压裂液对煤储层伤害实验及应用——以沁水盆地西山区块为例_白建平.pdf

第 44 卷 第 4 期 煤田地质与勘探 Vol. 44 No.4 2016 年 8 月 COAL GEOLOGY EXPLORATION Aug. 2016 收稿日期 2016-01-17 基金项目 山西省煤层气联合研究基金资助项目（2012012006，2013012013） Fundation item Shanxi Provincial Basic Research Program-Coal Bed Methane Joint Research Foundation（2012012006，2013012013） 作者简介 白建平（1971），女，山西晋城人，硕士，高级工程师，从事煤层气开发地质研究与现场工程. E-mailjmjtbjp 引用格式 白建平，武杰. 压裂液对煤储层伤害实验及应用以沁水盆地西山区块为例［J］. 煤田地质与勘探，2016，44（4）77-80. BAI Jianping， WU Jie. Experiment and application of fracturing fluid damage to coal reservoir a case of Xishan block in Qinshui basin ［J］. Coal Geology Exploration，2016，44（4）77-80. 文章编号 1001-1986（2016）04-0077-04 压裂液对煤储层伤害实验及应用 以沁水盆地西山区块为例 白建平 1，2，武 杰1，2 （1. 山西蓝焰煤层气集团有限责任公司，山西 晋城 048012； 2. 煤与煤层气共采国家重点实验室，山西 晋城 048000） 摘要 为分析压裂液对西山区块煤储层的伤害，采用工作液评价实验方法，研究了压裂液基液、 黏土稳定剂和表面活性剂对煤储层的影响。研究结果表明，现场所用的活性水压裂液对煤储层损 害率最高为 37.2％；未过滤的含杂质的河水要比过滤的河水和井水对煤层的伤害大得多；黏土稳 定剂 KCl 的添加量应根据水敏性伤害程度确定，研究区黏土稳定剂合适的添加量应该为 2％～4％； 为保证压裂液尽快返排，压裂液中需添加表面活性剂，表面活性剂的添加量为 0.2％较好，实际应 用时可做适度调整，但用量不要超过 1.4％。在实际生产中采用该方法对压裂液进行了优化，压裂 液优化后的煤层气井的煤层气产气量要比未优化的井日产气量高 300～500 m3。 关 键 词储层伤害；煤层气井；压裂液；黏土稳定剂；表面活性剂 中图分类号P618.11 文献标识码A DOI 10.3969/j.issn.1001-1986.2016.04.015 Experiment and application of fracturing fluid damage to coal reservoir a case of Xishan block in Qinshui basin BAI Jianping1，2， WU Jie1，2 （1. Shanxi Lanyan CBM Group Co.， Ltd.， Jincheng 048012， China； 2. State Key Laboratory of Coal and CBM Co-mining， Jincheng 048000， China） Abstract In order to analyse the fracturing fluid damage to the Xishan coal reservoir， used the working fluid uate s was used， the effect of fracturing fluid， clay stabilizer and surfactant on coal reservoir was stud- ied. The results show that the active hydraulic fracturing fluid used in the field does harm to the coal reservoir， and the damage rate is 37.2％， the clean degree of fracturing fluid base has great influence on the degree of damage of coal seam， and the damage of theun filtered water is much bigger than that of the filtered water and well water， clay stabilizer KCl dosage should be determined according to the water-sensitive damage degree， the appropriate adding amount of clay stabilizer in the study area should be 2％～4％， in order to ensure that the fracturing fluid returns to the exhaust as soon as possible， the surface active agent should be added in the fracturing fluid， the amount， sur- factant should be better at 0.2％， the actual application can be adjusted， but not more than 1.4％.In the actual pro- duction of fracturing fluid is optimized by the ， the gas production of optimized fracturing fluid CBM wells is 300～500 m3 higher than that of not optimized gas wells. Key words reservoir damage； CBM wells； fracturing fluid； clay stabilizer； surfactant 压裂工艺是油气井增产的有效措施，特别是针对 低渗透储层整体改造效果更好［1］。 压裂形成的填砂裂缝 能改善储层流体向井内流动的能力，然而，压裂作业 中压裂液进入储层后， 又会干扰储层原有平衡条件［2-3］， 所以，压裂措施本身包含了改善储层和伤害储层双重 作用，为了获得较好的增产效果，应充分发挥其改善 储集层的作用，尽量减少对储层的伤害。我国煤层气 储层的渗透率普遍偏低，且容易受到其他因素的影响 ChaoXing 78 煤田地质与勘探 第 44 卷 导致渗透率降低［4］，所以，煤层气开发使用的压裂液低 伤害是关键。 康毅力等［5］采用氮气吸附和扫描电镜等实 验方法表明瓜胶压裂液对煤层的孔径分布和比表面积 珺等的伤害要比活性水压裂液伤害程度更高；周等［6］ 通过逐级降压测试认为压裂液进入煤基质和微割理中 会阻碍煤层气的解吸和运移，并且水源水对煤层的伤 害远小于微乳剂溶液； 许耀波［7］通过对煤储层孔渗特征 及黏土成分分析对煤层气开发压裂液进行了优选，认 为选用活性水压裂液，并且在其中加一定浓度的防膨 剂和助排剂效果较好。现有研究大多基于煤储层特征 或是压裂液性能的角度研究压裂液对煤储层的伤害或 者进行压裂液配方优选，本文将基于压裂液伤害分析， 同时结合储层特征和压裂液性能分析，系统研究压裂 液优选方法，并且通过煤层气井实际应用评价了压裂 液的优化效果。 1 实验样品及实验方法 实验样品来自西山区块，该区块位于沁水盆地的 西北部，区域构造属太原古交向斜，区内主要含煤地 层为石炭系上统太原组和二叠系下统山西组，主采煤 层为 2 号、8 号、9 号煤。煤的镜质体反射率 Rmax为 1.08％～1.26％，属中等变质程度烟煤。煤中灰分为 14.05％～23.51％，无机组分主要以黏土矿物为主，其 中黏土矿物占矿物总量的 61％～100％，且水敏性黏土 矿物伊/蒙混层比例较高，为 41％～ 74％（表 1）。 表 1 实验样品基本数据 Table 1 Basic data of experimental samples ％ 样品 名称 镜质体反射 率 Rmax 灰分 Ad 黏土占矿物 比例 伊/蒙混层占 黏土比例 XS-1 1.08 14.05 96 67 XS-2 1.12 17.25 97 50 XS-3 1.21 20.12 91 74 XS-4 1.26 23.51 100 44 XS-5 1.23 16.41 79 56 XS-6 1.14 18.54 61 41 实验用煤柱直径为 2.5 cm，高度为 4～6 cm，岩 心制备过程应保证岩心矿物成分及孔隙结构不发生 改变。岩样端面与柱面平整，且端面与柱面垂直， 无缺角等结构缺陷， 样品的前期处理依据标准 SY/T 53362006岩心分析方法进行，实验所用仪器 为 LSY-1A 型压裂液伤害分析仪，实验方法按 SY/T 53582010储层敏感性流动实验评价方法执行， 样品接触工作液引起的渗透率损害率按下式计算 12 k 1 100％ KK D K - 式中 Dk为渗透率损害率，％；K1为注入工作液前 测定的渗透率，10-3 μm2；K2为注入工作液后测定的 渗透率，10-3 μm2。 2 实验结果与分析 2.1 活性水压裂液对煤储层伤害分析 为确定现行压裂液（活性水压裂液）是否对煤储 层存在伤害，采用适宜矿化度的煤层水作为初始流 体，按照上述实验方法对现场三个压裂液样品进行 了伤害分析（表 2）。 表 2 现场压裂液注入前后渗透率变化 Table 2 Permeability changes before and after field frac- turing fluid injection 样品 名称 测试液体 注入前渗透 率/10-3m2 注入后渗透 率/10-3m2 损害率 /％ XS-1现场压裂液10.042 7 0.031 2 26.9 XS-3现场压裂液20.1340 0.084 2 37.2 XS-2现场压裂液30.075 8 0.058 7 22.6 从表 2 可看出，现场压裂液注入煤储层后对煤 储层存在不同程度的伤害，损害率最高为 37.2％， 证明压裂液对煤储层确实存在伤害。但是压裂液是 一种多组分液体，需要进一步分析到底是压裂液基 液还是添加剂引起的储层伤害。 2.2 河水和井水对储层的伤害影响 目前， 煤层气开发常用的活性水压裂液的基液主 要来自于河水和井水。为了研究其对煤储层的影响， 分别对过滤前后的河水和井水进行储层伤害实验， 实 验中采用煤层水作为初始测试流体。 从表 3 可看出，过滤后的河水和井水对渗透率的 损害较小；未过滤的河水对渗透率损害最大，损害率 最高达 60.4％，而井水过滤与否对渗透率的损害无明 表 3 基液的储层伤害测试 Table 3 Base fluid reservoir damage test 注入过滤基液后 注入未过滤基液后 样品 基液 浊度 /FTU 注入前渗透率 /10-3μm2 渗透率/10-3μm2 损害率/％ 渗透率/10-3μm2 损害率/％ XS-4 河水-1 0.023 1 0.022 7 1.73 0.012 5 45.9 XS-1 河水-2 15.4 0.028 3 0.026 5 6.36 0.011 2 60.4 XS-2 井水-1 0.075 6 0.075 5 0.132 0.075 2 0.529 XS-3 井水-2 1.3 0.094 6 0.094 6 0 0.094 4 0.211 ChaoXing 第 4 期 白建平等 压裂液对煤储层伤害实验及应用 79 显差异，这可能与井水的浊度低有关。河水中的杂质 主要为细小的黏土颗粒和微生物（图 1）。 所以， 压裂液 基液的清洁程度对煤层的伤害程度有着较大影响， 在 实际生产中，应尽量选择井水作为压裂液基液，为 避免注入的压裂液将对煤储层渗透率造成伤害，使 用河水作为基液之前务必进行过滤。 图 1 压裂液所用河水中的杂质 Fig.1 Impurities in the river water used in fracturing fluid 2.3 黏土稳定剂对煤储层伤害的影响 黏土的水合膨胀和分散运移会堵塞储层孔隙， 降低储层的渗透率［8］。因此，对黏土矿物必须采用 防膨稳定措施。现行的煤层压裂液中主要采用 KCl 作为黏土稳定剂，但是 KCl 的用量在不同的储层中 大不相同，为确定黏土稳定剂的最佳用量，进行了 不同浓度 KCl 的渗透率变化实验。 表 4 煤样的水敏性测试 Table 4 Water sensitivity test of coal samples 样品 名称 注入前渗透率 /10-3μm2 注入蒸馏水后渗 透率/10-3μm2 损害率 /％ 损害程度 XS-3 0.144 0.081 1 43.7 中等损害 XS-2 0.069 1 0.044 8 35.2 中等损害 表 4 结果显示，煤样的损害率分别为 35.2％和 43.7％，为中等损害储层，应该在压裂液中添加黏土 稳定剂。从图 2 看出，当添加 KCl 浓度在 2％～4％ 时渗透率比添加其他浓度的渗透率高约 30％， 所以， 黏土稳定剂添加量控制在 2％～4％较合理。 图 2 样品 XS-5 添加不同浓度 KCl 煤样的渗透率变化曲线 Fig.2 Permeability variation curves of coal samples with different KCl concentrations in XS-5 well 2.4 表面活性剂对煤储层伤害的影响 在低渗透储层中，由于毛细管压力的存在，液 珠通过毛细孔喉时会产生很大的阻力效应，所以， 煤层气开发的压裂液中需要添加表面活性剂以提高 其返排率，减少对煤储层的损害［9］。 为探讨生产中表面活性剂的最佳用量，我们对 表面活性剂进行了评价实验。由于表面活性剂通常 为有机物，加入储层后难免会造成储层伤害，故先 通过实验测试添加剂对煤储层的伤害程度。从图 3 可看出，表面活性剂体积分数＜1.4％时，渗透率无 明显变化，当≥1.4％时，渗透率急剧下降，说明表 面活性剂的添加量过多确实会造成储层伤害，所以 实际生产中，表面活性剂的用量应＜1.4％。 图 3 样品 XS-6 渗透率随表面活性剂体积分数变化 Fig.3 The change of permeability with surfactant volume fraction in XS-6 well 实践中，表面活性剂添加后溶液的表面张力应低 于 28 mN/m。从表 5 可看出，表面张力随着表面活性 剂浓度的增加而降低， 在浓度为 0.2％时表面张力降到 28 mN/m 以下，结合成本因素，在压裂液中添加的表 面活性剂浓度定为 0.2％较好。 3 应用效果分析 为验证前述压裂液优化方法的有效性， 对区内的 压裂液体系进行了优化， 并且应用到实际生产中， 同 时对优化前后气井的产气效果进行了对比分析。 该区块早期生产井的压裂液多为清水0.05％表 面活性剂0.05％杀菌剂，在新井压裂液设计中，具 体配方为清水0.2％表面活性剂0.05％杀菌剂3％ KCl，最大的改变是在黏土稳定剂 KCl 的添加上，同 时为了加快返排速率，加大了表面活性剂用量。 西山-2 井和西山-4 井为早期的煤层气井，西山-1 井和西山-3 井是分别紧邻西山-2 井和西山-4 井的新 井，表 6 为四口井在产气稳定期的日产水量和套压， 表 5 不同浓度表面活性剂的表面张力 Table 5 Surface tension of surfactants with different concentration 表面活性剂浓度/％ 0.01 0.02 0.05 0.1 0.2 0.5 0.8 1 表面张力/（mNm-1） 46.02 45.99 35.89 33.55 24.56 24.23 23.70 21.35 ChaoXing 80 煤田地质与勘探 第 44 卷 两组对比井的基础地质条件和工程施工工艺基本一 致，新井西山-1 井和西山-3 井的压裂液采用优化后的 配方。从图 4 可看出，老井西山-2 井的日产气量基本 稳定在 300～400 m3，新井西山-1 井日产气量基本维持 在 700 m3左右； 老井西山-4 的日产气量为 400～500 m3， 新井西山-3井日产气量在800～1000 m3。 由此可以看出， 压裂液优化后的煤层气井的产气量要比未优化的煤层 气井日产气量高 300～500 m3，增产效果明显。 表 6 产气稳定期的产水量和套压 Table 6 Water yield and casing pressure in the stable stage of gas production 井号 西山-1 西山-2 西山-3 西山-4 日产水量/m3 0～4.8 0～0.48 0～3.6 0～3.6 套压/MPa 0.03～0.1 0.03～0.06 0.03～0.4 0.03～0.1 图 4 产气稳定期新老井的产气情况对比 Fig.4 Comparison of gas production of new and old wells in the stable stage of gas production 4 结 论 a. 压裂液基液的清洁程度对煤层的伤害程度 有着较大影响，应尽量选择井水作为压裂液基液， 若使用河水时务必进行过滤，避免水中的杂质对储 层渗透率造成伤害。 b. 黏土稳定剂的用量要根据储层的水敏伤害 程度适量添加，本区储层为中等损害储层，黏土稳 定剂的合适添加量为 2％～4％。 c. 表面活性剂添加过多会造成储层伤害，添加 量应控制在 1.4％以内。为保证压裂液尽快返排，本 区压裂液中表面活性剂的用量为 0.2％效果较好。 参考文献 ［1］ 汪永利， 丛连铸， 李安启， 等. 煤层气井用压裂液技术研究［J］. 煤田地质与勘探，2002，30（6）27-31. ［2］ WANG Yongli， CONG Lianzhu， LI Anqi， et al. The technology of fracturing fluid in CBM well［J］. Coal Geology Exploration， 2002，30（6）27-31. ［3］ 刘易非，黄海. 压裂液滤液对特低渗透储层驱油效率的影响 ［J］. 油气地质与采收率，2007，14（1）94-97. LIU Yifei，HUANG hai. Effect of fracturing fluid filtrate on oil dis- placement efficiency of extra low permeability reservoir［J］. Petro- leum Geology and Recovery Efficiency，2007，14（1）94-97. ［4］ 陈馥， 李钦． 压裂液伤害性研究［J］． 天然气工业， 2006， 26（1） 109-111． CHEN Fu，LI Qin. Study on the damage of fracturing fluid［J］. Natural Gas Industry，2006，26（1）109-111． ［5］ 丛连铸，陈进富，李治平，等．煤层气压裂中压裂液吸附特 性研究［J］．煤田地质与勘探，2007，35（5）27-30. CONG Lianzhu，CHEN Jinfu，LI Zhiping，et al. Adsorption features of fracturing fluid by coal substrate during the fracturing process in coalbed methane well［J］. Coal Geology Explora- tion，2007，35（5）27-30. ［6］ 康毅力， 陈德飞， 李相臣. 压裂液处理对煤岩孔隙结构的影响 ［J］. 中国石油大学学报（自然科学版），2014，38（5）102-108. KANG Yili，CHEN Defei，LI Xiangchen. Effect of fracturing fluid treatment on pore structure of coal［J］. Journal of China University of Petroleum（Edition of Natural Science），2014， 38（5）102-108． ［7］ 周琚，伊向艺，卢渊，等. 不同压裂液对煤层气解吸影响的实 验研究［J］. 中国科技论文，2015，10（3）354-358. ZHOU Ju， YI Xiangyi， LU Yuan， et al. Effect of fracturing fluid type on desorption of coalbed methane［J］. China Science Paper， 2015，10（3）354-358. ［8］ 许耀波. 基于芦岭井田煤储层特征的压裂液优选［J］. 煤矿安 全，2015，46（7）67-69. XU Yaobo. Optimization of hydraulic fracturing liquid based on coal bed methane reservoir in Luling field［J］. Safety in Coal Mines，2015，46（7）67-69. ［9］ 汪伟英，肖娜，黄磊，等. 钻井液侵入引起煤岩膨胀对煤储层 的伤害［J］. 钻井液与完井液，2010，27（3）20-22. WANG Weiying，XIAO Na，HUANG Lei，et al. Coal reservoir damage by coal swelling caused by drilling fluid intrusion［J］. Drilling Fluid and Completion Fluid，2010，27（3）20-22. ［10］ 范耀，茹婷，李彬刚，等. 焦坪矿区侏罗纪煤层地面煤层气井 压裂液优选实验［J］. 煤田地质与勘探，2014，42（3）40-42. FAN Yao，RU Ting，LI Bingang，et al. Fracturing fluid ex- periment for coalbed methane wells of Jurassic coal in Jiaoping block［J］. Coal Geology Exploration，2014，42（3）40-42. （责任编辑 范章群） ChaoXing