L，远远小于相同浓度的羟丙基胍胶压裂液。不同浓度多元改性胍胶压裂液破胶液的表面张力也略低于羟丙基胍胶压裂液破胶液，说明研制的超低浓度多元改性胍胶压裂液体系破胶后不仅具有较低的残渣含量，还具有较低的表面张力，在保证快速返排的同时，能够尽可能的降低压裂液对煤层气储层的二次损害。

表3 不同浓度压裂液破胶液的残渣含量和表面张力Table 3 Residue content and surface tension of fracturing fluid breaker with different concentrations

2.5 煤岩心损害性能

不同压裂液破胶液对煤岩心的损害性能见表4。由表4 可以看出，在相同浓度条件下，多元改性胍胶压裂液破胶液对煤岩心的渗透率损害率平均为12.9%，而羟丙基胍胶压裂液破胶液则为30.4%，说明研制的超低浓度多元改性胍胶压裂液具有良好的低伤害特点，其在煤层气压裂施工中对储层的损害较小，能满足煤层气压裂增产对压裂液性能的要求。

表4 不同压裂液破胶液对煤岩心的损害性能Table 4 Damage performance of different fracturing fluid gel breaker on coal core

3 现场应用

超低浓度多元改性胍胶压裂液体系在山西沁水盆地某煤层气区块成功应用了3 井次，施工成功率为100%。其中XS-1 井的施工目的层为3#煤层，该煤层厚度较大（6.5 m），压裂施工井段为1 032.5～1 036.9 m，该井累计注入压裂液量为402.6 m3，净液量达到381.5 m3，加砂量为46.3 m3，平均砂比为22.4%，施工排量为4.2～6.5 m3/min，压裂施工过程顺利，无井下复杂事故出现，破胶后返排液的黏度为3.3～3.8 mPa·s，返排施工顺利，达到了施工设计的要求。

该井压裂后日产气量较高，与同区块内使用常规羟丙基胍胶压裂液施工的邻井X-25 井相比，产气量明显增高。XS-1 井使用超低浓度多元改性胍胶压裂液体系施工后日产气量能稳定在1 200 m3以上，而使用常规羟丙基胍胶压裂液施工的X-25 井日产气量只有800 m3左右，说明研制的超低浓度多元改性胍胶压裂液体系起到了良好的压裂增产效果，可以在类似煤层气区块继续推广应用。