壓裂液浸泡對(duì)高階煤力學(xué)性質(zhì)的軟化機(jī)理

陳立超，王生維，張典坤

(1. 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)礦業(yè)學(xué)院，內(nèi)蒙古自治區(qū)呼和浩特市，010051；2.煤與煤層氣共采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西省晉城市，048204；3. 中國地質(zhì)大學(xué)資源學(xué)院，湖北省武漢市，430074)

水力壓裂改造范圍內(nèi)煤儲(chǔ)層與壓裂液間水-巖反應(yīng)及其對(duì)儲(chǔ)層巖石力學(xué)性能的影響對(duì)于儲(chǔ)層水力壓裂效果長期評(píng)價(jià)、氣藏開發(fā)效果提升具有實(shí)際意義[1-3]。煤儲(chǔ)層巖石力學(xué)性質(zhì)變化一方面導(dǎo)致煤巖體彈性能衰減，制約氣藏流體驅(qū)動(dòng)效率；另一方面，煤巖體軟化導(dǎo)致壓裂裂縫壁面垮塌及次生裂縫壁面失穩(wěn)，裂縫通道導(dǎo)流能力下降；同時(shí)，軟化導(dǎo)致煤體對(duì)壓裂液阻隔能力下降，壓裂液侵入深度增大，加劇了儲(chǔ)層傷害程度和解堵難度。圍繞儲(chǔ)層巖石與壓裂液水巖作用對(duì)巖石物性影響方面，學(xué)者采用氮?dú)馕胶蛼呙桦婄R(SEM)、紅外光譜等表征手段，探究不同體系壓裂液處理對(duì)煤巖孔隙結(jié)構(gòu)的影響[4]、壓裂液對(duì)煤巖滲流性能的微觀影響機(jī)理[5-6]以及活性劑對(duì)高階煤潤濕性的改性效果[7]等方面問題。

針對(duì)鉆完井液與儲(chǔ)層接觸對(duì)巖石力學(xué)性能影響問題，康毅力等[8]、晏軍等[9]、HUANG Ting等[10]開展了鉆完井工作液浸泡前后頁巖力學(xué)性能、巖石變形和破壞規(guī)律及巖石脆性演化特征方面的比較分析；劉向君等[11]通過三軸抗壓實(shí)驗(yàn)研究多組鉆井液體系對(duì)泥巖強(qiáng)度特性的影響；劉厚彬等[12]、盧運(yùn)虎等[13]通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)分析了鉆井液浸泡下深部泥巖強(qiáng)度弱化規(guī)律，并從微觀角度提出試樣變化的機(jī)制；陳田等[14]通過自制浸水裝置，獲得了煤樣峰值應(yīng)力、彈性模量隨著浸水次數(shù)的變化規(guī)律。此外在壓裂液與巖石相互作用過程與機(jī)理問題研究基礎(chǔ)之上，國內(nèi)學(xué)者還分別針對(duì)頁巖[15-16]、煤巖[17-18]與不同鉆完井工作液體系間適應(yīng)性開展研究，上述工作為非常規(guī)儲(chǔ)層鉆完井工作液適配性評(píng)價(jià)提供了新的思路。

綜上認(rèn)為，目前在非常規(guī)儲(chǔ)層巖石與鉆完井工作液間水-巖作用及其對(duì)儲(chǔ)層巖石力學(xué)性質(zhì)影響問題研究，多采用單軸、三軸力學(xué)實(shí)驗(yàn)從宏觀尺度對(duì)儲(chǔ)層巖石力學(xué)性質(zhì)變化進(jìn)行表征，而開展細(xì)觀層次小尺度試樣的研究甚少。因此，筆者利用壓痕實(shí)驗(yàn)對(duì)不同壓裂液體系浸泡前后高階煤小尺寸樣品(厘米級(jí))力學(xué)性質(zhì)的對(duì)比研究，獲取水-巖作用后的高階煤維氏硬度(Hv)的值，分析不同壓裂液體系浸泡對(duì)高階煤力學(xué)性質(zhì)的影響規(guī)律，并探討了壓裂液浸泡對(duì)高階煤力學(xué)性質(zhì)的影響機(jī)制，以期為高階煤儲(chǔ)層壓裂液傷害理論深化與水力壓裂效果長期評(píng)價(jià)提供科學(xué)參考。

1 樣品與實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)流程

本實(shí)驗(yàn)選用內(nèi)蒙古阿拉善二道嶺礦區(qū)2-1煤為試樣，該高階煤樣品自然狀態(tài)下組分特征、微觀結(jié)構(gòu)及彈性力學(xué)性質(zhì)等詳見文獻(xiàn)[19]，4組高階煤樣品(厘米級(jí))分別置于清水(CW)、活性水(AW)、高粘活性水(GAW)及瓜膠壓裂液(GF)體系中浸泡，室溫條件下浸泡1 440 h。為防止壓裂液中水分蒸發(fā)采取膜覆蓋保證封閉，實(shí)驗(yàn)流程如圖1所示。實(shí)驗(yàn)中清水壓裂液組成為10 g KCl、400 mL水；活性水組成為5 ml AOE-7表面活性劑、5 g KCl、490 mL水；高粘活性水組成為0.41 g瓜爾膠、2 g KCl、2 g NaOH、0.61 g過硫酸銨、2 ml AOE-7表面活性劑、492.98 mL水；瓜膠壓裂液組成為1.4 g瓜爾膠、10 g KCl、1 g NaOH、0.5 mL防腐劑、1.45 g過硫酸銨、485.65 mL水。

圖1 高階煤壓裂液浸泡實(shí)驗(yàn)框架及壓痕法測(cè)試原理

1.2 維氏硬度測(cè)試原理及計(jì)算方法

高階煤樣品浸泡1 440 h后取出，利用內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)室顯微硬度計(jì)(HXO-1000TM)進(jìn)行壓痕測(cè)試，壓頭與樣品接觸作用時(shí)間15 s，壓頭載荷分別設(shè)定為0.5、1.0、2.0、3.0 N四檔，顯微鏡下獲取不同壓頭載荷在樣品表面作用形成的壓痕半徑(a)、壓痕面積(F)。并利用式(1)計(jì)算了不同壓裂液體系浸泡、不同加載載荷條件下煤巖維氏硬度(Hv)值。

(1)

式中：P——壓頭載荷，N；

F——壓痕面積，mm2；

a——壓痕半徑，mm。

清水(CW)、活性水(AW)、高粘活性水(GAW)及瓜膠壓裂液(GF)體系浸泡后高階煤在0.5、1.0、2.0、3.0 N四檔加載條件下的壓痕半徑和維氏硬度(Hv)計(jì)算結(jié)果詳見表1。

表1 壓裂液浸泡后高階煤力學(xué)性質(zhì)(維氏硬度)計(jì)算結(jié)果

2 壓裂液浸泡后高階煤力學(xué)損傷特征及規(guī)律

2.1 不同壓裂液浸泡后高階煤力學(xué)損傷特征

由表1計(jì)算結(jié)果得出，壓裂液浸泡后高階煤維氏硬度值與自然干燥狀態(tài)下相比衰減顯著。同時(shí)，不同壓裂液體系浸泡對(duì)高階煤損傷程度差異亦較大，其中高階煤在清水(CW)、活性水(AW)、高粘活性水(GAW)、瓜膠(GF)4種壓裂液浸泡1 440 h后維氏硬度(Hv)分別為46.1、175.7、63.3、50.1 N/mm2，與自然干燥狀態(tài)下相比分別減小了434.4、304.8、417.2、430.4 N/mm2。整體上，瓜膠壓裂液浸泡后高階煤力學(xué)性質(zhì)軟化損傷最為嚴(yán)重，而活性水壓裂液浸泡對(duì)煤巖的損傷作用最微弱。說明在高階煤儲(chǔ)層改造中活性水壓裂液能夠長期地保障儲(chǔ)層巖石彈性能，維持煤層氣藏流體產(chǎn)出的驅(qū)動(dòng)能量和效率。

同時(shí)，筆者依據(jù)煤巖維氏硬度的變化特征規(guī)律，提出基于高階煤維氏硬度的“煤巖軟化系數(shù)(SC)”參數(shù)。煤巖軟化系數(shù)是指煤巖受外部鉆完井工作液浸泡等接觸影響，致使煤巖分子聚合鍵斷裂及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，使其巖石力學(xué)性質(zhì)發(fā)生軟化效應(yīng)，導(dǎo)致煤巖整體抗壓入能力的衰減。同時(shí)該參數(shù)可反映煤巖力學(xué)性質(zhì)相較自然狀態(tài)下的損傷幅度。煤巖軟化系數(shù)計(jì)算方法如下：

(2)

式中：Hnv——自然干燥狀態(tài)下的煤巖維氏硬度值，N/mm2；

Hsv——壓裂液浸泡后軟化損傷煤巖維氏硬度值，N/mm2。

表1計(jì)算結(jié)果表明，壓裂液浸泡對(duì)煤巖的軟化損傷實(shí)質(zhì)是煤巖抗壓入能力的減弱，即維氏硬度的下降。壓裂液浸泡后軟化損傷狀態(tài)下的高階煤宏觀形貌及光澤特征如圖2所示。由圖2中可知，煤巖在壓裂液體系浸泡后其軟化損傷程度與煤巖表面的光澤關(guān)系密切，即煤巖損傷軟化程度越嚴(yán)重，煤巖表面光澤越暗淡?；钚运畨毫岩航莺蟾唠A煤的軟化損傷程度最輕微，煤巖表面光澤最亮，在氣泡圖中代表材料光亮的黃色氣泡個(gè)數(shù)越多；反觀軟化損傷最嚴(yán)重的瓜膠壓裂液浸泡后的高階煤試樣，表面光澤最為暗淡，在氣泡圖中代表暗淡的黑色氣泡數(shù)量居多。筆者依據(jù)式(2)分別計(jì)算出清水(CW)、活性水(AW)、高粘活性水(GAW)、瓜膠(GF)壓裂液浸泡后高階煤的軟化損傷系數(shù)(SC)分別為0.90、0.63、0.87、0.90，計(jì)算結(jié)果與壓裂液浸泡后高階煤的宏觀形貌特征相符。

圖2 壓裂液浸泡后軟化損傷煤巖宏觀形貌及光澤特征

2.2 壓裂液浸泡后高階煤維氏硬度隨壓頭載荷變化規(guī)律

壓裂液浸泡后高階煤壓痕半徑及維氏硬度隨壓頭載荷變化特征如圖3所示，高階煤在清水(CW)、活性水(AW)、高粘活性水(GAW)及瓜膠(GF)壓裂液浸泡后其壓痕半徑及維氏硬度隨壓頭載荷變化規(guī)律不同，圖3(a)反映活性水(AW)壓裂液浸泡后高階煤壓痕半徑與壓頭載荷(P)之間相關(guān)性不敏感，說明活性水壓裂液浸泡對(duì)高階煤的軟化損傷作用輕微，而高粘活性水(GAW)壓裂液浸泡后高階煤壓痕半徑隨壓頭載荷增加存在顯著正相關(guān)關(guān)系，清水(CW)、瓜膠(GF)壓裂液浸泡后高階煤壓痕半徑隨壓頭載荷增加而迅速增大，二者敏感性較強(qiáng)。從圖3(b)中得知，活性水壓裂液浸泡后高階煤維氏硬度值隨壓頭載荷增加而迅速增大，相關(guān)性較強(qiáng)。說明高階煤微觀結(jié)構(gòu)仍較致密，抗壓入能力較強(qiáng)，在低載荷下壓頭難以壓入煤巖，當(dāng)施加載荷達(dá)到臨界值時(shí)壓頭突然壓入，從圖3(b)中紅色曲線看出3.0 N載荷施加下壓頭尚未完全侵入煤巖，高階煤剛度較大、“門限”壓入壓力較高；而清水、瓜膠及高粘活性水壓裂液浸泡后高階煤維氏硬度隨壓頭載荷變化不明顯，說明壓裂液浸泡對(duì)高階煤產(chǎn)生了軟化損傷，煤巖抗壓入能力較弱，壓頭在較低載荷情況下即可侵入樣品內(nèi)部，“門限”壓入壓力較低。

圖3 壓裂液浸泡后高階煤壓痕半徑及維氏硬度隨壓頭載荷的變化特征

3 壓裂液浸泡對(duì)高階煤力學(xué)性質(zhì)損傷機(jī)理的分析

壓裂液浸泡對(duì)高階煤力學(xué)性質(zhì)損傷機(jī)理包括：

(1)壓裂液侵入煤巖導(dǎo)致天然裂隙端部產(chǎn)生應(yīng)力集中，應(yīng)力強(qiáng)度因子K增大，致使煤巖斷裂韌度相對(duì)自然干燥狀態(tài)降低，煤巖抗裂能力減弱；

(2)壓裂液侵入在裂縫壁面形成“潤滑”效應(yīng)，提高了高階煤受壓條件下破巖效率[19-21]；

(3)壓裂液的浸潤對(duì)高階煤聚合鍵的破壞抵消了裂縫端部能壘，一定程度上也削弱了煤巖阻裂能力[22]。

不同壓裂液浸泡后高階煤力學(xué)損傷特征與機(jī)制如圖4所示。由圖4(a)可知，當(dāng)清水壓裂液(CW)浸泡樣品時(shí)，壓裂液與煤巖潤濕性較好，壓裂液沿煤巖天然裂隙侵入并在裂隙內(nèi)形成連續(xù)相液柱楔。液柱楔一方面在裂隙端部產(chǎn)生應(yīng)力集中加速高階煤破壞，另一方面液柱在裂隙面位置充當(dāng)潤滑劑，降低了煤巖破壞的剪應(yīng)力(ε)，加速了煤巖的破壞。當(dāng)硬度計(jì)壓頭加載時(shí)，初期載荷較低壓痕半徑增速較慢，后期隨壓頭載荷增大壓痕半徑快速遞增，如圖4(b)所示；隨著壓頭載荷增大，高階煤維氏硬度值初期略有下降，中期上升，后期降低，如圖4(c)所示。

由圖4(d)可知，活性水壓裂液(AW)浸泡煤巖時(shí)，由于活性水與煤巖間的疏水作用，活性水侵入煤巖裂隙內(nèi)多以不連續(xù)液珠形式賦存，難以在天然裂隙端部形成應(yīng)力集中及潤滑效應(yīng)，高階煤壓痕半徑隨壓頭載荷增大初期略下降后回升，如圖4(e)所示，煤巖維氏硬度上隨壓頭載荷的增加快速遞增，如圖4(f)所示。

由圖4(g)可知，侵入煤巖內(nèi)部的高粘活性水(GAW)以不連續(xù)液珠形式賦存，在裂隙端部產(chǎn)生應(yīng)力集中效應(yīng)有限，煤巖試樣壓痕半徑隨壓頭載荷增加快速提升，如圖4(h)所示，煤巖維氏硬度隨壓頭載荷增大變化則不明顯，如圖4(i)所示。

由圖4(j)所示，瓜膠壓裂液(GF)浸泡煤巖時(shí)，由于瓜膠壓裂液剪切應(yīng)力大，常附著在天然裂縫壁面，從而在裂隙內(nèi)形成連續(xù)相、在裂隙端部形成應(yīng)力集中，加速煤巖破壞的速率。煤巖試樣壓痕半徑隨壓頭載荷增加初期緩慢增大，后期快速遞增，如圖4(k)所示，高階煤維氏硬度上隨壓頭載荷增加變化不明顯，如圖4(l)所示。

圖4 不同壓裂液浸泡后高階煤力學(xué)損傷特征與機(jī)理

總體而言，活性水和高粘活性水壓裂液與高階煤接觸對(duì)巖石軟化作用最為輕微，對(duì)于維持煤儲(chǔ)層巖石彈性能、保障儲(chǔ)層巖石堅(jiān)固性具有積極意義。

4 結(jié)論

(1)高階煤在清水(CW)、活性水(AW)、高粘活性水(GAW)、瓜膠(GF)4種壓裂液中浸泡1 440 h后維氏硬度(Hv)分別降為46.1、175.7、63.3、50.1 N/mm2，與自然干燥狀態(tài)下的高階煤巖維氏硬度值相比分別減小了434.4、304.8、417.2、430.4 N/mm2。

(2)提出了“煤巖軟化系數(shù)”參數(shù)，其中清水、活性水、高粘活性水及瓜膠4種壓裂液浸泡后高階煤的軟化損傷系數(shù)(SC)分別為0.90、0.63、0.87、0.90。活性水壓裂液浸泡高階煤其軟化損傷程度最輕微。

(3)認(rèn)為壓裂液濾液侵入導(dǎo)致高階煤天然裂隙端部應(yīng)力集中，致使巖石斷裂韌度相對(duì)自然干燥狀態(tài)降低，壓裂液侵入在裂縫壁面形成潤滑效應(yīng)以及壓裂液分子對(duì)高階煤聚合鍵的破壞抵消裂縫端部能壘作用，是導(dǎo)致壓裂液浸泡對(duì)高階煤軟化損傷的機(jī)理。

(4)對(duì)于高階煤儲(chǔ)層水力壓裂作業(yè)，為保障儲(chǔ)層能量有效驅(qū)替煤層氣藏流體產(chǎn)出，活性水及高粘活性水壓裂具有一定優(yōu)勢(shì)。