煤层气井压裂用新型煤粉分散剂研究

孟照峰

（中国石化集团国际石油工程有限公司，河南 濮阳 457001）

水力压裂是煤层气储层增产改造最常用的技术手段之一[1-3]。煤层通常具有抗压强度弱、易碎以及易压缩的特点，在压裂施工过程中由于压裂液的高速冲刷、支撑剂的打磨以及储层应力状态改变等因素作用，容易产生大量的煤粉，由于煤粉具有密度小和疏水性强的特点，极易在裂缝中积聚，并且难以返排，从而对压裂支撑裂缝产生严重的堵塞；另外，煤粉的积聚还容易造成卡泵、埋泵的现象，严重影响了煤层气储层水力压裂的施工效率[4-8]。目前，针对压裂过程中煤粉的防治措施研究，大多是从压裂施工工艺优化方面入手，通过调整施工参数、选择圆度较高的支撑以及压裂后尽快返排等措施来控制煤粉[9-11]。同时，还有很多学者开展了压裂用煤粉悬浮分散剂的研究工作，煤粉悬浮分散剂主要由表面活性剂组成，其能通过降低溶液的表面张力以及改变煤粉表面润湿性等作用来提高煤粉的悬浮分散性能，使煤粉在压裂液的返排过程中更容易被携带出来，降低煤粉对地层裂缝以及井筒的堵塞程度，提高煤层气储层压裂施工的效率[12-16]。因此，通过调研分析目前常用的煤粉悬浮分散剂类型及作用机理，结合目标煤层气区块储层特点，研制了一种新型煤粉分散剂MFFS-2，通过室内实验评价了其表面活性、润湿性能、煤粉悬浮分散性能、对煤粉产出率的影响以及对煤岩基质渗透率的伤害等，并在S 区块煤层气井压裂施工过程中进行了成功应用，为煤层气储层压裂过程中煤粉的防治技术研究提供一定的借鉴和参考。

1 实验部分

1.1 主要实验材料及仪器

1）实验材料。新型煤粉分散剂MFFS-2（主要由非离子表面活性剂A、阴离子表面活性剂B 和多元有机醇胺组成）为自制；辛基酚聚氧乙烯醚OP-10（非离子型）、十二烷基硫酸钠SDS（阴离子型）、十八烷基三甲基氯化铵1813（阳离子型），山东一辉化工有限公司；100～200 μm 煤粉（使用目标区块煤层气储层段煤样粉碎而成）；830～380 μm 石英砂，灵寿县巨星矿产品加工厂；煤岩心（使用目标区块煤层气储层段煤样制成，长度6.5 cm，直径2.5 cm）；标准盐水（使用蒸馏水和无机盐配制而成）。

2）实验仪器。HARKE-SFT-A1 表面张力仪、HARKE-SPCA-X3 接触角测量仪，北京哈科试验仪器厂；ZHFW-4A 粉末压片机，CSBSHA-C 超声波振荡器，常州金坛良友仪器有限公司；填砂管，衡水市广兴滤材有限公司；2PB 系列平流泵，北京星达科技发展有限公司；高温高压岩心驱替实验装置，海安县石油科研仪器有限公司。

3）新型煤粉分散剂MFFS-2 的制备。首先，将非离子表面活性剂A、阴离子表面活性剂B 和清水按照体积比为5∶3∶2 的比例进行混合，在50 ℃下搅拌30 min（控制转速为600 r/min），然后再按体积分数为5%的比例加入多元有机醇胺，继续在相同的温度和转速下搅拌10 min，搅拌均匀后冷却至室温，即可得到新型煤粉分散剂MFFS-2。

1.2 实验方法

1）表面活性。使用清水分别配制不同类型的分散剂溶液，搅拌均匀后，使用表面张力仪测定不同分散剂溶液的表面张力值。

2）润湿性能。称取一定量的煤粉，使用粉末压片机在10 MPa 条件下将煤粉压制成表面光滑的煤粉片，然后浸泡在不同类型的分散剂溶液中，浸泡时间为12 h，取出煤粉片烘干，使用接触角测量仪测定清水在煤粉片表面的接触角。

3）煤粉悬浮分散性能。准确称取5 g 煤粉于烧杯中，加入不同类型的分散剂溶液100 mL，使用超声波振荡器将煤粉混合溶液振荡摇匀，将混合均匀的悬浮液置于100 mL 的量筒中静置观察，放置一段时间后分别吸取量筒中部的悬浮液进行过滤，将过滤出的煤粉烘干、称重，并与初始煤粉质量相比计算出煤粉的悬浮率。

4）对煤粉产出的影响。称取一定量的煤粉和石英砂，混合均匀后装入30 cm 长的填砂管中，在一定的压力条件下压实制成填砂管岩心，然后使用平流泵在流速为5 mL/min 的条件下注入分散剂溶液或压裂液，收集一定时间后出口端的驱替出液，过滤后烘干、称重，并计算煤粉产出率。

5）对煤岩基质的伤害性能。参照能源行业标准NB/T 10034—2016《煤层气藏用水基压裂液性能评价方法》（煤心渗透率伤害率测定部分），评价了不同实验介质对目标区块储层段煤岩基质渗透率的伤害性能。具体实验步骤为：①使用目标区块储层段煤岩制备成直径为2.5 cm 的柱状煤岩心，然后将煤岩心饱和标准盐水；②在温度为50 ℃，环压为4 MPa 下使用高温高压岩心驱替实验装置测定煤岩心的初始渗透率，驱替流体为标准盐水，驱替流速为0.5 mL/min；③使用中间容器注入1 PV 的分散剂溶液或者压裂液，然后关闭驱替装置进出口端阀门，停留2 h；④继续使用标准盐水在相同的实验条件下测定煤岩心污染后的渗透率，并计算渗透率损害率。

2 实验结果

2.1 表面活性

不同类型分散剂溶液表面活性如图1。

图1 不同类型分散剂溶液表面活性Fig.1 Surface activity of different dispersant solutions

由图1 可知：在清水中加入不同类型的分散剂后，溶液的表面张力值均有所下降，且随着分散剂质量分数的增大，表面张力值逐渐降低；其中新型煤粉分散剂MFFS-2 降低表面张力的效果最好，表面活性明显优于其他3 种表面活性剂；当其加量为0.3%时，溶液的表面张力值可以降低至25 mN/m 以下，再继续增大表面活性剂质量分数，表面张力值基本不再变化。

2.2 润湿性能

不同类型分散剂溶液润湿性能如图2。

图2 不同类型分散剂溶液润湿性能Fig.2 Wettability of different dispersant solutions

由图2 可知：未经分散剂溶液浸泡处理的煤粉片表面接触角为115.3 °，表现出较强的疏水性，而经过不同类型分散剂溶液浸泡处理后的煤粉片表面接触角均出现明显的减小现象，且随着分散剂溶液质量分数的逐渐增大，接触角逐渐减小；其中阳离子表面活性剂1813 和非离子表面活性剂OP-10 改变煤粉片表面润湿性的效果稍差，当其加量为0.3%时，接触角可以降低至80 °左右；而新型煤粉分散剂MFFS-2 和阴离子表面活性剂SDS改变煤粉片表面润湿性的效果较好，当其加量为0.3%时，接触角分别可以降低至59.6 °和42.1 °，使煤粉表面由疏水转变为亲水。煤粉表面亲水性的增强有利于煤粉在水溶液中的悬浮分散，可以有效防止煤粉颗粒之间的积聚沉降。

煤岩表面过于亲水会增大煤层气储层压裂液返排时“水锁”现象的发生概率，降低压裂返排效率，进而对施工效果产生一定的影响[17]。因此，在选择压裂用煤粉分散剂时应综合考虑煤粉分散效果以及对后期压裂施工的影响。

2.3 煤粉悬浮分散性能

分散剂的质量分数均为0.3%时，不同类型分散剂溶液对煤粉的悬浮率如图3。

图3 不同类型分散剂溶液对煤粉的悬浮率Fig.3 Suspension rate of different dispersant solutions on pulverized coal

由图3 可知：不同类型的分散剂溶液对目标区块煤粉的悬浮分散效果差异较大，其中阳离子型分散剂1813 的悬浮分散效果最差，非离子型分散剂OP-10 和阴离子型分散剂SDS 的悬浮分散效果一般，而新型煤粉分散剂MFFS-2 的悬浮分散性能最好，当静置时间为2 h 时，煤粉悬浮率可以达到50%以上，而当静置时间延长至10 h 时，煤粉悬浮率仍能保持在30% 以上，说明其对煤粉具有良好的悬浮能力。这是由于新型煤粉分散剂MFFS-2 可以通过降低水溶液表面张力、改变煤粉颗粒表面的润湿性以及增大空间位阻效应等方式来提高煤粉在水溶液中的悬浮能力，另外，分散剂还可以通过吸附在煤粉颗粒表面来降低颗粒之间的黏附作用力，使煤粉更容易在水溶液中分散悬浮。

2.4 对煤粉产出的影响

分散剂的质量分数均为0.3%，煤粉和石英砂的质量比例为5:95，活性水压裂液的配方为0.1%减阻剂BJZ-1+0.2%助排剂BZP-3+1.5%KCl，不同类型分散剂溶液驱替时煤粉的产出率如图4。

图4 不同类型分散剂溶液驱替时煤粉的产出率Fig.4 Output rate of pulverized coal in solution displacement with different types of dispersants

由图4 可知：随着驱替时间的延长，不同类型的分散剂溶液和活性水压裂液驱替时的煤粉产出率逐渐升高，其中活性水压裂液驱替3 h 时煤粉产出率可以达到25.6%，仍有大量煤粉未被排出；而使用新型煤粉分散剂MFFS-2 驱替时煤粉产出率最高，当驱替时间为2 h 时，煤粉产出率可以达到60%以上，远远高于其他分散剂和活性水压裂液。这说明新型煤粉分散剂MFFS-2 可以将煤层气储层压裂过程中产生的煤粉携带出来，有效降低煤粉对裂缝造成的堵塞伤害程度，提高煤层气储层压裂施工的效果。

2.5 对煤岩基质的伤害性能

煤岩基质渗透率伤害性能实验结果见表1。

表1 煤岩基质渗透率伤害性能实验结果Table 1 Experimental results of permeability damage performance of coal rock matrix

由表1 可知，使用0.3%MFFS-2 污染后的煤岩心基质渗透率伤害率为7.6%，明显小于使用活性水压裂液污染后的渗透率伤害率；而在活性水压裂液中加入0.3%MFFS-2 后，煤岩心的基质渗透率伤害率比单独使用活性水压裂液时有所降低，说明新型煤粉分散剂MFFS-2 具有良好的低伤害特性，能够有效减轻煤层气储层压裂施工过程中压裂液对煤岩基质的伤害程度，起到一定的储层保护效果。

3 现场应用

S 区块位于鄂尔多斯盆地东部地区，区块内煤岩主要以半亮煤～暗煤为主，主力煤层为5#煤层，显微组分以镜质组和惰质组为主，其中镜质组含量在70%以上，惰质组含量在20%左右，基本不含半镜质组和壳质组。煤储层中的小孔及微孔隙所占比例较大，孔隙度主要分布在0.94%～9.36%之间，平均为4.65%；渗透率主要分布在0.015～71.657×10-3μm2，平均为1.592×10-3μm2。目标区块煤层的非均质性较强，破碎程度较高，整体性较差，在压裂施工过程中容易产生大量的煤粉，区块内前期主要采用活性水压裂液体系进行压裂施工，其煤粉携带效果较差，压裂施工后煤粉堵塞裂缝孔隙，造成压后产气量下降较快。因此，在S 区块煤层气井用活性水压裂液中加入新型煤粉分散剂MFFS-2 来解决煤粉携带效果差的问题。

根据S 区块煤层气储层特点，结合上述新型煤粉分散剂MFFS-2 性能评价结果，设计了现场压裂施工的具体实施方案，以S-1 井为例，首先按照活性水压裂液体系配方（具体见2.4）配制压裂液，然后加入质量分数为0.3% 的新型煤粉分散剂MFFS-2，形成新型活性水压裂液体系；前置压裂施工阶段排量控制在1.2～7.9 m3/min，施工压力为6.9～22.8 MPa，携砂压裂施工阶段排量控制在7.6～7.9 m3/min，施工压力为17.2～28.6 MPa；该井压裂施工共计注入新型活性水压裂液816 m3，共加入0.425～0.85 mm 的石英砂41 m3，平均砂比为9.4%，达到了设计要求的加砂量。S-1 井压裂施工过程顺利，压后开展排采作业，目标区块S-1 井排采曲线如图5。

图5 目标区块S-1 井排采曲线Fig.5 Drainage production curves of well S-1 in target block

由图5 可知：S-1 井初期日产水量在0.5 m3左右，经历3 个月排采后，日产水量达到1.5 m3左右，日产气量在500 m3左右，随着排采时间的延长，日产水量逐渐趋于稳定，日产气量提升幅度明显，最高可以达到1 400 m3左右，截至目前平均日产气量达到1 150 m3以上，取得了良好的压裂增产效果。另外，该井在排液初期阶段携带出了大量的煤粉，没有发生煤粉卡泵现象，达到了预期的压裂施工效果。

S 区块不同煤层气井压裂施工效果见表2。

表2 S 区块不同煤层气井压裂施工效果Table 2 Fracturing effect of different CBM wells in block S

可以看出：随着排采时间的延长，不同煤层气井日产气量均呈现出先增大后减小的趋势。其中采用常规活性水压裂体系施工的8 口煤层气井的平均日产气量基本均在800 m3左右，而采用加入煤粉分散剂MFFS-2 的新型活性水压裂液体系施工的5 口煤层气井的平均日产气量则均可以达到1 100 m3左右，产气量明显升高。这说明新型煤粉分散剂MFFS-2 的加入能够有效预防煤粉堵塞现象的发生，大大提升活性水压裂液体系的压裂增产效果，具有良好的推广应用前景。

4 结语

1）新型煤粉分散剂MFFS-2 具有良好的表面活性和润湿性能，当其质量分数为0.3%时，可以将表面张力降低至25 mN/m 以下，将目标区块煤粉表面的接触角降低至60°以下。

2）新型煤粉分散剂MFFS-2 对目标区块煤粉具有良好的悬浮分散和携带效果，悬浮液静置10 h时煤粉悬浮率仍能达到30%以上，驱替2 h 后煤粉产出率可以达到60%以上。另外，新型煤粉分散剂MFFS-2 对目标区块煤岩心基质渗透率的伤害率较低，将其加入活性水压裂液中可以有效降低压裂液体系对煤岩心渗透率的伤害程度。

3）现场应用结果表明，S-1 井使用加入新型煤粉分散剂MFFS-2 的新型活性水压裂液体系施工后，压裂施工过程顺利，在排采初期排出液中携带出大量的煤粉，压后日产气量较高。与S 区块内采用常规活性水压裂液施工的煤层气井相比，采用加入新型煤粉分散剂MFFS-2 后的新型活性水压裂液使用的煤层气井平均日产气量明显提高，取得了良好的压裂施工效果。