煤层气井水力压裂液体系现状与分析

袁梦然

新疆维吾尔自治区煤炭煤层气测试研究所 新疆乌鲁木齐 830000

我国煤层气地质构造具有储层复杂，弹性模量低，结构脆弱，易变形，渗透率低，易损害等特点。煤层气的长期开采也将大大降低煤储层的渗透率，通过煤层气压裂技术，使用合适的压裂液，可以极大的增多煤储层之间的裂缝，提高煤储层之间的渗透率和连通性，进而大大提高煤层气的开采效率。

1 我国煤层气井水力压裂特点

随着我国煤层气资源开发的深度越来越深，对水力压裂液技术提出了更高的要求。水力压裂液技术在北美国家的煤层气开发中已经有多年的发展历史，其应用可以追溯至40年以前。而我国虽然对水力压裂液技术有多年的应用经验，但对新技术的研发及应用较为缓慢。我国煤层气储层在渗透率方面与美国相比一般低2～3个数量级，针对我国特殊的煤层地质构造，采用传统的压裂液技术很难达到预期的效果。据不完全统计，我国煤层气储量约为30.35万亿立方，煤层气储量位居世界前列，但是开采效率却很低。通过水力压裂，煤储层的裂缝和连通性增加，提高了渗流空间，扩大了压裂液的过滤面积，缩短了裂缝长度[1]，进而提高储层的渗透率，来提高煤层气的开采效率。所有新型压裂液的开发都基于两个目标，一是将储层损害降至最低，二是保障产量最高。

2 水力压裂技术原理分析

水力压裂技术经过多年的发展及应用，属于典型的煤层气开发实用技术。在煤层形成过程中，由于地壳运动或构造挤压，煤层中产生的天然裂缝和孔隙有限，并会发生构造相互作用和断裂。煤层的形成受到非常复杂的力学效应的影响，在断裂过程中自然会出现不同的问题。水力压裂的工作原理主要是依靠其高粘度的压裂液，通过高压泵给压裂液加压，促使其流入煤层并使煤层破碎，使煤层气在气井中的通道打开，以便于煤层气向气井中聚集，利于开采。因此，利用水的不可压缩性支撑煤层壁，从而增强煤储层的连通性是煤层水力压裂技术的核心。

3 煤层气井压裂技术的使用意义

首先，消除煤层气井建设过程中对周围土层的影响。在压裂过程中，能够对气井中的周围土层进行充分压实，有效提高井壁的稳定性，有利于后续煤层气的开采利用。

其次，加强钻井与煤层气的衔接，确保煤层气通过裂缝进入气井，提高生产效率。

最后，煤层气可以通过裂缝有效排出，减少脱水作业中煤层气的损失，提高煤层气产量。

4 水力压裂液的研究现状

4.1 常规压裂液

4.1.1 活性水压裂液

活性水压裂液是目前较为常用的一种压裂液体系，具有诸多优点，主要表现在粘度低，易排水等方面。当用于煤层气开采时，能够使煤层气与地下水进行联合开采。但活性水压裂液同样具有很明显的缺点，由于其自身特点对施工规模及排量均有明显限制，因此影响最终施工效果。活性水压裂液的种类较多，其中以清水压裂液最为常见。清水压裂液与油基压裂液相比，不仅在储存和使用方面更加方便，而且不易引起火灾，使用过程更加安全。清水压裂液配置成本低，同时对煤层气井的危害也较低。使用后在现场清理过程变得更加方便、快捷，能够最大程度的满足环保的要求。因此，具有广阔的应用前景，在煤层气井开发过程中应用更加普遍。活性水压裂液中通常含有抗膨胀剂和表面活性剂等，它不易受地层温度的不同对它性能的影响，且具有伤害小，摩阻低，滤失量大等特点，适合大煤层施工[2]。

4.1.2 交联冻胶压裂液

交联凝胶压裂液与活性水相比，携砂能力强，滤失小，相对裂缝长度大，特别适用于储层敏感和对煤层压裂液温度有要求的井。但其缺点是煤层开采难度大，存在凝胶不完全、裂隙不完全等问题[3]。

4.1.3 清洁压裂液

清洁压裂液具有较强的携砂及抗剪能力，在破胶方面优势突出，破胶后不易形成残留固体残渣，摩擦阻力较小，这不仅对单井的增产效果具有明显提高，而且可以对煤层的伤害降至最低。目前的新型清洁压裂液，大多属于小分子的表面活性剂溶液，这使其在一些特定的介质中极易形成网状结构，压裂效果较好[4]。新型清洁压裂液对部分有机物具有溶解作用，不仅满足了环保要求，而且能够降低对煤层的破坏。该溶液质量好，携砂能力好，滤失小，易破碎，无残渣，对煤层伤害小。

4.1.4 泡沫压裂液

泡沫压裂液能够提高出砂率，尤其是加入氮气后，能够有效降低煤层滤失量[5]。然而泡沫压裂液的缺点也非常明显，在现场施工过程中存在很多问题，尤其是对回流状态的影响，在使用过程中难以进行控制，导致煤粉的流动性差，易出现堵塞情况。且容易对煤层造成非常大的危害，对采气效果产生不利影响。如果泡沫压裂液中加入氮气，能够明显改善其使用效果。可以减少煤层流体的损失，缩短煤层气井的采气周期，特别适用于低压、低渗透、浅层及水敏地层。

4.2 其他新型压裂液

4.2.1 新型纳米压裂液

纳米技术是一项综合性技术，纳米材料具有强表面吸附、双相性、高稳定性和高渗透性的特点。可作为压裂液的预润湿剂或过滤剂[6]。

4.2.2超分子压裂液

随着超分子技术的不断发展，其应用优势在不断显现。超分子技术在压裂液体系中的研究也在逐步深化。研究表明，超分子压裂液存在可逆交联的多元结构，这相比于传统的常规压裂液，具有组分少，配制简单、携砂能力强，对地层的伤害低、破胶彻底、易于返排等诸多优势[7]。今后，开发更加易于推广的超分子压裂液体系是今后研究的重点。

4.3 各压裂液体系优缺点分析与对比

通过分析研究不同种类压裂液的性能及特点，从不同角度研究如何提高压裂液的适用性，以便在煤层气开发中更好的推广使用。通过研究认为清水压裂液是煤层气压裂液的主要类型，适用于大多数的煤层气储层。近年来，随着技术不断创新，对泡沫压裂液进行了多方面的改良，扩大了泡沫压裂液的使用范围。而纳米压裂液与混合型压裂液，近年来也进入市场，取得了不错的应用效果。但是鉴于成本较高，其推广使用具有很大的局限性。最后指出，在低伤害、低成本、高效、环保的条件下，优化成熟压裂液，开发单体剂是今后的研究方向。新型压裂液体系研究和压裂液返排液回收也是今后的研究方向。

5 影响煤层气井压裂效果的因素

5.1 压裂液的影响

受地质条件的影响，煤层气井一般由煤和各种岩石构成。由于煤层气分布较为广泛，地域之间的差异，导致煤层气井的构造也存在较大差异。当不同的煤层气井，采用相同的压裂液时，其施工效果也会存在较大差异。在施工前，首先应当对气井的地质构造进行研判。根据不同的结构组成选择合适的压裂液体系。如果压裂液体系选择不合理，将会对煤层气的开发产生严重的影响。压裂液一般采用泵送的方式，通过加压，使泵送液体保持持续流动。在泵送过程中，煤分子将会逐步对压裂液进行吸附，从而影响煤岩的总体积。粘土和温度会对压裂液的正常使用造成影响[8]。通过压裂液描述和压裂效果影响因素的分析，为了提高煤层气井的压裂效果，根据当地地质环境、煤层气埋藏位置和压裂液特点，分析选择合适的压裂液，尽量减少对气井的损害。

5.2 支撑剂的影响

支撑剂的主要作用是增强裂缝，保证泵送后裂缝形状的稳定性，提高裂缝的渗透性。支撑剂技术的改进主要体现在两个方面：首先，为了协调施工过程，分批注入不同粒径的载体，先注入小的布朗特颗粒并固定小裂缝。然后逐渐增加布朗特颗粒的注入量，防止大的布朗特颗粒堵塞小裂缝。其次，为了保证支撑剂的性能，必须降低支撑剂的密度和粒径。

5.3 施工工艺的影响

首先是压裂液体积的影响。为了保证煤层良好的压裂效果，施工队一般使用大量压裂液，在深度和高度上保证裂缝的完全延伸。但当煤层靠近上下围岩时，过度位移会导致煤层开裂，破坏围岩结构。其次是砂的配比，低含砂量可有效防止裂缝堵塞。如果含砂量过高，裂缝将被砂堵塞[9]。因此，应根据煤层气的地质环境和位置，调整相应的压裂工艺。煤气井压裂工艺的选择应结合当前的施工环境、适用范围和技术特点进行选择。

6 煤层水力压裂液存在的问题及对策

6.1 水力压裂液存在的问题

在我国主要的压裂方法是主动水力压裂。其他类型的压裂液由于技术条件和成本的限制，并没有得到广泛的应用，如油基压裂液，因其具有容易引起火灾、成本高、滤失量大等缺点，难以满足现场施工的实际需要。但对于水力压裂而言，也依然存在诸多不足，难以很好的满足实际工作的需要。对于低温地层，水力压裂压裂液破胶剂性能差，而残余交联冻胶压裂液也会对煤储层造成一定的损害。

6.2 针对以上问题，提出以下对策

传统的煤层气压裂技术对于煤层的伤害较大，依然存在诸多问题。为了优化压裂工艺，必须加强压裂液新技术的开发。在以往的实验研究中，在压裂液中加入减阻剂和分散剂的效果非常明显。在研究交联压裂液体系时，应重点研究和开发能适应不同温度条件下的压裂液，且必须考虑生产成本。为了减少破胶剂的使用，节约成本，保护环境，有必要通过纳米技术等加强对返排液的降解和处理。今后，对于研发具有滤失小、悬砂能力强、摩擦阻力低、稳定性好、配伍性好、残留残渣少，易反排、便于配制和成本低廉的压裂液是今后研究的主要方向。

7 展望与建议

7.1 新型压裂液体系的研究突破口

如上所述，由于成本、设备和技术的原因，越来越多新型的压裂液体系已被研发出来，通过研究开发不同条件下的低伤害压裂液体系，可以选择合适的压裂液体系。通过实验室试验确定不同的条件，以降低试剂的主要成本，使新压裂液具有经济竞争力。

7.2 压裂液返排液的回收利用

如果压裂液不流出地面，会污染周围环境。随着储层工程的扩建，对环境和地下水的威胁会逐步增大，因此压裂液的回收是一个不可避免的问题。我国压裂液处理的主要方法仍然是物理法。如何结合煤层特点，实现直接开采和化学处理是今后的发展方向。

8 结语

我国能源紧缺，只有大力发展煤层气等新型清洁能源，才能改善我国的能源需求。提高煤层气开采效率是我国煤炭资源开发产业健康发展的重要保障，有利于改善能源结构，有效保证煤炭资源的可持续利用，对保障能源安全和降低天然气对外依存度具有十分重要意义。随着煤层气压裂液技术的不断发展和完善，将为今后煤层气的开发提供有力的技术保障。