沁南與鄂東原生結(jié)構(gòu)煤巖壓裂液濾失效應(yīng)對比實驗研究

劉建華，王生維，張曉飛，張業(yè)暢

（1.山西工程技術(shù)學(xué)院，山西 陽泉 045000；2.中國地質(zhì)大學(xué)（武漢） 資源學(xué)院，湖北 武漢 430074；3.中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司 古交項目部，山西 古交 030200；4.北京建設(shè)數(shù)字科技股份有限公司，北京100048）

0 引 言

煤儲層滲透率低，在煤層氣開發(fā)過程中經(jīng)常采取水力壓裂措施改造儲層，在煤層中形成裂縫或擴(kuò)開原生裂縫。在裂縫擴(kuò)展過程中，壓裂液會沿著裂縫壁面向煤儲層內(nèi)部濾失，嚴(yán)重影響了水力壓裂現(xiàn)場施工效果，同時造成嚴(yán)重的儲層污染。傳統(tǒng)的壓裂濾失儀，只能對煤巖芯進(jìn)行實驗，不能模擬原生結(jié)構(gòu)的煤巖，因此不能夠全面的研究煤儲層的濾失能力。在借鑒了傳統(tǒng)的壓裂濾失儀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)后，對原有儀器設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)，制造出能夠測試尺寸在10 cm×10 cm×10 cm 以上原生結(jié)構(gòu)煤巖樣品的濾失儀設(shè)備。通過壓裂濾失實驗研究，找到影響濾失的主要因素，為下一步煤層氣壓裂降濾失提供理論依據(jù)。

1 實驗儀器和樣品

1.1 實驗儀器

改進(jìn)的壓裂濾失儀主要組成部分包括：鋼化玻璃夾板注水倉、3 MPa 水泵、流量計、濕度傳感器、稱重傳感器、電子壓力傳感器、筆記本電腦，其中注水倉和水泵共同組成壓裂液泵送系統(tǒng)，是實驗儀器的主要組成部分，濕度傳感器對濕度進(jìn)行實時監(jiān)測，可以反映出壓裂液在煤巖中的流動情況，稱重傳感器對煤巖的重量進(jìn)行實時監(jiān)測，反映壓裂液在煤巖中的濾失量，壓裂液濾失實驗儀示意如圖1 所示。

圖1 壓裂液濾失實驗儀示意Fig.1 Schematic of fracturing fluid filtration tester

1.2 實驗樣品

實驗采取沁南和鄂東大塊原生結(jié)構(gòu)的煤巖。

沁南煤巖采自沁水盆地南部寺河礦，煤樣尺寸235 mm×285 mm×125 mm，宏觀煤巖類型整體為半亮煤，煤體結(jié)構(gòu)保存較為完整，煤質(zhì)較硬，節(jié)理發(fā)育，易破碎。煤巖中鏡煤條帶很發(fā)育，寬度在1~ 4 mm，平行于層理面發(fā)育，條帶間距在5 ~ 10 mm，鏡煤條帶中小裂隙較為發(fā)育，密度6 條/cm。發(fā)育垂直于鏡煤條帶的節(jié)理裂隙，長度為3 ~ 11 cm，發(fā)育密度4 條/cm。

鄂東煤巖采自鄂爾多斯盆地東部柳林礦，煤巖大小為320 mm×175 mm×200 mm，宏觀煤巖類型整體為半暗煤，煤體結(jié)構(gòu)保存較為完整，煤質(zhì)較硬，節(jié)理較發(fā)育，不易破碎。煤巖中鏡煤條帶不發(fā)育，小的節(jié)理裂隙僅發(fā)育在鏡煤和亮煤中，長度在1 ~ 4 mm，垂直于層理面發(fā)育，條帶間距大致等距，密度1 條/cm。

通過對比，鄂東煤巖鏡煤條帶不發(fā)育，且僅發(fā)育少量長度在1~4 mm 的小節(jié)理裂隙，發(fā)育密度小，發(fā)育密度1 條/cm；而沁南煤巖鏡煤條帶很發(fā)育，鏡煤條帶中小裂隙很發(fā)育，發(fā)育密度6 條/cm，除發(fā)育小裂隙之外，沁南煤巖還發(fā)育延伸長度在3 ~ 11 cm 的節(jié)理裂隙，發(fā)育密度4 條/cm。整體上來看，無論是小裂隙還是大的節(jié)理裂隙，沁南煤巖都更發(fā)育。

2 實驗步驟

2.1 實驗準(zhǔn)備階段

測出的原煤的初始重量M1，對實驗儀器進(jìn)行調(diào)試，檢查線路是否正常。準(zhǔn)備實驗注入液體，實驗使用的液體為清水。

2.2 實驗階段

打開水泵，開始注入清水，并實時觀察和記錄實驗過程中的濕度、重量、壓力。保存濕度傳感器、稱重傳感器、流量計、壓力表所測得的實驗數(shù)據(jù)；觀察清水在煤巖樣品的側(cè)壁流出的情況，將整個注液過程錄像；將煤巖取出，測得實驗后煤巖的總重量為M2。

2.3 實驗效果評價（實驗結(jié)果與數(shù)據(jù)處理）

觀察、描述注入清水后煤巖特征，分析濾失效果。濕度變化分析清水流動情況；流量、壓力變化，分析壓裂液注入難易程度；重量變化用于分析濾失量。

3 實驗效果評價

3.1 實驗現(xiàn)象

實驗開始，采取泵送壓力均為2 MPa。沁南煤巖在清水充滿玻璃注水倉3 s 后，就有水從煤巖裂隙流出，該裂隙是煤巖中最寬的裂隙，1 min 后清水不僅從該裂隙流出，也漸漸從其他裂隙滲出，泵注的水流通過裂隙，順著裂隙濾失，在泵注過程中未形成憋壓。鄂東煤巖在清水充滿玻璃水倉15 s后，才有水從裂隙輕微滲出，2 min 后煤巖中的多條裂縫有清水滲出，但在泵注過程中壓力出現(xiàn)上升，至2.2 MPa。

3.2 實驗分析

3.2.1 重量數(shù)據(jù)分析

將試驗中記錄的總重量減去儀器的重量，得到清水濾失到煤巖后的總重量，即壓裂液濾失量，做出壓裂液濾失量隨時間的變化曲線（圖2）。實驗數(shù)據(jù)顯示，無論是沁南煤巖還是鄂東煤巖，濾失量隨時間呈直線上升趨勢，濾失一定時間后，濾失量不再增加。但是鄂東煤巖的濾失總量或者濾失速率（單位時間的濾失量） 均低于沁南煤巖。

圖2 煤巖測試重量變化曲線圖Fig.2 Chart of weight change of coal rock test

3.2.2 濕度數(shù)據(jù)分析

通過MATLAB 對測得濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行四維擬合，得到濕度擬合結(jié)果，擬合結(jié)果的顏色深淺代表濕度的高低。通過顏色的變化可以直觀地觀察煤巖與濕度傳感器接觸點(diǎn)附近的濕度變化。從擬合結(jié)果來看，隨著實驗的進(jìn)行，煤巖濕度整體是呈上升趨勢，但與沁南煤巖相比，鄂東煤巖整體濕度變化較小。

3.2.3 現(xiàn)象分析

無論是沁南煤巖還是鄂東煤巖，底部濕度傳感器顯示清水由注水端向遠(yuǎn)端逐漸濾失。在沁南煤巖中，大的節(jié)理裂隙更為發(fā)育，且裂縫寬度、延伸長度更大，清水流動受到的阻力相對較小，濾失速度相對快。而在鄂東煤巖中，裂隙發(fā)育少，尤其節(jié)理裂隙發(fā)育較少，清水濾失速度相對較慢。通過實驗說明節(jié)理裂隙是清水的主要濾失途徑，煤儲層中節(jié)理裂隙的發(fā)育程度將很大程度影響壓裂液的濾失速度。

4 結(jié) 論

（1） 通過改進(jìn)的濾失儀設(shè)備對大塊原生結(jié)構(gòu)的煤巖進(jìn)行濾失實驗，可以較為準(zhǔn)確地模擬原生煤巖的濾失情況。壓裂液的濾失受原生節(jié)理裂隙發(fā)育特征的影響，壓裂液（清水） 主要沿著原生裂隙的壁面向周圍濾失，這些原生裂隙大部分為煤巖中的原生節(jié)理裂隙，小部分為內(nèi)生裂隙。沁南煤巖中原生節(jié)理裂縫更為發(fā)育，裂隙規(guī)模較大，且連通性較好，導(dǎo)致沁南濾失量和濾失速度較鄂東煤巖相對較大。

（2） 在裂縫發(fā)育的地區(qū)，原生節(jié)理裂隙和內(nèi)生裂隙較為發(fā)育，實施壓裂改造煤儲層時，在裂縫擴(kuò)展過程中，壓裂液會沿著原生節(jié)理裂縫壁面向煤儲層內(nèi)部濾失，大大降低壓裂效果，同時嚴(yán)重污染儲層。因此針對裂縫發(fā)育的煤儲層，在壓裂過程中，必須采取合理的手段有效控制壓裂液濾失。