庚猛1 孫粉錦1 李貴中1 劉萍1 梁麗1 李林地2
基金項目:國家科技重大專項項目37“煤層氣完井與高效增產技術及裝備研制”項目(2008ZX05037)資助。
作者簡介:庚猛,男,1981年生,碩士研究生,2009年畢業於中國石油大學(北京),從事煤層氣地質評價研究。地址:(065007)河北省廊坊市廣陽區萬莊44#煤層氣所。電話(010)69213236,13581883303。E-mail:gengmengxi@petrochina.com.cn。
(1.中國石油勘探開發研究院廊坊分院;2.中國石化石油勘探開發研究院.)
摘要:煤層氣作為壹種重要的非常規天然氣能源,在成藏方式、儲集類型、開發手段上與常規天然氣藏存在很大差異。煤層不僅是煤層氣的生氣層,同時也是儲氣層,而且煤層氣多以吸附態賦存於煤層中。因此,在煤層氣井壓裂施工過程中壓裂液對煤儲層的傷害不僅體現在宏觀的滲流能力傷害方面,更主要體現在對吸附在煤表面的煤層氣吸附-解吸傷害影響上。本文針對煤層氣的吸附-解吸影響因素進行了綜合分析評價,具體分析了煤的成分與煤中化學元素組成對煤層氣吸-附解吸的影響;確定了煤層氣吸附-解吸傷害實驗評價方法;提出了壓裂液與煤層潤濕性是評價壓裂液對煤層氣解吸附傷害程度的衡量參數。利用該評價模式對兩處不同煤質特征樣品進行了含有粘土防膨劑的壓裂液及活性水對煤層氣解吸附傷害影響評價。該研究成果為煤層氣井壓裂施工過程中的壓裂液選擇具備理論指導作用。
關鍵詞:煤層氣 吸附-解吸 壓裂液 潤濕角 傷害機理
Research on the Mechanism of Coalbed Methane Desorption Damages Caused by Fracturing Fluid
GENG Meng1,SUN Fenjin1,LI Guizhong1,LIU Ping1,LIANG Li1, LI Lindi2
(1.Langfang Branch, PetroChina Petroleum Exploration and Development Research Institute, Lang-fang, Hebei 065007, China; 2.Sinopec Petroleum Exploration &Production Research Institute, Beijing 100083, China.)
Abstract: Coal-bed methane is an important unconventional natural energy resource.Compared to convention- al gas reservoir, it has greater difference with the ways of reservoir modes and storage types and exploration meth- ods.Coal seam is the generation and storage of the gas which prefers to exist with adsorption behavior.Therefore, the damage caused by fracturing fluid during the fracture treatment not only displayed on the harm to filtration ca- pability. moreover the influence on the adsorption &desorption of the gas being on the coal surface.This article makes synthetic analysis and appraisal of the coal bed methane absorption&desorption affecting factors.It analyzes the influence of the coal component and chemical elements composition to coal·bed methane absorption-desorption, establishes the coal-bed methane absorption &desorption damage experimental evaluation methods, proposes that fracturing fluid and coal seam wettability are the measuring parameters for evaluating the damage degree of the frac- turing fluid to coal-bed methane desorption.It evaluates the damages of the fracturing liquid and active water con- taining clay antiswelling agent with two samples of different coal quality features.The result has theoretical guid- ance on choosing fracturing liquid during coal-bed methane fracturing operation.
Keywords: coal-bed methane; adsorption & desorption; fracturing fluid; wetting angle; damage mecha-nism
1 前言
煤層氣作為壹種重要的非常規天然氣資源越來越受到世界各國的重視,2010年美國煤層氣年產量已突破560億方,達到常規天然氣產量的壹半;中國煤層氣儲量豐富,煤層氣勘探開發利用的產業化進程也正在快速進行。煤層氣開發技術不斷突破,但由於煤儲層的特殊性質,壓裂施工成為獲得工業氣流的重要手段,而煤層氣多以吸附態賦存於煤層中,使得壓裂施工中對煤儲層造成的傷害因素大大增加,其中壓裂液與煤儲層的配伍性顯得格外重要。
2 煤層氣吸附-解吸機理
煤層氣在煤中主要以吸附態賦存外,還有遊離態和水溶態賦存方式。煤是具有裂縫系統和基質孔隙的雙孔結構,該結構控制了其中氣體的儲集和運移。煤層其主要吸附於煤的孔隙中,受到溫度壓力等條件影響,造成熱運動能力改變,從而實現在煤表面的吸附和解吸[1]。
煤層氣的吸附和解吸主要區別於以下四個方面:(1)作用過程。吸附是壹種自發的熱演化生烴排烴過程;解吸則是壹種被動的人為排水降壓過程。(2)作用時間。吸附過程要經歷漫長的年代,要以百萬年計算;而解吸過程則非常短暫,只需要幾分鐘或者幾小時。(3)作用類型。吸附包括了物理吸附和化學吸附兩種形式,化學吸附是以離子鍵吸附,需要能量較大,但所占吸附氣比例很小,物理吸附則具備了熱能低、速度快、可逆和無選擇性等特點;解吸過程則是單壹的物理過程。(4)作用條件。吸附是通過煤演化過程中逐漸脫水、增壓實現的;解吸則是壹個相對恒溫過程[2]。
通過對煤層氣的吸附解吸原理分析可知,壓裂液對煤層氣的吸附-解吸影響主要發生在解吸附過程中。
3 煤層氣解吸附影響因素分析
煤對氣體的吸附能力受多種因素的影響,通常情況下主要影響因素有壓力、溫度、礦物質含量、水分含量、煤階、巖性、氣體組分等[3]。本研究中使用了同壹地區同壹批次煤巖樣品,等溫吸附實驗是在室內利用純甲烷氣體進行吸附-解吸實驗;人為規避了以上常規因素對煤層氣解吸附的影響,可以將各種壓裂液配方對煤層氣解吸附的影響在同壹標準下進行比較。
壓裂液對煤層氣解吸附的影響主要體現為與氣體在煤表面的潤濕能力不同,造成對煤層氣解吸附促進作用存在差異,降低了由於孔隙堵塞造成的解吸附氣量減少,個別壓裂液配方的註入甚至增加了煤層氣的解吸量。壓裂液與煤的潤濕性可以通過接觸角來測定,接觸角越小潤濕性越好,對煤層氣解吸附的促進作用越大[4]。
4 煤質特征對潤濕性的影響
4.1 水分
煤層中水的賦存狀態分包括外在水和內在水以及部分結晶水,本研究中涉及的水分含量是指內在水含量,此時內在水是以物理吸附形勢存在於煤樣中;而煤樣中的結晶水是以化學方式與煤中礦物質結合的,含量很小,可以忽略其影響。由圖1可知,隨著煤樣的空氣幹燥基水分增高,煤樣與水的接觸角越小,表明煤樣越容易被水潤濕,該煤樣的潤濕性越好。
圖1 煤樣水分含量與接觸角關系
圖2 煤樣灰分含量與接觸角關系
4.2 灰分
煤的灰分是指煤中所有可燃物完全燃燒,煤中礦物質在壹定溫度下產生壹系列分解、化合等復雜反應後剩下的殘渣。煤中灰分全部來自煤中礦物質,而灰分的組成和重量與煤中礦物質含量不完全相同,其並非煤中固有成分,通常將其稱為灰分產率。煤中的礦物質成分主要有高嶺石、黃鐵礦、石英和方解石等。
如圖2所示,煤樣中灰分含量越大,煤樣與水之間接觸角越小,煤樣潤濕性能越好。
4.3 揮發分
水分和礦物質含量雖然對煤的潤濕性起到壹定作用,但由於二者均屬於無機物,並不是煤的主要成分,而揮發分是煤中有機成分,其與煤的成因、顯微組分和煤化程度有關,可以通過揮發分產率大致判斷煤的變質程度。由於揮發分主要是由吸附於煤樣孔隙中的氣體和水分以及隨溫度升高煤樣外圍官能團釋放氣,其中水分和極性官能團親水,氣體和非極性官能團不親水,所以很難通過揮發份產率判斷煤樣的潤濕性。如圖3所示,揮發份產率同煤樣與水的接觸角之間相關性很差,證明了揮發份與煤樣潤濕性之間並無明顯關聯。
圖3 煤樣揮發分含量與接觸角關系
4.4 固定碳
固定碳與揮發分壹樣都屬於煤中有機成分,煤樣中的幹燥無灰基固定碳含量隨煤化程度增加而變高,所以也有國家(或地區)將其作為煤的分類標準。
實際上固定碳並不只是煤中碳元素的含量,還包括氧、氮、硫等元素。固定碳並不是煤中固有成分,而是熱分解的產物。由於煤是由若幹結構相似的結構單元通過性質活潑的橋鍵連接而成的大分子結構,其核心結構是芳香核,在邊緣存在壹定得較為活潑的基團,隨著固定碳含量增加,煤化程度加深,煤分子的穩定性加強,導致了潤濕性變差。由圖4可以看出,隨著煤中固定碳含量的增加,煤樣與水之間的接觸角逐漸增大,潤濕性變差。
圖4 煤樣固定碳含量與接觸角關系
5 壓裂液對煤層氣解吸附影響分析
5.1 含粘土防膨劑壓裂液對煤層氣解吸附影響分析
通過以上分析可以看出,水分、灰分和固定碳都與煤質和水的潤濕性存在關聯,水分和灰分含量的增加都會降低水與煤質間的接觸角,提高煤的潤濕性;固定碳含量增加則會增大水與煤之間的接觸角,降低煤的潤濕性。如表1工業分析數據可知,目標煤層的固定碳含量要遠大於水分和灰分含量,超過了75%,所以該目標煤層的潤濕性能較差。
表1 目標煤層工業分析結果
本次試驗中首先用到了蒸餾水作為對比液,同時選擇地下水作為基液,添加了不同濃度KCl進行對比,由於壓裂液配方的成分遠復雜於蒸餾水,所以每種添加了不同濃度KCl的地下水壓裂液與煤層的潤濕性能存在很大差異。
如表2所示,對於3#煤層添加了1%KCl的地下水壓裂液與煤層的接觸角最小,而2%KCl的地下水壓裂液與煤層的接觸角最大;同時對於5#目標煤層,添加了2%和6%KCl的地下水壓裂液與煤層接觸角較小,而添加了1%和4%KCl的地下水壓裂液與煤層接觸角較大。以上論則完全驗證了添加不同濃度KCl粘土防膨劑的地下水壓裂液汙染後煤層解吸附曲線特征。
表2 不同濃度防膨劑與韓城地區3#煤樣接觸角對比表
如圖5目標煤層受蒸餾水或含粘土防膨劑壓裂液影響後的吸附-解吸曲線所示,目標煤層受到含有KCl的地層水或蒸餾水汙染後,解吸附曲線出現程度不同的滯後現象,且解吸滯後現象嚴重程度與壓裂液同煤層的接觸角度數大小成正比,即與潤濕性成反比,這是由於不同配方汙染後造成的不利影響與解吸促進綜合作用後的結果,與目標煤層潤濕性較好壓裂液具備較好的促進解吸作用,相對解吸滯後性減小。
圖5-1 蒸餾水對3#煤解吸影響
對於3#目標煤層,幾種不同濃度防膨劑配方對煤層氣解吸附影響程度由大到小依次為:地表水+2%KCl>地表水+6%KCl>蒸餾水>地表水+4%KCl>地表水+1%KCl,除地表水+2%KCl要根據煤層原始壓力考慮其實用性意外,其余幾種濃度防膨劑配方煤層氣解吸附影響程度差別非常小[5]。如表3所示,綜合考慮到目標煤層較低的粘土含量,從成本角度可以考慮優先選擇濃度為1%的KCl防膨劑進行壓裂液配制。
對於5#目標煤層,當壓裂液為蒸餾水時對煤層氣解吸附影響較小;當加入1%和4%KCl防膨劑對煤層解吸附的影響最大,使煤層氣解吸出現了明顯的滯後性,不建議使用該種防膨劑進行壓裂液配制。其他幾種防膨劑對煤層氣解吸附影響有限,可以使用;如表4所示,綜合考慮到目標煤層較低的粘土含量,最適合於5#煤層解吸的防膨劑是2%KCl。
圖5-2 蒸餾水對5#煤解吸影響
圖5-3 1%防膨劑對3#煤解吸影響
圖5-4 1%防膨劑對5#煤解吸影響
圖5-5 2%防膨劑對3#煤解吸影響
圖5-6 2%防膨劑對5#煤解吸影響
圖5-7 4%防膨劑對3#煤解吸影響
圖5-8 4%防膨劑對5#煤解吸影響
圖5-9 6%防膨劑對3#煤解吸影響
圖5-10 6%防膨劑對5#煤解吸影響
表3 3#煤樣粘土礦物含量測試表
表4 5#煤樣粘土礦物含量測試表
5.2 活性水壓裂液對煤層氣解吸附影響分析
目前煤層壓裂施工中大量使用活化水作為壓裂液,因為活性水的粘度只有交聯凍膠粘度1%,反排效果好,加砂量相對較少,同時對煤層的汙染較少,所以具備較好的應用前景。
在對含粘土防膨劑壓力液與煤層氣解吸附影響評價基礎上,本次試驗中加入了0.5%DL-8助排劑形成活性水進行試驗分析。
如圖6所示,受到地表水+0.5%Dl-8助排劑+1%KCl防膨劑汙染的5#煤試驗樣品解吸滯後性遠遠小於地表水+1%KCl防膨劑汙染的5#煤層解吸過程。由表5可知,加入助排劑以後的壓裂液與5#煤樣接觸角小於未加入助排劑之前,說明該助排劑改善了壓裂液與目標煤層的潤濕性,在某種程度上降低了單純使用防膨劑給煤層氣解吸造成的傷害。
圖6 0.5DL-8助排劑+1%防膨劑對5#煤解吸影響對比
表5 添加助排劑前後壓裂液與5#煤樣接觸角對比表
結論
壓力液對煤層氣的影響主要發生在解吸附過程中;對於同壹煤層煤樣,壓裂液對煤層氣解吸附影響主要是由於固液間潤濕性差異造成的壓裂液置換煤層氣能力不同,使得解吸氣量產生差異。煤質中影響煤與水潤濕性的主要成分為固定碳,固定碳含量越大煤的潤濕性越差;與之相反的是水分和灰分,二者含量越大煤的潤濕性越好,但由於二者含量遠小於固定碳含量,所以目標煤層煤的潤濕性較差。
添加防膨劑以後使得壓裂液性質變復雜,根據不同壓裂液與目標煤層潤濕性驗證了煤層氣等溫吸附-解吸曲線滯後性特征;根據不同煤層具體情況選擇經濟高效的粘土防膨劑濃度進行壓裂液配制。
對於加入了助排劑的活性水壓裂液增加了液體表面活性,改善了其與目標煤層的潤濕性,有效地降低了煤層氣解吸附過程滯後性,提高了煤層氣解吸附能力。
參考文獻
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