沁南与鄂东原生结构煤岩压裂液滤失效应对比实验研究

刘建华，王生维，张晓飞，张业畅

（1.山西工程技术学院，山西 阳泉 045000；2.中国地质大学（武汉） 资源学院，湖北 武汉 430074；3.中联煤层气有限责任公司 古交项目部，山西 古交 030200；4.北京建设数字科技股份有限公司，北京100048）

0 引 言

煤储层渗透率低，在煤层气开发过程中经常采取水力压裂措施改造储层，在煤层中形成裂缝或扩开原生裂缝。在裂缝扩展过程中，压裂液会沿着裂缝壁面向煤储层内部滤失，严重影响了水力压裂现场施工效果，同时造成严重的储层污染。传统的压裂滤失仪，只能对煤岩芯进行实验，不能模拟原生结构的煤岩，因此不能够全面的研究煤储层的滤失能力。在借鉴了传统的压裂滤失仪结构特点后，对原有仪器设备进行改进，制造出能够测试尺寸在10 cm×10 cm×10 cm 以上原生结构煤岩样品的滤失仪设备。通过压裂滤失实验研究，找到影响滤失的主要因素，为下一步煤层气压裂降滤失提供理论依据。

1 实验仪器和样品

1.1 实验仪器

改进的压裂滤失仪主要组成部分包括：钢化玻璃夹板注水仓、3 MPa 水泵、流量计、湿度传感器、称重传感器、电子压力传感器、笔记本电脑，其中注水仓和水泵共同组成压裂液泵送系统，是实验仪器的主要组成部分，湿度传感器对湿度进行实时监测，可以反映出压裂液在煤岩中的流动情况，称重传感器对煤岩的重量进行实时监测，反映压裂液在煤岩中的滤失量，压裂液滤失实验仪示意如图1 所示。

图1 压裂液滤失实验仪示意Fig.1 Schematic of fracturing fluid filtration tester

1.2 实验样品

实验采取沁南和鄂东大块原生结构的煤岩。

沁南煤岩采自沁水盆地南部寺河矿，煤样尺寸235 mm×285 mm×125 mm，宏观煤岩类型整体为半亮煤，煤体结构保存较为完整，煤质较硬，节理发育，易破碎。煤岩中镜煤条带很发育，宽度在1~ 4 mm，平行于层理面发育，条带间距在5 ~ 10 mm，镜煤条带中小裂隙较为发育，密度6 条/cm。发育垂直于镜煤条带的节理裂隙，长度为3 ~ 11 cm，发育密度4 条/cm。

鄂东煤岩采自鄂尔多斯盆地东部柳林矿，煤岩大小为320 mm×175 mm×200 mm，宏观煤岩类型整体为半暗煤，煤体结构保存较为完整，煤质较硬，节理较发育，不易破碎。煤岩中镜煤条带不发育，小的节理裂隙仅发育在镜煤和亮煤中，长度在1 ~ 4 mm，垂直于层理面发育，条带间距大致等距，密度1 条/cm。

通过对比，鄂东煤岩镜煤条带不发育，且仅发育少量长度在1~4 mm 的小节理裂隙，发育密度小，发育密度1 条/cm；而沁南煤岩镜煤条带很发育，镜煤条带中小裂隙很发育，发育密度6 条/cm，除发育小裂隙之外，沁南煤岩还发育延伸长度在3 ~ 11 cm 的节理裂隙，发育密度4 条/cm。整体上来看，无论是小裂隙还是大的节理裂隙，沁南煤岩都更发育。

2 实验步骤

2.1 实验准备阶段

测出的原煤的初始重量M1，对实验仪器进行调试，检查线路是否正常。准备实验注入液体，实验使用的液体为清水。

2.2 实验阶段

打开水泵，开始注入清水，并实时观察和记录实验过程中的湿度、重量、压力。保存湿度传感器、称重传感器、流量计、压力表所测得的实验数据；观察清水在煤岩样品的侧壁流出的情况，将整个注液过程录像；将煤岩取出，测得实验后煤岩的总重量为M2。

2.3 实验效果评价（实验结果与数据处理）

观察、描述注入清水后煤岩特征，分析滤失效果。湿度变化分析清水流动情况；流量、压力变化，分析压裂液注入难易程度；重量变化用于分析滤失量。

3 实验效果评价

3.1 实验现象

实验开始，采取泵送压力均为2 MPa。沁南煤岩在清水充满玻璃注水仓3 s 后，就有水从煤岩裂隙流出，该裂隙是煤岩中最宽的裂隙，1 min 后清水不仅从该裂隙流出，也渐渐从其他裂隙渗出，泵注的水流通过裂隙，顺着裂隙滤失，在泵注过程中未形成憋压。鄂东煤岩在清水充满玻璃水仓15 s后，才有水从裂隙轻微渗出，2 min 后煤岩中的多条裂缝有清水渗出，但在泵注过程中压力出现上升，至2.2 MPa。

3.2 实验分析

3.2.1 重量数据分析

将试验中记录的总重量减去仪器的重量，得到清水滤失到煤岩后的总重量，即压裂液滤失量，做出压裂液滤失量随时间的变化曲线（图2）。实验数据显示，无论是沁南煤岩还是鄂东煤岩，滤失量随时间呈直线上升趋势，滤失一定时间后，滤失量不再增加。但是鄂东煤岩的滤失总量或者滤失速率（单位时间的滤失量） 均低于沁南煤岩。

图2 煤岩测试重量变化曲线图Fig.2 Chart of weight change of coal rock test

3.2.2 湿度数据分析

通过MATLAB 对测得湿度数据进行四维拟合，得到湿度拟合结果，拟合结果的颜色深浅代表湿度的高低。通过颜色的变化可以直观地观察煤岩与湿度传感器接触点附近的湿度变化。从拟合结果来看，随着实验的进行，煤岩湿度整体是呈上升趋势，但与沁南煤岩相比，鄂东煤岩整体湿度变化较小。

3.2.3 现象分析

无论是沁南煤岩还是鄂东煤岩，底部湿度传感器显示清水由注水端向远端逐渐滤失。在沁南煤岩中，大的节理裂隙更为发育，且裂缝宽度、延伸长度更大，清水流动受到的阻力相对较小，滤失速度相对快。而在鄂东煤岩中，裂隙发育少，尤其节理裂隙发育较少，清水滤失速度相对较慢。通过实验说明节理裂隙是清水的主要滤失途径，煤储层中节理裂隙的发育程度将很大程度影响压裂液的滤失速度。

4 结 论

（1） 通过改进的滤失仪设备对大块原生结构的煤岩进行滤失实验，可以较为准确地模拟原生煤岩的滤失情况。压裂液的滤失受原生节理裂隙发育特征的影响，压裂液（清水） 主要沿着原生裂隙的壁面向周围滤失，这些原生裂隙大部分为煤岩中的原生节理裂隙，小部分为内生裂隙。沁南煤岩中原生节理裂缝更为发育，裂隙规模较大，且连通性较好，导致沁南滤失量和滤失速度较鄂东煤岩相对较大。

（2） 在裂缝发育的地区，原生节理裂隙和内生裂隙较为发育，实施压裂改造煤储层时，在裂缝扩展过程中，压裂液会沿着原生节理裂缝壁面向煤储层内部滤失，大大降低压裂效果，同时严重污染储层。因此针对裂缝发育的煤储层，在压裂过程中，必须采取合理的手段有效控制压裂液滤失。