煤层压裂裂缝内支撑剂的压嵌特性

黄炳香 李浩泽 程庆迎 赵兴龙

1. 煤炭资源与安全开采国家重点实验室·中国矿业大学 2. 江苏省城市地下空间火灾防护重点实验室·中国矿业大学

0 引言

我国86%的煤层都属于低渗透率煤层[1]，煤层气井的自然产能很低。沁水盆地是我国目前煤层气开发的典型生产区，煤层的单轴抗压强度介于2.51～20.51 MPa，平均为11.10 MPa[2]，渗透率一般介于0.052～1.120 mD，平均为0.520 mD，渗透性差[3]。为了提高煤层气井的产气量，必须改造煤层结构，提高煤层渗透率，压裂是一种常用的提高煤层透气性的措施[4-8]，是煤层气开采的各种增产措施中一项有效、常用的方法。压裂的关键是能否形成具有较高导流能力的裂缝[9-11]。在压裂施工过程中，为保证泵注停止和返排后裂缝处于张开状态，需要在压裂液中加入支撑剂支撑裂缝[12]。由于煤与支撑剂在强度、刚度等力学性质方面存在着很大差异，裂缝中的支撑剂会嵌入煤体。支撑剂嵌入煤体越深，裂缝的有效张开度越小，其导流能力也越低[13-14]。

国内外学者主要针对常规油气储层进行了支撑剂的类型、粒径、铺砂浓度等参数对裂缝导流能力的影响研究，而对煤层气储层研究支撑剂参数对裂缝导流能力的影响较少。由于煤层气储层裂缝的闭合应力低于30 MPa，一般选择天然石英砂作为支撑剂。温庆志等[15]发现支撑剂铺砂浓度和粒径共同控制裂缝导流能力，且随着铺砂浓度增大，裂缝导流能力逐渐加大；邹雨时等[16]、郭建春等[17]、郭天魁等[18]发现铺砂浓度超过某临界值后，出现砂堵现象，裂缝导流能力逐渐降低。但是，针对支撑剂内部空隙闭合值、支撑剂嵌入值与裂缝张开度变化值之间的关系研究较少，且已有的研究都没有涉及支撑剂的压密规律，而压密过程是支撑剂嵌入煤不可缺少的一个重要环节，其对闭合应力作用下支撑剂的压嵌整体特性有重要影响。

为此，笔者在实测支撑剂压密规律的基础上进行煤体单缝内支撑剂随闭合应力增大的压嵌全过程实验研究，以期掌握煤体压裂裂缝内支撑剂压嵌的基本特性，为评价煤层压裂裂缝的导流能力奠定基础。

1 实验方案

1.1 实验系统

实验采用CMT5305型微控电子万能试验机（以下简称试验机）（图1），通过手动和计算机自动控制相结合的方式控制实验进程。

图1 实验系统示意图

1.2 实验方法

实验研究重点是分析闭合应力对支撑剂嵌入煤的影响规律，而压裂裂缝的表面粗糙度也会对支撑剂嵌入煤体产生影响。为此，实验中采用光滑平面模拟煤体的压裂裂缝表面。

实验过程包含：①取样：采用切割机在同一大煤块切割出边长为5 cm的立方体煤样，然后沿煤样中部切割成大小相等的两块尺寸为5 cm×5 cm×2.5 cm小煤样（图2-a），并将切割面打磨光滑，避免裂缝表面形态和粗糙度的差异对支撑剂嵌入煤体产生影响；②铺设支撑剂：在小煤样表面均匀铺设支撑剂（图2-b），模拟煤体压裂裂缝内支撑剂的分布，并用另一块同样大小的小煤样覆盖在铺设的支撑剂上方；③安放煤样进行实验：将铺设有支撑剂的组合煤样放置在试验机上进行加压，模拟闭合应力作用下支撑剂嵌入煤体的过程。

图2 实验煤样照片

共进行7组实验，为减小煤样物理力学性质差异对实验结果的影响，7组煤样均取自同一煤块。煤样力学参数如表1所示。

各实验方案信息如表2所示。支撑剂选用20/40目石英砂，铺设浓度为2 kg/m2，铺砂质量为5 g，实验温度为常温。煤样的单轴抗压强度为11.63 MPa。为了测试煤从弹、塑性变形直至被破坏的全过程支撑剂的压嵌特性，闭合应力介于0～12 MPa。

表1 煤样力学参数表

表2 各实验方案安排表

采用质量控制法对支撑剂的铺设浓度进行控制。用电子秤称量支撑剂的质量，然后将石英砂均匀铺在煤样表面。

1.3 实验过程

首先进行探究实验，分析1号煤样在不铺设支撑剂的情况下，随闭合应力增大发生变形的情况；然后针对3号、4号和5号煤样进行不铺设支撑剂情况下的对比实验；最后针对2号、6号和7号煤样进行裂缝内支撑剂的压嵌实验，测试煤样在闭合应力作用下的变形情况。

实验中，取一组煤样放置在试验台上，手动操控试验台使压头下降，当压头与煤样刚接触时即停止，然后通过计算机对实验进程进行自动控制。当闭合应力达到12 MPa时停止实验，然后取出煤样，观察支撑剂的压密与嵌入情况。

1.4 相对嵌入值计算

采用相对嵌入值表征支撑剂嵌入煤的深度[19]，计算式为：

式中ωpb表示支撑剂相对嵌入值，mm；ωp表示铺设支撑剂时煤样变形量，mm；ωb表示不铺设支撑剂时煤样变形量，mm。

在压嵌过程中，由于支撑剂自身会随着闭合应力的增加而产生变形。因此，在式（1）的基础上，还需要减去支撑剂在闭合应力下的自身变形量，即

式中ωs表示在闭合应力作用下支撑剂的自身变形量，mm。

1.5 支撑剂自身变形

采用前述实验系统进行支撑剂压密变形实验，如图3所示，实验模具为钢套筒。由于钢套筒刚度大，实验过程中应力较小，故可忽略钢套筒自身的变形。实验中支撑剂质量为3.93 g。

图3 支撑剂压密变形实验装置图

2 实验结果分析

2.1 支撑剂压密变形规律

图4 σ与ωs关系曲线图

如图4所示，随闭合应力增加，支撑剂自身压密变形量逐渐增加，但增加趋势逐渐变缓。可以认为，在闭合应力作用下，支撑剂颗粒相互挤压，颗粒之间的空隙逐渐减小；在初始阶段，由于空隙空间较大，支撑剂变形较明显，其压密变形量增长趋势较陡；当闭合应力大于3 MPa以后，由于空隙空间有限，允许支撑剂压缩变形的空间变小，其压密变形量增长趋势变缓。

2.2 闭合应力与嵌入值的关系

实验中，由于1号、3号煤样在加压过程中出现了低应力破坏的现象，即煤样表面出现裂缝后迅速破裂为多块，导致测试结果不准确，故采用2号、4号、5号、6号和7号煤样的实验数据进行分析，由2号、6号、7号煤样的实验数据得到铺设支撑剂的煤样变形量平均值（ωp平均值），由4号、5号煤样的实验数据得到不铺设支撑剂的煤样变形量平均值（ωb平均值）。如图5所示，闭合应力介于0～1 MPa时，随闭合应力增加煤样变形量增长趋势较陡，此阶段支撑剂和煤样都处于自身空间压密阶段；当闭合应力大于4 MPa后，随闭合应力增加煤样变形量增长的趋势变缓。

将前述实验数据代入式（2），结果如图6所示，随着σ的增加，支撑剂相对嵌入值（ωpb）变化规律大致相同，ωpb呈现先快速增加、后降低、之后再缓慢上升的趋势。以2号煤样实验数据为例，计算得到的ωpb如图6-a中黑色线所示，在第Ⅰ阶段（σ介于0～1 MPa），ωpb随σ增大呈现的上升趋势较陡，当σ等于1 MPa时，ωpb达到此阶段的最大值0.163 mm，该阶段数据点回归直线的斜率tanφ1=0.163；第Ⅱ阶段（σ介于1～4 MPa），ωpb随着σ增大逐渐下降当σ等于4 MPa左右时，ωpb达到此阶段的最小值－0.053 mm，该阶段数据点回归直线的斜率tanφ2=－0.072；第Ⅲ阶段（σ大于4 MPa），ωpb随σ增大呈现的上升趋势较缓，当σ达到11.5 MPa，ωpb为0.067 mm，该阶段数据点回归直线的斜率 tanφ2=0.016。可以看出，|φ1|＞ |φ2|＞|φ3|。

图5 σ与煤样变形量关系曲线图

图6 σ与ωpb关系曲线图

在支撑剂嵌入煤的过程中，从支撑剂自身压密转为支撑剂开始嵌入的临界应力值称为“嵌入应力”，将支撑剂与煤的接触面上可以支撑整个煤体的临界应力值称为“支撑应力”。针对图6中支撑剂压密阶段、初始嵌入阶段以及嵌入支撑阶段进行汇总，如表3所示。

表3 支撑剂嵌入煤体过程中各阶段闭合应力汇总表 MPa

2.3 嵌入现象分析

支撑剂在嵌入过程中，在煤体上产生压嵌坑及压嵌裂缝，并且在取出上部小煤样（图7-a）时出现多处单个支撑剂或者多个支撑剂组成一个整体嵌入煤体，形成嵌入颗粒。其中，压嵌坑是在闭合应力作用下，支撑剂与煤接触形成应力集中，致使煤破坏，嵌入煤并缓慢形成的一个个小坑；压嵌裂缝是由于支撑剂嵌入形成的小坑相互贯通形成的裂隙，或者由于支撑剂嵌入煤体，致使煤体沿平行于最大主应力方向破裂扩展，形成压嵌裂缝；多个支撑剂在闭合应力作用下相互挤压形成一个整体，形成支撑剂簇，整体嵌入煤。

如图7-b所示，支撑剂在闭合应力作用下，形成许多压嵌坑，且在压嵌过程中部分支撑剂出现破碎；图7-c显示，压嵌应力向四周传递，致使煤沿着最大主应力方向破裂扩展，两个压嵌坑之间形成贯穿裂缝；图7-d显示，两条垂直距离较小的压嵌裂缝，裂缝尖端相向扩展，形成贯通裂缝；图7-e为两条垂直距离较大的压嵌裂缝，裂缝尖端同时向中间区域靠拢，形成环形破裂区；图7-f为已贯穿的裂缝；图7-g为支撑剂整体嵌入裂缝状态；图7-h为压嵌形成的多条裂缝。

3 压嵌过程分析

根据实验得出的σ与ωpb的关系曲线，建立闭合应力作用下支撑剂嵌入煤体的概念模型，如图8所示，支撑剂在嵌入过程中存在3个阶段。

图7 支撑剂压嵌现象照片

图8 支撑剂嵌入概念模型图

第Ⅰ阶段：压密阶段。由于σ介于0～1 MPa，铺设支撑剂的煤体变形量为煤自身内部空隙压密变形、裂缝变形、松散支撑剂内部空隙压密以及无侧限条件下支撑剂向四周滑移的总和；不铺设支撑剂的煤体变形量为煤自身的压密变形以及裂缝变形。因此，ωpb快速增加。

第Ⅱ阶段：初始嵌入阶段。随着σ增大，支撑剂内部结构逐渐变得密实，达到嵌入应力时支撑剂开始嵌入煤。由于支撑剂嵌入深度较小，与煤的接触面积较小，不足以支撑整个煤体，致使支撑剂与煤未接触区域不受压，煤的自身压密变形较小，承受σ的区域较小，只是局部区域由于应力集中，致使煤体破坏，支撑剂嵌入。因此，铺设支撑剂的煤体变形量主要是支撑剂嵌入。而不铺设支撑剂的煤体整体受到σ的影响，随σ逐渐增加裂缝张开度逐渐减小，由于没有支撑剂的约束，裂缝变形速率较快，裂缝变形量较大，且煤块自身压密依旧在进行中，煤体自身变形量较大，不铺设支撑剂的裂缝变形量是煤块自身压密变形以及裂缝变形的总和。故不铺设支撑剂的煤体变形量ωb大于铺设支撑剂的煤体变形量ωp，相对嵌入值ωpb出现下降趋势。

第Ⅲ阶段：嵌入支撑阶段。当σ达到支撑应力后，支撑剂与煤的接触面积足以支撑整个煤体，煤进入弹性变形阶段。在初始嵌入阶段铺设支撑剂的裂缝表面出现煤体不受压区域，裂缝受到支撑剂的约束，在本阶段不受压区域开始承受闭合应力的影响；而不铺设支撑剂裂缝表面煤体与裂缝受压时间较长，已较为密实，故铺设支撑剂的煤体变形速率大于不铺设支撑剂的煤体变形速率。此外，在σ作用下，支撑剂嵌入煤的过程依旧在进行，但是支撑剂与煤体接触处，应力集中程度减小，支撑剂嵌入速率逐渐减小。由于嵌入值越小，裂缝导流能力越大[20-22]，通过合理控制支撑应力，可以提高煤层气的开采速率，同时增加煤层气开采的总时间，增加煤层气井产气量。因此，支撑应力的确定对发挥支撑剂的作用有重要意义。

4 结论

1）煤体压裂裂缝内支撑剂在嵌入过程中存在两个临界应力，分别为嵌入应力和支撑应力，相应将支撑剂嵌入煤的过程分为3个阶段：支撑剂压密阶段、初始嵌入阶段和嵌入支撑阶段。

2）在支撑剂压密阶段主要发生支撑剂内部空隙的闭合和无侧限条件下支撑剂向四周滑移，支撑剂的相对嵌入值随闭合应力增大呈现的上升趋势较陡；在初始嵌入阶段支撑剂的相对嵌入值随闭合应力增大而减小；在嵌入支撑阶段支撑剂的相对嵌入值随闭合应力增大呈现的上升趋势较缓。

3）当闭合应力达到支撑应力时，支撑剂足以支撑起整个煤体；减小支撑剂与煤体接触处的应力集中，可降低嵌入速率。

4）在闭合应力作用下，支撑剂在嵌入煤的过程中，出现了支撑剂簇整体嵌入煤体表面的现象，单个支撑剂或支撑剂簇作用于煤体表面形成压嵌裂缝和压嵌坑。