煤层气井压裂液优选.doc

煤层气井用压裂液在一定程度上，可以借鉴现行水基压裂液性能评价，但由于煤储层具有松软、割理发育、表面积大、吸附性强、压力低等与油藏储层不同的特性，由此而引起的高注入压力、复杂的裂缝系统、砂堵、支撑剂的嵌入、压裂液的返排及煤粉堵塞等问题，使得煤层气井用压裂液与油气田压裂液存在着差异，主要表现在：煤岩的表面积非常巨大，具有较强的吸附能力，要求压裂液同煤层及煤层流体完全配伍，不发生不良的吸附和反应；煤层割理发育，要求压裂液本身清洁，除配液用水应符合低渗层注入水水质要求外，压裂液破胶残渣也应较低，以避免对煤层孔隙的堵塞；压裂液应满足煤岩层防膨、降滤、返排、降阻、携砂等要求。对于交联冻胶压裂液，要求其快速彻底破胶。煤的润湿性固体表面一般可以分为高能表面和低能表面两类。高能表面指的是金属及其氧化物、二氧化硅、无机盐等的表面。其表面自由能一般在500mN/m-5000mN/m之间。低能表面指的是有机固体表面，它们的表面自由能一般低于100mN/m。经试验测得晋城3#煤的表面自由能为51.1mN/m,属于低能表面。由于水的表面张力较高，它一般不在低能表面上自动铺展。如果要使水在低能表面上铺展，最方便的办法就是在水中加入表面活性剂。从固体表面自由能也可以看出，对油气藏而言，它属于高能表面。它对外来液体的表面张力和界面张力不是特别敏感。水的表面张力常温下为72左右，假如某助排剂水溶液的表面张力为25mN/m，相对于岩石500mN/m-5000mN/m的表面自由能，两者会发生一样的润湿情况；而对于50 mN/m左右表面自由能的煤来说，两者的润湿情况就大不一样了。从这个角度讲，作为压裂液而言，里面不应该加入助排剂。加入以后，改变了液体和煤的润湿关系，对压裂液的返排反而不利。煤的孔隙度作为固态胶体的煤，其内部存在着许多孔隙，孔隙体积占煤的总体积的百分数为煤的孔隙度。孔隙度与煤化程度有关:煤化程度低的煤，其孔隙度基本在10%以上；中等煤化程度的煤，其孔隙度最低，约3%；当煤化程度加深孔隙度又出现增加的趋势。孔隙度大小还受成煤条件、煤岩组成等因素的影响。同一煤化程度的煤其孔隙度都有一个波动范围。煤的孔径大小并不是均一的，有微孔，其直径小于2010-10m；中孔，孔径为20-20010-10m，其中多数小于10010-10m；大孔的直径大于20010-10m。各种煤孔的分布有一定的规律：碳含量低于75%的褐煤，其大孔占优势，中孔基本没有。在75%-82%之间的煤，中孔特别发达，空隙总体积主要由中孔和微孔所决定。碳含量在88%-91%的煤微孔占优势，其孔体积占70%以上，中孔一般很少。煤的表面积煤是多孔物质，其表面积包括颗粒外表面积和内部孔隙两部分。对于具有微孔结构的物质来说，表面积与孔隙体积之比率很大，能够吸附大量物质，所以，微孔及其发育的煤能吸附大量气体。煤的表面积主要是内部孔隙，外表面积占的比例很小。煤的表面积大小不仅对了解煤的生成过程和煤的微观结构是重要的，而且与煤的吸附密切相关，因此，它是重要的物理性质之一。随着煤化程度的变化，煤的比表面积具有一定的变化规律。即煤化程度低的煤和煤化程度高的煤其比表面积大，而中等煤化程度的煤比表面积小。煤的渗透率渗透率是煤层气开发中关键的因素之一。由于煤层结构、组成等方面的特殊性，使得实验室对煤层渗透率的准确测试较困难，精确的测试只有来源于钻井的生产测试。煤的渗透率通常分为相对渗透率和绝对渗透率。煤基质对气和水基本是不渗透的。因此裂隙网络系统是气体主要疏导途径。Puri等指出（1990），煤的基质孔隙即使有，也对流体流动状态影响很小。Law,B.E.(1993)指出，煤中主要的流通通道是裂隙网络系统，煤基质的渗透性实际是不存在的。CNPC所钻煤层气井的基质渗透率都较偏低，一般都小于0.0110-3um2；煤的裂隙网络均较发育，其各向异性比较明显，平行面裂隙网络方向的渗透率一般最大。通常煤层气井的压裂是指的将裂隙网络沟通。煤层渗透率与煤层埋深有着良好的关系相关关系。随着埋深得增加，渗透率降低。除深度对渗透率有影响外，地质构造也是增大渗透率的主要因素。储层粘土含量在压裂液配方体系研究中，首先应考虑压裂液对煤层的伤害，尤其是针对低渗储层。在实施压裂时，压裂液添加剂中的防膨剂及表面活性剂的优选相当重要，因为该煤储层粘土绝对含量高，蒙脱石及伊利石的相对含量也高，且属低渗储层，粘土的膨胀与运移都会使渗透率急剧降低；同时，高分子表活剂的加入势必改善液体与煤的润湿吸附特性，使得液体吸附在煤固体表面，导致孔道堵塞。由此，压裂液添加剂的优选及配方筛选应结合煤储层的物性，以使得压裂液侵入煤层后，尽可能的降低对煤层储层的伤害。试验测试项目表/界面张力测定试验、煤粉吸附试验、煤芯片吸附试验、煤粉膨胀试验、动态伤害试验、耐温耐剪切及流变试验、静态滤失试验、破胶试验、残渣试验等。活性水压裂液为了使煤层气井用压裂液能更适合煤储层的特性，对压裂液中各添加剂的优选变得尤为重要。首先应尽可能减少有机物的加入，活性水压裂液是重要选择之一。由于煤是多孔物质，比表面积大，压裂液对煤基质的伤害主要是由于煤基质对液体吸附而引起的，所以在压裂液添加剂的优选时，不仅要考虑各添加剂的性能，还要研究添加剂水溶液与煤基质的吸附润湿特性、膨胀特性，伤害性能。对配液用水的要求配制压裂液所需的水质应清洁透明，与压裂液用稠化剂可交联。对配液用水进行了常规分析，其结果见表。表 配液用水常规分析离子种类Na+K+Ca2+Mg2+Cl-SO42-HCO3-CO32-OH-总矿化度浓度（mg/L）85713114020000319表面活性剂水溶液的表/界面张力和吸附性能活性水作为煤层压裂液，在我国己进行了多次煤层气的开发实验。其施工排量大，用液最大，加砂量相对较少，但对煤层的污染较小。针对以往活性水压裂液特点，重点对返排性能进行调整，并认为在较低温度(小于30)及压裂工艺所要求裂缝较短的情况下，使用活性水压裂液。对上述配方，我们主要考察表面活性剂的性能，与常规油气藏不同的是，在煤层气井压裂中，不单要考查其表、界面张力，尤为重要的是要与储层的煤进行吸附润湿试验，以确定其是否起到助排作用。因为如果煤储层对它的吸附要是很强的话，那么不但对储层造成膨胀伤害，最重要的是势必会造成压裂液中表面活性剂的有效成分减少，对压裂液的返排不利，达不到助排效果，对储层的伤害会加大。表面活性剂具有在低浓度时能吸附在两种互不相溶的物质表面之间的特性。来降低两种互不相溶的物质(油与水)之间的作用力。使压裂液容易返排且更彻底，以减少对储层的伤害。在煤层气井压裂中，助排剂的选择比油气井中助排剂的选择更重要，这是由于煤储层的特性决定的。因为无论是活性水和冻胶压裂液均需加入一定量的助排剂，且对于不同的储层特性，同种助排剂所起的作用差异较大。不同表面活性剂水溶液的表/界面张力测量结果见表；煤粉吸附后的表面活性剂水溶液的表/界面张力测试结果见表。表 不同表面活性剂水溶液的表/界面张力项目表面张力，mN/m界面张力，mN/m 浓度 （%）活性剂0.10.150.200.300.10.150.200.30DL-1024.621.320.018.71.901.100.880.77D-5028.728.729.029.16.102.402.261.72OP31.731.832.131.93.002.502.401.23ZA-525.124.925.024.70.290.170.130.10从上述试验数据可知，四种表面活性剂均具有较好的表、界面张力。单从表、界面张力看都能满足工艺设计得要求。但针对煤储层，还得考虑吸附问题。毕竟煤储层和油气藏储层有很大区别。表 某矿煤吸附后不同表面活性剂水溶液的表/界面张力项目表面张力，mN/m界面张力，mN/m 浓度 （%）活性剂0.10.150.200.300.10.150.200.30DL-1027.623.522.019.22.812.721.961.40D-5036.533.131.231.07.694.313.492.10OP44.037.335.033.55.033.892.892.20ZA-533.027.525.025.12.782.361.811.35从上面的数据可以看出，用煤浸泡后使得四种表面活性剂水溶液的表界面张力都有不同程度的升高，说明两种煤粉对它们有不同程度的吸附。其中，两种煤粉对OP的吸附量最大，而对DL-10和ZA-5的吸附量相对来讲要小得多，它的水溶液表界面张力变化不是很大，从这一点来讲，表面活性剂DL-10和ZA-5比较适合。表面活性剂水溶液的润湿吸附性能对于吸附速率，不同pH的清水与煤片的吸附速率为6.21；不同浓度的KCl水溶液与煤片的吸附速率为1-22.5；不同类型的助排剂，其水溶液与煤片的吸附速率不同，ZA-5为1-30，DL-10为1-3.4， OP为1-36，D-50为0.6-3.2。同样说明，在水中加入不同的添加剂，其溶液与煤片的吸附速率发生了改变，总的来看：KCl和助排剂DL-10，D-50的加入降低了水溶液与煤片的吸附速率，使得水溶液更不易被煤片吸附；助排剂OP，ZA-5和活化剂CH-2的加入增大了水溶液与煤片的吸附速率，使得水溶液容易被煤片吸附。活性水压裂液膨胀性研究煤层储层中常存在粘士，当外来液体侵入时，会发生粘士的运移或膨胀，使得煤储层的渗透率明显下降。由于不同储层的粘土含量、种类不同，粘土组成不同，为此，用NP-02型泥页岩膨胀仪测定了不同浓度KC1和A-25水溶液对某矿煤的线性膨胀量，实验结果见表。表 煤膨胀的实验结果介质时间（min）煤与不同介质接触后的膨胀量自来水KCl水溶液，%A-25水溶液，%1.01.52.03.01.01.52.03.0100.710.630.520.420.310.630.580.550.50201.110.890.800.630.461.050.840.760.67301.351.050.960.720.541.231.131.010.85401.501.151.060.750.641.331.161.061.01601.531.231.100.900.671.401.201.131.03801.651.281.121.030.681.421.201.201.061001.721.321.161.040.711.501.231.211.101201.731.321.181.040.711.521.301.231.101401.731.351.181.050.721.531.311.241.13从试验结果看，对于不同粘土稳定剂的防膨能力不同，就其不同浓度的水溶液，其能力各不相同，KCl的防膨效果比较好。针对这两种煤储层，防膨剂的含量应不同。KCl中的K+离子能侵入到粘土硅氧四面体内，继而阻止粘土膨胀，有效地稳定粘土。国外研究表明，有机物对煤层的伤害较大，一般不宜选用。综合考虑煤层储层的特殊性，KCl较为适宜，并根据压裂目的层岩性分析的结果在用量上增减。KCl的加入不但能起到使粘土稳定的作用，而且能有效地降低溶液的表面张力。当KCl水溶液通过煤样充填管时，其溶液的表面张力发生了变化，见表。表 表面张力变化煤样介质吸附后的表面张力初期中期后期2%KCl73.81#清水67.3-66.877.3-77.42#2%KCl45.3-45.846.8-47.147.2-47.53#2%KCl49.6-49.753.1-53.255.9-56.3从表面张力的变化来看，2%KCl水溶液的表面张力与清水相当，基本是一个定值，而通过煤样充填管的处理介质(清水、2%KCl水溶液)其表面张力都有不同的变化，均是降低了表面张力，而后表面张力逐渐增大。表面张力的降低与高分子的表面活性剂加入有关。由于煤层有表面积大、裂隙网络发育等特点，其表面有较强的吸附能力，可能是吸附有一定量的高分子，当2%KCl水溶液流经时，部分大分子溶于其中，降低了表面张力。表面张力的降低有利于压后返排，减少对煤层储层的损害。活性水压裂液的粘度性能用Fan35粘度计在常温下测得其性能:粘度为1mPa.s，K=0.001 Pa. sn，n=1。动态伤害试验动态滤失及伤害试验结果是衡量该配方是否适合该地层使用的很重要的一个依据。伤害结果的大小直接反映了该液体对地层的伤害程度。图 活性水压裂液对煤伤害试验结果由以上数据可以看出，活性水压裂液对煤储层的伤害率较小，一般小于25%，因为用活性水压裂液不存在残渣堵塞孔隙裂缝伤害问题，主要反映的是粘土膨胀伤害和吸附伤害情况。所以，结合以上试验结果，我们给出活性水压裂液的配方为：清水+2%氯化钾（+0.2%DL-10表面活性剂）交联冻胶压裂液由于交联冻胶压裂液适用于温度较高的地层，携砂性能好、造缝性能好，它在油气藏压裂中得到广泛应用。而对于煤储层来讲，携砂造缝固然重要，但如何减小伤害也是一个很重要的问题。从稠化剂的性能试验看，我们选择水不溶物较小的改性瓜胶作为交联冻胶压裂液用稠化剂。稠化剂的选择表 稠化剂筛选结果表名称外观粒度含水率%水不溶物,%0.6%胶液粘度MPa.spH值交联性能羟丙基瓜胶(昆山)淡黄色粉末98%过120目7.259.651057良好，能挑挂羟丙基瓜胶(吐哈)淡黄色粉末98%过120目6.0812.841237良好，能挑挂羟丙基瓜胶(山东东营)淡黄色粉末98%过120目8.3410.821117良好，能挑挂特级羟丙基瓜胶(宝丰春)淡黄色粉末98%过120目85.05115.57良好，能挑挂优级羟丙基瓜胶(宝丰春)乳黄色粉末100 %过120目8.23.76127.37良好，能挑挂98.19%过200目超级瓜胶乳白色粉末100 %过120目7.491.381327良好，能挑挂（无伤害压裂增稠剂）98.19%过200目通过指标对比，优选低水不溶物的优级瓜胶或超级瓜胶作为瓜胶配方稠化剂，并确定最佳用量为0.28-0.3。交联剂的选择交联剂的作用是使稠化剂溶液中的稠化剂分子迅速形成长链，粘度迅速增加，提高液体的造缝和携砂能力。由于煤层气开发深度浅，地层温度低，破胶问题显得尤为突出，故交联剂的选择也显得很重要。对于活性水、清洁压裂液，不存在交联剂的选择。但对于交联冻胶压裂液，交联剂是其必不可少的添加剂。交联剂一般有低、中、高温之分，即适应储藏的温度。对于煤层储藏，选择适应其低温条件的交联剂，不仅要从施工方面考虑，更重要的是考虑到施工后的破胶返排问题。交联剂之所以有低、中、高温之分，其关键在于交联剂与稠化剂分子链上的顺式轻基结合的牢固程度受温度影响，结合程度越牢固，抗温性能越好，也就导致在低温下破胶的困难，虽可以通过增大破胶剂用量，但并非解决问题的根本途径，相反会使成本上升。因此，在温度不是很高的煤层气井冻胶压裂液的交联剂选择上，选择了货源充足，价格较低，适合较低温度下使用的无机硼砂交联剂。破胶剂的选择对交联冻胶压裂液，如何使其在完成携砂任务后粘度(一般几百个mPa.s)迅速降低，有利于返排，就需要加入破胶剂达到这种目的。对于煤层来说，煤层水和存在的部分游离气的粘度一般很低，因此，就要求用于煤层压裂液破胶后的粘度要低，破胶时间要快。在煤层较低温度下，能否彻底破胶和快速返排，直接影响着对煤层污染，特别是交联冻胶压裂液加入了交联剂，就使得破胶剂的加入尤为重要。表是对不同破胶剂进行的测试结果。表 破胶实验结果破胶剂时间（h）破胶液粘度（mPa.s）过硫酸铵（%）过硫酸钾（%）0.050.100.150.200.050.100.150.205/14.6/7/29.018.311.5/1129.315.39.328.2/8.80248.004.503.202.511.54.353.502.60在现有的破胶剂基础上，选择货源广，价格较低的过硫酸盐作为煤层压裂液用破胶剂，破胶剂的用量随施工的不同阶段，逐渐加大，完全能满足煤层气井压裂的要求。值得注意的是，我们目前开发的煤层气深度一般在1200m以浅，当煤层埋深小于800m，煤层温度将低于40。由于破胶剂的作用，主要是受温度的影响，在煤层较低的温度下，要想使破胶剂充分作用，而又不影响压裂液在施工过程中压裂液的粘度。如何发挥破胶剂的作用使液体破胶彻底。我们又研制了用于低温储层下的破胶活化剂，使之适应于浅煤层线性胶或冻胶压裂液的压裂施工。低温破胶活化剂的选择过氧化物的分解温度一般在60左右，要想使破胶剂发挥作用，就必须降低其活化能，以使其达到在较低温度下分解，活化剂就能起到这种作用。低温破胶活化剂的加入，有助于线性胶及交联冻胶能较好的完成压后彻底破胶及返排。表是对活化剂的优选。表 低温活化剂实验结果活化剂时间（h）破胶液粘度（mPa.s）LBT-6（%）TA-1（%）0.10.20.30.40.10.20.30.416.07.28.011.05.84.93.53.425.26.37.47.24.54.43.02.535.05.76.56.53.73.52.52.044.24.55.05.72.32.01.71.6破胶困难的另一个原因是当存在天然裂缝滤失较大时，低分子过硫酸铰(破胶剂)更易大量滤失进储层，裂缝内压裂液破胶不彻底，或根本就不破胶时，出现“粘滞指进”现象，高粘压裂液大量堵塞裂缝，使导流能力大幅降低。由试验可见，低温活化剂对破胶剂起的作用是明显的。对于煤层气井来讲，由于井较浅，煤储层的温度一般较低，这就使得低温活化剂的筛选尤为重要。对于亚硫酸盐作活化剂，主要是防止其在空气中氧化，使得其结构发生变化，降低其使用效果；而氯化亚铜作为活化剂，关键是其在水溶液中的溶解性较差。较好的活化剂其性能应稳定、配伍性好，操作灵活。基于以上原则我们选择LTB-6，作为煤层气井用低温活化剂。杀菌剂的选择压裂液中使用的稠化剂一般为多糖聚合物。多糖聚合物水溶液是细菌繁殖的极好环境。细菌的生长势必使得多糖聚合物的分子链变短。杀菌剂加入压裂液中是为了防止压裂液中的稠化剂降解而造成粘度的损失。评价杀菌剂的性能是以稠化剂的粘度保持率为依据。表反映了不同杀菌剂对羟丙基瓜胶的粘度保持率。表 杀菌剂对粘度的影响杀菌剂时间（h）压裂液粘度（mPa.s）空甲醛（%）TH-1（%）0.10.150.20.30.10.150.20.324707871717276636976486582788075765875777248815.77774755974729631754.5737273577172由试验可见，不加杀菌剂，由于腐生菌的作用，压裂液的粘度下降较快，4天后，粘度保持率为37%，而加入不同杀菌剂甲醛及TH一1，在0.1%的用量下，4天后粘度保持率分别为92%和88%。同时也可看到杀菌剂的加入应视压裂现场实施的具体情况而定。在较低温度或配液到施工时间较短的情况下，建议不考虑加入杀菌剂。这也是煤层储层的特性所决定的。如果要用杀菌剂的话，从性价比考虑，我们建议用甲醛。耐温耐剪切试验按配方配制交联冻胶压裂液，于RV20旋转粘度计上，测其耐温耐剪切性能。试验方法：在恒剪切速率(170s-1)下，从室温经20min升至试验温度，再在试验温度下，剪切40min，测得其耐温耐剪切性能，见表。图 压裂液在不同温度下的粘时曲线经40min煤层温度下剪切后，配方的耐温耐剪切性能达到压裂工艺所提的技术指标，从这单一结果可看出，能满足压裂施工过程中对压裂液的要求。流变试验交联冻胶压裂液的流变性参数，是压裂设计所需的重要参数，对裂缝几何形状的计算有着直接影响，因此流变参数的确定就显得十分重要。通过在RV20旋转粘度计上的试验，测得数据见表。表 流变性测试结果流变性2030k0.680.76n0.400.45破胶试验压裂施工实施后，压裂液能否尽快较彻底的返排，影响着压后的效果。压裂液在煤层储层的滞留，会给储层带来较为严重的伤害，降低了储层的渗透率，直接影响煤层气井的产量。图表示该配方的破胶性能。图 破胶实验结果从图可得，该配方破胶性能完全达到压裂工艺要求，但考虑到破胶性能的重要性，从压裂液研究的角度考虑，应尽快地、彻底地破胶返排，通过在施工过程中固体破胶剂的锥形加入，基本能达到此目的。在图中考虑了追加破胶剂用量的问题。滤失试验冻胶体系滤失系数为1.54710-4 m/min1/2。静态滤失试验静态滤失试验是在高温高压静态滤失仪上进行的，用滤纸来模拟岩心，对于油井，其试验数据具有可靠性。而对于煤层气井压裂来讲，由于煤层的裂隙网络极其发育，其试验数据具有相对可比性，还有待进一步证明。表 交联冻胶压裂液静态滤失性能滤失时间（min）149162536C(ml.min-1/2)累积滤失（ml）204.67.210.816.319.322.66.510-4301.23.46.910.414.817.68.110-4助排试验压后压裂液能否较快彻底地返排，除了有压后破胶液粘度还必须具备破胶后的压裂液要有较低的表面张力，表示助排性能。图 煤岩对助排剂吸附实验曲线表 助排剂优选结果助排剂名称用量，%表面张力mN/m结 论吸附前吸附后DL-100.220.1242.35高吸附BZP-20.221.2322.48低吸附D-500.227.528.2低吸附ZA-50.227.4230.05低吸附HW-100.231.3231.42低吸附WD-120.220.7851.40高吸附依据上述实验结果，优选低表面张力和低吸附性能BZP-2或D-50作为高效助排剂，最佳用量为0.2。润湿吸附试验润湿吸附性能是衡量交联冻胶压裂液破胶液的一个重要的指标。破胶液进入煤层以后，它与煤层的润湿性在很大程度上影响着压裂液的返排问题。不同配方冻胶压裂液破胶液与煤芯片的吸附润湿试验结果见表。表 破胶液润湿实验不同破胶液1#2#3#接触角，424642其中：1# 0.5%羟丙基瓜胶+0.1%DL-6+0.3%CH-2+1/万破胶剂+2/万交联剂2# 0.4%羟丙基瓜胶+0.3%DL-6+0.1%CH-2+1/万破胶剂+2/万交联剂3# 0.3%羟丙基瓜胶+0.2%DL-6+0.2%CH-2+1/万破胶剂+2/万交联剂上述试验是对冻胶压裂液配方在吸附润湿方面的验证。冻胶压裂液破胶液与煤片的接触角为42-47。通过以上数据表明，冻胶压裂液破胶液将降低水溶液与煤基质的接触角，即改善了煤基质与破胶液的润湿性，于是破胶液与煤基质的接触增大，煤基质对破胶液中大分子的吸附能力增强，因此，其对煤基质的伤害程度随之增大。防膨试验表 不同配方冻胶压裂液破胶液膨胀实验结果时间1020406080100120140160膨胀量，mm0.350.420.520.540.610.620.620.630.64通过对大量的正交设计实验数据进行处理，可知实验用压裂液配方中各添加剂影响煤心膨胀程度：活化剂温度稠化剂助排剂残渣试验压裂液破胶液的残渣通过堵塞微孔隙，使得煤层储层的渗透率降低，其伤害作用是十分巨大地，为了避免其作用，首先压裂液必须配伍，其次压裂液添加剂用量应尽量减少，再次压裂液应彻底破胶。在筛选配方可行性的同时，以综合考虑到此问题。表 残渣实验结果温度2030残渣（%）4.85.2动态伤害试验一方面有外来液体引起的粘土膨胀和吸附膨胀，另一方面滤饼也对其有一定的伤害，更主要的是交联冻胶压裂液破胶后的残渣对孔隙裂缝的伤害。00.511.522.53050100150200250时间（min)渗透率（md)初始盐渗1.492md注入破胶液后盐渗1.389md伤害率6.9图 冻胶压裂液对煤伤害试验结果通过以上对煤储层用不同类型压裂液的评价与测试，可以看到，两套配方与煤的润湿吸附、防膨性较清水要好，接触角基本保持了较高的值，这就为压裂液与煤层接触后，对煤基质产生较低的伤害提供了保证；耐温耐剪切性能、流变性能、破胶性能、滤失、残渣等性能，能够满足压裂工艺对压裂液粘度、携砂、破胶、滤失等要求，并为实施压裂的工艺设计提供试验数据。由以上试验数据进一步确定了交联冻胶压裂液配方：0.3% 羟丙基瓜胶+2.0% KCl+0.2% 助排剂(D-50)+0.01% NaOH+0.1% 低温活化剂LBT-6+ 0.02% 硼砂+0.05%-0.1%甲醛 +0.015% 过硫酸铵清洁压裂液1997 年，压裂液的研制和开发取得了突破性进展。作为对传统聚合物/破胶方法的挑战，Eni-Agip的流体专家联合Schlumberger的室内工程师推荐了一种粘弹性流体用于Giovanna的修井作业，即所设计的压裂液使用粘弹性表面活性剂(VES)而不用聚合物。VES压裂液粘度低，但能有效地输送支撑剂，原因在于VES压裂液携带支撑剂是依靠流体的塑性和结构而不是流体的粘度，同时能降低摩阻力。该压裂液配制简单，主要用VES在盐水中调配。因为无聚合物的水化，VES很容易在盐水中溶解，不需要交联剂、破胶剂和其它化学添加剂，因此无地层伤害并能使充填层保持良好的导流能力。粘弹性压裂液正因为具有上述特性，亦称清洁压裂液。特点是独特的流变性，滤失要比常规压裂液少得多,尤其是低渗透地层，滤失粘度则比聚合物压裂液要高得多；液体工作效率高，与聚合物压裂液相比，同样规模的施工其耗液量较少；减少不必要的缝高发育。因裂缝中无固相，所以用相当少的液量和支撑剂就可实现更有效的缝长和更高的产能；液体配制简单方便,现场不需要过多的设备，只由盐水和表面活性剂组成，利用井液或烃类破乳降解,无需聚合水化剂、杀菌剂、交联剂及其它添加剂，因而在返排时不会滞留任何固相；适合各种温度的地层；成本较高，要尽可能降低成本，才能大力推广使用。增稠与破胶机理清洁压裂液的主要成分包括长链的表面活性剂、胶束促进剂和盐。表面活性剂分子含有亲水与亲油2个基团，结构式如图：图 表面活性剂结构式首先将表面活性剂的液体不断注入盐水里，然后让溶液高速剪切、搅拌，使表面活性剂完全分散，实现压裂液的充分稠化。此类表面活性剂是一类具有特殊性质粘弹性的表面活性剂，当其与盐水混合时，形成一种表面活性剂的疏水基向里，亲水基向外的胶束结构，此结构称为微胞。在清洁压裂液里，随浓度的增大，微胞变得像杆状或蠕虫状。如果表面活性剂的浓度超过临界胶束浓度(CMC)，这些蠕虫状的微胞胶束便缠绕在一起，球状胶束转变成棒状胶束，棒状胶束通过范德华力和分子间的弱化学键，相互之间高度缠结，构成了网状胶束，类似于交联的长链聚合物形成的网状结构,具有了凝胶性质，溶液粘度大幅度增加并具有了一定的弹性。交联过程如图所示。图 清洁压裂液交联示意图当清压裂液与地层原油、天然气接触时，由于胶束的内部是亲油的，烃分子钻入到胶束的内部，使胶束膨胀，相互缠结的棒状胶束就会松开，棒状胶束向球状胶束转变，使液体黏度降低，最终变成单个分子，溶于烃中。当清洁压裂液被地层水稀释时，也会破坏表面活性剂的胶束而失去黏度。在油井或天然气井中，都会含有游离状态的烃类物质，因此不需要加入破胶剂。但在煤层中，由于煤层气大都以吸附方式附存于煤层孔隙中，有时基本上没有游离气。考虑到煤层中没有游离气而且水量很少的情况，就必须选用一种破胶剂用以备用。室内研究表明，加入少量的非离子的表面活性剂，也能破坏掉胶液的胶束结构，使清洁压裂液破胶水化。清洁压裂液的携砂性能清洁压裂液是靠其自身的粘弹性携砂的，而聚合物压裂液主要靠粘度携砂。传统的支撑剂携带原则是，聚合物压裂液的粘度在剪切率为100 s-1 时至少应有100 mPa.s，或在剪切率为170 s-1时应有50 mPa.s。清洁压裂液的携砂机理主要表现为弹性携砂，粘度偏小即可完成携砂。表 清洁压裂液的粘度剪切速率，s-1粘度，mPa.s1003017025清洁压裂液防膨及对煤层伤害试验清洁压裂液不产生滤饼，破胶后没有固相残渣，故对煤层伤害是活性剂的吸附和粘土的膨胀上。各种压裂液中的KC1成分能够防止粘土遇水膨胀。清洁压裂液中的表面活性剂VES也具有较好的粘土稳定作用，前人研究结果表明VES若与KC1复配使用，防膨效果更佳。如1.0% KC1对膨润土的防膨初始防膨效果达80.2%。但永久防膨稳定能力较差，经清水3次冲洗后，对膨润土的防膨效果下降到63.5%。1.0% KCl+0.8% VES对膨润土的防膨初始防膨效果高达87.5%，经清水3次冲洗后，防膨效果仍达86.5%。图 清洁压裂液对煤基质伤害试验结果耐温耐剪切试验图 清洁压裂液粘度测试曲线用RV-20流变仪在40 、170 s-1条件下连续测定粘度60 min，测得粘度不小于27 mPas。，该配方也有剪切变稀的特点。清洁压裂液配方优选清洁压裂液的中表面活性剂(VES)、胶束促进剂(SYN)、盐(KC1)这3种成分的浓度对清洁压裂液的粘度相互制约，影响很大。图 SYN、KCl、VES用量对清洁压裂液粘度的影响从以上3个试验结果可以看出，当SYN浓度为0.2%时，压裂液粘度最高；KC1浓度在0.5-1.5 之间，压裂液粘度变化不大；VES浓度为0.8以上时，压裂液粘度高于25 mPa.s。因此可得优选配方为：0.8% VES+ 0.2% SYN + 1.0% KC1。优 化考虑到煤层储层特点及压裂工艺的要求，对煤层气井用压裂液的各添加剂、压裂液性能及经济成本进行了优化，其优化原则：尽可能少地使用添加剂，特别是有机类添加剂，以减少对煤储层的伤害；开发适合煤层气压裂用的压裂液材料，使之与煤储层相配伍；在保证压裂工艺及施工条件下，降低压裂液成本，以满足市场经济的要求。三种压裂液特点表 压裂液基本性能统计表活性水压裂液冻胶压裂液清洁压裂液指 标性 能指 标性 能指 标性 能粘度，mPa.s1粘度，mPa.s240粘度，mPa.s27PH值7pH值8pH值/密度，g/cm31.013滤失系数1.54710-4滤失性很难进入渗透率低于5 md的地层稠度系数Pa.sn0.001时间/温度破胶液粘度 mPa.s2 h/25 4.250.2% OP-10破胶性1.8 mPas流变指数，n1残渣，mg/L102摩阻系数0.0132 MPa/m防膨率，40滤液表面张力，mN/m23.64防膨率，%86.5伤害率，3.2-11.5伤害率，7-35伤害率，%26.21活性水压裂液，洁净水+氯化钾2（有时加入助排剂）。特点是施工排量大（6-7 m3/min），用液量大（450 m3/次），摩阻大，滤失量大，砂比低（18左右），加砂量相对较少（20-40 m3），有时产生砂堵，但对煤层渗透性的伤害率10左右，压后排液的负担较重。但其价格比较便宜，对煤层污染小，适用低煤层温度（小于30），压裂规模要求较小。交联冻胶压裂液，0.3% 羟丙基瓜胶+2.0% KCl+0.2% 助排剂(D-50)+0.01% NaOH+0.1% 低温活化剂LBT-6+ 0.02% 硼砂+0.05%-0.1%甲醛 +0.015% 过硫酸铵。特点是粘度大、滤失小、砂比达到25、加砂量高、不出现砂堵，施工难度小、用液量低，耐温耐剪性能好、能彻底破胶，破胶液粘度低，接近清水，表面张力小，返排效果好，残渣较少，但成本较高，对煤储层存在伤害，实验表明破胶液对煤心渗透率伤害达到50以上，且随接触时间增加伤害加大。在储层的温度较高、压裂工艺要求裂缝长度和宽度大、返排及时可以考虑使用。从煤储层改造的目的考虑，尽快、彻底地破胶，并及时返排是决定成败的关键。改变在施工过程中固体破胶剂的锥形加入，压裂后关井一段时间的传统做法，实行在压裂全过程中把胶囊式的破胶剂均匀加入，然后采用强制裂缝闭合技术（压裂后，利用余压立即进行有控制的返排），尽快返排，减少煤储层伤害。清洁压裂液，0.8% 表面活性剂VES+ 0.2% 胶束促进剂SYN+1.0% KC1，配制简单，无毒、无腐蚀性。与传统的冻胶压裂液不同，不是靠粘度携砂，而是靠粘弹性携砂，抗剪能力强，在170 s-1时为25 mPa.s，施工时平均携砂在30%以上，最高达到55%，摩阻为活性水的40%左右。压裂后，如果存在游离气或者有地层水时不需要破胶剂即可完全破胶返排，放喷4 h后粘度均低于5 mPas，对煤储层伤害小，仅为冻胶的1/3。清洁压裂液不产生滤饼，破胶后没有固相残渣。成本较高，为常规压裂液的5倍。适用条件同冻胶压裂液一样，但是如果储层没有地层水，也没有游离气时，必须选用少量非离子表面活性剂作为破胶剂。表 清洁压裂液和冻胶压裂液倒流能力比较（闭合压力pc=30MPa）压裂液支撑剂规格，目原始渗透率，m2填充层，m2渗透率保留率，%清洁压裂液20/4056052093冻胶压裂液20/4056025045表 不同压裂液适应性携砂能力造缝能力地层