活性水压裂液对高煤阶煤岩力学性质的影响

王镜惠 梅明华 王华军 包顿

摘      要：煤層气低产井重复压裂增产效果差异大，裸眼压裂水平井井眼容易垮塌，需要研究压裂液对煤岩力学性质及其对重复压裂及水平井稳定性的影响。通过煤岩样品单轴压缩试验和三轴压缩试验，研究了压裂液对煤岩抗压强度、弹性模量及变形特征的影响，并探讨了其对重复压裂和水平井井眼稳定性的影响。结果表明：煤岩弹性模量和抗压强度随压裂液浸泡时间增加而持续降低，塑性特征更加明显，重复压裂容易形成短宽缝，压裂效果较差，因此需要快速返排压裂液;浸泡后煤岩的弹性模量随围压的增加先增加后降低，围压6 MPa左右时，煤岩弹性模量最大，因此埋深700～800 m时，重复压裂形成长裂缝的可能性较大;浸泡后煤岩的抗压强度随围压的降低而降低，且围压越小，降低幅度越大，因此，储层埋深越浅，浸泡后储层裂缝闭合程度越强，渗透率降低程度大，越需要尽快排出压裂液。

关  键  词：活性水压裂液;高煤阶煤岩;力学性质;重复压裂;水平井稳定性

中图分类号：TQ 531.1       文献标识码： A       文章编号： 1671-0460（2019）06-1125-04

Abstract： Re-fracturing and horizontal well are important ways to improve the single well production and the recovery and to realize efficient development of CBM reservoir， while the stimulation effect of re-fracturing is significant and the borehole collapse has restricted the application of horizontal well. So it is important to research the effect of fracturing fluid on the mechanical properties of coal rock and on the re-fracturing effect and the horizontal well stability. In this paper， the effect of drilling fluids on the compressive strength and elastic modulus of coal rock was studied through uniaxial compression test and tri-axial compression test of coal rock samples， as well as the influences of which on re-fracturing effect and the borehole stability. The results showed that the immersion of coal rock in fracturing fluids resulted in the decrease of compressive strength and elastic modulus of the coal rock， and the decrease degree decreased with the increase of soaking time. So the re-fracturing of CBM wells was more easily form short and wide fractures which resulted in poor re-fracturing effect. So releasing the fracturing fluid quickly after fracturing will improve the re-fracturing effect. With the increase of confining pressure， the elastic modulus increased when confining pressure was below 6 MPa and then decreased after confining pressure was above 6MPa. So when the buried depth is between 700m and 800m， the re-fracturing can form long fractures. The compressive strength of the coal rock decreased with the decrease of confining pressure， and the decrease amplitude decreased after immersion， which resulted in the increase of fracture closure and decrease of reservoir permeability. So fracturing fluid should be released quickly just after fracturing.

Key words：Active water fracturing fluids;High-rank coal rock;Mechanical properties;Re-fracturing; Stability of horizontal well borehole

水力压裂和水平井是实现煤层气高效开发的重要技术[1，2]，但重复压裂效果差异较大，见效率持续降低，需要研究初次压裂后压裂液对煤岩力学性质的影响，揭示煤岩力学性质变化对重复压裂的影响，改善重复压裂效果。另外，在水平井钻井及排采过程中，水平井垮塌，严重影响水平井的开发效果[3，4]，需要研究压裂液对煤岩力学性质的影响[5]及其对水平井稳定性的影响[6，7]，而目前液体浸泡对砂岩、泥岩力学性质影响有初步研究[8，9]，但关于压裂液对煤岩力学参数影响的研究较少。因此本文通过室内试验研究了活性水压裂液对煤岩强度及弹性模量的影响，并探讨了其对直井重复压裂、水平井井眼稳定性及储层渗透率的影响，以期为压裂工艺的改进提供有益借鉴。

1  实验条件及步骤

1.1  實验条件

实验煤样选自沁水盆地某区块，将大块煤岩加工成直井50 mm，长度100 mm的煤柱，煤岩样品基本物性参数和力学参数基本一致。压裂液取自煤层气井压裂现场，为活性水压裂液（清水+1%KCl），过滤后用于实验。实验温度为室温20 ℃。实验仪器为JSM-6510LV型扫描电镜、RMT-150B型电液伺服岩石力学试验系统、高压压汞仪等。

1.2  实验步骤

测定煤岩工业组分、显微组分;然后开展高压压汞试验，测定孔隙半径分布;利用扫描电镜获得煤岩孔、裂隙发育特征及粘土矿物赋存特征;将需进行压裂液浸泡煤样，按照实验要求进行浸泡;最后进行单轴、三轴压缩试验，获得煤岩抗压强度、弹性模量。

2  煤岩基本物性特征

2.1  煤岩样品组分分析

煤岩样品镜质体反射率为3.2%～3.4%，为高阶煤。灰分含量较低，为7.7%～15.7%，平均为11.6%;镜质组含量较高，为70.5%～86.2%，平均为79.8%;同时含有大量的粘土矿物，为3%～12.5%，平均为5.9%;扫面电镜结果表明，粘土矿物以伊利石、高岭石等强水敏性矿物为主，常填充于煤岩裂缝、铸模孔、植物组孔中，或附着于煤岩表面，这是压裂液对煤岩力学参数造成影响的主要原因。

2.2  煤岩孔、裂隙特征

煤岩孔、裂隙结构复杂，为复杂的孔隙、裂隙网络[10]，通过恒压压汞试验得到煤岩孔隙半径分布曲线，如图1所示。

图1表明，煤岩孔隙半径分布在0.002～227.7μm之间，范围较宽，以微孔为主，孔隙半径小于0.1μm的微孔比例高达40%以上。通过扫描电镜图片研究煤岩裂隙产状及发育程度，结果见表1。表1表明煤岩发育主、次两组裂隙，主裂隙宽度更宽、密度等大，两组裂隙呈近90°相交，孔、裂隙产状及发育程度是影响压裂液浸泡后煤岩力学参数的重要因素。

3  试验结果分析

3.1  压裂液对煤岩弹性模量的影响同一区块煤岩在相同压裂液中不同浸泡时间条件下的弹性模量变化如图2所示。

图2表明，随着压裂液浸泡时间增加，煤岩弹性模量均持续降低。如无围压时，煤岩浸泡2和240 h后弹性模量分别比不浸泡时下降23%和47%左右;而围压为6 MPa时，浸泡24和240 h后弹性模量分别比不浸泡时下降2%和3.4%左右。这表明，煤岩在压裂液中浸泡以后，弹性模量即其抵抗变形能力降低。因此，初次压裂后在压裂液浸泡作用下，煤岩弹性变形能力降低，煤岩脆性降低，再次压裂，容易形成短宽缝，不能造长缝，影响重复压裂的效果。图2还表明，围压在6 MPa左右时，浸泡时间对弹性模量的影响较小，此时煤岩浸泡240 h后弹性模量比不浸泡时仅下降3.4%左右，说明埋深700～800 m时，压裂液浸泡对煤岩弹性模量的影响较小，重复压裂形成长裂缝的可能性越大。

由图2还可知，浸泡时间相同时，弹性模量随围压的增加先增加后降低。如浸泡24 h时，围压小于6 MPa时，弹性模量上升，大于6 MPa后，弹性模量下降。这是由于围压增加过程中，煤岩不同强度的物质的破裂强度趋于增加，抵抗变形能力也增加，但增加至一定程度后，达到所有物质的破裂强度时，煤岩弹性模量开始降低。

3.2  压裂液对煤岩抗压强度的影响

图3为不同围压条件下，煤岩在压裂液中浸泡不同时间后抗压强度的变化规律。

图3表明，无论围压大小，随着煤岩在压裂液中浸泡时间增加，煤岩抗压强度均持续降低，但降低幅度也越来越小。如围压为3 MPa时，煤岩在压裂液中浸泡时间由0增加至24 h时，抗压强度由57.5 MPa下降至48.7 MPa，下降幅度达到15.3%，而浸泡时间由96增加至240 h时，抗压强度下降幅度仅为5.8%。这是因为压裂液浸泡后，煤岩孔、裂隙中粘度矿物吸水后膨胀，导致煤岩抗压强度整体降低，但随着浸泡时间增长，粘度矿物吸水能力降低，煤岩抗压强度降低幅度也减小。对于水平井而言，抗压强度降低，意味着井眼坍塌风险增加，因此，要降低压裂液在水平井中滞留的时间，压裂后应该快速返排压裂液，防止水平井坍塌。

由图3还可知，无论是否被压裂液浸泡，煤岩抗压强度均随着围压的降低而降低，如煤岩未被浸泡时，围压由9 MPa降至0 MPa时，抗压强度由76.1 MPa降至21.3 MPa，下降幅度达到72%，这主要是由于围压越低，煤岩弱面的侧向滑移阻力越低，越容易发生剪切破坏，则煤岩强度越低;而煤岩被压裂液浸泡24 h时，围压由9 MPa降至0 MPa，抗压强度由69.8 MPa降至12.6 MPa阶段，下降幅度达到82%，表明煤岩被钻井液浸泡后，随围压降低，抗压强度降幅进一步增加，而且浸泡96和240 h后降幅分别为87%和90%，说明浸泡时间越长抗压强度降低幅度越大。这主要对煤储层渗透率产生影响，围压下降过程中，煤岩抗压强度大幅降低，导致储层裂缝闭合程度增加、孔隙压缩程度增加，进一步降低了储层渗透率，所以，压裂后压裂液应该快速排出储层，与煤岩接触的时间越短越利于储层渗透率的保护。

3.3  压裂液对煤岩变形特征的影响

图4表明，在相同围压条件下，无论被钻井液浸泡与否，应力-应变曲线在峰值前变形特征基本相同，均分为压实阶段、弹性变形阶段和屈服阶段，但压裂液浸泡后煤岩的弹性变形段明显变短，塑性变形段明显增加。

图4表明，在相同围压条件下，无论被钻井液浸泡与否，应力-应变曲线在峰值前变形特征基本相同，均分为压实阶段、弹性变形阶段和屈服阶段，但压裂液浸泡后煤岩的弹性变形段明显变短，塑性变形段明显增加。浸泡与未浸泡压裂液应力-應变曲线最大的差异在于峰值后，未被压裂液浸泡煤岩应力-应变曲线出现突降，具有明显的脆性特征，而被浸泡煤岩峰值后应力-应变曲线为缓慢下降，具有明显的塑性特征。这主要是由于水对煤岩具有软化作用，加剧了煤岩组分的强度差异，随着轴向应力增加，不同强度的组分先后屈服并产生塑性变形，拉长了煤岩塑性变形阶段，同时低强度处局部先后屈服替代了煤样大范围整体屈服，避免了应力突降发生。这导致煤岩被压裂液浸泡后压缩作用和应力敏感性增强，因此在煤层气井压裂后应尽快排出进入煤层的压裂液，降低压裂液对煤层的伤害。

4  结 论

（1）煤岩样品中的粘土矿物以伊利石、高岭石等强水敏性矿物为主，常填充于煤岩孔、裂隙中，这是煤岩被压裂液浸泡后力学性质发生变化的主要诱因。

（2）煤岩弹性模量随着压裂液浸泡时间增加而持续降低，因此，初次压裂后煤岩弹脆性降低，重复压裂容易形成短宽缝，影响重复压裂的效果。浸泡时间相同时，弹性模量随围压的增加先增加后降低，围压在6 MPa左右时，煤岩弹性模量最大，因此埋深在700～800 m时，初次压裂对煤岩弹性模量的影响越小，重复压裂形成长裂缝的可能性越大。

（3）煤岩抗压强度随其在压裂液中浸泡时间增加而持续降低，因此，对于裸眼压裂水平井，压裂液浸泡时间越长，井眼坍塌风险越大;煤岩抗压强度均随着围压的降低而降低，且围压越低，抗压强度降幅越大，这导致储层裂缝闭合程度增加、孔隙压缩程度增加，进一步降低了储层渗透率，因此压裂后应该快速返排压裂液，防止水平井坍塌和储层裂缝闭合。

（4）压裂液浸泡后煤岩的弹性变形段明显变短，塑性变形段明显增加。未被压裂液浸泡煤岩应力-应变曲线在峰值处出现突降，具有明显的脆性特征，而被浸泡煤岩应力-应变曲线在峰值后为缓慢下降，具有明显的塑性特征。这导致煤岩被压裂液浸泡后压缩作用和应力敏感性增强，压裂后应尽快排出压裂液，降低压裂液对煤层的伤害。

参考文献：

[1]刘钰豪，徐永驰，陈泓洁.煤层气压裂中支撑剂沉降模型的对比与优选[J].当代化工，2015，44（6）：1253-1256.

[2]许耀波，朱玉双，张培河.紧邻碎软煤层的顶板岩层水平井开发煤层气技术[J].天然气工业，2018， 38（9）：70-75.

[3]张永平，杨延辉，邵国良，等.沁水盆地樊庄—郑庄区块高煤阶煤层气水平井开采中的问题及对策[J].天然气工业，2017，37（6）：46-54.

[4]张建国，苗耀，李梦溪，等.沁水盆地煤层气水平井产能影响因素分析——以樊庄区块水平井开发示范工程为例[J].中国石油勘探，2010，15（2）：49-54.

[5]刘冬.压裂液作用下煤体软化性及水压裂缝扩展规律研究[D].西安科技大学硕士学位论文，2012.

[6]曹立虎，张遂安，石惠宁，等.沁水盆地煤层气水平井井筒煤粉迁移及控制[J].石油钻采工艺，2012，34（4）： 93-95.

[7]刘升贵，郝耐，王建强.煤层气水平井产能控制因素分析及排采实践[J].煤炭学报，2012，37（6）：957-961.

[8]夏冬，杨天鸿，徐涛，等.浸水时间对饱水岩石损伤破坏过程中声发射特征影响的试验[J].煤炭学报，2015，40（S2）：337-345.

[9]熊德国，赵忠明，苏承东，等.饱水对煤系地层岩石力学性质影响的试验研究[J].岩石力学与工程学报，2011，30（5）：998-1006.

[10]贾慧敏.高煤阶煤岩孔隙结构分形特征研究[J].石油化工高等学校学报，2016，29（1）：53-56+85.