隨著油氣勘探開發(fā)的不斷深入，深層煤巖氣已成為繼頁巖氣之后又一大極具開發(fā)潛力的非常規(guī)氣藏。2021年11月，中國首口深層煤巖氣水平井吉深6-7平01井大規(guī)模極限體積壓裂施工順利完成并獲得10萬m3/d的工業(yè)氣流，標(biāo)志著國內(nèi)首個深層煤巖氣開發(fā)試驗率先在世界2 000 m以深新領(lǐng)域取得重大突破，拉開了中國深層煤巖氣開發(fā)的序幕。

深層煤巖儲層物性條件好，游離氣含量高，具備高產(chǎn)工業(yè)氣流潛能，但也對煤礦綠色開采帶來隱患[1-2]；煤巖脆性大、彈性模量低，割理、微孔和裂隙較為發(fā)育，為壓開煤巖并形成復(fù)雜縫網(wǎng)創(chuàng)造了條件。但是煤巖連通性較差，裂縫凈壓力低，常規(guī)壓裂很難打開割理，縫長、縫寬受限，導(dǎo)致施工壓力波動大，加砂困難[3-4]。因此，借鑒但又不照搬頁巖氣體積壓裂理念，在煤巖氣壓裂中追求裂縫有效支撐、縫控儲量而非波及縫長、波及面積，合理進(jìn)行壓裂液用液方案及施工工藝優(yōu)化，踐行“三大一小”原則，形成了深層煤巖氣極限體積壓裂技術(shù)，充分“打碎”煤層、連通割理，形成立體縫網(wǎng)，進(jìn)行復(fù)雜縫網(wǎng)飽和支撐，建立高導(dǎo)流支撐裂縫通道，促進(jìn)游離氣、解吸氣的產(chǎn)出[5-6]。

變黏壓裂液體系是深層煤巖氣極限體積壓裂技術(shù)高效實施的關(guān)鍵之一，該體系以一體化乳液減阻劑為核心，通過施工中實時調(diào)控乳液減阻劑泵注比例來在線配制不同黏度的壓裂液，滿足各壓裂階段對壓裂液性能的要求，完成一體化在線變黏壓裂施工[7]。目前深層煤巖氣壓裂用減阻劑以反相乳液減阻劑為主，這類減阻劑需要通過轉(zhuǎn)相劑來調(diào)控其溶解性能，但轉(zhuǎn)相劑的使用會大幅影響乳液穩(wěn)定性，因此存在儲運時所需高穩(wěn)定性與使用時所需快速溶解性的突出矛盾；同時，我國煤巖氣主要分布在山區(qū)、荒漠中，入冬后氣溫低至0℃以下，常規(guī)減阻劑在低溫下存在抗凍性差和溶速慢的技術(shù)難題，無法滿足現(xiàn)場工況要求；在深層煤巖氣大排量、大砂量施工模式下，施工沿程摩阻高，并且為了完成高強度加砂，普通壓裂液只能依靠高黏度來保證攜砂，必然造成施工摩阻的顯著增加，大幅增加了施工安全隱患，壓裂液高減阻、強攜砂性能很難兼顧的矛盾有待解決；最后，體積壓裂為煤巖氣滲流提供了高導(dǎo)流通道，但同時壓裂過程和入井流體也會大幅降低煤巖解吸能力，導(dǎo)致煤巖氣解吸和采收率下降[8]。如何解決或協(xié)調(diào)以上提到的矛盾或難題成為煤巖氣壓裂液技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用的關(guān)鍵[9]。

為此，筆者從解決乳液減阻劑、壓裂液存在的矛盾問題出發(fā)，設(shè)計具有微梳型結(jié)構(gòu)的多元共聚物，利用開關(guān)型反相乳液聚合技術(shù)將多種功能單體共聚制備鹽響應(yīng)的開關(guān)乳液減阻劑，避免大量轉(zhuǎn)相劑的使用，保證了良好的穩(wěn)定性、溶解和增黏性能；配制的壓裂液具備低黏高彈性、剪切稀釋性特征，有望解決壓裂液高減阻和強攜砂性能很難兼顧的技術(shù)難題；合理設(shè)計壓裂液體系，強化低傷害特性，進(jìn)行促解吸劑配套，是降低壓裂液傷害，提高增產(chǎn)效果，獲得巨大產(chǎn)能突破的有力保障。

1.技術(shù)思路

1.1深層煤巖氣高效能變黏壓裂液技術(shù)原理

創(chuàng)造性地向聚合反應(yīng)體系中引入無機鹽刺激響應(yīng)材料，設(shè)計開關(guān)型反相乳液聚合技術(shù)[10]，將丙烯酸鈉/丙烯酰胺、陽離子單體、弱極性單體、微梳型控制單體等進(jìn)行共聚，復(fù)配煤巖氣促解吸劑后制備成開關(guān)型乳液減阻劑，遇配液水中無機鹽刺激響應(yīng)，破乳轉(zhuǎn)相實現(xiàn)快速溶解。契合煤巖氣極限體積壓裂設(shè)計思路，設(shè)計優(yōu)化高、中、低黏壓裂液配方，構(gòu)建深層煤巖氣高效能變黏壓裂液，依靠微梳型結(jié)構(gòu)以及特殊功能基團間的共價鍵相互作用，形成可逆的空間結(jié)構(gòu)，具備剪切稀釋性和低黏高彈性，保證降阻性能的同時完成高強度攜砂；壓裂液破膠后可對煤巖表面潤濕性改善，增大接觸角，顯著降低毛管力，減小煤巖自吸液量，促進(jìn)煤巖氣解吸。

1.2深層煤巖氣極限體積壓裂用液思路

1.2.1高、低黏液交替造復(fù)雜縫網(wǎng)+中黏液攜砂縫網(wǎng)遠(yuǎn)支撐設(shè)計思路

研究和實踐證實，通過調(diào)控壓裂液黏度，可以合理控制壓裂改造裂縫尺寸和縫網(wǎng)形態(tài)[11]，針對深層煤巖，需要用高黏液來打開煤巖割理，造主縫、分支縫，擴大裂縫寬度，利用低黏液造細(xì)小、復(fù)雜微縫，利于縫網(wǎng)復(fù)雜化，而中黏液攜砂能力良好，可兼顧主縫和復(fù)雜微縫的延伸，連通煤巖各級割理/裂隙[12]。因此結(jié)合高效能變黏壓裂液的特點及技術(shù)優(yōu)勢，形成了高、低黏液交替造復(fù)雜縫網(wǎng)和中黏液攜砂縫網(wǎng)遠(yuǎn)支撐的設(shè)計思路。

高、低黏液交替造復(fù)雜縫網(wǎng)：在高黏液充分造縫打開煤巖割理的基礎(chǔ)上，利用低黏液深穿透能力發(fā)育細(xì)小、微縫，再通過高黏液沖刷進(jìn)一步括縫，擴大裂縫寬度，形成立體的復(fù)雜縫網(wǎng)。

中黏液攜砂縫網(wǎng)遠(yuǎn)支撐：在復(fù)雜縫網(wǎng)形成的同時，進(jìn)行控黏增砂，利用中黏液低黏高彈特性高強度連續(xù)加砂，充填、再壓開再充填縫網(wǎng)，保證改造充分并實現(xiàn)復(fù)雜縫網(wǎng)的有效遠(yuǎn)支撐，提高縫網(wǎng)支撐導(dǎo)流能力。

1.2.2壓裂施工泵注程序設(shè)計

以縫網(wǎng)壓裂思路為指導(dǎo)，結(jié)合控底+轉(zhuǎn)向工藝、組合粒徑優(yōu)化，設(shè)計了深層煤巖氣極限體積壓裂施工泵注程序，如圖1所示。

圖1深層煤巖氣極限體積壓裂施工泵注程序示意

1)造主縫階段：高黏液(≥40 mPa·s)較大排量打開割理，造長、主裂縫溝通遠(yuǎn)井端，利于支撐劑進(jìn)入和裂縫擴展。

2)造縫網(wǎng)階段：低黏液(≤9 mPa·s)高排量下低砂比連續(xù)加入小粒徑支撐劑，打磨、充填裂縫，進(jìn)一步打開割理、裂隙，使裂縫縱向精細(xì)分層、橫向波及遠(yuǎn)端。

3)控底+轉(zhuǎn)向工藝：借助低黏液加入支撐劑進(jìn)行近井帶鋪置并形成底板，通過停泵、重新啟泵措施促使底板產(chǎn)生的應(yīng)力差和壓力釋放發(fā)生偏移，利于裂縫多方向延展和裂縫復(fù)雜化。

4)縫網(wǎng)遠(yuǎn)支撐階段：中黏液(≥20 mPa·s)高排量下連續(xù)加入組合粒徑支撐劑，使復(fù)雜縫網(wǎng)持續(xù)延伸并充填，提高裂縫網(wǎng)絡(luò)整體充填度，建立起微縫—次級裂縫—主裂縫相互貫穿的飽填砂復(fù)雜縫網(wǎng)，增加支撐和解吸滲流面積。

2.試驗部分

2.1試驗儀器與材料

設(shè)計并優(yōu)選滿足煤巖氣專用減阻劑制備、表征以及壓裂液性能評價要求的試驗儀器和試驗材料，確保本文研究工作的順利開展，主要的試驗儀器見表1，主要試驗材料見表2。

表1主要試驗儀器及用途

主要試驗儀器用途

YK-1L型乳化反應(yīng)儀：反相乳液聚合容器

均質(zhì)剪切乳化機：將原料乳化、分散制備反相乳液

引發(fā)劑微量注射泵：聚合時微量控制引發(fā)劑加量

哈克RS6000流變儀：壓裂液耐溫耐剪切性能測試、黏彈性測試

管路摩阻測定儀：壓裂液降阻性能測試

接觸角測定儀：測試液體在固體表面形成液滴后的夾角煤巖氣吸附—解吸

測試系統(tǒng)：本文用于測試經(jīng)不同液體處理后的煤巖在同等條件下煤巖氣的解吸量

掃描電子顯微鏡：對煤巖表面微觀結(jié)構(gòu)觀察

毛細(xì)管黏度計：測試低黏滑溜水、破膠液的運動黏度

數(shù)顯六速旋轉(zhuǎn)黏度計：測試壓裂液的表觀黏度(6 mPa·s以上)

表界面張力儀：壓裂液破膠液表、界面張力測試

其他輔助儀器、設(shè)備：分析天平(精度0.000 1 g)、乳液取樣器、玻璃器皿、秒表、立式電動攪拌器、DZF真空干燥箱、恒溫水浴鍋、冷卻循環(huán)水浴鍋、離心機、冰箱

表2主要試驗材料及廠家

主要試驗材料級別廠家/地點

丙烯酰胺(AM)、丙烯酸鈉(AANa)、Span80、OP-10、氫氧化鈉、過硫酸銨，亞硫酸鈉，乙醇、液堿分析純成都科龍化工試劑廠

無機鹽刺激響應(yīng)材料KS-2，雙烷基鏈雙翼對稱疏水單體SHT-C12、促解吸劑原液工業(yè)品四川申和新材料科技有限公司

亞氨基二苯乙烯工業(yè)品武漢卡諾斯科技有限公司

馬來酸二丁酯工業(yè)品盼得(上海)國際貿(mào)易有限公司

輕質(zhì)白油工業(yè)品西安藍(lán)翔化工有限公司

0.212～0.425 mm石英砂工業(yè)品河南天祥新材料股份有限公司

自來水(礦化度150 mg/L)—成都新都

現(xiàn)場水(礦化度650 mg/L)—中石油煤層氣大吉區(qū)塊

2.2煤巖氣專用減阻劑制備方法

通過對水相制備—反相乳液制備—開關(guān)反應(yīng)液制備—聚合控制—水解度控制—后處理等—系列過程中pH值、HLB值、引發(fā)劑、溫度等的控制，形成煤巖氣專用減阻劑制備流程，如圖2所示。

圖2煤巖氣專用減阻劑制備流程示意

1)水相制備：控溫20±0.5℃，加入單體AM、AANa、亞氨基二苯乙烯、馬來酸二丁酯、SHT-C12，采用液堿調(diào)節(jié)pH值至7～8。

2)反相乳液制備：向乳化反應(yīng)儀中加入白油、Span80和OP-10并混合均勻，在高速攪拌條件下緩慢加入水相，充分乳化后形成反相乳液，體系HLB控制在5～6。

3)開關(guān)反應(yīng)液制備：體系中加入無機鹽刺激響應(yīng)材料KS-2后進(jìn)行均質(zhì)剪切乳化，利用KS-2改善油包水乳液結(jié)構(gòu)，加強界面穩(wěn)定性，制得比常規(guī)反相乳液相對更小粒徑的開關(guān)反相乳液。

4)聚合控制：對反應(yīng)液通氮除氧1.5 h后，設(shè)置攪拌速度400～500 r/min，溫度22℃，采用微量注射泵向反應(yīng)液中定量滴加過硫酸銨、亞硫酸鈉溶液引發(fā)聚合，并控制反應(yīng)液升溫速度0.2～0.3℃/min之間，聚合反應(yīng)4 h。

5)水解度控制：通過分批次追加液堿和控制乳化反應(yīng)儀水解溫度來對聚合產(chǎn)物進(jìn)行水解度控制。當(dāng)反應(yīng)體系溫度升高至40℃時，開始分兩批次、間隔30 min加入液堿，第2批次加完后，調(diào)節(jié)溫度至60℃，加入促解吸劑原液，保溫60 min進(jìn)行強水解，結(jié)束反應(yīng)。

6)后處理：乳液冷卻至室溫，過濾后得到所述的煤巖氣專用減阻劑SFY-2—金標(biāo)8號[13]。

減阻劑、壓裂液相關(guān)性能測試

1)破膠試驗：按照配方配制壓裂液，在70℃條件下破膠，冷卻后測定破膠液基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，測試方法參照SY/T5107—2016《水基壓裂液性能評價方法》。

2)煤巖表面接觸角測試：將待測煤巖切片并打磨處理，在100℃的烘箱中干燥2 h，冷卻后放入提前制備好的壓裂液破膠液中浸泡2 h，取出后置于100℃的烘箱中干燥2 h，煤巖切片自然冷卻后放在接觸角測定儀測試臺上，將蒸餾水滴在煤巖切片上，測定蒸餾水與煤巖表面的接觸角。

結(jié)果

破膠及傷害性能

測試配方和測試結(jié)果見表3。幾個配方壓裂液均可在2 h內(nèi)徹底破膠，并且破膠液黏度低，中黏液破膠液表面張力低至26 mN/m，提高返排性能的同時，破膠液對煤巖表面具有一定的表面修飾、潤濕性改善作用，接觸角由常規(guī)壓裂液的50°左右提高到80°以上，最高可達(dá)108.2°，如圖3所示。

表3煤巖氣高效能變黏壓裂液破膠液基礎(chǔ)數(shù)據(jù)統(tǒng)計

圖3 壓裂液破膠液處理煤巖后接觸角測試

結(jié)論

1)針對深層煤巖氣開發(fā)難點，提出了高、低黏液交替造復(fù)雜縫網(wǎng)+中黏液攜砂縫網(wǎng)遠(yuǎn)支撐的體積壓裂思路，設(shè)計高效能變黏壓裂液體系并制定針對性的用液方案、施工工藝，實現(xiàn)充分打碎煤巖，連通割理、裂隙，造復(fù)雜縫網(wǎng)并飽填砂有效支撐的目標(biāo)。

2)創(chuàng)造性地利用開關(guān)型反相乳液聚合技術(shù)，將丙烯酸鈉/丙烯酰胺、陽離子單體、弱極性單體、微梳型控制單體等進(jìn)行共聚，顯著提高產(chǎn)物有效含量，并復(fù)配煤巖氣促解吸劑制備成開關(guān)型乳液減阻劑，優(yōu)化了乳液水解度、分子量、有效含量等重要參數(shù)，使減阻劑具備高穩(wěn)定性、速溶、低劑高效能和在線變黏一體化等優(yōu)勢。

3)構(gòu)建了深層煤巖氣高效能變黏壓裂液體系并進(jìn)行了性能評價：壓裂液結(jié)構(gòu)流體特性保證了良好的抗(高)剪切、降阻和攜砂性能，高剪切后結(jié)構(gòu)可恢復(fù)，中黏液兼顧降阻和攜砂性能從而實現(xiàn)大排量/超大排量的高強度加砂壓裂施工，同時，壓裂液破膠后幾乎無殘渣，表面張力低至26 mN/m以下，對煤巖解吸傷害率最低降至11.3%，大大提高煤巖氣解吸量。