沁南與鄂東原生結構煤巖壓裂液濾失效應對比實驗研究

劉建華，王生維，張曉飛，張業暢

（1.山西工程技術學院，山西 陽泉 045000；2.中國地質大學（武漢） 資源學院，湖北 武漢 430074；3.中聯煤層氣有限責任公司 古交項目部，山西 古交 030200；4.北京建設數字科技股份有限公司，北京100048）

0 引 言

煤儲層滲透率低，在煤層氣開發過程中經常采取水力壓裂措施改造儲層，在煤層中形成裂縫或擴開原生裂縫。在裂縫擴展過程中，壓裂液會沿著裂縫壁面向煤儲層內部濾失，嚴重影響了水力壓裂現場施工效果，同時造成嚴重的儲層污染。傳統的壓裂濾失儀，只能對煤巖芯進行實驗，不能模擬原生結構的煤巖，因此不能夠全面的研究煤儲層的濾失能力。在借鑒了傳統的壓裂濾失儀結構特點后，對原有儀器設備進行改進，制造出能夠測試尺寸在10 cm×10 cm×10 cm 以上原生結構煤巖樣品的濾失儀設備。通過壓裂濾失實驗研究，找到影響濾失的主要因素，為下一步煤層氣壓裂降濾失提供理論依據。

1 實驗儀器和樣品

1.1 實驗儀器

改進的壓裂濾失儀主要組成部分包括：鋼化玻璃夾板注水倉、3 MPa 水泵、流量計、濕度傳感器、稱重傳感器、電子壓力傳感器、筆記本電腦，其中注水倉和水泵共同組成壓裂液泵送系統，是實驗儀器的主要組成部分，濕度傳感器對濕度進行實時監測，可以反映出壓裂液在煤巖中的流動情況，稱重傳感器對煤巖的重量進行實時監測，反映壓裂液在煤巖中的濾失量，壓裂液濾失實驗儀示意如圖1 所示。

圖1 壓裂液濾失實驗儀示意Fig.1 Schematic of fracturing fluid filtration tester

1.2 實驗樣品

實驗采取沁南和鄂東大塊原生結構的煤巖。

沁南煤巖采自沁水盆地南部寺河礦，煤樣尺寸235 mm×285 mm×125 mm，宏觀煤巖類型整體為半亮煤，煤體結構保存較為完整，煤質較硬，節理發育，易破碎。煤巖中鏡煤條帶很發育，寬度在1~ 4 mm，平行于層理面發育，條帶間距在5 ~ 10 mm，鏡煤條帶中小裂隙較為發育，密度6 條/cm。發育垂直于鏡煤條帶的節理裂隙，長度為3 ~ 11 cm，發育密度4 條/cm。

鄂東煤巖采自鄂爾多斯盆地東部柳林礦，煤巖大小為320 mm×175 mm×200 mm，宏觀煤巖類型整體為半暗煤，煤體結構保存較為完整，煤質較硬，節理較發育，不易破碎。煤巖中鏡煤條帶不發育，小的節理裂隙僅發育在鏡煤和亮煤中，長度在1 ~ 4 mm，垂直于層理面發育，條帶間距大致等距，密度1 條/cm。

通過對比，鄂東煤巖鏡煤條帶不發育，且僅發育少量長度在1~4 mm 的小節理裂隙，發育密度小，發育密度1 條/cm；而沁南煤巖鏡煤條帶很發育，鏡煤條帶中小裂隙很發育，發育密度6 條/cm，除發育小裂隙之外，沁南煤巖還發育延伸長度在3 ~ 11 cm 的節理裂隙，發育密度4 條/cm。整體上來看，無論是小裂隙還是大的節理裂隙，沁南煤巖都更發育。

2 實驗步驟

2.1 實驗準備階段

測出的原煤的初始重量M1，對實驗儀器進行調試，檢查線路是否正常。準備實驗注入液體，實驗使用的液體為清水。

2.2 實驗階段

打開水泵，開始注入清水，并實時觀察和記錄實驗過程中的濕度、重量、壓力。保存濕度傳感器、稱重傳感器、流量計、壓力表所測得的實驗數據；觀察清水在煤巖樣品的側壁流出的情況，將整個注液過程錄像；將煤巖取出，測得實驗后煤巖的總重量為M2。

2.3 實驗效果評價（實驗結果與數據處理）

觀察、描述注入清水后煤巖特征，分析濾失效果。濕度變化分析清水流動情況；流量、壓力變化，分析壓裂液注入難易程度；重量變化用于分析濾失量。

3 實驗效果評價

3.1 實驗現象

實驗開始，采取泵送壓力均為2 MPa。沁南煤巖在清水充滿玻璃注水倉3 s 后，就有水從煤巖裂隙流出，該裂隙是煤巖中最寬的裂隙，1 min 后清水不僅從該裂隙流出，也漸漸從其他裂隙滲出，泵注的水流通過裂隙，順著裂隙濾失，在泵注過程中未形成憋壓。鄂東煤巖在清水充滿玻璃水倉15 s后，才有水從裂隙輕微滲出，2 min 后煤巖中的多條裂縫有清水滲出，但在泵注過程中壓力出現上升，至2.2 MPa。

3.2 實驗分析

3.2.1 重量數據分析

將試驗中記錄的總重量減去儀器的重量，得到清水濾失到煤巖后的總重量，即壓裂液濾失量，做出壓裂液濾失量隨時間的變化曲線（圖2）。實驗數據顯示，無論是沁南煤巖還是鄂東煤巖，濾失量隨時間呈直線上升趨勢，濾失一定時間后，濾失量不再增加。但是鄂東煤巖的濾失總量或者濾失速率（單位時間的濾失量） 均低于沁南煤巖。

圖2 煤巖測試重量變化曲線圖Fig.2 Chart of weight change of coal rock test

3.2.2 濕度數據分析

通過MATLAB 對測得濕度數據進行四維擬合，得到濕度擬合結果，擬合結果的顏色深淺代表濕度的高低。通過顏色的變化可以直觀地觀察煤巖與濕度傳感器接觸點附近的濕度變化。從擬合結果來看，隨著實驗的進行，煤巖濕度整體是呈上升趨勢，但與沁南煤巖相比，鄂東煤巖整體濕度變化較小。

3.2.3 現象分析

無論是沁南煤巖還是鄂東煤巖，底部濕度傳感器顯示清水由注水端向遠端逐漸濾失。在沁南煤巖中，大的節理裂隙更為發育，且裂縫寬度、延伸長度更大，清水流動受到的阻力相對較小，濾失速度相對快。而在鄂東煤巖中，裂隙發育少，尤其節理裂隙發育較少，清水濾失速度相對較慢。通過實驗說明節理裂隙是清水的主要濾失途徑，煤儲層中節理裂隙的發育程度將很大程度影響壓裂液的濾失速度。

4 結 論

（1） 通過改進的濾失儀設備對大塊原生結構的煤巖進行濾失實驗，可以較為準確地模擬原生煤巖的濾失情況。壓裂液的濾失受原生節理裂隙發育特征的影響，壓裂液（清水） 主要沿著原生裂隙的壁面向周圍濾失，這些原生裂隙大部分為煤巖中的原生節理裂隙，小部分為內生裂隙。沁南煤巖中原生節理裂縫更為發育，裂隙規模較大，且連通性較好，導致沁南濾失量和濾失速度較鄂東煤巖相對較大。

（2） 在裂縫發育的地區，原生節理裂隙和內生裂隙較為發育，實施壓裂改造煤儲層時，在裂縫擴展過程中，壓裂液會沿著原生節理裂縫壁面向煤儲層內部濾失，大大降低壓裂效果，同時嚴重污染儲層。因此針對裂縫發育的煤儲層，在壓裂過程中，必須采取合理的手段有效控制壓裂液濾失。