活性水壓裂液對高煤階煤巖力學(xué)性質(zhì)的影響

王鏡惠 梅明華 王華軍 包頓

摘 ?????要：煤層氣低產(chǎn)井重復(fù)壓裂增產(chǎn)效果差異大，裸眼壓裂水平井井眼容易垮塌，需要研究壓裂液對煤巖力學(xué)性質(zhì)及其對重復(fù)壓裂及水平井穩(wěn)定性的影響。通過煤巖樣品單軸壓縮試驗(yàn)和三軸壓縮試驗(yàn)，研究了壓裂液對煤巖抗壓強(qiáng)度、彈性模量及變形特征的影響，并探討了其對重復(fù)壓裂和水平井井眼穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明：煤巖彈性模量和抗壓強(qiáng)度隨壓裂液浸泡時間增加而持續(xù)降低，塑性特征更加明顯，重復(fù)壓裂容易形成短寬縫，壓裂效果較差，因此需要快速返排壓裂液;浸泡后煤巖的彈性模量隨圍壓的增加先增加后降低，圍壓6 MPa左右時，煤巖彈性模量最大，因此埋深700～800 m時，重復(fù)壓裂形成長裂縫的可能性較大;浸泡后煤巖的抗壓強(qiáng)度隨圍壓的降低而降低，且圍壓越小，降低幅度越大，因此，儲層埋深越淺，浸泡后儲層裂縫閉合程度越強(qiáng)，滲透率降低程度大，越需要盡快排出壓裂液。

關(guān) ?鍵 ?詞：活性水壓裂液;高煤階煤巖;力學(xué)性質(zhì);重復(fù)壓裂;水平井穩(wěn)定性

中圖分類號：TQ 531.1 ??????文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ??????文章編號： 1671-0460（2019）06-1125-04

Abstract： Re-fracturing and horizontal well are important ways to improve the single well production and the recovery and to realize efficient development of CBM reservoir， while the stimulation effect of re-fracturing is significant and the borehole collapse has restricted the application of horizontal well. So it is important to research the effect of fracturing fluid on the mechanical properties of coal rock and on the re-fracturing effect and the horizontal well stability. In this paper， the effect of drilling fluids on the compressive strength and elastic modulus of coal rock was studied through uniaxial compression test and tri-axial compression test of coal rock samples， as well as the influences of which on re-fracturing effect and the borehole stability. The results showed that the immersion of coal rock in fracturing fluids resulted in the decrease of compressive strength and elastic modulus of the coal rock， and the decrease degree decreased with the increase of soaking time. So the re-fracturing of CBM wells was more easily form short and wide fractures which resulted in poor re-fracturing effect. So releasing the fracturing fluid quickly after fracturing will improve the re-fracturing effect. With the increase of confining pressure， the elastic modulus increased when confining pressure was below 6 MPa and then decreased after confining pressure was above 6MPa. So when the buried depth is between 700m and 800m， the re-fracturing can form long fractures. The compressive strength of the coal rock decreased with the decrease of confining pressure， and the decrease amplitude decreased after immersion， which resulted in the increase of fracture closure and decrease of reservoir permeability. So fracturing fluid should be released quickly just after fracturing.

Key words：Active water fracturing fluids;High-rank coal rock;Mechanical properties;Re-fracturing; Stability of horizontal well borehole

水力壓裂和水平井是實(shí)現(xiàn)煤層氣高效開發(fā)的重要技術(shù)[1，2]，但重復(fù)壓裂效果差異較大，見效率持續(xù)降低，需要研究初次壓裂后壓裂液對煤巖力學(xué)性質(zhì)的影響，揭示煤巖力學(xué)性質(zhì)變化對重復(fù)壓裂的影響，改善重復(fù)壓裂效果。另外，在水平井鉆井及排采過程中，水平井垮塌，嚴(yán)重影響水平井的開發(fā)效果[3，4]，需要研究壓裂液對煤巖力學(xué)性質(zhì)的影響[5]及其對水平井穩(wěn)定性的影響[6，7]，而目前液體浸泡對砂巖、泥巖力學(xué)性質(zhì)影響有初步研究[8，9]，但關(guān)于壓裂液對煤巖力學(xué)參數(shù)影響的研究較少。因此本文通過室內(nèi)試驗(yàn)研究了活性水壓裂液對煤巖強(qiáng)度及彈性模量的影響，并探討了其對直井重復(fù)壓裂、水平井井眼穩(wěn)定性及儲層滲透率的影響，以期為壓裂工藝的改進(jìn)提供有益借鑒。

1 ?實(shí)驗(yàn)條件及步驟

1.1 ?實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)煤樣選自沁水盆地某區(qū)塊，將大塊煤巖加工成直井50 mm，長度100 mm的煤柱，煤巖樣品基本物性參數(shù)和力學(xué)參數(shù)基本一致。壓裂液取自煤層氣井壓裂現(xiàn)場，為活性水壓裂液（清水+1%KCl），過濾后用于實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)溫度為室溫20 ℃。實(shí)驗(yàn)儀器為JSM-6510LV型掃描電鏡、RMT-150B型電液伺服巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)、高壓壓汞儀等。

1.2 ?實(shí)驗(yàn)步驟

測定煤巖工業(yè)組分、顯微組分;然后開展高壓壓汞試驗(yàn)，測定孔隙半徑分布;利用掃描電鏡獲得煤巖孔、裂隙發(fā)育特征及粘土礦物賦存特征;將需進(jìn)行壓裂液浸泡煤樣，按照實(shí)驗(yàn)要求進(jìn)行浸泡;最后進(jìn)行單軸、三軸壓縮試驗(yàn)，獲得煤巖抗壓強(qiáng)度、彈性模量。

2 ?煤巖基本物性特征

2.1 ?煤巖樣品組分分析

煤巖樣品鏡質(zhì)體反射率為3.2%～3.4%，為高階煤?；曳趾枯^低，為7.7%～15.7%，平均為11.6%;鏡質(zhì)組含量較高，為70.5%～86.2%，平均為79.8%;同時含有大量的粘土礦物，為3%～12.5%，平均為5.9%;掃面電鏡結(jié)果表明，粘土礦物以伊利石、高嶺石等強(qiáng)水敏性礦物為主，常填充于煤巖裂縫、鑄模孔、植物組孔中，或附著于煤巖表面，這是壓裂液對煤巖力學(xué)參數(shù)造成影響的主要原因。

2.2 ?煤巖孔、裂隙特征

煤巖孔、裂隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為復(fù)雜的孔隙、裂隙網(wǎng)絡(luò)[10]，通過恒壓壓汞試驗(yàn)得到煤巖孔隙半徑分布曲線，如圖1所示。

圖1表明，煤巖孔隙半徑分布在0.002～227.7μm之間，范圍較寬，以微孔為主，孔隙半徑小于0.1μm的微孔比例高達(dá)40%以上。通過掃描電鏡圖片研究煤巖裂隙產(chǎn)狀及發(fā)育程度，結(jié)果見表1。表1表明煤巖發(fā)育主、次兩組裂隙，主裂隙寬度更寬、密度等大，兩組裂隙呈近90°相交，孔、裂隙產(chǎn)狀及發(fā)育程度是影響壓裂液浸泡后煤巖力學(xué)參數(shù)的重要因素。

3 ?試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 ?壓裂液對煤巖彈性模量的影響同一區(qū)塊煤巖在相同壓裂液中不同浸泡時間條件下的彈性模量變化如圖2所示。

圖2表明，隨著壓裂液浸泡時間增加，煤巖彈性模量均持續(xù)降低。如無圍壓時，煤巖浸泡2和240 h后彈性模量分別比不浸泡時下降23%和47%左右;而圍壓為6 MPa時，浸泡24和240 h后彈性模量分別比不浸泡時下降2%和3.4%左右。這表明，煤巖在壓裂液中浸泡以后，彈性模量即其抵抗變形能力降低。因此，初次壓裂后在壓裂液浸泡作用下，煤巖彈性變形能力降低，煤巖脆性降低，再次壓裂，容易形成短寬縫，不能造長縫，影響重復(fù)壓裂的效果。圖2還表明，圍壓在6 MPa左右時，浸泡時間對彈性模量的影響較小，此時煤巖浸泡240 h后彈性模量比不浸泡時僅下降3.4%左右，說明埋深700～800 m時，壓裂液浸泡對煤巖彈性模量的影響較小，重復(fù)壓裂形成長裂縫的可能性越大。

由圖2還可知，浸泡時間相同時，彈性模量隨圍壓的增加先增加后降低。如浸泡24 h時，圍壓小于6 MPa時，彈性模量上升，大于6 MPa后，彈性模量下降。這是由于圍壓增加過程中，煤巖不同強(qiáng)度的物質(zhì)的破裂強(qiáng)度趨于增加，抵抗變形能力也增加，但增加至一定程度后，達(dá)到所有物質(zhì)的破裂強(qiáng)度時，煤巖彈性模量開始降低。

3.2 ?壓裂液對煤巖抗壓強(qiáng)度的影響

圖3為不同圍壓條件下，煤巖在壓裂液中浸泡不同時間后抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律。

圖3表明，無論圍壓大小，隨著煤巖在壓裂液中浸泡時間增加，煤巖抗壓強(qiáng)度均持續(xù)降低，但降低幅度也越來越小。如圍壓為3 MPa時，煤巖在壓裂液中浸泡時間由0增加至24 h時，抗壓強(qiáng)度由57.5 MPa下降至48.7 MPa，下降幅度達(dá)到15.3%，而浸泡時間由96增加至240 h時，抗壓強(qiáng)度下降幅度僅為5.8%。這是因?yàn)閴毫岩航莺?，煤巖孔、裂隙中粘度礦物吸水后膨脹，導(dǎo)致煤巖抗壓強(qiáng)度整體降低，但隨著浸泡時間增長，粘度礦物吸水能力降低，煤巖抗壓強(qiáng)度降低幅度也減小。對于水平井而言，抗壓強(qiáng)度降低，意味著井眼坍塌風(fēng)險(xiǎn)增加，因此，要降低壓裂液在水平井中滯留的時間，壓裂后應(yīng)該快速返排壓裂液，防止水平井坍塌。

由圖3還可知，無論是否被壓裂液浸泡，煤巖抗壓強(qiáng)度均隨著圍壓的降低而降低，如煤巖未被浸泡時，圍壓由9 MPa降至0 MPa時，抗壓強(qiáng)度由76.1 MPa降至21.3 MPa，下降幅度達(dá)到72%，這主要是由于圍壓越低，煤巖弱面的側(cè)向滑移阻力越低，越容易發(fā)生剪切破壞，則煤巖強(qiáng)度越低;而煤巖被壓裂液浸泡24 h時，圍壓由9 MPa降至0 MPa，抗壓強(qiáng)度由69.8 MPa降至12.6 MPa階段，下降幅度達(dá)到82%，表明煤巖被鉆井液浸泡后，隨圍壓降低，抗壓強(qiáng)度降幅進(jìn)一步增加，而且浸泡96和240 h后降幅分別為87%和90%，說明浸泡時間越長抗壓強(qiáng)度降低幅度越大。這主要對煤儲層滲透率產(chǎn)生影響，圍壓下降過程中，煤巖抗壓強(qiáng)度大幅降低，導(dǎo)致儲層裂縫閉合程度增加、孔隙壓縮程度增加，進(jìn)一步降低了儲層滲透率，所以，壓裂后壓裂液應(yīng)該快速排出儲層，與煤巖接觸的時間越短越利于儲層滲透率的保護(hù)。

3.3 ?壓裂液對煤巖變形特征的影響

圖4表明，在相同圍壓條件下，無論被鉆井液浸泡與否，應(yīng)力-應(yīng)變曲線在峰值前變形特征基本相同，均分為壓實(shí)階段、彈性變形階段和屈服階段，但壓裂液浸泡后煤巖的彈性變形段明顯變短，塑性變形段明顯增加。

圖4表明，在相同圍壓條件下，無論被鉆井液浸泡與否，應(yīng)力-應(yīng)變曲線在峰值前變形特征基本相同，均分為壓實(shí)階段、彈性變形階段和屈服階段，但壓裂液浸泡后煤巖的彈性變形段明顯變短，塑性變形段明顯增加。浸泡與未浸泡壓裂液應(yīng)力-應(yīng)變曲線最大的差異在于峰值后，未被壓裂液浸泡煤巖應(yīng)力-應(yīng)變曲線出現(xiàn)突降，具有明顯的脆性特征，而被浸泡煤巖峰值后應(yīng)力-應(yīng)變曲線為緩慢下降，具有明顯的塑性特征。這主要是由于水對煤巖具有軟化作用，加劇了煤巖組分的強(qiáng)度差異，隨著軸向應(yīng)力增加，不同強(qiáng)度的組分先后屈服并產(chǎn)生塑性變形，拉長了煤巖塑性變形階段，同時低強(qiáng)度處局部先后屈服替代了煤樣大范圍整體屈服，避免了應(yīng)力突降發(fā)生。這導(dǎo)致煤巖被壓裂液浸泡后壓縮作用和應(yīng)力敏感性增強(qiáng)，因此在煤層氣井壓裂后應(yīng)盡快排出進(jìn)入煤層的壓裂液，降低壓裂液對煤層的傷害。

4 ?結(jié) 論

（1）煤巖樣品中的粘土礦物以伊利石、高嶺石等強(qiáng)水敏性礦物為主，常填充于煤巖孔、裂隙中，這是煤巖被壓裂液浸泡后力學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化的主要誘因。

（2）煤巖彈性模量隨著壓裂液浸泡時間增加而持續(xù)降低，因此，初次壓裂后煤巖彈脆性降低，重復(fù)壓裂容易形成短寬縫，影響重復(fù)壓裂的效果。浸泡時間相同時，彈性模量隨圍壓的增加先增加后降低，圍壓在6 MPa左右時，煤巖彈性模量最大，因此埋深在700～800 m時，初次壓裂對煤巖彈性模量的影響越小，重復(fù)壓裂形成長裂縫的可能性越大。

（3）煤巖抗壓強(qiáng)度隨其在壓裂液中浸泡時間增加而持續(xù)降低，因此，對于裸眼壓裂水平井，壓裂液浸泡時間越長，井眼坍塌風(fēng)險(xiǎn)越大;煤巖抗壓強(qiáng)度均隨著圍壓的降低而降低，且圍壓越低，抗壓強(qiáng)度降幅越大，這導(dǎo)致儲層裂縫閉合程度增加、孔隙壓縮程度增加，進(jìn)一步降低了儲層滲透率，因此壓裂后應(yīng)該快速返排壓裂液，防止水平井坍塌和儲層裂縫閉合。

（4）壓裂液浸泡后煤巖的彈性變形段明顯變短，塑性變形段明顯增加。未被壓裂液浸泡煤巖應(yīng)力-應(yīng)變曲線在峰值處出現(xiàn)突降，具有明顯的脆性特征，而被浸泡煤巖應(yīng)力-應(yīng)變曲線在峰值后為緩慢下降，具有明顯的塑性特征。這導(dǎo)致煤巖被壓裂液浸泡后壓縮作用和應(yīng)力敏感性增強(qiáng)，壓裂后應(yīng)盡快排出壓裂液，降低壓裂液對煤層的傷害。

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