基于滲水試驗的煤巖壓裂液靜態(tài)濾失特征分析

陳立超 王生維 張典坤 孟祥凱

(1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學礦業(yè)學院，內(nèi)蒙古自治區(qū)呼和浩特市，010051；2.晉煤集團煤與煤層氣共采國家重點實驗室，山西省晉城市，048204；3.中國地質(zhì)大學(武漢)資源學院，湖北省武漢市，430074)

與常規(guī)儲層相比，煤儲層壓裂液濾失由于天然孔裂隙系統(tǒng)極其發(fā)育且這些天然缺陷后期主導(dǎo)了壓裂液濾失的路徑和空間，因而煤儲層壓裂液濾失表現(xiàn)出濾失液量大、液體濾失空間非均質(zhì)性極強的特征，查明不同損傷程度煤巖壓裂液濾失動力學方式及濾失速率變化規(guī)律，尤其是獲得壓裂液靜態(tài)濾失路徑、流量及流速等參數(shù)對于壓裂液降濾失劑選擇、尺寸優(yōu)化及降濾工藝改進具有實際意義[1-2]。

長期以來關(guān)于壓裂液濾失特征機理、降濾失材料與工藝優(yōu)化一直是業(yè)內(nèi)關(guān)注的熱點問題之一。在壓裂液濾失動力學方面，郭建春等研究人員構(gòu)建了天然裂縫儲層壓裂液濾失數(shù)學模型，提出在裂縫面高分形維數(shù)條件下壓裂液濾失速度增大，且提升壓裂液溫度會顯著增大濾失程度的結(jié)論[3]；韓金軒等研究人員將裂縫動態(tài)滲透率和煤儲層裂縫-孔隙型雙重介質(zhì)特性結(jié)合，建立煤儲層壓裂液濾失模型，模型擬合結(jié)果表明裂縫滲透率的動態(tài)變化導(dǎo)致天然裂縫中濾失量幾十倍的增加[4]；李愛芬等研究人員建立了計算壓裂液濾失深度及濾失速度的新模型，運用預(yù)處理共軛梯度法求解壓裂液濾失深度、濾失速度，應(yīng)用該模型計算了濾失壓差、壓裂液粘度及界面張力對二者的影響[5]；游先勇等研究人員建立了基于滲透率張量的裂縫性儲層壓裂液濾失模型，認為天然裂縫發(fā)育帶的走向在宏觀上決定了壓裂液的濾失方向和壓力波的傳播方向，壓裂液會沿著長裂縫進行濾失[6]；Amir Ghaderi等研究人員利用內(nèi)聚單元法和擴展有限元法研究了天然裂縫及誘導(dǎo)裂縫對壓裂液濾失程度的影響[7]；在壓裂液濾失試驗研究方面，呂其超等研究人員設(shè)計了壓裂液動態(tài)濾失及巖心傷害測試裝置，研究了剪切速率、濾失壓降、巖心滲透率這3種因素對壓裂液濾失量、濾失系數(shù)及巖心傷害率的影響，并與常規(guī)胍膠壓裂液進行了對比分析[8]；AymenAl-Ameri等研究人員利用自吸試驗、穩(wěn)態(tài)滲透試驗及數(shù)值模擬研究了非常規(guī)儲層壓裂裂縫兩側(cè)儲層傷害的特征規(guī)律，提出高分子聚合物吸附導(dǎo)致后續(xù)壓裂液濾失速度減緩的結(jié)論[9]；在壓裂液濾液控制技術(shù)及儲層傷害方面，林波通過對GRF壓裂液濾失影響因素的研究發(fā)現(xiàn)，當液測滲透率高于0.01 μm2時，壓裂液濾失系數(shù)增大速率較快，要考慮輔助的濾失控制措施(如氮氣伴注)[10]；郭建春等研究人員針對壓裂液破膠過程微觀傷害機制進行了深入研究[11]；周同等研究人員分析了頁巖儲層因壓裂液自吸作用而導(dǎo)致的壓裂裂縫壁面軟化過程及其對儲層整體導(dǎo)流能力的影響，并利用核磁共振手段研究了壓裂液自吸后水巖反應(yīng)[12]。從上述文獻不難發(fā)現(xiàn)，目前針對不同損傷程度煤體在不同壓裂液體系下的宏觀濾失路徑、壓裂液濾失動力學方式以及濾失微觀機理影響因素等有待系統(tǒng)研究，尤其是基于滲水試驗的煤巖靜濾失特征研究工作尚未見報道。

因此，筆者基于路面滲水試驗思路，設(shè)計開展了3組大尺寸(350 cm3)長方體煤巖試樣靜態(tài)滲水試驗，對煤儲層水力壓裂中常規(guī)活性水(清潔)壓裂液、凍膠壓裂液介質(zhì)通過原生結(jié)構(gòu)煤樣、構(gòu)造煤樣條件下的靜態(tài)濾失特征參數(shù)(累積濾失量、滲水系數(shù)、滲透速率等)等進行試驗研究，構(gòu)建了清潔、凍膠壓裂液靜態(tài)濾失過程中滲水系數(shù)、滲透速度與壓裂液累計濾失量間的定量關(guān)系，探討了活性水、凍膠壓裂液通過原生結(jié)構(gòu)煤樣、構(gòu)造煤樣過程中滲水系數(shù)、滲透速度參數(shù)特征變化規(guī)律及微觀影響機理，以期為煤儲層壓裂液濾失機理深化、降濾失材料優(yōu)選及工藝優(yōu)化提供科學參考。

1 試驗材料特征

1.1 煤巖樣品特征

本次滲水試驗煤巖樣品采自內(nèi)蒙古準格爾煤田6#煤層，煤階為長焰煤(Ro,max=0.73)，煤巖宏觀類型為半亮-半暗煤，條帶狀結(jié)構(gòu)清晰，按照裂隙發(fā)育程度分為原生結(jié)構(gòu)煤和構(gòu)造煤。其中原生結(jié)構(gòu)煤樣整體裂隙發(fā)育密度較低，節(jié)理線密度在10條/5 cm以下，裂隙類型主要為卸荷張裂隙及煤巖因脫水形成的干濕循環(huán)型裂隙，煤巖整體剛度較大，彈性模量較高，煤樣橫向非均質(zhì)性不顯著，但垂直層理方向為致密煤巖分層與裂隙發(fā)育煤巖分層互層，非均質(zhì)性較強；構(gòu)造煤樣裂隙發(fā)育密度較高，節(jié)理線密度在12條/5 cm以上，而且煤巖因卸荷作用后期節(jié)理張開度增大，節(jié)理將煤巖分層切割成若干厘米級的煤基巖塊，形成了多個煤基巖塊的堆砌結(jié)構(gòu)。宏觀上煤巖非均質(zhì)性顯著，主干節(jié)理縫對煤巖整體滲透性能和滲流途徑具有關(guān)鍵控制作用。煤樣節(jié)理縫內(nèi)煤粉顆粒含量較多，屬于內(nèi)生裂隙型分散煤粉源[13]。

1.2 壓裂液配制

本次滲水試驗采用清潔壓裂液和凍膠壓裂液作為介質(zhì)，2種壓裂液按照50 mL的體積進行配比。試驗所用壓裂液配比參數(shù)見表1。

表1 試驗所用壓裂液配比參數(shù)

2 煤巖滲水試驗

由于煤樣內(nèi)孔裂隙缺陷極度發(fā)育，導(dǎo)致材料具有無序性、層次復(fù)雜性且空間非均質(zhì)性極強的結(jié)構(gòu)特征。筆者利用靜態(tài)常壓滲入法對大尺寸(長×寬×高為10 cm×7 cm×5 cm)的長方體原生結(jié)構(gòu)煤、構(gòu)造煤煤樣壓裂液靜態(tài)濾失特征進行試驗研究，由于所用煤樣大小涵蓋煤儲層內(nèi)生裂隙、氣脹節(jié)理及小型構(gòu)造節(jié)理[14-15]的尺度范圍，因此能夠獲取不同損傷程度的煤巖壓裂液濾失非均質(zhì)性及液體濾失靜態(tài)參數(shù)特征的變化規(guī)律。大尺寸煤樣滲水試驗原理如圖1所示。

圖1 大尺寸煤樣滲水試驗原理

試驗過程中利用量筒內(nèi)壓裂液液柱自重作為工作液濾失動力，在液體自然下滲過程中記錄量筒內(nèi)的液面變化，換算壓裂液滲入壓力、壓裂液滲水系數(shù)和滲透速度等參數(shù)，同時觀測壓裂液濾失滲入路徑和分布空間等現(xiàn)象。

為避免在滲水過程中出現(xiàn)諸如水-巖作用等對滲入特征參數(shù)干擾的可能性，本次試驗作如下假設(shè)：

(1)煤樣為彈性材料，裂縫撐寬將導(dǎo)致兩側(cè)煤巖基質(zhì)彈性形變；

(2)壓裂液滲流過程不考慮水-巖熱交換等，熱效應(yīng)暫不考慮；

(3)暫不考慮煤巖-壓裂液間的水-巖化學反應(yīng)；

(4)滲流過程壓裂液的粘度和流變性無變化，液體連續(xù)下滲；

(5)滲入過程暫不考慮外邊界條件。

由于本次試驗介質(zhì)滲入動力為液柱自重，驅(qū)動壓差較低，因此本次共進行3大類試驗，即清潔壓裂液滲入原生結(jié)構(gòu)煤試驗、凍膠壓裂液滲入原生結(jié)構(gòu)煤試驗及清潔壓裂液滲入構(gòu)造煤試驗，而未設(shè)置凍膠壓裂液滲入構(gòu)造煤試驗。每類試驗共進行4組，期間向4塊煤樣中分別滲入50 mL體積的壓裂液，后期記錄量筒內(nèi)液柱下降特征及煤巖試樣的滲水特征現(xiàn)象，包括：壓裂液濾失滲入的通道路徑、壓裂液固相顆粒濾餅分布特征、滲水系數(shù)、滲水速度隨時間變化規(guī)律等。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 清潔壓裂液滲入煤巖壓裂液濾失試驗現(xiàn)象

清潔壓裂液滲入原生結(jié)構(gòu)煤樣主要通過煤巖內(nèi)生裂隙滲流和煤基巖塊致密基質(zhì)擴散滲透的形式進行，其中內(nèi)生裂縫部位壓裂液快速推進形成指進，該位置壓裂液侵入深度較大；相對而言，清潔壓裂液滲入構(gòu)造煤樣方式則主要通過溝槽流和竄流形式，壓裂液優(yōu)先沿構(gòu)造裂縫部位突進，整體上液體濾失速度較快，屬于裂縫型濾失。

3.2 凍膠壓裂液滲入煤巖壓裂液濾失試驗現(xiàn)象

凍膠壓裂液滲入大尺寸煤樣壓裂液濾失試驗特征現(xiàn)象如圖2所示。

圖2 凍膠壓裂液滲入大尺寸煤樣壓裂液濾失試驗特征現(xiàn)象

由圖2(a)可以看出，凍膠壓裂液滲入原生結(jié)構(gòu)煤樣基質(zhì)部位的動力學方式主要為基質(zhì)滲透，液體主要沿煤巖基質(zhì)表面擠滲并形成薄層瓜爾膠濾餅，壓裂液滲流的路徑主要是沿煤基巖塊的基質(zhì)部位的開放性孔隙、微裂隙，少量壓裂液通過原生層理面和內(nèi)生裂隙縫損失，期間量筒液面下降速度較慢，表明此類型壓裂液濾失的速度慢、濾失程度較輕；由圖2(b)可以看出，凍膠壓裂液滲入原生結(jié)構(gòu)煤樣中小裂隙部位的動力學方式主要為滲流(或溝槽流)，壓裂液多沿煤樣水平層理及大裂隙(虛線)方向快速推進，期間量筒液面下降很快，在煤樣基質(zhì)部位可見大量瓜爾膠聚合物濾餅，而在裂隙部位則未發(fā)現(xiàn)瓜膠，這說明瓜膠已侵入煤樣內(nèi)部形成深層傷害；由圖2(c)可以看出，凍膠壓裂液滲入煤樣大裂隙部位的動力學方式則是通過裂縫濾(漏)失形式，壓裂液沿構(gòu)造煤樣密集的垂向裂縫推進，液體滲濾推進速度較慢，但由于煤樣該部位裂隙張開程度高且瓜膠分子侵入深度較大，表明該情況下壓裂液濾失傷害程度更嚴重。后期隨著煤樣大裂隙內(nèi)聚合物積聚將裂縫堵塞，壓裂液濾失速度逐漸減緩[16]。

3.3 煤巖滲水系數(shù)、滲透速度計算結(jié)果

借鑒路面滲水研究理論[17-18]，提出煤巖壓裂液濾失滲水系數(shù)及滲透速度的概念。其中煤巖壓裂液滲水系數(shù)為單位時間內(nèi)向煤巖內(nèi)部濾失滲入的液體總量，由于該體積量同樣受滲濾截面積的影響，因此單位滲濾截面積下的滲水系數(shù)也稱為滲入率；煤巖壓裂液濾失滲透速度是指壓裂液向煤巖滲入中單位時間內(nèi)侵入的深度，僅與壓裂液粘度、煤巖孔滲性等因素有關(guān)。滲水系數(shù)及滲透速度計算方法見式(1)和式(2)：

(1)

式中：C——壓裂液滲水系數(shù)，mL/min；

V2、V1——分別為滲水過程中量筒先后讀到的體積刻度，mL；

t1、t2——分別為滲水過程先后讀取刻度的時間點，s。

(2)

式中：V——滲透速度，cm/s；

S——試驗中的滲濾截面積，cm2。

基于煤巖滲水試驗記錄，分別計算了12組試驗中不同累計濾失量下的滲水系數(shù)及滲透速度的值，壓裂液滲入原生結(jié)構(gòu)煤、構(gòu)造煤樣滲水系數(shù)及滲透速度參數(shù)計算結(jié)果見表2。

由表2計算結(jié)果可知，隨著累計濾失量的增加，滲水系數(shù)及滲透速度逐漸減小，相對凍膠壓裂液體系，清潔壓裂液體系的初濾失現(xiàn)象更為顯著。

3.4 清潔壓裂液滲入原生結(jié)構(gòu)煤濾失參數(shù)變化

當清潔壓裂液通過原生結(jié)構(gòu)煤樣時，其滲水系數(shù)與液體滲透速度隨著累計濾失量(濾失時間)的增加均呈冪函數(shù)形式下降。其中滲水系數(shù)與壓裂液累計濾失量的數(shù)學關(guān)系可用y= 663.63x-2.088描述，二者相關(guān)性較好(R2=0.871)；滲透速度與累計濾失量的數(shù)學關(guān)系為y=2.2804x-2.092，表明隨著壓裂液濾失作用過程的進行，煤巖內(nèi)部孔隙流體內(nèi)壓逐漸升高，而量筒內(nèi)液柱壓力則逐漸降低，導(dǎo)致工作液下滲的壓差動力減弱，加之隨著工作液的不斷滲入，帶動煤巖內(nèi)煤粉顆粒啟動運移將孔裂隙滲水通道堵塞，導(dǎo)致隨著累計濾失量的增大，壓裂液滲水系數(shù)及滲透速度呈冪函數(shù)逐漸降低。清潔壓裂液滲入原生結(jié)構(gòu)煤濾失參數(shù)隨累計濾失量變化規(guī)律如圖3所示。

表2 壓裂液滲入原生結(jié)構(gòu)煤、構(gòu)造煤樣滲水系數(shù)及滲透速度參數(shù)計算結(jié)果

由圖3可以看出，壓裂液濾失初期滲水系數(shù)和滲透速度均較大，而且濾失初期二者的衰減速度也最快，這說明對于煤巖試樣其初期濾失程度最高，推測為煤巖干燥性及孔裂隙吸水能力較強導(dǎo)致，后期隨著壓裂液的不斷滲入，煤巖內(nèi)部孔裂隙水趨于飽和狀態(tài)，滲水系數(shù)及滲透速度的衰減速度和幅度與初期相比逐漸減弱。

3.5 凍膠壓裂液滲入原生結(jié)構(gòu)煤濾失參數(shù)變化

凍膠壓裂液通過原生結(jié)構(gòu)煤樣其滲水系數(shù)與滲透速度與清潔壓裂液相比較低，隨著累計濾失量的增加二者同樣呈冪函數(shù)形式降低。其中滲水系數(shù)與累計濾失量的數(shù)學關(guān)系可用y=34.67x-1.299表達，滲透速度與累計濾失量的數(shù)學關(guān)系為y=0.1212x-1.309，二者相關(guān)性良好(R2≈0.995)，表明滲水系數(shù)和滲透速度與累計濾失量間關(guān)系密切，主要是隨著凍膠壓裂液的不斷滲入，煤巖內(nèi)部孔裂隙的導(dǎo)流通道被凍膠壓裂液中的聚合物分子堵塞，導(dǎo)致導(dǎo)流能力衰減，而且隨著壓裂液的不斷滲入煤巖孔裂隙缺陷空間內(nèi)流體壓力逐漸升高，導(dǎo)致凍膠壓裂液滲入的驅(qū)動壓差降低，滲入能力下降。凍膠壓裂液滲入原生結(jié)構(gòu)煤濾失參數(shù)隨累計濾失量變化規(guī)律如圖4所示。

圖3 清潔壓裂液滲入原生結(jié)構(gòu)煤濾失參數(shù)隨累計濾失量變化規(guī)律

圖4 凍膠壓裂液滲入原生結(jié)構(gòu)煤濾失參數(shù)隨累計濾失量變化規(guī)律

由圖4可以看出，凍膠壓裂液滲入初期其滲水系數(shù)和滲透速度衰減幅度和速度較明顯，滲入后期其衰減幅度和速度相對較為緩和。與清潔壓裂液相比，凍膠壓裂液滲水系數(shù)和滲透速度衰減幅度較小，推測與凍膠壓裂液的粘度高和流變性顯著有關(guān)。

3.6 清潔壓裂液滲入構(gòu)造煤濾失參數(shù)變化

清潔壓裂液通過構(gòu)造煤樣其滲水系數(shù)和滲透速度較大，其中初期滲水系數(shù)最高可達60 mL/min，這說明清潔壓裂液在構(gòu)造煤中的濾失程度非常高。與前2種試驗條件相比，隨著累計濾失量增加滲水系數(shù)和滲透速度均呈冪函數(shù)形式遞減。其中滲水系數(shù)、滲透速度與累計濾失量數(shù)學關(guān)系可分別用y=4464.3x-1.857、y=15.179x-1.858表達，相關(guān)性非常好(R2≈0.995)。清潔壓裂液滲入構(gòu)造煤樣過程中滲水系數(shù)和滲透速度的衰減速度、幅度相對比較穩(wěn)定，即初期的衰減強度與后期基本一致，表明清潔壓裂液介質(zhì)通過構(gòu)造煤樣過程中，由于構(gòu)造煤樣內(nèi)部導(dǎo)流通道張開度較大不至于被啟動運移的煤粉顆粒完全堵塞[19]，而且說明構(gòu)造煤內(nèi)部的導(dǎo)流通道其堵塞過程是漸進式的，這與前2種試驗中煤樣內(nèi)部發(fā)生明顯的速敏效應(yīng)不同。清潔壓裂液滲入構(gòu)造煤濾失參數(shù)隨累計濾失量變化規(guī)律如圖5所示。

圖5 清潔壓裂液滲入構(gòu)造煤濾失參數(shù)隨累計濾失量變化規(guī)律

4 煤巖壓裂液濾失微觀影響機制

煤巖壓裂液靜態(tài)濾失侵入微觀模式及濾失參數(shù)衰變規(guī)律如圖6所示。

由圖6(a)可以看出，當清潔壓裂液在原生結(jié)構(gòu)煤中滲濾時，壓裂液滲流主要路徑包括壓裂液中的水分子在毛細管力和干濕循環(huán)應(yīng)力作用下侵入煤樣表面的開放性孔隙內(nèi)，該部分濾失液量較少；大部分壓裂液沿著煤樣節(jié)理縫隙侵入煤巖內(nèi)部，并在裂縫面上形成擠壓面應(yīng)力(Pw)，該力作用下裂縫被撐開并造成裂縫面兩側(cè)煤巖基質(zhì)形變，導(dǎo)致遠處封閉性孔隙內(nèi)產(chǎn)生彈性響應(yīng)(即儲層孔隙流體壓力)；圖6(b)反映了該效應(yīng)致使壓裂液侵入驅(qū)動壓差(Pw-Pi)逐漸降低，壓裂液向煤巖濾失的滲透速度快速下降，后期衰減至滯流；由圖6(c)可以看出，清潔壓裂液在原生結(jié)構(gòu)煤巖中濾失初濾失現(xiàn)象較為明顯，初濾失量和初始濾失滲透速度較大，清潔壓裂液粘度小流動速度較快，然后快速遞減至穩(wěn)定狀態(tài)。

圖6 煤巖壓裂液靜態(tài)濾失侵入微觀模式及濾失參數(shù)衰變規(guī)律

由6(d)可以看出，凍膠壓裂液在原生結(jié)構(gòu)煤樣濾失路徑包括煤巖表面的開放性孔隙及節(jié)理縫，由于凍膠壓裂液粘度大、分子直徑大，大部分液體優(yōu)先沿節(jié)理縫隙進行滲濾，但滲水系數(shù)和滲透速度較低，后期由于凍膠壓裂液剪切應(yīng)力大拓寬了液體滲濾縫隙，導(dǎo)致裂縫面兩側(cè)煤巖基質(zhì)封閉性孔隙產(chǎn)生回彈效應(yīng)；圖6(e)反映了凍膠壓裂液濾失驅(qū)動壓差(Pw-Pi)初期下降緩慢而后期快速降低；由圖6(f)可以看出，壓裂液濾失滲透速度呈現(xiàn)了初期快速下降后期緩慢降低的規(guī)律，這與驅(qū)動壓差變化規(guī)律相吻合。

由6(g)可以看出，當清潔壓裂液在構(gòu)造煤巖試樣濾失時，液體濾失路徑包括煤巖表面開放性孔隙及大量節(jié)理縫，壓裂液中水分子在毛細管力作用下就近侵入裂縫面上開放性孔隙內(nèi)，并置換出部分甲烷氣體分子，后期游移到節(jié)理縫端部形成氣頂效應(yīng)，導(dǎo)致壓裂液濾失中阻力增大，濾失滲透速度降低；由圖6(h)所可以看出，由于壓裂液在構(gòu)造節(jié)理縫隙內(nèi)的“水楔”作用，導(dǎo)致壓裂液在濾失過程中出現(xiàn)驅(qū)動壓差(Pw-Pi)的反復(fù)；由圖6(i)可以看出，清潔壓裂液在構(gòu)造煤中濾失滲透速度整體平穩(wěn)遞減，與煤巖整體滲透性好、節(jié)理縫隙較寬難以發(fā)生速敏效應(yīng)有關(guān)。

5 結(jié)語

(1)煤巖滲水試驗顯示，壓裂液滲入原生結(jié)構(gòu)煤樣基質(zhì)部位與裂隙部位的動力學方式分別為基質(zhì)滲透和滲流(溝槽流)；而壓裂液滲入構(gòu)造煤樣的主要動力學形式為裂縫型濾失，壓裂液主要沿構(gòu)造煤樣垂向裂縫推進，液體侵入較深。

(2)筆者計算了三大類清潔壓裂液滲入原生結(jié)構(gòu)煤、凍膠壓裂液滲入原生結(jié)構(gòu)煤及清潔壓裂液滲入碎裂構(gòu)造煤共12組濾失特征參數(shù)——滲水系數(shù)和滲透速度的值，回歸顯示隨著累計濾失量的增加，滲水系數(shù)和滲透速度呈負冪指數(shù)形式下降，其中清潔壓裂液通過構(gòu)造煤試驗條件下，滲水系數(shù)和滲透速度與累計濾失量間數(shù)學關(guān)系可分別用y=4464.3x-1.857、y= 15.179x-1.858表達，相關(guān)性良好(R2≈0.995)。

(3)筆者認為宏觀上煤巖濾失特征參數(shù)滲水系數(shù)和滲透速度主要受液體驅(qū)動壓差、壓裂液類型、煤巖破碎程度的綜合影響，微觀層次上煤巖彈性形變產(chǎn)生的孔隙流體壓力效應(yīng)、液體置換甲烷分子形成裂縫端部的氣頂效應(yīng)較為關(guān)鍵，建議在水力壓裂中適當提升裂縫內(nèi)凈壓力，通過拓寬主干壓裂裂縫激勵裂縫壁面兩側(cè)基質(zhì)的彈性形變，減小次級裂隙的開度，有利于控制壓裂液濾失。