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第 45 卷 第 6 期 煤田地质与勘探 Vol. 45 No.6 2017 年 12 月 COAL GEOLOGY 2. Collaborative Innovation Center of Coalbed Methane and Shale Gas for Central Plains Economic Region, Henan Province, Jiaozuo, 454000, China Abstract Hydraulic fracturing can cause water blocking dasmage to coal reservoir, and adding surfactant to wa- ter-based fracturing fluid is an effective way to mitigate this damage. In this paper, 1.5 KCl solution was used as the base fluid, adding surfactant with different types and concentrations; 8 types of fracturing fluids were prepared, used for coal dust sedimentation experiment, contact angle measurement, surface tension measurement and cen- trifugal separation test with coking coal in Liulin zone of Hedong Coal Field and lean coal of Xishan Coal Field of Taiyuan, 0.05 AN combination solution was selected as the best surfactant system, which led to the composition of 1.5KCl0.05AN active fracturing fluid. This fracturing fluid changed the wettability of coal reservoir, and the low surface tension of the fracturing fluid can decrease the capillary pressure, and the water blocking damage of coal reservoir will be controlled so as to decrease the start-up pressure gradient and increase the permeability. Re- garding to the coalbed methane reservoir, the surfactant fracturing fluid 1.5KCl0.05AN has the stimulation effect, reduces the capillary pressure of fluid in coal pore, making the fracturing fluid easily access into the coalbed methane reservoir, thus significantly reducing the water blocking damage. Keywords coalbed methane reservoir; water-based fracturing fluid; water blocking damage; surfactant; anti-water blocking 煤层气开发过程中，只要采用水力压裂对储层 进行改造，有一种伤害是不可避免的，那就是水基 压裂液进入储层孔隙后毛管压力增加造成的水锁伤 害[1-3]。对水锁伤害的控制长期以来一直是人们关注 ChaoXing 80 煤田地质与勘探 第 45 卷 的焦点。向水基压裂液中加入表面活性剂是减缓水 锁伤害的最有效、最廉价的方法[3-15]。但是目前存 在两种观点，一种观点是在压裂液中加入憎水剂， 增加压裂液与煤的接触角，使得压裂液不易进入基 质孔隙、 且不易附着在储层孔隙表面形成水锁[12-13]。 这是以往大多数研究者的共识，但存在两个疑问 压裂过程中， 压裂液是被高压压入储层的基质孔隙， 而不是自吸进去的，毛管压力必定增加，排采过程 中流体压力必须大于这一毛管压力才能产出，否则 压裂液将滞留储层产生水锁效应。因此，最近产生 了第二种观点，即在压裂液中加入增加其亲水性的 表面活性剂，减小压裂液与煤表面的接触角，降低 煤孔隙中流体的毛管压力，使得压裂液的可排性增 强，从而减缓水锁效应的形成[14-15]。 为此，本文以控制水锁伤害为宗旨，采集河东 煤田柳林地区沙曲矿的焦煤、太原西山煤田屯兰矿 的瘦煤作为研究对象，通过静置沉降实验、毛管压 力测试和离心分离实验，优选出最佳复配浓度的表 面活性剂体系，并揭示其防水锁增产作用机理，为 我国煤层气增产技术的研发与应用提供理论支撑。 1 室内筛选实验 1.1 静置沉降实验 1.1.1 样品制备 样品信息及工业分析见表 1。将煤样粉碎后， 制成 60 目煤粉，装袋密封，编号备用。 表 1 样品信息表 Table 1 Summary table of coal sample ination 工业分析 样品来源 层位 时代 Mad/ Aad/ Vad/ 煤种 Rmax/ 柳林沙曲矿 4号 P1s 0.47 11.12 26.59 焦煤1.3 西山屯兰矿 2号 P1s 0.53 14.62 18.33 瘦煤1.9 1.1.2 压裂液配制 根据以往的研究，通过对多种表面活性剂进行 初步的沉降实验优选出的两种性价比最好的表面活 性剂阴离子型表面活性剂 AS 和非离子型表面活 性剂 NS。以初步筛选得到的 ANAS 和 NS 复配的 浓度、复配比例为研究因素，采用正交实验法，使 用 2 水平正交表 L827安排实验，以蒸馏水配制的 1.5KCl 溶液为基液，复配形成 8 种压裂液。 1.1.3 实验方法 分别取出 20 mL 复合溶液倒入 25 mL 的玻璃试 管中，加入煤粉 0.5 g，用力振荡均匀，放置在试管 架上，观测煤粉沉降率和沉降速度。 1.1.4 实验结果与初步分析 通过对配制的 8 种压裂液进行煤粉静置沉降 实验，分析沉降率和沉降速度可知0.05时的沉 降率整体优于 0.01、0.03、0.07和 0.09，复 配比例 91 的沉降速度整体优于 1∶9、 3∶7、 1∶1、 7∶3。通过煤粉静置沉降实验可以初步筛选出最 佳表活剂体系为 0.05 AN 复配溶液AS∶NS 9∶1，由此构成了 1.5 KCl0.05 AN 的含 AN 的活性水压裂液。 以蒸馏水、1.5 KCl 溶液、0.05 AN 溶液、 1.5 KCl0.05 AN 溶液与屯兰、沙曲煤粉形成八 种浆液为例，浆液静置沉降情况见图 1。 图 1 煤样静置沉降实验 Fig.1 Steady settlement experiment of coal samples 浆液静置沉降 3 h 后，0.05 AN 和 1.5 KCl 0.05 AN 浆液内的煤粉均已沉淀于试管底部， 蒸馏 水和 1.5 KCl 浆液内的煤粉大部分聚集漂浮于试 管上部，说明 0.05 AN 和 1.5 KCl0.05 AN 溶 液能够润湿煤粉。这是由于在蒸馏水、活性水等溶 剂中加入少量的亲水性表面活性剂，可以大幅度降 低溶剂的表面张力，改变溶剂的界面状态，从而产 生润湿作用。 1.2 毛细管压力测试 1.2.1 样品制备 称取适量煤粉，使用粉末压片机在 40 MPa 压 力下将其压制成直径 50 mm、厚度 2 mm 的煤片。 煤片应具有一定的强度，且表面光滑无裂纹。 1.2.2 表面张力与接触角测定 采 用 上 海 中 晨 数 字 技 术 设 备 公 司 生 产 的 JC2000D 型接触角测量仪接触角测量范围 0180，测 量精度0.1， 表面张力测量范围 110-22103 mN/m， 分辨率0.05 mN/m， 测量各溶液体系的表面张力以 及与煤的接触角，测定结果见表 2。 ChaoXing 第 6 期 宋金星等 煤储层水基压裂液用表面活性剂的筛选实验 81 表 2 接触角与表面张力测定结果 Table 2 The results of contact angle and surface tension 接触角/ 溶液体系 表面张力 /mNm-1 沙曲 屯兰 蒸馏水 73.55 63 66 1.5 KCl 79.23 68 72 0.05 AN 29.08 20 6 1.5KCl0.05AN 26.33 28 16 1.2.3 毛细管压力计算 将表 2 中的表面张力与接触角代入 Laplace 公 式， 即可测得一定孔径条件下的毛细管压力。 孔径为 100 nm 时四种溶液毛细管压力的计算结果见表 3。 表 3 毛细管压力计算结果 Table 3 The calculation results of capillary pressure 单位MPa 样品名称 蒸馏水 1.5 KCl 0.05 AN 1.5KCl0.05 AN 沙曲 1.34 1.19 1.09 0.93 屯兰 1.20 0.98 1.16 1.01 1.3 离心分离实验 1.3.1 选取样品 选取 10 块直径约为 20 mm 的沙曲煤样， 分为 2 组，放入密封袋中，编号备用。 1.3.2 实验方法与步骤 ① 将煤样通过干燥箱干燥后， 利用电子天平称 重，利用真空饱和装置对煤样饱和蒸馏水，再用滤 纸轻轻吸干煤表面液体，称取湿重。 ② 利用离心机的离心过滤作用， 将煤中的溶液 分离出来。将煤样裹上滤纸装入离心管，对称放置 在离心机的离心槽内。打开离心机，设定旋转速度 10 000 r/min，旋转时间为 10 min。等离心机停止旋 转后，取出煤样，称重。 ③ 将蒸馏水换为 1.5 KCl 溶液，将第 1 组煤 样，重复步骤①步骤②。 ④ 将蒸馏水换为 1.5 KCl0.05 AN 溶液， 将第 2 组煤样，重复步骤①步骤②。 1.3.3 实验结果 离心分离实验结果如表 4。据离心分离实验后煤 中残余水量，进而反映溶液从煤中分离的难易程度。 表 4 煤样离心分离实验结果 Table 4 The centrifugal separation experiments the first group 饱和蒸馏水样 饱和 KCl 样 样品 编号 样口干重/g 湿重/g 残余水饱和度/ 湿重/g 残余水饱和度/ 备注 1 17.794 0 17.948 6 68.37 17.887 2 57.51 2 4.576 6 4.612 8 95.58 4.602 4 71.71 3 9.981 0 10.078 4 67.56 10.047 0 54.09 4 6.971 1 7.047 5 72.51 7.023 4 60.99 5 6.431 3 6.490 0 68.31 6.468 3 55.14 第1组 6 7.581 0 7.631 2 74.70 7.603 1 58.37 7 15.718 7 15.901 4 65.57 15.831 5 53.28 8 4.884 3 4.932 6 70.60 4.908 6 56.79 9 5.120 0 5.185 9 70.41 5.162 5 61.65 10 4.373 7 4.404 1 76.64 4.387 7 52.14 第2组 2 讨 论 2.1 筛选结果 煤粉沉降实验结果表明 0.05 AN溶液和 1.5 KCl0.05 AN 溶液均能够润湿煤粉，使煤粉发生 沉降图 1， 且煤粉沉降率和沉降速度均优于其他复 配溶液。表面张力的测定结果表明在蒸馏水、活 性水等溶剂中加入少量的亲水性表面活性剂 AN， 可以大幅度降低溶剂的表面张力，改变溶剂的界面 状态，表面张力降低率均在 60以上图 2a。接触 角的测定结果表明0.05 AN 溶液和 1.5 KCl 0.05 AN 溶液均能大幅度降低其与煤的接触角， 增 加煤表面的亲水性图 2b。毛细管压力计算结果表 明0.05 AN 溶液和 1.5 KCl0.05 AN 溶液能 大幅度降低煤样的毛细管压力图 2c。离心实验结 果表 4表明相同离心条件下，饱和蒸馏水样的平 均残余水饱和度为 73.03，饱和 KCl 样为 59.89， 饱和 KClAN 样为 56.45， 说明溶液从煤中分离的 难易程度依次为蒸馏水、1.5 KCl 溶液、1.5 KCl 0.05 AN 溶液，这与沙曲煤样毛细管压力计 算结果表 3一致； 这充分说明毛细管压力高的液体 侵入煤体后，造成的水锁伤害要大于毛细管压力低 ChaoXing 82 煤田地质与勘探 第 45 卷 图 2 亲水性表面活性剂的润湿作用及其对煤润湿性的影响 Fig.2 Wetting action of hydrophilic surfactants and their influence on the wettability of coal 的溶液。因此，使用 1.5KCl0.05AN 溶液，可 以降低煤孔隙毛细管压力，使得压裂液极易与煤储 层分离，压裂液的可排性增强，从而大大降低形成 水锁效应的概率，实现防水锁增产。 综上所述，由于 0.05 AN 溶液和 1.5 KCl 0.05 AN 溶液能够大幅度降低水基压裂液的表面 张力，增加煤表面的亲水性，降低煤孔隙的毛细管 压力，进而能够有效控制储层的水锁伤害，最终确 定水基压裂液用最佳表面活性剂体系为 0.05 AN 复配溶液ASNS91，由此构成了 1.5 KCl 0.05 AN 的表面活性剂压裂液。 2.2 降低毛细管压力抑制水锁增产机理 煤层气储层多为双孔隙岩层，由基质孔隙和 裂隙组成，孔隙内的液面受表面张力作用形成弯 曲液面，并在弯曲液面内外产生压力差，即毛细 管压力[15-16]。 毛细管压力是流体流动阻力最重要的组成部 分，是造成低渗储层启动压力存在的主控因素，因 此，降低毛细管压力，增强注入压裂液的可排性， 提高气水相对渗透率，就可以使得启动压力梯度降 低，达到增产的目的[14-15]。启动压力梯度的存在使 煤层气在储层中流动时，会增加一个附加的能量损 失，在相同的压差下获得的流量比按常规的达西定 律计算得到的流量小， 考虑启动压力梯度的气-水两 相流耦合渗流方程为[17-15] wwwwww w gggggg g [] [] wrw grg m kk pg hg LqS t kk pg hLqqS t                     1 式中 Vg、Vw为流体在煤储层裂隙系统中的渗流速 度w、g 分别代表水和气，m/s；ρg、ρw为流体的密 度，kg/m3；k 为煤储层的绝对渗透率，m2；pg、pw为 流体的压力，Pa； krg、krw为流体的相对渗透率；μg、μw 为流体的黏滞系数，Pa.s； g 为重力加速度，m/s2； h 为相对标高，m；L为流体运移距离，m；λg、λw 为流体的启动压力梯度，Pa/m；Sg、Sw为流体的饱 和度，；φ 为裂隙孔隙率。 式1说明，在低渗储层内，毛细管压力的存在 直接影响气、水的产出率，若减小储层毛细管压力， 则气、水的产出率提高，实现防水锁增产。结合毛 细管压力测试和离心分离实验分析可知当表面活 性剂压裂液1.5KCl 0.05AN进入孔隙内，降低 了活性水压裂液进入煤孔隙产生的毛细管压力，使 得返排阶段压裂液极易与煤储层分离，压裂液的可 排性增强，使得气水相对渗透率提高，启动压力梯 度降低，进而显著降低压裂液对储层的水锁伤害， 实现增产图 3。 图 3 亲水性表面活性剂抑制水锁示意图 Fig.3 The schematic diagram of restraining water locking with hydrophilic surfactant 由上述理论分析可知，屯兰矿、沙曲矿之所以 采用活性水压裂液就能够实现商业化开发，是因为 活性水压裂液的毛细管压力低于蒸馏水图 2c，即 在两矿区使用活性水压裂液进行储层强化能够在一 定程度上缓解水锁效应对储层的伤害。 3 结 论 a. 毛细管压力高的压裂液侵入煤体后，造成的 水锁伤害要大于毛细管压力低的。降低压裂液在煤 孔隙中的毛细管压力，增强注入压裂液的可排性， ChaoXing 第 6 期 宋金星等 煤储层水基压裂液用表面活性剂的筛选实验 83 能够有效提高气水相对渗透率，使得启动压力梯度 降低，实现增产。 b. 在水基压裂液中加入 0.05 AN 复配溶液 ASNS91，可以大幅度降低压裂液的表面张力， 改变压裂液的界面状态， 从而增加煤表面的亲水性， 降低煤孔隙的毛细管压力，使得压裂液的可排性增 强，进而能够有效控制储层的水锁伤害。 参考文献 [1] 郭红玉， 苏现波. 煤层注水抑制瓦斯涌出机理研究[J]. 煤炭学 报，2010，356928–931. 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