煤岩压裂滤失效应实验研究

张晓飞 刘建华 刘 征 王生维

(1.中联煤层气有限责任公司太原分公司，山西 030000；2.山西工程技术学院，山西 045000；3.中国地质大学(武汉)资源学院，湖北 430074；4.煤与煤层气共采国家重点实验室，山西 048006)

1 验仪器与实验对象

1.1 实验仪器

本次实验利用的是动态滤失实验仪器，该仪器的主要组成部分有氮气瓶、调压阀、中间容器、环压表、进口压力表、夹持器、手摇泵等(图1)。其中氮气瓶的作用是提供轴向压力来驱替压裂液，调压阀可以控制轴压的大小，中间容器用于盛放压裂液，夹持器用来放置钻取的煤芯，手摇泵用来对夹持器施加环压，环压表和进口压力表用来显示对应的压力值。

图1 动态滤失仪结构示意图

1.2 实验对象

选取4个鄂尔多斯盆地东部柳林地区的煤芯，用编号L1～L4表示，选取4个沁南端氏地区煤芯，用编号Q5～Q8表示。

1.3 煤岩芯微裂隙发育情况

观察鄂尔多斯盆地东部柳林地区和沁南端氏地区煤芯中的微裂隙发育情况，如图2、3所示。

图2 鄂东柳林煤芯微裂隙

图3 沁南端氏煤芯微裂隙

通过显微镜下观察发现，两个区块钻取的煤芯中微裂隙发育情况有很大不同。鄂东盆地煤岩中微裂隙相对比较发育，裂隙开度较大，最大值可达125μm，但是大部分的裂隙被粘土矿物填充，裂隙延伸长度较短，且很多裂隙不连续。而沁南地区的煤岩中微裂隙开度较小，但裂隙中基本没有被其他矿物质填充现象，裂隙延伸距离较长。

2 实验过程

利用钻机钻取直径为25～30mm，具有一定长度的煤芯(图4)。将直接钻取的煤芯取出，将两个端面磨平，且端面与煤芯垂直。制取具有相同长度的煤岩芯，放置阴凉处晾干煤芯。

图4 煤芯示意图

配置实验用溶液，液体为与煤层水相似矿化度的标准盐水。在驱替液烧杯中装入配好的标准盐水。将高压氮气瓶气瓶和岩心夹持器连接到精密平流泵。把煤芯装入岩心夹持器并固定锁紧。首先利用液压泵给岩心夹持器加围压，固定围压至3MPa。然后打开高压氮气瓶，初次设定轴压为1MPa。待驱替液通过煤芯从夹持器出口流出达到稳定。记录实验中进口压力、出口流量。实验后将煤芯取出，擦拭表面溶液，测量煤芯的重量(M1)。改变驱替液的进口压力，即轴向压力为2MPa，重新上述实验。将煤芯烘干后测量干重(M2)。更换煤芯和标准盐水重复试验。

3 实验结果

残留在煤芯中的驱替液重量即压裂液滤失在煤岩中的重量。实验中分别设置1MPa和2MPa两种不同的驱替压力，分别测试鄂东柳林地区和沁南端氏地区的煤芯在不同驱替压力下的滤失量，实验结果如表1。

为了使实验数据可以达到对比的效果，需要均一化实验数据，将表1中的煤芯干重和滤失量(残留量)数据换算成长度为30mm的煤芯中压裂液的滤失量，换算公式为：转换后重量=(实测重量/煤芯长度)×30，其中实测重量表示实测的烘干后的煤芯重量在不同驱替压力(轴压)下的压裂液滤失量。转换后的实验结果如表2。

表1 实验结果记录

表2 实验数据处理结果

实验选取的鄂尔多斯的煤样与沁水盆地的煤样的视密度相差不大，但是根据表2的数据处理结果，所测的滤失量相差比较大。滤失在单位长度(30mm)煤芯中的驱替液含量为0.38～2.88g。驱替液在鄂东柳林地区煤芯的滤失量为0.38～1.03g，在沁南端氏煤芯中的滤失量为0.50～2.88g。由于30mm的煤芯的体积约为14.7cm3，计算得出，煤岩中单位体积压裂液的滤失量量约为0.026～0.19g/cm3。其中鄂尔盆地东缘柳林地区煤芯的滤失能力是0.026～0.07g/cm3，而沁南煤芯的滤失能力是0.034～0.19g/cm3。

当轴压从1MPa增加到2MPa后，驱替液的滤失量均略有增加，但增加幅度不大，且沁南煤芯增量略大于鄂东柳林煤芯的增量(图5)。

图5 滤失量与驱替压力关系图

4 实验结论

(1)不同地区的煤岩芯滤失量差异很大，沁南端氏地区煤岩芯的滤失能力要远高于鄂东柳林地区，其中鄂尔盆地东缘柳林地区煤芯的滤失能力是0.026～0.07g/cm3，而沁水盆地南部南端氏地区煤芯的滤失能力是0.034～0.19g/cm3。

(2)当轴压从1MPa增加到2MPa后，驱替液的滤失体积略有增加，增加幅度不大。且沁南煤芯增量略大于鄂东煤芯的增量。

(3)结合煤岩芯的裂隙发育程度，可知微裂隙发育情况对于驱替液在煤芯的滤失能力有着重要影响。虽然显微镜下的观察结果显示鄂尔多斯盆地东缘柳林地区煤样的裂隙更为发育，但因鄂东柳林地区煤芯中裂隙大部分被粘土物质充填，导致其滤失量小，而沁南端氏地区煤芯中的裂隙比较发育，使得滤失量较大，为煤层气井压裂降滤失提供理论依据。

(4)对于割理和微裂缝发育的煤岩来说，在压裂裂缝扩展过程中，压裂液会沿着裂缝壁面向煤储层内部滤失。在压裂施工中，如果注入压裂液排量和总注液量不变，煤储层的滤失量越大，能够形成的压裂裂缝体积就越小，相互沟通的裂缝数量越少。压裂液滤失量大会产生很多不利影响。在压裂过程中，由于割理和微裂缝的存在，大大地增加了压裂液在煤层中的滤失。因此煤储层水力压裂过程中尤其是沁南地区，更须有效的控制压裂液滤失。