煤岩压裂裂缝长期导流能力的实验研究与评价

胡世莱　李 俊　严文德　李西宁　程柯扬

(1. 重庆科技学院复杂油气田实验室， 重庆 401331； 2. 中国石油集团测井有限公司， 西安 710200)



煤岩压裂裂缝长期导流能力的实验研究与评价

胡世莱1李 俊1严文德1李西宁2程柯扬1

(1. 重庆科技学院复杂油气田实验室， 重庆 401331； 2. 中国石油集团测井有限公司， 西安 710200)

摘要：当前煤岩长期导流能力测试实验受人为因素影响，不能完全反映煤岩自身的物理性质，实验中无统一单点承压测试时间，支撑剂组合选择单一。针对这些不足，运用裂缝导流仪对煤岩裂缝长期导流能力进行实验研究与分析，确定长期导流能力实验研究中单点的最佳承压时间。研究认为长期导流能力受铺砂浓度和支撑剂类型影响很大，受支撑剂粒径影响较小：其中石英砂类支撑剂导流能力好，但却存在砂堵的缺陷；树脂包砂类支撑剂抗压性能良好，和石英砂配合使用既能增加导流能力，也能降低出砂的损害。

关键词：煤岩； 裂缝； 长期导流能力； 实验研究； 支撑剂

全球煤层气分布广泛，储存量巨大。据国际能源机构(缩写为IEA)估算，全球煤层气资源总量可达260×1012m3。其中，我国煤层气资源总量高达36×1012m3，居全球第三[1]。2011年，我国煤层气产量首次突破百亿立方米，这标志着国内煤层气产业已开始高速发展。但是在现有开发技术水平下，多数资源仍未得到充分利用[2]。我国的煤岩层比较致密，煤岩渗透性差,孔隙度较低[3]，煤层气在煤岩中流动能力不强，因而煤层气开发产量偏低。在进行煤层气开发时，一般采用人工压裂的方式为煤层气提供良好的渗流通道，以提高采收率。煤岩自身物性的特殊性决定了其压裂实验评价方法及结论的特殊性。目前，煤岩裂缝导流能力的实验评价主要包括短期导流能力测试和长期导流能力测试[4]。短期导流能力和长期导流能力的主要区别在于承压时间长短不同。短期导流能力实验的承压时间短，实验测试便捷，常常用来对比支撑剂性能的优劣。然而，由于短期测试结果仅能反应煤岩压裂裂缝在短时间承压后的导流能力，无法为长期导流能力提供可靠的参考，因此很有必要对煤岩裂缝长导流能力进行实验评价。

目前煤岩压裂裂缝长期导流能力的实验研究仍需优化，原因在于：(1)实验所用煤板未能真实反映煤自身物理性质，存在人为处理的主观偏差；(2)尚无明确的长期导流能力实验研究单点承压时间(12、15、 50 h)；(3)使用的支撑剂类型比较单一，大多使用石英砂岩或陶粒中的一两种，且关于优化树脂包砂类支撑剂的相关实验研究较少；(4)支撑剂混合组合选择较为单一[4-6]。

本次实验将采用完整无损的煤板和多种支撑剂进行综合研究，保证实验结果更接近于真实情况，最终确定适用于煤岩压裂裂缝的最佳支撑剂类型。

1实验过程

本次煤岩压裂裂缝长期导流能力的测试实验依据是中国石油天然气集团公司相关技术标准[7-8]。

1.1实验仪器及测试条件

首先确定实验主要仪器。此次选用山东中石大石仪科技有限公司生产的DL-2000型酸蚀裂缝导流能力评价实验仪。

接下来设计实验测试条件。为了真实地反映地层条件下煤岩的长期导流能力，充分考虑了山西沁水盆地煤层气主产层位深度(15#煤层，深度在1 000 m左右)，在60 ℃的恒温条件下进行。表1所示为主要测试参数。

1.2测试煤岩样品

本实验所用煤岩试件为形状规则的煤板，煤岩取自沁水盆地15#煤层。煤板制作工艺比较简单，只需把煤岩切割成规定的形状，再将煤板打磨光滑平整。试件的尺寸为长17.7 cm，宽3.8 cm，厚1～2 cm，两端成半圆形。但由于煤岩的天然裂缝发育成熟，煤块易碎，要获得完整无损的岩心非常困难，一般情况下10块煤板中只有2、3块能够达到实验要求。为了保证实验结果更接近于真实情况，本实验所使用的煤板均完整无损。

表1　主要测试参数

1.3实验方法

在实验进行之前，首先确定实验方法。利用DL -2000导流仪，在导流室中夹持煤板模拟煤层裂缝，使实验流体以稳定的流速通过煤板之间的支撑剂填充层，逐渐增大闭合压力得到裂缝导流能力随闭合压力变化的曲线。通过改变铺砂浓度、支撑剂粒径及组合等实验条件得到不同情况下闭合压力与长期导流能力关系的曲线，然后对不同的曲线进行比较得出相应的实验结论[8-10]。

试验数据用SPSS16.0软件包(SPSS，Michigan Avenue，Chicago，IL，USA)进行方差分析，用Tukey’s单因素方差分析法检验组间差异，P＜0.05表示有显著性差异，结果用“平均数±标准差”表示。

2实验结果分析

2.1单点闭合压力的最佳承压时间

选用陶粒和B类石英砂，均为20 — 40目，采用5 kgm2的铺砂浓度，在10 MPa的闭合压力下进行实验测试，所测导流能力曲线如图1和图2所示。裂缝导流能力随着承压时间延长而明显降低，短期导流能力是长期导流能力的2～5倍，当承压时间持续8 h 后，导流能力趋于稳定，导流能力不再随承压时间的增加而明显降低。在低压条件下，陶粒的性能明显优于石英砂，这与之前其他研究者的结论一致。

图1　选用陶粒所测煤岩导流能力曲线

图2　选用B类石英砂所测煤岩导流能力曲线

2.2铺砂浓度对导流能力的影响

选用20 — 40目的B类石英和树脂包砂，分别以5、10 kgm2的铺砂浓度进行实验，实验结果如图3和图4所示。

图3　不同铺砂浓度的导流能力对比曲线(B类石英砂)

图4　不同铺砂浓度的导流能力对比曲线(树脂包砂)

2.3粒径对导流能力的影响

图5　不同粒径的导流能力对比图(A类石英砂)

图6　不同粒径的导流能力对比图(B类石英砂)

2.4支撑剂组合的长期导流能力

实验选用质量比为1∶1的2种组合，A、B类石英砂组合及树脂包砂，B类石英砂组合，粒径均为20 — 40目，铺砂浓度为10 kgm2，其导流能力对比曲线如图7和图8所示。

当闭合压力小于15 MPa时，A、B类石英砂组合长期导流能力明显优于单一石英砂的导流能力；但当闭合压力超过15 MPa后，由于石英砂物性不同而引起相互干扰，导致石英砂组合的长期导流能力急剧降低，甚至在实验中出现堵塞憋压现象。

当闭合压力小于15 MPa时，树脂包砂、B类石英砂组合长期导流能力明显优于单一砂的导流能力；当闭合压力超过15 MPa后，压力引起树脂包砂变形，使得石英砂和树脂包砂的接触更加紧密，从而导致该组合的长期导流能力急剧降低。尽管如此，使用树脂包砂、B类石英砂组合时却未发生任何堵塞现象，这表明树脂包砂类支撑剂有很好的防砂效果。

图7　质量比1∶1的导流能力对比曲线(A、B类石英砂)

图8　质量比1∶1的导流能力对比曲线

3结语

研究发现，沁水15#煤样的单点长期导流能力在承压时间达到8 h后就趋于稳定，因此建议后期相关实验研究中单点的承压时间保持8 h。长期导流能力受铺砂浓度和支撑剂类型影响很大，受支撑剂粒径影响小，其中石英砂类支撑剂导流能力好，但却存在砂堵的缺陷。树脂包砂类支撑剂抗压性能良好，和石英砂配合使用既能提高导流能力，又能减少出砂的损害。为了保证实际开发成效，建议使用石英砂单一支撑剂或石英砂与树脂包砂组合支撑剂，其中石英砂支撑剂用于裂缝远端和中部区域，石英砂与树脂包砂组合用于近井区域。

参考文献

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Experimental Research and Evaluation of Long-term Conductivity of Fracturing in Coal Beds

HUShilai1LIJun1YANWende1LIXining2CHENGKeyang1

(1. Complex Oil and Gas Field Laboratory, Chongqing University of Science and Technology,Chongqing 401331, China;2. CNPC Logging, Xi′an 710200, China)

Abstract:There are shortcomings in the present coal rock long-term conductivity experiments due to human facter, so the experimental results cannot completely respond to physical properties of coal. And there is no uniform single point pressure test time and proppant is simply fixed in these experiments. To solve these problems, with the help of fracture long-term flow conductometer, the authors did some experiments to research and evaluate the long-term conductivity of fracturing in coal beds to confirm the optimal pressure time of single point. The results show that the concentration and type have a big effect on the long-term conductivity of fracturing in coal beds, and the diameter has little effects. The quartz sand is good but there is sand plug. The resin sand has higher compressive resistance, and the combination of both types could increase conductivity and decrease the sand damage.

Key words:coal; fracture; long-term conductivity; experiment; proppant

收稿日期：2015-05-09

基金项目：重庆市教委科技基金项目“裂缝性高含硫有水气藏渗流规律研究”(KJ1401305)；重庆科技学院创新计划项目“煤岩压裂裂缝长期导流能力的实验研究”(2014001)

作者简介：胡世莱(1992 — )，男，重庆人，重庆科技学院硕士研究生，研究方向为油气田开发。

中图分类号：P618

文献标识码：A

文章编号：1673-1980(2016)02-0040-04