深層煤巖孔隙結構表征及壓裂縫導流能力影響因素

中圖分類號：P618.11 文獻標志碼：A

Abstract：The fracture conductivity is an important index to determine the fracturing effect of deep coalbed methane reservoirs. The three-dimensional digital core of a deep coal-rock reservoir in Daning block was constructed by using high-resolution CT scanning technology and the advanced mathematical algorithm of Avizo visualization software， and the microscopic pore structure characterization of different types of coal-rock reservoirs was carried out from multiple dimensions.On this basis，the linear flow fracture conductivity experimental device was used to evaluate coal rock fracture conductivity. The effects of proppant particle size，sanding concentration，different proppant particle size combinations， closure pressure， proppant embedding and pore throat structure on the fracture conductivity of coal rock were systematically studied. The results show that the pore structure characteristics of different types of coal rock samples in the study area are significantly different. The distribution form of pore throat is mainly continuous or isolated. The pore radius is distributed primarily in 5.23-34.85μm ，the throat radius is mostly 1.31-12.27μm ， and the pore throat coordination number is small. With the decrease in permeability，the connectivity of the pore throat worsens and the heterogeneity strengthens. The fracture conductivity under the support of large particle size proppant is stronger， but the fracture conductivity under the support of small particle size proppant is more stable. The fracture conductivity increases significantly with the increase of sanding strength but decreases with the increase of closure stress. When the propping agent is embedded in the coal and rock strata， the flow space of the fluid in the fracture wil be compressed and blocked，and the fracture conductivity can be decreased by 12.2% Under different proppant particle size combination ratios，the higher the proportion of large particle size proppant，the greater the conductivity. In general， the main controlling factors of fracture conductivity of coal-rock pressure in this area are sanding concentration，proppant particle size，and fracture closure stress.

Key words： coal rock； pore structure； fracture conductivity； proppant particle size； sandingconcentration;closure stress

0 引言

我國煤層氣資源儲量豐富，抽采量巨大，開發前景廣闊[1-4]。但與常規儲層不同，煤層氣儲層通常表現為低孔、低滲、低壓、低含氣飽和度、易碎易壓縮及強非均質性的儲集特性[5-7]，尤其是儲層內部發育相當數量的微納米孔喉，其復雜的孔喉結構特性難以精確表征。目前，為了提高煤層氣產能，經常需要進行壓裂施工[8-9]，其中，水力壓裂技術是煤層氣井造縫提采的首選方法和重要手段，通過在井筒周圍地層打造油氣流動的高導流能力通道，達到增產的目的[10-11]。然而，由于煤層埋藏較深，煤巖體孔隙結構復雜，煤層氣儲層水力壓裂效果難以觀測，同時壓裂過程中支撐劑的分布及嵌入等因素會對壓裂形成的裂縫造成堵塞等傷害[12-14]。因此，有必要開展煤巖儲層微觀孔隙結構表征及壓裂裂縫導流能力的影響因素研究，分析裂縫導流能力的主控因素，這對于提高煤層氣采收率、篩選有利區塊及優化壓裂施工

方案具有重要意義。

目前，常規儲層表征技術主要有 N₂/CO₂ 吸附、高壓壓汞和鑄體薄片等，非常規表征技術包括微納米CT掃描、場發射掃描電子顯微鏡（FE-SEM）、聚焦離子束氮離子顯微鏡（FIB-HIM）、小角中子散射（SANS）等[15-17]。高分辨率CT掃描技術的持續革新，大大加快了煤巖儲層孔隙結構表征的精度。Golab等[18]和Bera等[19]結合高分辨率微米CT和掃描電鏡對不同類別煤巖的孔隙結構進行表征并分析了裂縫對導流能力的影響。賈寧洪等[20]采用納米CT和微圖像拼接技術分析了頁巖干酪根三維孔隙特征并建立了孔隙度表征新方法。李瑋等[21]基于高壓壓汞和拓撲學方法構建了砂礫巖孔隙網絡拓撲模型，并用核磁共振和壓汞對巖心裂縫網絡進行表征，但未對其孔喉結構特征做進一步的定量化研究。可見國內外學者采用CT技術對部分巖心開展了部分無損化掃描實驗研究，但受重建方法及人為閾值劃分的影響，巖心孔隙重構模型存在孔隙度信息丟失及模型隨機化的問題；同時，對于煤巖儲層的孔隙結構表征多處于定性描述階段，微納米孔隙的可視化及定量化研究鮮有報道。此外，在煤層氣儲層裂縫導流能力研究方面，Wei等[22]采用微量物質示蹤劑建立了一套適用于煤層氣水平井的壓裂示蹤劑技術，并基于該方法研究了煤層氣井裂縫段的導流能力。Wang等[23]研究了煤層氣開采過程中產水、水氣兩相流動、穩定產氣各個階段煤粉在水力裂縫中的運移及對裂縫導流能力的影響。張紅軍等[24]采用充填層裂縫導流裝置對彈性模量及支撐劑粒徑等因素對裂縫導流能力的影響進行了基礎研究，認為支撐劑粒徑可對導流能力產生較大影響。杜猛等[25]基于核磁共振對煤頁巖儲層裂縫的導流能力及縫網對采收率的貢獻進行了探討。溫慶志等[26]對支撐縫長期導流能力的影響因素進行了研究，發現閉合壓力的影響較大，但未對主控因素做進一步探討。總體而言，國內外學者對于煤巖儲層孔裂縫結構的多尺度可視化表征研究較少，大多研究為基于傳統測試方法的定性表征評價，僅適用于單一孔徑[27-29]，尤其缺乏針對煤巖孔喉結構參數的配套定量化研究。此外，目前大部分研究對煤巖儲層裂縫導流能力的影響因素處于探索階段，鮮有學者基于煤巖孔隙結構表征結果，對裂縫導流能力的多因素影響規律進行深入分析，導流能力主控因素不明極大制約了煤層氣儲層的勘探與開發。

為此，本文以大寧區塊巖樣為研究對象，綜合采用高分辨率CT掃描技術重構研究區煤巖可視化數字巖心，結合先進的數學算法提取孔裂縫模型，定量表征巖樣的微觀孔喉結構，揭示煤巖孔隙結構特征及其對滲流的影響。在此基礎上，進行了一系列裂縫導流能力實驗，探討了裂縫支撐劑導流規律，重點分析了支撐劑粒徑、鋪砂濃度、不同支撐劑粒徑組合、閉合壓力、支撐劑嵌入及孔喉結構等因素對煤巖壓裂裂縫導流能力的影響，并對主控因素進行了評價，以期為同類型煤巖壓裂施工裂縫參數優化設計提供理論依據。

實驗材料與方法

1.1 實驗材料

實驗用砂為通遼石英砂，目數分別為 30～50 40～70.70～140 目，實物圖如圖1a所示。實驗煤巖樣品為大寧區塊全直徑煤巖巖心（圖1b），對全直徑巖心進行線切割獲得實驗用煤巖巖板，巖板試件的端部切割成半圓形，如圖1c所示。同時鉆取柱塞樣品用于CT掃描實驗測試（圖1d）。采用線切割方式既能對煤樣大小進行裁切，又能最大程度上降低因劇烈震動等因素對煤樣的二次破壞，特別是在切割過程中不使用水進行冷卻，能避免水對煤樣浸a.實驗用通遼石英砂;b.全直徑煤巖巖心；c.實驗用煤巖巖板；d.柱塞樣品。

圖1石英砂材料和巖心樣品實物圖

Fig.1Physical image of quartz sand material and core sample for experiment

潤造成的力學性質破壞。實驗注人介質為 2% 的氯化鉀溶液，注入速度為 2mL/min ，實驗溫度為60^°C ，評價時間為 50～60h 。

1.2 實驗裝置

本文利用自主研發的巖心在線CT掃描系統進行了X-CT掃描實驗（圖2）。X-CT掃描設備為中國石油勘探開發研究院的Xradia-2OOMicro-CT，掃描電壓為 120keV ，電流為 130μA ，空間分辨率為 0.5～35.0μm 。結合自主研發的CT圖像分析軟件（CCTAS）進行數據處理。此外，采用一種特制的巖心夾持器，其外殼由聚醚醚酮（PEEK）材料制成，使得X射線可穿透巖心并降低射線硬化效應帶來的掃描誤差。

壓裂縫導流能力評價實驗裝置流程如圖3所示。其主要設備為FCMS-V導流能力測量儀，組成部分為：符合美國石油學會（AmericanPetroleumInstitute，API標準的線性流導流室、液壓機及壓力補償系統、線性位移傳感器、試驗液體驅替系統（包括驅替泵及脈沖壓力阻尼器等）、壓差計和壓力傳感器、回壓調節系統、高精度天平、加熱及溫控系統、真空系統、自動控制系統及數據采集與處理系統等。

圖2在線CT掃描實驗系統流程圖

圖3裂縫導流能力實驗裝置流程圖

Fig.3 Flowchart of fracture conductivity experimental device

1.3 實驗原理

支撐劑在儲層閉合壓力作用下通過或輸送儲層流體的能力定義為裂縫導流能力，一般采用閉合壓力下裂縫閉合寬度和裂縫滲透率的乘積表示。實驗流體以一定流量在鋪砂層中流過時，將在鋪砂層上下游端產生壓差，通過測得上下游的壓力獲得鋪砂層兩端的壓差、流量及實驗溫度下流體的黏度。結合鋪砂層的厚度、寬度和長度，可獲得支撐劑的滲透率：

式中： k 為充填層的滲透率， μm²;μ 為實驗溫度條件下流體黏度， *mPa?s;Q 為實驗流量， mL/s;L 為測壓孔之間的長度， cm;A 為流體流動的截面積， cm² ：W_f 為支撐劑充填層厚度， cm;ω 為導流室寬度， cm ：Δ? 為實驗壓差（鋪砂層兩端壓力差）， kPa 。

實驗采用API標準導流室 （L=12.7cm，cω= 3.81cm? ，支撐劑滲透率可進一步表達為

由式（1）和（2）可推導支撐劑充填層裂縫的導流能力：

1.4 實驗方案及步驟

本文首先選取研究區3類代表性巖樣開展CT掃描實驗，通過CT掃描實驗重建煤巖樣數字巖心，分析煤巖孔裂縫結構特征。巖心的基本物性參數如表1所示。

實驗步驟為： ① 對柱塞樣品掃描后，從柱塞樣品鉆取直徑 2mm 大小的巖樣放入樣品倉，調節電壓與焦距，開展CT精細掃描。同時，對平行巖樣開展壓汞實驗，并將獲得的孔喉尺度分布作為巖心數字建模的參考。 ② 利用巖心內部物質密度差異進行初始數據體重構，并使用ImageJ和AVIZO可視化軟件對灰度圖像進行區域選擇、降噪、閾值分割和后處理。 ③ 分離孔隙和骨架，重建二值化三維數字巖心模型，并使用圖像標記算法分析孔喉連通性。 ④ 基于最大球算法提取孔隙網絡模型，對孔喉結構參數進行統計分析。

其次，基于煤巖孔裂縫結構可視化及定量化表征結果，參考標準《頁巖支撐劑充填層長期導流能力測定推薦方法》（NB/T14023—2017）[30]、《壓裂支撐劑性能指標及評價測試方法》（Q/SY17125—2019）[31]，設計煤巖壓裂裂縫導流能力評價實驗10組，分別探究支撐劑粒徑、鋪砂濃度、不同支撐劑粒徑組合方式、裂縫閉合應力以及支撐劑嵌入對煤巖石英砂支撐裂縫導流能力的影響。其中，支撐劑粒徑共三類，分別為 30～50.40～70.70～140 目，鋪砂濃度范圍為 5～35kg/m² ，鋪置方式為均勻鋪置及混合鋪置兩種，混合鋪置為石英砂各粒徑比例分別為 1：1：1.1：4：5.1：2：7 ，閉合應力范圍為20、28.36MPa 三個級別，具體實驗方案及巖心物性參數如表2所示。

表1巖樣物性參數表

Table1 Physical parametertableof samples

實驗步驟為： ① 實驗巖板預處理（線切割），對樣品室進行標定，將煤巖巖板放人導流室，加載閉合應力，確認初始零點。 ② 導流室準備與組裝，密封巖板與導流室的縫隙，按實驗方案，將支撐劑在巖板表面鋪置均勻。 ③ 導流室抽真空并加熱，同時對實驗流體預加熱。 ④ 將各閉合壓力、測試流量、承壓時間等實驗參數輸入計算機軟件系統，自動測試導流能力并記錄相關數據。 ⑤ 結束實驗，觀察支撐劑破碎情況，導出并保存實驗數據和表格。

2 實驗結果與討論

2.1 煤巖孔隙結構表征

2.1.1 CT灰度圖像分析

通過X-CT獲得的煤巖樣品孔隙結構的二維灰度圖像（圖4）。圖像的灰度值與體素所代表的礦物成分有關。低灰度值代表巖心孔隙和裂縫，高灰度值代表由石英和巖石碎屑組成的骨架顆粒，白色區域代表碳酸鹽膠結物。CT二維灰度圖像顯示樣品具明顯的非均質性，巖性相對致密。樣品中較大碎屑顆粒中不含明顯孔隙，孔隙主要分布在碎屑顆粒周圍的黏土礦物基質中。從掃描圖像中可見煤巖儲層中巖石骨架顆粒排列極不規則，磨圓度較差，3類樣品的孔隙結構特征和儲集空間類型存在較大差異，隨著煤巖儲層物性的惡化，黑色孔隙的數量逐漸減少。

表2煤巖石裂縫導流能力實驗方案

Table 2 Experimental scheme of fracture conductivity of coal rock

具體而言，I類樣品Y1主要發育粒間溶孔和原生粒間孔（圖 ⁴a，b ，圖5），占總孔隙的 70% ，粒內溶孔和顆粒溶孔分別占總孔隙的 15% 。黑色孔隙分布在整個巖石界面，表明其具有最好的儲層連通性和最高的滲透率。對于Ⅱ類樣品Y2，粒間溶孔主要以原生孔隙為主，多由煤巖礦物顆粒壓實堆積作用下形成，其孔隙空間內可觀察到黏土礦物充填，主要分布于礦物顆粒邊緣或顆粒接觸區域。原生粒間孔占總孔隙的 32% ，而粒間溶孔和顆粒溶孔分別占總孔隙的 27% （圖4c、d，圖5），同時，粒內溶孔和晶間孔分別占總孔隙的 7% 。其儲層連通性和滲透率較好。Ⅲ類樣品Y3主要發育粒間溶孔和粒內溶孔（圖4e、f，圖5），分別占總孔隙的 62% 和 21% ，顆粒溶孔占總孔隙的 9% 。值得注意的是，該類樣品還發育部分微裂縫，占總孔隙的 8% ，這些微裂縫一般是由儲層形成過程中的機械壓實和構造應力產生的。例如，巖樣中的脆性礦物在強應力作用下可能斷裂形成壓裂縫。此外，可以觀察到Ⅱ類和Ⅲ類巖樣中大塊的碎屑顆粒約占橫截面積的1/2（圖4c、d、e、f，基質較為致密，Ⅲ類巖樣中明亮的高密度礦物分布在整個巖石骨架中，這導致Ⅲ類巖樣致密基質中微孔發育程度較低，一些孤立孔隙僅通過粒間縫連接，因此，該類儲層孔喉連通性最差，滲透率最低。

2.1.2 圖像處理

為了消除CT掃描中的機械設備產生的噪聲，通常使用降噪濾波獲得更高質量和精度的圖像，前人研究通常采用高斯濾波、中值濾波和均值濾波來進行圖像去噪[17，32]。本文選用中值濾波算法對圖像開展降噪處理，該算法不僅可以有效去除噪聲點，還可保護圖像的邊緣，獲得更好的圖像清晰度和還原度，為基質與孔隙風格奠定基礎。濾波降噪及亮度調整后的CT掃描圖像如圖6所示。

此外，基于Avizo可視化軟件的先進算法，可對降噪濾波處理后的CT圖像進行人機交互閾值分割，從而對孔隙和骨架進行區分。由于巖樣主要由孔隙和高密度礦物組成，通過分割孔隙和基質，可獲得與實際巖心一致的巖樣三維重建孔隙結構。閾值通過實驗室測量的孔隙度和閾值切割后孔隙度對比確定。以樣品Y2為例，分割前的圖像如圖7a所示，首先通過使用孔隙度測量儀測定巖樣孔隙度為8.97% ，其次通過不同大小的閾值對圖像進行分割，并在人機交互系統中實時觀測不同閾值對應的分割結果，通過多次反復調整閾值，確定合適閾值下分割的孔隙度和實測孔隙度較為一致，即可獲得分割后的二值化圖像（圖7b）。

2.1.3 三維數字巖心孔隙網絡模型重建

通過依次堆疊多層二維CT掃描灰度圖像，可獲得與真實煤巖巖樣較為一致的三維灰度圖像（圖8）。三維圖像中亮度較低的黑色區域對應于孔隙空間，深灰色區域對應于黏土礦物，白色區域對應于由石英和巖石碎片組成的高密度骨架（圖8a—f。基于此重構了煤巖孔隙結構的三維數字巖心（圖 8g 、h、i），顯示了煤巖巖心骨架中孔隙結構的分布特征，孔隙為藍色，基質為透明。三維數字巖心成像表明，煤巖巖心的孔隙類型主要為連續片狀或孤立孔隙。前者連通性較好，主要由連通的孔隙和微裂縫組成，

圖4CT掃描二維灰度圖像

圖5研究區煤巖樣品不同孔隙類型占比

Fig.5Proportion of different pore types of coal rock samples inthestudyarea

而孤立的微孔主要由巖心中不連通的孤立空間組成，連通性較差，顆粒之間邊界清晰，主要起到油氣儲集的作用。

具體而言，I類樣品主要含有大量連續的片狀或條狀孔隙，孤立孔隙較少，孔裂縫呈網狀結構，壓裂后有利于流體從基質向裂縫產出（圖8i）。可以推斷這與巖心中的粒間溶孔、原生粒間孔和條狀微裂縫等孔隙的相互連通有關。這種孔隙結構的形成原因主要有：1）煤巖中的可溶性區域遇到酸性流體時可發生選擇性溶蝕；2）儲層形成過程中碎屑礦物晶體內部及顆粒間膠結物的溶蝕（如方解石沿著解理縫溶蝕而形成的方解石溶蝕縫）。

Ⅱ類樣品主要發育帶狀和孤立孔隙，可見大塊碎屑顆粒占據數字巖心圖像，非均質性較強（圖 8k ），與上述二維灰度圖較為一致。這與原生粒間孔和粒間溶孔的發育有關。這種孔隙結構的成因可歸因于為以下過程：1）煤巖顆粒間微孔形成過程中壓實作用不足而殘留的孔縫空間，孔隙尺寸較大，對滲流貢獻較大；2）煤巖易溶礦物顆粒內部發生溶解時形成形狀各異的微孔隙，這些微孔通常由黏土礦物充填。

圖6CT掃描圖像降噪處理

Fig.6CT scan image noise reduction processing

Ⅲ類樣品主要以圓形和橢球形的孤立孔隙為主，連片狀孔隙較少（圖81），這主要與粒內溶孔和晶間孔較為發育有關。這種孔隙成因主要為：1）煤巖沉積后期向細晶和微晶轉變過程中，晶體晶格逐漸變小并發生溶蝕，晶格呈格架狀接觸而形成晶間孔，多以不規則多邊形狀為主，其尺度從納米級至微米級，連通性較差；2）煤巖基質礦物顆粒內部及碳酸鹽礦物顆粒發生溶蝕作用而形成的粒內溶孔，其存在有效改善了煤巖儲集空間，但整體連通性最差。值得注意的是，從數字巖心圖像可知，3類煤巖樣品的滲透率與孔隙非均質性有關，即樣品滲透率越低，物性越差，非均質性越強。

從本質上講，連通孔隙與總孔隙的比例等于有效孔隙與總孔隙度的比例，本文采用圖像標記算法來標定孔喉的連通性。通過將相鄰的孔隙標記為相同孔隙簇，若三維數字巖心的首張切片和末張切片存在相同標記，則定義為連通孔隙，否則，該孔隙被視為孤立孔，不同顏色代表不同的孔隙簇（圖8j、k、1）。圖像連通性標記結果表明，研究區煤巖連通孔隙主要呈現條帶狀或片狀分布。對比Ⅱ類樣品和Ⅲ類樣品連通孔隙分布發現，Ⅱ類樣品Y2連片狀微孔隙延展性較好，多以團簇狀及片狀分布，連通性較好，實測孔隙度為 8.97% ，滲透率為 0.287× 10^-3μm² ，Ⅲ類樣品Y3的孔隙分布主要由孤立條狀孔隙簇貢獻，盡管其孔隙簇尺度相對 I 類樣品較大，但多以不連通的死孔隙或無效孔隙為主，實測孔隙度為 6.11% ，滲透率僅為 0.029×10^-3μm² 。這表明孔隙連通性比孔隙尺度對滲流影響大，只有煤巖巖心內部如粒間溶孔、溶蝕孔等大尺度孔隙發育且連通時，才可對儲層滲流起到較為積極的作用。

圖7人機交互閾值分割

Fig.7 Human-computerinteractionthresholdsegmentation

2.1.4三維孔喉結構參數定量表征

為了分析不同類別煤巖儲層的孔喉結構參數分

圖8數字巖心孔隙網絡模型重構及孔喉連通性分析

Fig.8 Digital core pore network model reconstruction and pore throat connectivity analysis

布特征，基于上述所構建的煤巖數字巖心孔裂縫圖像，采用“最大球\"算法提取巖心內連通的孔喉網絡模型，通過統計分析相關的孔喉結構參數，從而實現煤巖孔裂縫結構定量表征。

圖9為3類煤巖樣品孔喉參數分析結果。由圖9a可知：三類煤巖樣品的孔隙半徑主要分布在 5.23～ 34.85μm ，隨著滲透率和孔隙度的增大，孔隙半徑分布曲線逐漸向右移動，I、Ⅱ、Ⅲ類樣品的平均孔隙半徑分別為38.93、31.45和 25.67μm ，I類樣品在孔隙 52μm 處出現一個單峰，表明巖心內發育微裂縫，孔喉具有跨尺度特征；同時，I類樣品的孔隙半徑均值和峰值均顯著大于Ⅱ類和Ⅲ類樣品，表明I類樣品的儲層物性更好，這與上述煤巖數字巖心表征結果較為一致。喉道作為決定儲層滲流能力的主要參數，對于儲層評價意義重大，I、Ⅱ、Ⅲ類樣品的喉道半徑主要為 1.31～12.27μm ，Ⅲ類儲層喉道半徑均值和峰值均小于I類和 I 類樣品（圖9b），表明該類儲層小尺度喉道較多且尺寸微細，滲透率較低，儲層質量較差，這與孔喉連通性識別結果較為吻合。此外，I、Ⅱ、Ⅲ類樣品的配位數分別位于 3～ 9，2～6 和 1～4 ，表明隨著儲層物性變差，孔喉配位數呈現降低的趨勢（圖 9c） ，較差的孔喉連通性導致儲層孔喉流體動用的滲流阻力增大，巖心滲透率降低。

圖9不同類別煤巖樣品孔喉結構參數分布Fig. 9 Distribution of pore throat structure parameters ofdifferent types of coal rock samples

2.2 煤巖裂縫導流能力影響因素

前已述及，研究區煤巖體微納米孔隙結構較為復雜，天然微裂縫發育，具有跨尺度多重孔隙介質耦合分布的特性，實際開采過程中多以大規模水力壓裂造縫提采的技術手段。然而，由于該區煤層埋藏較深，目前針對深層煤巖儲層復雜裂縫導流能力的影響因素研究和報道較少。本文基于研究區煤巖體的孔裂縫結構可視化及定量化表征結果，通過壓裂縫導流能力實驗重點分析了支撐劑粒徑、鋪砂濃度、不同粒徑支撐劑組合、閉合壓力、支撐劑嵌入條件和孔喉發育等對支撐裂縫導流能力的影響規律。

2.2.1 支撐劑粒徑的影響

支撐劑粒徑的大小影響其充填后裂縫中允許流體通過的孔隙大小，是影響壓裂縫導流能力的重要因素之一。 40～70 目和 70～140 目兩種粒徑石英砂支撐裂縫在 20kg/m² 鋪砂濃度、 28MPa 閉合應力下的裂縫導流能力實驗結果如圖10所示。

圖10支撐劑粒徑對裂縫導流能力的影響 Fig.10Effect ofproppantparticlesizeon fracture conductivity

由圖10可知，不同粒徑支撐劑下裂縫導流能力存在差異，加載初期， 40～70 目粒徑石英砂支撐裂縫的導流能力均出現顯著下降，而 70～140 目下降程度較小，這主要是由于相同閉合壓力下大粒徑支撐劑被破壞且壓裂程度較高，孔隙被支撐劑碎屑細小顆粒進一步充填，導致壓裂裂縫堵塞進而引起裂縫導流能力下降程度較大。加載后期，兩者導流能力保持在相對穩定的水平。綜合來看， 40～70 目石英砂支撐裂縫的導流能力均明顯大于 70～140 目石英砂支撐裂縫，大粒徑支撐劑支撐裂縫導流能力更強。定義 50h 后的裂縫導流能力為長期導流能力，由圖10還可知， 40～70 目石英砂支撐裂縫的長期導流能力為 18.1μm²?cm ，而 70～140 目石英砂支撐裂縫的長期導流能力為 6.5μm²?cm ，后者相對于前者導流能力降低 64.1% ，表明大粒徑支撐劑支撐裂縫的長期導流能力顯著強于小粒徑支撐劑支撐裂縫。分析認為，支撐劑粒徑越大時支撐劑間空隙越大，大粒徑支撐下裂縫導流能力越大。值得注意的是，在實驗后期， 70～140 目石英砂支撐裂縫的導流能力具有較好的穩定性，這主要是因為小粒徑支撐劑在裂縫中堆積緊密，堆積形態穩定，而大粒徑支撐劑后期在應力作用下容易破碎且嵌入程度增大，流動通道易被小碎屑充填堵塞。同時，大粒徑支撐劑在裂縫中由于流體流動的影響更容易發生滑脫、移位等不穩定行為，造成導流能力下降。

2.2.2 鋪砂濃度的影響

采用粒徑 70～140 目支撐劑開展鋪砂濃度對裂縫導流能力影響的實驗。圖11為在5、20和 35kg/ m² 三種鋪砂濃度下，裂縫在 28MPa 閉合應力下的導流能力測試結果。

由圖11可知，在相同閉合壓力下裂縫導流能力隨鋪砂濃度增加明顯增大。5、20和 35kg/m² 鋪砂濃度條件下的石英砂支撐裂縫長期導流能力分別為1.28、6.48和 12.03μm²?cm ，鋪砂濃度每提高15kg/m² ，裂縫導流能力分別變為原來的5.1倍和9.4倍。因此，加大鋪砂濃度可顯著提高裂縫的導流能力，分析認為，高鋪砂濃度下裂縫中支撐劑抗閉合壓力能力提高，支撐劑間空隙數量增多，支撐裂縫的空隙度增大，縫寬亦越大，流體流動的通道增加，從而提高了裂縫的導流能力。而低鋪砂濃度下若支撐劑發生嵌入煤層的現象，其對裂縫導流能力的影響相對高鋪砂濃度更大。同時，隨著加載后期閉合應力增大，鋪砂濃度較低時，煤巖巖石越軟則支撐劑嵌入越嚴重。因此，在實際煤層氣壓裂生產時，建議根據壓裂規模及巖石物理特征適當使用高支撐劑鋪砂濃度，降低嵌入和閉合應力對導流能力的傷害，提高煤巖壓裂裂縫導流能力，從而提升煤層氣抽采效率。

圖11鋪砂濃度對裂縫導流能力的影響

2.2.3 不同粒徑支撐劑組合的影響

采用3種粒徑支撐劑組合方式，即 30～50 ！40～7070～140 目三種石英砂鋪置比例分別為1：1：1，1：4：5，1：2：7 ，在 20kg/m² 鋪砂濃度、28MPa 閉合應力條件下測試裂縫導流能力，實驗結果如圖12所示。

圖12支撐劑組合對裂縫導流能力的影響

Fig.12 Effect ofproppantcombination on fracture conductivity

由圖12可知，導流能力隨 30～50 目支撐劑占比增加具有明顯增大趨勢，隨 70～140 目支撐劑占比增加呈減小趨勢。 1：1：1 組合比例下裂縫導流能力明顯大于 1：4：5 和 1：2：7 組合方式，但實驗后期 1：1：1 粒徑組合比例下裂縫導流能力下降趨勢也較大。總體來看，組合比例為 1：1：1 時的裂縫長期導流能力最大，為 5時為 14.58μm²?cm ，組合比例為 1：2：7 時裂縫的長期導流能力為 13.25μm²?cm ，與 1：2：7 粒徑組合方式相比，前兩者分別增大了 50.3% 和10.0% 。上述支撐劑粒徑包含仍然可滿足該區塊深層煤層氣開采要求 （gt;3μm²?cm） 。分析認為，大粒徑支撐劑占越高時其導流能力也越大，這主要是由于大粒徑支撐劑孔隙喉道較大，流體通過能力較強，而配合一定比例的小粒徑支撐劑，提高裂縫導流能力效果更好。因此，對于現場壓裂施工而言，考慮到提高煤巖層壓裂和造縫攜砂的效果，需要配合不同粒徑組合才能發揮較好的壓裂效果，前期施工前期可采用低黏壓裂液攜帶大顆粒支撐劑壓裂填充縫網，可對煤巖復雜的多裂縫系統起到較好的支撐效果，延長裂縫長度；后期可尾追較高黏壓裂液攜帶小粒徑的支撐劑，從而可擴大遠井縫網規模，并對近井筒周邊地帶的導流能力起到較好的增強效果。

2.2.4 閉合應力的影響

設計了15和 25kg/m² 兩組鋪砂濃度，采用支撐劑粒徑 30～50：40～70：70～140 目組合比例為1：2：7 ，在 20，28，36MPa 閉合應力條件下開展導流能力測試實驗，分析閉合應力對高鋪砂濃度和低鋪砂濃度兩種條件下裂縫導流能力的影響。測試時間共 60h ，初始閉合應力為 20MPa ，每過 20h 閉合應力升高 后升至 36MPa ，測試該過程中裂縫導流能力的變化。實驗結果如圖13所示。

由圖13可知，閉合應力對低鋪砂濃度裂縫導流能力影響更為顯著。隨著閉合應力增加，裂縫導流能力逐漸降低，閉合應力由 28MPa 上升至 36MPa 時，15和 25kg/m² 的鋪砂強度下導流能力分別降低 27.9% 和 38.1% 。綜合來看，鋪砂濃度為 15kg/ m² 條件下，閉合應力每增加 8MPa ，長期導流能力平均降低 41.1% ；鋪砂濃度為 25kg/m² 條件下，閉合應力每增加 8MPa ，導流能力平均降低 31.4% 。分析認為，閉合應力增加可導致裂縫導流水平降低，這主要由以下2個原因導致：1）支撐劑顆粒在閉合應力作用下被壓實，顆粒間排列更緊密，這不但使得支撐劑顆粒間的孔隙體積縮小，還使得支撐劑裂縫寬度變小，這導致了滲透率的降低；2）高閉合應力下支撐劑顆粒粒徑受到擠壓變形，顆粒破損較為嚴重，粒徑分布極不均勻，圓球度變差且被充分壓實，這使得顆粒運移阻力增大，裂縫導流能力下降[24]。需要指出的是，對于現場壓裂施工而言，對于煤巖低鋪砂濃度和高閉合應力的情況，由于大粒徑支撐劑易破碎堵塞導流通道，通常優選細砂以獲得更高的裂縫長期導流能力；低閉合應力下則選用中砂或粗砂獲得更好裂縫導流能力。同時，提高支撐劑鋪砂濃度有助于緩解閉合應力對裂縫導流能力不利的影響。

圖13閉合應力對裂縫導流能力的影響

Fig.13 Effect of closure stress on fracture conductivity

2.2.5 支撐劑嵌入的影響

支撐劑在受到壓力情況下會發生嵌人裂縫表面的現象，從而影響支撐劑的支撐效果，因此，有必要研究支撐劑嵌入對裂縫導流能力的影響規律。在支撐劑粒徑 30～50：40～70：70～140 目組合比例為1：2：7 、鋪砂濃度為 20kg/m² 、閉合應力為28MPa 條件下，采用鋼板和煤巖巖板樣品來研究支撐劑嵌人的影響，實驗結果如圖14所示。

由圖14可知，煤巖裂縫長期導流能力為13.25μm²?cm ，而鋼板裂縫長期導流能力為15.09μm²?cm 。由鋼板測得的導流能力相對煤巖較大，支撐劑嵌入使煤巖板裂縫導流能力降低12.2% ，表明支撐劑在煤巖中因嵌入而導致的傷害較大。分析認為，支撐劑嵌入煤巖層時將導致裂縫中流體的流動空間被壓縮，流體流動阻力增加，從而導致裂縫導流能力的下降。從本質上講，煤巖質地松軟，容易破碎，高閉合壓力下支撐劑顆粒易嵌入煤巖層裂縫壁面，這進一步導致裂縫寬度減小，同時煤巖在壓縮和流體沖刷作用下產生的煤粉可在支撐劑顆粒和孔喉處吸附聚集，結合破碎的細小碎屑可使得流動通道被堵塞，進而導致滲透率減小，導流能力降低。

圖14鋼板和煤板對裂縫導流能力的影響

2.2.6 孔喉發育情況的影響

基于上述煤巖的可視化及定量化數字巖心孔裂縫網絡模型表征結果可知（圖8、圖9），I類和II類樣片帶狀的孔裂縫結構主要呈現富集帶式分布，孔喉結構發育程度和延展性更好，實測滲透率分別達0.584×10^-3μm² 和 0.287×10^-3μm² ，導流能力更高；而Ⅲ類樣品主要以分散式的孤立孔為主，喉道半徑主峰僅分布在 2.8μm 左右，較差的孔喉連通性導致了較低的滲透率和導流能力。分析認為，在漫長的地質構造及成巖過程中，研究區煤巖儲層在不同沉積分異作用及碎屑搬運機制下，形成了復雜多樣的孔隙結構特征，這將對煤巖儲層的導流能力產生極大影響。從本質上講，煤巖儲層內孔裂縫結構發育較好時，壓裂后有利于形成復雜縫網，基質孔裂縫網絡結構具有良好的連通性，這使得基質裂縫的接觸面積和流體波及范圍更大，流體運移的滲流阻力和距離更小，裂縫導流能力更高。隨著基質樣品孔隙結構的惡化，流體流動空間的規模將逐漸縮小，流體滲流通道中的界面數增加使得流動阻力變大，從而導致煤巖的導流能力大幅降低。實際礦場中，針對孔裂縫發育區域采用大規模體積壓裂等儲集層改造技術，可有效改善煤巖儲層的導流能力和開發效果。

2.3 主控因素分析

上述不同實驗方案下裂縫初始導流能力和長期導流能力的實驗對比結果如圖15所示。由圖15可知，方案5煤巖裂縫的長期導流能力最大，可達19.91μm²?cm ；方案1長期導流能力最小，僅為1.28μm²?cm 。表明在煤巖層壓裂開采中，不同鋪砂強度、支撐劑粒徑及不同粒徑組合支撐劑等均會對裂縫導流能力產生重要影響，為降低支撐劑對煤巖層壓裂裂縫導流能力的傷害，應選擇合適的壓裂施工參數、支撐劑體系及合理的排采生產制度。此外，研究區煤巖層的長期導流能力對不同因素的敏感程度從大到小依次為：鋪砂濃度 gt; 支撐劑粒徑gt;閉合應力 gt; 不同粒徑支撐劑組合方式 gt; 支撐劑嵌入（圖16）。鋪砂強度和支撐劑粒徑參數的改變及裂縫閉合應力對于裂縫導流能力的影響較為敏感，在壓裂施工裂縫參數優化設計時應重點關注。綜上，在實際的煤巖儲層壓裂開采過程中，為提高煤層氣壓裂效果和抽采效率，在滿足安全壓裂施工要求的前提下，建議按照上述因素優先級對壓裂方案進行優化設計。

圖15不同方案裂縫導流能力對比

Fig.15Comparison of fracture conductivity of different schemes

圖16煤巖裂縫導流能力對不同因素敏感性評價 Fig.16 Sensitivity evaluation of coal rock fracture conductivitytodifferentfactors

3結論

1）研究區不同類別煤巖樣品的孔隙結構特征差異顯著，孔喉在空間的展布形態主要以片帶狀或孤立孔分布，連通孔隙多以連片狀富集分布，主要與巖樣中相互連通的粒間溶孔和溶蝕縫有關；非連通孔隙多以連通性較差的孤立孔隙為主，主要與巖心內部廣泛發育的粒內溶孔和晶間孔有關，其尺度較小，主要起到儲集的作用。數字巖心可視化孔隙模型重構結果表明該區孔喉非均質性顯著，對于壓裂縫導流能力存在較大影響。

2）大粒徑支撐劑支撐下裂縫導流能力更強，但小粒徑支撐劑支撐下裂縫導流能力更穩定。裂縫導流能力隨鋪砂濃度增加而顯著增大，而隨閉合應力升高逐漸減小。支撐劑嵌人煤巖層時將導致裂縫中流體的流動空間被壓縮堵塞，裂縫導流能力下降。在不同支撐劑粒徑組合比例下，大粒徑支撐劑占比越高時其導流能力越大，現場施工前期可采用低黏壓裂液攜帶大顆粒支撐劑壓裂填充縫網，后期可尾追較高黏壓裂液攜帶小粒徑的支撐劑，可對裂縫能力起到較好增強效果。

3）研究區煤巖的長期導流能力對不同因素的敏感程度從大到小依次為：鋪砂濃度 gt; 支撐劑粒徑gt;閉合應力 gt; 不同粒徑支撐劑組合比例 gt; 支撐劑嵌入。綜合來看，該區煤巖壓裂縫導流能力的主控因素為鋪砂濃度、支撐劑粒徑和裂縫閉合應力。實際煤層氣儲層開采中，應優選合適的壓裂施工體系，避免對壓裂縫造成嚴重損害。

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