高級(jí)工程師培訓(xùn)班壓裂工藝
激動(dòng)的小胖
無敵花花Nancy
彭少濤 劉川慶 朱衛(wèi)平 孫斌 劉學(xué)鵬
作者簡(jiǎn)介:彭少濤,男,1970年11月生,2007年獲西南石油大學(xué)碩士學(xué)位,現(xiàn)為高級(jí)工程師、煤層氣開發(fā)利用國家工程研究中心儲(chǔ)層改造所所長,長期從事石油、天然氣、煤層氣勘探開發(fā)技術(shù)研究與管理工作,通信地址:北京市海淀區(qū)中關(guān)村環(huán)?？萍紙@地錦路7號(hào)1幢,郵編:100095,E-mail:
(煤層氣開發(fā)利用國家工程研究中心,北京 100095)
摘要:鄂爾多斯盆地東緣保德區(qū)塊以中低階煤為主,分布十分廣闊,雖然其含氣量不高,但其煤巖厚度大,滲透性好,機(jī)械強(qiáng)度高,具有高產(chǎn)潛質(zhì)。目前,保德區(qū)塊壓裂施工中面臨壓裂液濾失極大,造縫不充分,加砂困難的問題,易導(dǎo)致施工失敗,影響壓裂效果。本文針對(duì)2010年壓裂施工中所遇到的難題,開展了煤層氣井地質(zhì)與壓裂施工資料的統(tǒng)計(jì)與分析,總結(jié)了問題的原因,提出了從優(yōu)選壓裂液體系、優(yōu)化支撐劑組合、調(diào)整施工工藝入手的技術(shù)對(duì)策;該研究成果可為今后保德區(qū)塊中低階高滲煤層的壓裂工作提供可參考的依據(jù),從而為儲(chǔ)量目標(biāo)的完成與產(chǎn)能建設(shè)提供技術(shù)保障。
關(guān)鍵詞:保德區(qū)塊中低階煤壓裂技術(shù)對(duì)策
The Problems and the Corresponding Technical Strategies of Low Rank Coal Fracture in Baode Block
PENG Shaotao LIU Chuanqing ZHU Weiping SUN Bin
(China United CoalBed Methane National Engineering Research Center, Beijing 100095, China)
Abstract: Low rank coal is the main kind of coal in Baode block of Ordos Basin, which is very broadly dis- the gas content is not high, it has a high yield potential for big coal thickness, good permeability and high mechanical , it easily leads to fracturing failure for enormous filtration and insufficient fracture extension, which affect the gas production this article, aiming at the fracturing problems in 2010, we started statistics and analysis of geological and fracturing summarizing the reasons, we pres- ented some technical strategies, which include preferring fracturing fluid, proppant portfolio optimization and process research fruit in this article will provide a basis for reference of low rank coal fracture, and also offer technical support for production capacity building.
Keywords: Baode block; low rank coal; fracturing strategy
1 前言
煤層氣是一種非常規(guī)的天然氣資源,是成煤過程中生成的以甲烷為主要成分的各種烴類氣體,經(jīng)運(yùn)移、散失后,仍保留在煤層和頂?shù)装鍘r石中的部分。煤層中游離氣很少,煤層甲烷主要以吸附狀態(tài)(70%~90%)附在煤層微孔隙內(nèi)表面上。煤層吸附甲烷的能力隨著壓力升高而增大,飽和后以游離態(tài)存在,少量溶于水中[1]。煤層的裂隙系統(tǒng)是煤層甲烷運(yùn)移的主要通道,但其連通性差、滲透率低,難以形成具有高導(dǎo)流能力的通道。為了開采這種氣體,必須采出大量的水,降低裂隙系統(tǒng)的壓力,氣體從煤層表面上解吸進(jìn)入裂隙系統(tǒng)。為了使氣體從裂隙系統(tǒng)流入井筒,必須在煤層的天然裂隙與井筒之間建立起有效的連通孔道,而產(chǎn)生這種連通孔道的最有效的方式是對(duì)煤層進(jìn)行壓裂。
2 保德區(qū)塊中低階煤特性
保德區(qū)塊位于鄂爾多斯盆地東北緣,晉西撓褶帶的北端;總體形態(tài)為向西緩傾的大型單斜構(gòu)造,地層傾角較為平緩;構(gòu)造簡(jiǎn)單,走向近北東。區(qū)內(nèi)煤巖Ro介于,平均,煤階較低,以氣煤為主,次為肥煤,屬于中低階煤。雖然煤階較低,含氣量不高,但其埋藏較淺,滲透性好,具有高產(chǎn)潛質(zhì)。
通常情況下,中低階煤具有割理發(fā)育,滲透率較高,機(jī)械強(qiáng)度相對(duì)高,含氣量低的特點(diǎn)。通過查閱相關(guān)資料,證實(shí):
(1)保德區(qū)塊煤巖割理較為發(fā)育,面割理密度在5~13條/5cm,滲透率較高,介于,一般在;
(2)根據(jù)煤芯巖石力學(xué)參數(shù)實(shí)驗(yàn),彈性模量為,泊松比為;對(duì)比韓城、吉縣區(qū)塊(彈性模量在1355~9755,泊松比在)來說,保德區(qū)塊機(jī)械強(qiáng)度相對(duì)高;
(3)區(qū)內(nèi)發(fā)育兩套主力煤層,從含氣量來看:X1#煤層平均含氣量為煤層平均含氣量為;相比于韓城區(qū)塊(約15m3/t)和大寧—吉縣區(qū)塊(約)來說,保德區(qū)塊含氣量較低。
此外,保德區(qū)塊煤巖還具有其他一些特點(diǎn),如:
(1)厚度大、夾矸多;保德區(qū)塊主要含煤地層為二疊系山西組和石炭系太原組,煤層厚度大、分布穩(wěn)定。X1#煤層平均厚,含夾矸1~5套,平均套;X2#煤層平均厚,含夾矸0~3套,平均2套;
(2)部分煤層段具有軟煤巖特征;通過對(duì)保德區(qū)塊測(cè)井資料統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn),大部分井X1#煤層上部、X2#煤層下部呈現(xiàn)低密度、低電阻、高聲波時(shí)差,為軟煤特征。
3 保德區(qū)塊中低階煤壓裂存在的問題
根據(jù)保德區(qū)塊煤巖特征,結(jié)合壓裂液評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,2010年優(yōu)選了活性水作為保德區(qū)塊主要采用的壓裂液體系,并提出了大排量、大液量、射孔避開軟煤層等壓裂思路。
從施工情況來看,成功率僅為80%。說明2010年采用的壓裂工藝不能完全滿足保德區(qū)塊煤層改造的需要。因此,有必要開展影響保德區(qū)塊活性水壓裂成功率的原因分析,并提出針對(duì)性強(qiáng)的技術(shù)對(duì)策,提高壓裂施工成功率;同時(shí),也為今后其他區(qū)塊中低階煤開發(fā)提供技術(shù)儲(chǔ)備。
為了找到影響壓裂成敗的因素,提高施工成功率,我們對(duì)2010年壓裂失敗層的原因進(jìn)行了分類統(tǒng)計(jì)(見圖1)。
圖1 2010年保德區(qū)塊壓裂失敗原因分類統(tǒng)計(jì)
從圖1可以看出,煤層因素占,主要表現(xiàn)為加砂困難,是影響保德區(qū)塊壓裂一次成功率低的主因。煤層因素涉及的面比較廣,只有對(duì)其進(jìn)行更為細(xì)化的分析,找到影響一次成功率的關(guān)鍵性因素,才能提出針對(duì)性強(qiáng)的壓裂工藝改進(jìn)措施。
滲透率高造成壓裂液濾失大
保德區(qū)塊滲透率較高,一般在,遠(yuǎn)高于其他區(qū)塊的煤層滲透率。因此,施工成功率較低的原因很可能是壓裂液濾失大,造縫效率低,引起縫內(nèi)脫砂,導(dǎo)致砂堵失敗。為了驗(yàn)證是否由于濾失過大造成砂堵的原因,我們引入了壓后壓降分析技術(shù),通過G函數(shù)曲線計(jì)算壓裂液濾失效率。
G函數(shù)壓降分析法最早由Nolte[2]提出,20世紀(jì)80年代中期在國內(nèi)外油田得到了廣泛的應(yīng)用。壓后關(guān)井裂縫閉合期,壓力動(dòng)態(tài)在很大程度上有壓裂液濾失特征以及裂縫形態(tài)所決定,所以可用來確定裂縫幾何參數(shù),壓裂液濾失系數(shù)以及液體效率。圖2是我們根據(jù)A井X2#煤層壓后壓力實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)繪制的G函數(shù)曲線圖,然后根據(jù)壓力曲線的斜率可計(jì)算出排量的活性水濾失系數(shù)為×10-3m/;同理,對(duì)其他一些層的壓降數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算,得到其濾失系數(shù)在()×10-3m/。由此說明,保德區(qū)塊采用活性水壓裂濾失非常大,是造成成功率低的一個(gè)重要原因。
割理發(fā)育、煤層非均質(zhì)性強(qiáng)造成壓裂時(shí)產(chǎn)生多裂縫
保德區(qū)塊割理發(fā)育,面割理密度為5~8條/5cm。割理發(fā)育,就會(huì)影響并局部改變煤層氣藏中的地應(yīng)力分布格局,水力裂縫不再是沿最大地應(yīng)力方向擴(kuò)展的單一裂縫,而是形成復(fù)雜的多裂縫(俗稱菊花縫),難以形成主裂縫,造成地層加砂困難,易砂堵。
這是因?yàn)?煤層割理發(fā)育,割理處表現(xiàn)出的是一種弱面膠結(jié),依據(jù)水力壓裂人工裂縫的啟裂機(jī)理是弱面破裂的理論,煤層壓裂過程中將產(chǎn)生大量的分支裂縫,同時(shí)由于保德地區(qū)X1#夾矸較多,射孔時(shí)人為將X1#分為多段,這同時(shí)加劇了多裂縫產(chǎn)生的幾率。
多裂縫的產(chǎn)生一方面消耗了驅(qū)動(dòng)裂縫擴(kuò)展的部分能量,另一方面將嚴(yán)重影響人工裂縫的寬度,造成支撐劑難以進(jìn)入人工裂縫,形成砂堵。因此對(duì)于易于產(chǎn)生多裂縫的井,選擇合適的支撐劑是壓裂成功的關(guān)鍵。為了進(jìn)一步了解保德區(qū)塊壓裂過程中多裂縫形成的情況,對(duì)B井和C井進(jìn)行了壓后凈壓力分析,見圖4,圖5。
圖2 A井X2#煤層壓后壓降G函數(shù)曲線
圖3 多裂縫形態(tài)示意圖
圖4 B井凈壓力分析
圖5 C井凈壓力分析
通過凈壓力分析得到B井和C井壓裂過程中多裂縫的形成趨勢(shì):
B井開縫因子:3~5條(48min~98min)
C井開縫因子:5~7條(90min~140min)
開縫因子:指有多少條平行裂縫在爭(zhēng)奪同一開啟的裂縫空間。
因此,從以上兩口井的開縫因子分析,保德區(qū)塊煤層氣井壓裂過程中多裂縫產(chǎn)生嚴(yán)重,由于多裂縫的影響,裂縫寬度較小,往往造成壓裂加砂過程中砂堵。從這一點(diǎn)出發(fā)嘗試較小粒徑支撐劑,以提高壓裂一次成功率。
其他因素對(duì)壓裂成敗影響的分析
通過對(duì)壓裂煤層數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn),擴(kuò)徑率是影響保德煤層壓裂成敗的突出因素,因?yàn)槌霈F(xiàn)了支撐劑堵塞的煤層平均擴(kuò)徑率超過20%,而未出現(xiàn)砂堵的煤層平均擴(kuò)徑率不到12%。進(jìn)一步分析認(rèn)為:擴(kuò)徑率大,反映煤質(zhì)較軟,壓裂時(shí)容易產(chǎn)生大量煤粉,堵塞在裂縫前端,影響裂縫的延伸與擴(kuò)展。
另外,根據(jù)壓裂工藝因素(如:液量、砂比、排量等)對(duì)煤層壓裂成敗影響的分析,發(fā)現(xiàn):施工排量的大小及其變化也是影響煤層壓裂成敗的重要因素。2010年,保德區(qū)塊壓裂的核心理念是“低傷害、大排量、大液量”,其施工排量為左右。從統(tǒng)計(jì)結(jié)果看,排量在以上的,施工成功率約;排量在以下的,施工成功率約,由此證明,適當(dāng)增加排量可提高成功率。此外,排量的穩(wěn)定性也是不容忽視的重要因素,因?yàn)樵趬毫堰^程中出現(xiàn)了支撐劑堵塞的壓裂中,施工排量不穩(wěn)定的占60%,穩(wěn)定不變的占40%;而在壓裂施工過程中未出現(xiàn)支撐劑堵塞的施工中,排量波動(dòng)較大的占,排量有較小起伏的占25%,穩(wěn)定不變的占。從這個(gè)情況來看,施工排量穩(wěn)定也有利于減少支撐劑堵塞。
綜上所述,影響保德區(qū)塊煤層壓裂施工成敗因素如下:
(1)保德區(qū)塊滲透性較好,導(dǎo)致低粘壓裂液濾失大,造縫效率低;
(2)保德區(qū)塊割理發(fā)育,煤層壓裂過程中多裂縫產(chǎn)生嚴(yán)重,人工裂縫寬度狹小,“吃”砂能力弱,易產(chǎn)生砂堵;
(3)擴(kuò)徑率大,反映煤巖軟,壓裂時(shí)產(chǎn)生的大量煤粉堵塞在裂縫前端,影響裂縫的擴(kuò)展與延伸;
(4)排量()偏小,導(dǎo)致活性水有效利用率低,攜砂能力差,易引起砂堵;
(5)排量不穩(wěn)定,尤其是中途停泵,必然導(dǎo)致沉砂,引起支撐劑堵塞。
4 保德區(qū)塊中低階煤壓裂技術(shù)對(duì)策
針對(duì)上面分析的幾個(gè)影響保德區(qū)塊煤層壓裂施工成敗的因素,通過反復(fù)認(rèn)真的思考,提出了相應(yīng)的技術(shù)對(duì)策。
壓裂液的優(yōu)選
2011年采用的活性水作為保德區(qū)塊煤層壓裂的主體壓裂液是基本可行的。但是,基于中低階煤層具有滲透性好、濾失大以及其他方面的需求(例如,利于造縫和攜砂,加大砂量,提高前置液百分?jǐn)?shù)和砂比,降低濾失等),可考慮引入低傷害且具有較高攜砂能力的TD-1清潔壓裂液[3]。根據(jù)壓裂液評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)來看,TD-1清潔壓裂液對(duì)保德區(qū)塊煤芯的平均傷害率約為,可完全滿足保德區(qū)塊煤層壓裂改造的需要。
另外,對(duì)于擴(kuò)徑率大的煤層,其煤巖軟,壓裂時(shí)產(chǎn)生的大量煤粉堵塞在裂縫前端,影響裂縫的擴(kuò)展與延伸。針對(duì)這種類型的煤層,可在壓裂液中加入煤粉分散劑,使煤粉在壓裂液中均勻分布,避免其在裂縫前端聚集。從前期在韓城區(qū)塊的試驗(yàn)情況來看,使用煤粉分散劑活性水壓裂液,可有效降低施工壓力,提高施工成功率。
支撐劑的優(yōu)化組合
考慮到中低階煤壓裂時(shí)易形成扭曲的縫寬較窄的多裂縫形態(tài),造成加砂困難,建議2011年保德區(qū)塊煤層壓裂時(shí),加大40/70目中細(xì)砂的用量,以保證支撐劑更易被攜帶到裂縫的深部。同時(shí)開展小粒徑支撐劑壓裂試驗(yàn),將目前常規(guī)的20~40目和16~20目支撐劑均縮小一個(gè)粒徑等級(jí),即用30~50目替代20~40目支撐劑,以20~40目替代16~20目支撐劑進(jìn)行施工。從2010年底所做的裂縫內(nèi)的支撐劑優(yōu)化組合實(shí)驗(yàn)來看,適當(dāng)降低支撐劑粒徑,不會(huì)造成裂縫導(dǎo)流能力的明顯下降。
提高施工排量,保證排量穩(wěn)定性
通過排量的提升來降低相對(duì)濾失量,提高活性水?dāng)y砂能力;同時(shí),考慮到設(shè)備承受能力及井場(chǎng)實(shí)際情況,施工排量從提升至;此外,要求泵車在40MPa的壓力下,排量能夠穩(wěn)定在,正常工作2小時(shí)以上。
5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用
概況
截止到2011年6月20日,中石油煤層氣公司綜合應(yīng)用上述幾項(xiàng)壓裂技術(shù)對(duì)策,在保德區(qū)塊施工29井次,成功率。相比2010年的施工成功率(80%)來說,有了明顯提高。從壓后產(chǎn)氣效果來看,雖然投產(chǎn)井?dāng)?shù)少(8口)且時(shí)間較短(不足70天),但已有4口井見氣,2口井見套壓,顯示了良好的潛力。
應(yīng)用實(shí)例
A井鉆井井深750m,煤層埋深610~680m,X1#煤層厚度煤層,含氣量。2011年3月,先用102槍127彈射開X1#,X2#煤層,然后以排量注入煤粉分散劑活性水879m3,加石英砂(40/70目8m3,30/50目30m3,20/40目)。壓后投產(chǎn)55天,執(zhí)行連續(xù)、穩(wěn)定、緩慢、長期的排采原則,目前產(chǎn)氣量610m3/d,且呈現(xiàn)出良好的上升勢(shì)頭。
6 認(rèn)識(shí)與結(jié)論
(1)保德區(qū)塊煤層滲透性好,壓裂液濾失大是影響壓裂成敗的重要因素;
(2)保德區(qū)塊割理發(fā)育,非均質(zhì)性強(qiáng),這些特征改變了煤層氣藏地應(yīng)力分布形態(tài),使壓裂時(shí)裂縫擴(kuò)展呈現(xiàn)多裂縫形態(tài);多裂縫的產(chǎn)生嚴(yán)重影響了人工裂縫的寬度,造成支撐劑難以進(jìn)入人工裂縫,形成砂堵;
(3)優(yōu)選壓裂液體系,優(yōu)化支撐劑組合,選擇合適穩(wěn)定的排量是解決保德區(qū)塊煤層壓裂成功率低的有效途徑。
參考文獻(xiàn)
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萌噠噠的Ashley
孫晗森1賀承祖2
（1.中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司 北京 100011；2.成都理工大學(xué) 成都 610059）
作者簡(jiǎn)介：孫晗森，1973年生，男，浙江義烏入；1998年畢業(yè)于成都理工大學(xué)石油系，獲工學(xué)碩士；中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司，高級(jí)工程師，從事油氣藏?cái)?shù)值模擬和增產(chǎn)改造技術(shù)研究；地址：北京安外大街甲88號(hào)，郵編：100011；E-mail：hssun 。
攻關(guān)項(xiàng)目：國家科技部“十五”科技攻關(guān)項(xiàng)目部分成果。
摘要 氮?dú)馀菽瓑毫压に嚰夹g(shù)特別適用于低壓、低滲和水敏性地層（煤層）的壓裂改造。研究表明，泡沫壓裂液中作為穩(wěn)泡劑的高分子聚合物和某些作為起泡劑的表面活性劑均可能損害煤儲(chǔ)層，影響壓裂效果。本文提出一種新的粘彈性表面活性劑泡沫壓裂液。通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用試驗(yàn)，優(yōu)選出的氮?dú)馀菽瓑毫岩壕哂行阅芎?，施工后無需破膠即可排液，對(duì)煤層損害小的優(yōu)點(diǎn)；現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用后可達(dá)到明顯的增產(chǎn)效果。
關(guān)鍵詞 煤儲(chǔ)層 氮?dú)馀菽?壓裂液 表面活性劑 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用
Study and Experiment on Nitrogen Foam Stimulation Technology for CBM
Sun Hansen，He Chenzhu
（ United Coalbed Methane Corp.，Ltd，Beijing 100011； University of Technology，chengdu 610059）
Abstract：Nitrogen foam stimulation technology particularly applies to stimulation operations of coal seams with low pressure，low permeability and water researches indicate that macromolecular polymers as steady agent of bubble and certain surface-active agents as generating agent of bubble in foam fracture liquid may damage coal reservoir and produce negative effects on new type of nitrogen foam fracture liquid called visco-elastic surface-active agent was introduced in this optimized nitrogen foal fracture liquid through indoor study and field application test not only has good physical performance and virtues of low damage to coal seams，but also can produce liquid without glue-broken agent after stimulation application of this type of nitrogen foam fracture liquid in the practical operations of CBM fields showed very obvious stimulation results.
Keywords：coal reservoir；nitrogen foam；fracture liquid；surface-active agent；site application
前言
煤層具有致密、低壓、低滲的特點(diǎn)，必須經(jīng)過壓裂之后才能獲得有工業(yè)價(jià)值的產(chǎn)量[1]。壓裂液的種類很多，其中以泡沫壓裂液因其含液量小，易排，對(duì)儲(chǔ)層損害小，認(rèn)為較適合煤層[2，3]。研究表明，泡沫壓裂液中作為穩(wěn)泡劑的高分子聚合物和某些作為起泡劑的表面活性劑均可能損害煤儲(chǔ)層，影響壓裂效果。
氮?dú)馀菽瓑毫压に囀?0世紀(jì)70年代以來發(fā)展起來的一項(xiàng)壓裂工藝技術(shù)。主要適用范圍是低壓、低滲和強(qiáng)水敏性儲(chǔ)集層。在低滲油層壓裂改造和煤層氣壓裂增產(chǎn)中，氮?dú)馀菽瓑毫压に囋诿绹鴳?yīng)用已經(jīng)相當(dāng)普遍，在黑勇士盆地的煤層氣開采井中，大多數(shù)的施工井都采用氮?dú)馀菽瓑毫压に?；而國?nèi)由于受到壓裂設(shè)備、技術(shù)工藝和成本等方面因素的影響，制約了氮?dú)馀菽瓑毫压に嚨陌l(fā)展。
泡沫壓裂液從工藝和添加劑的更新?lián)Q代上看，主要發(fā)展經(jīng)歷了三代。入們將僅用表面活性劑水溶液生的泡沫壓裂液叫做第一代泡沫壓裂液；將加有聚合物和交聯(lián)聚合物的泡沫壓裂液分別叫做第二和第三代泡沫壓裂液[3]。第二和第三代泡沫壓裂液雖然比第一代泡沫壓裂液的穩(wěn)定性高，但由于引入聚合物，存在低溫井破膠不完全以及破膠后對(duì)地層的損害問題[5]，部分喪失了泡沫壓裂液低損害性的優(yōu)點(diǎn)。
本文提出一種新的粘彈性表面活性劑泡沫壓裂液。通過室內(nèi)試驗(yàn)及研究，優(yōu)選出的氮?dú)馀菽瓑毫岩壕哂行阅芎茫┕ず鬅o需破膠即可排液，對(duì)煤層損害小的優(yōu)點(diǎn)。
1 實(shí)驗(yàn)條件和方法
試劑及材料
粘彈性表面活性劑：研制產(chǎn)品。氯化鉀、過硫酸銨、碳酸鹽型陰離子表面活性劑、季銨鹽型陽離子表面活性劑、非離子表面活性劑，均為化學(xué)試劑。羥丙基瓜膠：工業(yè)品。煤樣：潘河先導(dǎo)性試驗(yàn)區(qū)無煙煤。
實(shí)驗(yàn)方法[5，6］
泡沫基液的性質(zhì)
用毛管粘度計(jì)測(cè)量粘度，用滴重法測(cè)量表面張力，用改進(jìn)的Bickerman法測(cè)量在煤樣上的接觸角。
泡沫的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)
用高速攪拌法（≥100轉(zhuǎn)/min，2min）起泡。在顯微鏡下觀察泡沫的結(jié)構(gòu)，測(cè)量泡沫的體積，計(jì)算泡沫質(zhì)量（氣體體積/泡沫體積）。測(cè)量液體析出一半的時(shí)間，確定泡沫的半衰期。用六速粘度計(jì)測(cè)量泡沫的流變性。測(cè)量砂粒在泡沫中的沉降速度，評(píng)價(jià)攜砂能力。在失水儀測(cè)量泡沫的濾失速度。
2 泡沫壓裂液性能
氮?dú)馀菽瓑毫岩旱慕Y(jié)構(gòu)
研究者[3]根據(jù)等球體最緊密堆積時(shí)，球體所占空間體積為 這一幾何原理，認(rèn)為泡沫質(zhì)量≤時(shí)泡沫中的氣泡為球形，泡沫質(zhì)量＞ 時(shí)被擠壓為五角十二面體。我們的觀察表明，該粘彈性表面活性劑水溶液所形成的泡沫，在質(zhì)量高達(dá) 時(shí)氣泡仍為球形，顯微相片如圖1所示。僅在泡沫質(zhì)量大于 時(shí)才被擠壓為五角十二面體形。由該圖可以看出：泡沫中氣泡大小分布比較均勻，大多在～之間，由于小氣泡可填充在大氣泡之間的空隙中，所以這種泡沫在質(zhì)量遠(yuǎn)大于時(shí)氣泡仍可保持球形。
圖1 泡沫顯微照片
圖2 粘彈性表面活性劑溶液中蠕狀膠束網(wǎng)絡(luò)示意圖
穩(wěn)定性
泡沫形成時(shí)氣液界面增加，氣液界面能隨之增加。因?yàn)楦吣軕B(tài)均有自發(fā)轉(zhuǎn)變?yōu)榈湍軕B(tài)的趨勢(shì)，所以泡沫屬于熱力學(xué)不穩(wěn)定體系，只能靠動(dòng)力學(xué)因素維持有限的生存時(shí)間。由于氣液相密度相差大，液膜中的液體會(huì)在重力下流失使液膜變薄，液膜薄到一定程度后易在外力擾動(dòng)下破裂而使泡沫消失。表面活性劑在氣液界面上形成定向吸附層，既可通過降低界面張力使泡沫容易生成，又可靠這種吸附層的粘彈性，使液膜不易破裂，增加泡沫的穩(wěn)定性[14]。
本文提出的粘彈性表面活性劑溶于水后，可形成類似于聚合物的蠕蟲狀膠束結(jié)構(gòu)（見圖2）[14，15]。這種膠束在較低濃度時(shí)，不會(huì)明顯增加水的粘度（＜5mPa·s），但可吸附在氣水界面，形成比單獨(dú)表面活性劑要強(qiáng)得多的吸附層，增加泡沫的穩(wěn)定性，使氮?dú)馀菽陌胨テ诰L達(dá)1～2h。這種粘彈性表面活性劑形成的泡沫壓裂液主要靠增加吸附層的強(qiáng)度，而不是靠增加水的本體粘度來增加泡沫的穩(wěn)定性，不存在需要破膠以及對(duì)儲(chǔ)層損害問題，從而比第二代和第三代泡沫壓裂液優(yōu)越。
流變性
實(shí)驗(yàn)表明，氮?dú)庠谠撜硰椥员砻婊钚詣┧芤褐行纬傻呐菽瓑毫岩簽榧偎苄粤黧w，氮?dú)鈔=，K=·s，泡沫壓裂液的流變曲線如圖3所示。
圖3 泡沫壓裂液的流變曲線
泡沫流動(dòng)時(shí)氣泡之間滑動(dòng)，氣泡還可能變形，需要克服的阻力比基液流動(dòng)要大，故粘度比基液大。泡沫流動(dòng)時(shí)，隨著切力的增加，結(jié)構(gòu)逐漸拆散，阻力減小，表現(xiàn)為剪切稀釋性質(zhì)。泡沫壓裂液粘度高，有助于攜砂，剪切稀釋性有助于減少管輸阻力。
攜砂能力
壓裂液的攜砂能力取決于砂粒在其中的沉降速度，文獻(xiàn)認(rèn)為[15]，沉降速度小于時(shí)最佳，介于～5cm/min 可以接受，大于5cm/min時(shí)不可接受。該泡沫壓裂液基液的粘度（約為4～5mPa·s）高于清水和活性水壓裂液（約為1mPa·s），低于聚合物壓裂液（＞40mPa·s）；實(shí)驗(yàn)表明，40目砂粒在該粘彈性表面活性劑泡沫中未見沉降，說明攜砂能力良好。
泡沫壓裂液良好的攜砂能力，宏觀而言歸因于泡沫高的粘度，微觀而言歸因于4～10倍于氣泡大小的砂粒欲在其中下沉，必需將途中氣泡推開和使之變形，而砂粒的重力不足以克服這些阻力，故其沉降速度很小，甚至趨近于零。將30mL（視體積）60 目（粒徑）的砂粒放入100mL基液中，在氮?dú)庵懈咚贁嚢?min后，將生成的泡沫傾入量筒中靜置下來，觀察水和砂粒的沉降速度。研究結(jié)果表明，在有砂粒存在時(shí)泡沫的半衰期縮短約為原來的5/6，并且砂粒的沉降速度約為水沉降速度的80%。前者可能是由于砂粒下沉?xí)r的作用力促使液膜破裂；后者說明失水后的泡沫雖然骨架尚在，但已無懸砂能力。這與破膠后水基或油基壓裂液的行為有些相似。
降濾失性
壓裂液濾失于裂縫壁會(huì)引起傳遞壓力損失，故壓裂需要降濾失性。壓裂液的濾失速度V同時(shí)間t有如下關(guān)系：
中國煤層氣勘探開發(fā)利用技術(shù)進(jìn)展：2006年煤層氣學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集
式中C稱為濾失系數(shù)。該泡沫壓裂液的 ,與聚合物凝膠壓裂液的數(shù)值相近。泡沫壓裂液濾失時(shí)無瞬時(shí)失水現(xiàn)象，它是靠高粘度降濾失，而不是靠形成濾餅降濾失。
3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用
在室內(nèi)研究的基礎(chǔ)上，將氮?dú)馀菽瓑毫鸭夹g(shù)應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐。本次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的設(shè)計(jì)要求是：施工排量控制在 ～；氮?dú)獗米⑴帕窟_(dá)到 600m3/min；氮比大于340m3/m3SPACE；泡沫質(zhì)量在60%～75%。2005年12月，在潘河先導(dǎo)性試驗(yàn)區(qū)完成了2口井的氮?dú)馀菽瓑毫咽┕ぁ＝?jīng)過一段時(shí)間的排采證實(shí)，氮?dú)馀菽瓑毫咽┕さ?P H1和PH1-006井與周邊采用活性水加砂壓裂完成的煤層氣井比較，主要有以下幾點(diǎn)優(yōu)越性：
（1）加速排液。壓裂后返排速度快，產(chǎn)氣速度快，氮?dú)馀菽瓑毫丫骄乓和瓿珊箝_始產(chǎn)氣，并可以在井口點(diǎn)火。
（2）氮?dú)馀菽瓑毫岩赫扯雀?，有較好的攜砂能力，可以有效控制裂縫形態(tài)的發(fā)育，降低壓裂液在多裂縫發(fā)育的煤層中的濾失性。
（3）氮?dú)馀菽瓑毫咽┕ぶ?，用液量少，?duì)煤層污染較小。
（4）在地質(zhì)情況基本相同的條件下，通過對(duì)周圍井的產(chǎn)量對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，氮?dú)馀菽瓑毫丫脑霎a(chǎn)效果非常顯著。
由上所示，產(chǎn)量與含氣量變化圖（見圖 4、5）可見，PH1 井含氣量在 12m3/t，PH1-006井約為16m3/t。通過排采分析發(fā)現(xiàn)，氮?dú)馀菽瓑毫丫漠a(chǎn)量比周邊水力壓裂井增加在3倍以上（見圖6、7）。
圖4 PH1-006井周圍井產(chǎn)量與含氣量變化圖
圖5 PH1井周圍井產(chǎn)量與含氣量變化圖
圖例說明：★PH1006為氮?dú)馀菽瓑毫丫?，其余為活性水加砂壓裂井? —產(chǎn)氣量（m3/d）
圖6 PH1井與周邊井的產(chǎn)量對(duì)比圖
圖7 PH1-006井與周邊井的產(chǎn)量對(duì)比圖
4 結(jié)論
本文提出的粘彈性表面活性劑溶于水后，可形成類似于聚合物的蠕蟲狀膠束結(jié)構(gòu)。這種膠束在較低濃度時(shí)，不會(huì)明顯增加水的粘度（＜5mPa·s），但可吸附在氣水界面，形成比單獨(dú)表面活性劑要強(qiáng)得多的吸附層，增加泡沫的穩(wěn)定性，使半衰期長達(dá)1～2h。
該泡沫壓裂液的切速為170s-1時(shí)的表觀粘度遠(yuǎn)大于50mPa·s，壓裂液具有良好的懸砂能力。
這種粘彈性表面活性劑形成的泡沫壓裂液主要靠增加吸附層的強(qiáng)度，而不是靠增加水的本體粘度來增加泡沫的穩(wěn)定性，不存在需要破膠以及對(duì)儲(chǔ)層損害問題，比第二代和第三代泡沫壓裂液具有優(yōu)越性。
通過在煤層氣井中的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，氮?dú)馀菽瓑毫丫脑霎a(chǎn)效果非常顯著。通過排采分析發(fā)現(xiàn)，氮?dú)馀菽瓑毫丫漠a(chǎn)量增加在常規(guī)水力壓裂井產(chǎn)量的3倍以上。
在國家“十五”攻關(guān)項(xiàng)目資助下，開始進(jìn)行了氮?dú)馀菽瓑毫鸭夹g(shù)的研究，并在潘河示范項(xiàng)目中進(jìn)行了工業(yè)試驗(yàn)，實(shí)踐表明，該項(xiàng)技術(shù)具有巨大的推廣應(yīng)用前景。
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