煤巖壓裂濾失效應(yīng)實驗研究

張曉飛 劉建華 劉 征 王生維

(1.中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司太原分公司，山西 030000；2.山西工程技術(shù)學(xué)院，山西 045000；3.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)資源學(xué)院，湖北 430074；4.煤與煤層氣共采國家重點實驗室，山西 048006)

1 驗儀器與實驗對象

1.1 實驗儀器

本次實驗利用的是動態(tài)濾失實驗儀器，該儀器的主要組成部分有氮氣瓶、調(diào)壓閥、中間容器、環(huán)壓表、進口壓力表、夾持器、手搖泵等(圖1)。其中氮氣瓶的作用是提供軸向壓力來驅(qū)替壓裂液，調(diào)壓閥可以控制軸壓的大小，中間容器用于盛放壓裂液，夾持器用來放置鉆取的煤芯，手搖泵用來對夾持器施加環(huán)壓，環(huán)壓表和進口壓力表用來顯示對應(yīng)的壓力值。

圖1 動態(tài)濾失儀結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 實驗對象

選取4個鄂爾多斯盆地東部柳林地區(qū)的煤芯，用編號L1～L4表示，選取4個沁南端氏地區(qū)煤芯，用編號Q5～Q8表示。

1.3 煤巖芯微裂隙發(fā)育情況

觀察鄂爾多斯盆地東部柳林地區(qū)和沁南端氏地區(qū)煤芯中的微裂隙發(fā)育情況，如圖2、3所示。

圖2 鄂東柳林煤芯微裂隙

圖3 沁南端氏煤芯微裂隙

通過顯微鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，兩個區(qū)塊鉆取的煤芯中微裂隙發(fā)育情況有很大不同。鄂東盆地煤巖中微裂隙相對比較發(fā)育，裂隙開度較大，最大值可達125μm，但是大部分的裂隙被粘土礦物填充，裂隙延伸長度較短，且很多裂隙不連續(xù)。而沁南地區(qū)的煤巖中微裂隙開度較小，但裂隙中基本沒有被其他礦物質(zhì)填充現(xiàn)象，裂隙延伸距離較長。

2 實驗過程

利用鉆機鉆取直徑為25～30mm，具有一定長度的煤芯(圖4)。將直接鉆取的煤芯取出，將兩個端面磨平，且端面與煤芯垂直。制取具有相同長度的煤巖芯，放置陰涼處晾干煤芯。

圖4 煤芯示意圖

配置實驗用溶液，液體為與煤層水相似礦化度的標(biāo)準(zhǔn)鹽水。在驅(qū)替液燒杯中裝入配好的標(biāo)準(zhǔn)鹽水。將高壓氮氣瓶氣瓶和巖心夾持器連接到精密平流泵。把煤芯裝入巖心夾持器并固定鎖緊。首先利用液壓泵給巖心夾持器加圍壓，固定圍壓至3MPa。然后打開高壓氮氣瓶，初次設(shè)定軸壓為1MPa。待驅(qū)替液通過煤芯從夾持器出口流出達到穩(wěn)定。記錄實驗中進口壓力、出口流量。實驗后將煤芯取出，擦拭表面溶液，測量煤芯的重量(M1)。改變驅(qū)替液的進口壓力，即軸向壓力為2MPa，重新上述實驗。將煤芯烘干后測量干重(M2)。更換煤芯和標(biāo)準(zhǔn)鹽水重復(fù)試驗。

3 實驗結(jié)果

殘留在煤芯中的驅(qū)替液重量即壓裂液濾失在煤巖中的重量。實驗中分別設(shè)置1MPa和2MPa兩種不同的驅(qū)替壓力，分別測試鄂東柳林地區(qū)和沁南端氏地區(qū)的煤芯在不同驅(qū)替壓力下的濾失量，實驗結(jié)果如表1。

為了使實驗數(shù)據(jù)可以達到對比的效果，需要均一化實驗數(shù)據(jù)，將表1中的煤芯干重和濾失量(殘留量)數(shù)據(jù)換算成長度為30mm的煤芯中壓裂液的濾失量，換算公式為：轉(zhuǎn)換后重量=(實測重量/煤芯長度)×30，其中實測重量表示實測的烘干后的煤芯重量在不同驅(qū)替壓力(軸壓)下的壓裂液濾失量。轉(zhuǎn)換后的實驗結(jié)果如表2。

表1 實驗結(jié)果記錄

表2 實驗數(shù)據(jù)處理結(jié)果

實驗選取的鄂爾多斯的煤樣與沁水盆地的煤樣的視密度相差不大，但是根據(jù)表2的數(shù)據(jù)處理結(jié)果，所測的濾失量相差比較大。濾失在單位長度(30mm)煤芯中的驅(qū)替液含量為0.38～2.88g。驅(qū)替液在鄂東柳林地區(qū)煤芯的濾失量為0.38～1.03g，在沁南端氏煤芯中的濾失量為0.50～2.88g。由于30mm的煤芯的體積約為14.7cm3，計算得出，煤巖中單位體積壓裂液的濾失量量約為0.026～0.19g/cm3。其中鄂爾盆地東緣柳林地區(qū)煤芯的濾失能力是0.026～0.07g/cm3，而沁南煤芯的濾失能力是0.034～0.19g/cm3。

當(dāng)軸壓從1MPa增加到2MPa后，驅(qū)替液的濾失量均略有增加，但增加幅度不大，且沁南煤芯增量略大于鄂東柳林煤芯的增量(圖5)。

圖5 濾失量與驅(qū)替壓力關(guān)系圖

4 實驗結(jié)論

(1)不同地區(qū)的煤巖芯濾失量差異很大，沁南端氏地區(qū)煤巖芯的濾失能力要遠高于鄂東柳林地區(qū)，其中鄂爾盆地東緣柳林地區(qū)煤芯的濾失能力是0.026～0.07g/cm3，而沁水盆地南部南端氏地區(qū)煤芯的濾失能力是0.034～0.19g/cm3。

(2)當(dāng)軸壓從1MPa增加到2MPa后，驅(qū)替液的濾失體積略有增加，增加幅度不大。且沁南煤芯增量略大于鄂東煤芯的增量。

(3)結(jié)合煤巖芯的裂隙發(fā)育程度，可知微裂隙發(fā)育情況對于驅(qū)替液在煤芯的濾失能力有著重要影響。雖然顯微鏡下的觀察結(jié)果顯示鄂爾多斯盆地東緣柳林地區(qū)煤樣的裂隙更為發(fā)育，但因鄂東柳林地區(qū)煤芯中裂隙大部分被粘土物質(zhì)充填，導(dǎo)致其濾失量小，而沁南端氏地區(qū)煤芯中的裂隙比較發(fā)育，使得濾失量較大，為煤層氣井壓裂降濾失提供理論依據(jù)。

(4)對于割理和微裂縫發(fā)育的煤巖來說，在壓裂裂縫擴展過程中，壓裂液會沿著裂縫壁面向煤儲層內(nèi)部濾失。在壓裂施工中，如果注入壓裂液排量和總注液量不變，煤儲層的濾失量越大，能夠形成的壓裂裂縫體積就越小，相互溝通的裂縫數(shù)量越少。壓裂液濾失量大會產(chǎn)生很多不利影響。在壓裂過程中，由于割理和微裂縫的存在，大大地增加了壓裂液在煤層中的濾失。因此煤儲層水力壓裂過程中尤其是沁南地區(qū)，更須有效的控制壓裂液濾失。