煤巖壓裂濾失效應實驗研究

張曉飛 劉建華 劉 征 王生維

(1.中聯煤層氣有限責任公司太原分公司，山西 030000；2.山西工程技術學院，山西 045000；3.中國地質大學(武漢)資源學院，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濾失實驗儀器，該儀器的主要組成部分有氮氣瓶、調壓閥、中間容器、環壓表、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替壓裂液，調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壓，環壓表和進口壓力表用來顯示對應的壓力值。

圖1 動態濾失儀結構示意圖

1.2 實驗對象

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

1.3 煤巖芯微裂隙發育情況

觀察鄂爾多斯盆地東部柳林地區和沁南端氏地區煤芯中的微裂隙發育情況，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現，兩個區塊鉆取的煤芯中微裂隙發育情況有很大不同。鄂東盆地煤巖中微裂隙相對比較發育，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。而沁南地區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填充現象，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準鹽水。在驅替液燒杯中裝入配好的標準鹽水。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，初次設定軸壓為1MPa。待驅替液通過煤芯從夾持器出口流出達到穩定。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)。更換煤芯和標準鹽水重復試驗。

3 實驗結果

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

為了使實驗數據可以達到對比的效果，需要均一化實驗數據，將表1中的煤芯干重和濾失量(殘留量)數據換算成長度為30mm的煤芯中壓裂液的濾失量，換算公式為：轉換后重量=(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替壓力(軸壓)下的壓裂液濾失量。轉換后的實驗結果如表2。

表1 實驗結果記錄

表2 實驗數據處理結果

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，但是根據表2的數據處理結果，所測的濾失量相差比較大。濾失在單位長度(30mm)煤芯中的驅替液含量為0.38～2.88g。驅替液在鄂東柳林地區煤芯的濾失量為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。

當軸壓從1MPa增加到2MPa后，驅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 濾失量與驅替壓力關系圖

4 實驗結論

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

(2)當軸壓從1MPa增加到2MPa后，驅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)結合煤巖芯的裂隙發育程度，可知微裂隙發育情況對于驅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果顯示鄂爾多斯盆地東緣柳林地區煤樣的裂隙更為發育，但因鄂東柳林地區煤芯中裂隙大部分被粘土物質充填，導致其濾失量小，而沁南端氏地區煤芯中的裂隙比較發育，使得濾失量較大，為煤層氣井壓裂降濾失提供理論依據。

(4)對于割理和微裂縫發育的煤巖來說，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，相互溝通的裂縫數量越少。壓裂液濾失量大會產生很多不利影響。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，更須有效的控制壓裂液濾失。