基于渗水试验的煤岩压裂液静态滤失特征分析

陈立超 王生维 张典坤 孟祥凯

(1.内蒙古工业大学矿业学院，内蒙古自治区呼和浩特市，010051；2.晋煤集团煤与煤层气共采国家重点实验室，山西省晋城市，048204；3.中国地质大学(武汉)资源学院，湖北省武汉市，430074)

与常规储层相比，煤储层压裂液滤失由于天然孔裂隙系统极其发育且这些天然缺陷后期主导了压裂液滤失的路径和空间，因而煤储层压裂液滤失表现出滤失液量大、液体滤失空间非均质性极强的特征，查明不同损伤程度煤岩压裂液滤失动力学方式及滤失速率变化规律，尤其是获得压裂液静态滤失路径、流量及流速等参数对于压裂液降滤失剂选择、尺寸优化及降滤工艺改进具有实际意义[1-2]。

长期以来关于压裂液滤失特征机理、降滤失材料与工艺优化一直是业内关注的热点问题之一。在压裂液滤失动力学方面，郭建春等研究人员构建了天然裂缝储层压裂液滤失数学模型，提出在裂缝面高分形维数条件下压裂液滤失速度增大，且提升压裂液温度会显著增大滤失程度的结论[3]；韩金轩等研究人员将裂缝动态渗透率和煤储层裂缝-孔隙型双重介质特性结合，建立煤储层压裂液滤失模型，模型拟合结果表明裂缝渗透率的动态变化导致天然裂缝中滤失量几十倍的增加[4]；李爱芬等研究人员建立了计算压裂液滤失深度及滤失速度的新模型，运用预处理共轭梯度法求解压裂液滤失深度、滤失速度，应用该模型计算了滤失压差、压裂液粘度及界面张力对二者的影响[5]；游先勇等研究人员建立了基于渗透率张量的裂缝性储层压裂液滤失模型，认为天然裂缝发育带的走向在宏观上决定了压裂液的滤失方向和压力波的传播方向，压裂液会沿着长裂缝进行滤失[6]；Amir Ghaderi等研究人员利用内聚单元法和扩展有限元法研究了天然裂缝及诱导裂缝对压裂液滤失程度的影响[7]；在压裂液滤失试验研究方面，吕其超等研究人员设计了压裂液动态滤失及岩心伤害测试装置，研究了剪切速率、滤失压降、岩心渗透率这3种因素对压裂液滤失量、滤失系数及岩心伤害率的影响，并与常规胍胶压裂液进行了对比分析[8]；AymenAl-Ameri等研究人员利用自吸试验、稳态渗透试验及数值模拟研究了非常规储层压裂裂缝两侧储层伤害的特征规律，提出高分子聚合物吸附导致后续压裂液滤失速度减缓的结论[9]；在压裂液滤液控制技术及储层伤害方面，林波通过对GRF压裂液滤失影响因素的研究发现，当液测渗透率高于0.01 μm2时，压裂液滤失系数增大速率较快，要考虑辅助的滤失控制措施(如氮气伴注)[10]；郭建春等研究人员针对压裂液破胶过程微观伤害机制进行了深入研究[11]；周同等研究人员分析了页岩储层因压裂液自吸作用而导致的压裂裂缝壁面软化过程及其对储层整体导流能力的影响，并利用核磁共振手段研究了压裂液自吸后水岩反应[12]。从上述文献不难发现，目前针对不同损伤程度煤体在不同压裂液体系下的宏观滤失路径、压裂液滤失动力学方式以及滤失微观机理影响因素等有待系统研究，尤其是基于渗水试验的煤岩静滤失特征研究工作尚未见报道。

因此，笔者基于路面渗水试验思路，设计开展了3组大尺寸(350 cm3)长方体煤岩试样静态渗水试验，对煤储层水力压裂中常规活性水(清洁)压裂液、冻胶压裂液介质通过原生结构煤样、构造煤样条件下的静态滤失特征参数(累积滤失量、渗水系数、渗透速率等)等进行试验研究，构建了清洁、冻胶压裂液静态滤失过程中渗水系数、渗透速度与压裂液累计滤失量间的定量关系，探讨了活性水、冻胶压裂液通过原生结构煤样、构造煤样过程中渗水系数、渗透速度参数特征变化规律及微观影响机理，以期为煤储层压裂液滤失机理深化、降滤失材料优选及工艺优化提供科学参考。

1 试验材料特征

1.1 煤岩样品特征

本次渗水试验煤岩样品采自内蒙古准格尔煤田6#煤层，煤阶为长焰煤(Ro,max=0.73)，煤岩宏观类型为半亮-半暗煤，条带状结构清晰，按照裂隙发育程度分为原生结构煤和构造煤。其中原生结构煤样整体裂隙发育密度较低，节理线密度在10条/5 cm以下，裂隙类型主要为卸荷张裂隙及煤岩因脱水形成的干湿循环型裂隙，煤岩整体刚度较大，弹性模量较高，煤样横向非均质性不显著，但垂直层理方向为致密煤岩分层与裂隙发育煤岩分层互层，非均质性较强；构造煤样裂隙发育密度较高，节理线密度在12条/5 cm以上，而且煤岩因卸荷作用后期节理张开度增大，节理将煤岩分层切割成若干厘米级的煤基岩块，形成了多个煤基岩块的堆砌结构。宏观上煤岩非均质性显著，主干节理缝对煤岩整体渗透性能和渗流途径具有关键控制作用。煤样节理缝内煤粉颗粒含量较多，属于内生裂隙型分散煤粉源[13]。

1.2 压裂液配制

本次渗水试验采用清洁压裂液和冻胶压裂液作为介质，2种压裂液按照50 mL的体积进行配比。试验所用压裂液配比参数见表1。

表1 试验所用压裂液配比参数

2 煤岩渗水试验

由于煤样内孔裂隙缺陷极度发育，导致材料具有无序性、层次复杂性且空间非均质性极强的结构特征。笔者利用静态常压渗入法对大尺寸(长×宽×高为10 cm×7 cm×5 cm)的长方体原生结构煤、构造煤煤样压裂液静态滤失特征进行试验研究，由于所用煤样大小涵盖煤储层内生裂隙、气胀节理及小型构造节理[14-15]的尺度范围，因此能够获取不同损伤程度的煤岩压裂液滤失非均质性及液体滤失静态参数特征的变化规律。大尺寸煤样渗水试验原理如图1所示。

图1 大尺寸煤样渗水试验原理

试验过程中利用量筒内压裂液液柱自重作为工作液滤失动力，在液体自然下渗过程中记录量筒内的液面变化，换算压裂液渗入压力、压裂液渗水系数和渗透速度等参数，同时观测压裂液滤失渗入路径和分布空间等现象。

为避免在渗水过程中出现诸如水-岩作用等对渗入特征参数干扰的可能性，本次试验作如下假设：

(1)煤样为弹性材料，裂缝撑宽将导致两侧煤岩基质弹性形变；

(2)压裂液渗流过程不考虑水-岩热交换等，热效应暂不考虑；

(3)暂不考虑煤岩-压裂液间的水-岩化学反应；

(4)渗流过程压裂液的粘度和流变性无变化，液体连续下渗；

(5)渗入过程暂不考虑外边界条件。

由于本次试验介质渗入动力为液柱自重，驱动压差较低，因此本次共进行3大类试验，即清洁压裂液渗入原生结构煤试验、冻胶压裂液渗入原生结构煤试验及清洁压裂液渗入构造煤试验，而未设置冻胶压裂液渗入构造煤试验。每类试验共进行4组，期间向4块煤样中分别渗入50 mL体积的压裂液，后期记录量筒内液柱下降特征及煤岩试样的渗水特征现象，包括：压裂液滤失渗入的通道路径、压裂液固相颗粒滤饼分布特征、渗水系数、渗水速度随时间变化规律等。

3 试验结果与分析

3.1 清洁压裂液渗入煤岩压裂液滤失试验现象

清洁压裂液渗入原生结构煤样主要通过煤岩内生裂隙渗流和煤基岩块致密基质扩散渗透的形式进行，其中内生裂缝部位压裂液快速推进形成指进，该位置压裂液侵入深度较大；相对而言，清洁压裂液渗入构造煤样方式则主要通过沟槽流和窜流形式，压裂液优先沿构造裂缝部位突进，整体上液体滤失速度较快，属于裂缝型滤失。

3.2 冻胶压裂液渗入煤岩压裂液滤失试验现象

冻胶压裂液渗入大尺寸煤样压裂液滤失试验特征现象如图2所示。

图2 冻胶压裂液渗入大尺寸煤样压裂液滤失试验特征现象

由图2(a)可以看出，冻胶压裂液渗入原生结构煤样基质部位的动力学方式主要为基质渗透，液体主要沿煤岩基质表面挤渗并形成薄层瓜尔胶滤饼，压裂液渗流的路径主要是沿煤基岩块的基质部位的开放性孔隙、微裂隙，少量压裂液通过原生层理面和内生裂隙缝损失，期间量筒液面下降速度较慢，表明此类型压裂液滤失的速度慢、滤失程度较轻；由图2(b)可以看出，冻胶压裂液渗入原生结构煤样中小裂隙部位的动力学方式主要为渗流(或沟槽流)，压裂液多沿煤样水平层理及大裂隙(虚线)方向快速推进，期间量筒液面下降很快，在煤样基质部位可见大量瓜尔胶聚合物滤饼，而在裂隙部位则未发现瓜胶，这说明瓜胶已侵入煤样内部形成深层伤害；由图2(c)可以看出，冻胶压裂液渗入煤样大裂隙部位的动力学方式则是通过裂缝滤(漏)失形式，压裂液沿构造煤样密集的垂向裂缝推进，液体渗滤推进速度较慢，但由于煤样该部位裂隙张开程度高且瓜胶分子侵入深度较大，表明该情况下压裂液滤失伤害程度更严重。后期随着煤样大裂隙内聚合物积聚将裂缝堵塞，压裂液滤失速度逐渐减缓[16]。

3.3 煤岩渗水系数、渗透速度计算结果

借鉴路面渗水研究理论[17-18]，提出煤岩压裂液滤失渗水系数及渗透速度的概念。其中煤岩压裂液渗水系数为单位时间内向煤岩内部滤失渗入的液体总量，由于该体积量同样受渗滤截面积的影响，因此单位渗滤截面积下的渗水系数也称为渗入率；煤岩压裂液滤失渗透速度是指压裂液向煤岩渗入中单位时间内侵入的深度，仅与压裂液粘度、煤岩孔渗性等因素有关。渗水系数及渗透速度计算方法见式(1)和式(2)：

(1)

式中：C——压裂液渗水系数，mL/min；

V2、V1——分别为渗水过程中量筒先后读到的体积刻度，mL；

t1、t2——分别为渗水过程先后读取刻度的时间点，s。

(2)

式中：V——渗透速度，cm/s；

S——试验中的渗滤截面积，cm2。

基于煤岩渗水试验记录，分别计算了12组试验中不同累计滤失量下的渗水系数及渗透速度的值，压裂液渗入原生结构煤、构造煤样渗水系数及渗透速度参数计算结果见表2。

由表2计算结果可知，随着累计滤失量的增加，渗水系数及渗透速度逐渐减小，相对冻胶压裂液体系，清洁压裂液体系的初滤失现象更为显著。

3.4 清洁压裂液渗入原生结构煤滤失参数变化

当清洁压裂液通过原生结构煤样时，其渗水系数与液体渗透速度随着累计滤失量(滤失时间)的增加均呈幂函数形式下降。其中渗水系数与压裂液累计滤失量的数学关系可用y= 663.63x-2.088描述，二者相关性较好(R2=0.871)；渗透速度与累计滤失量的数学关系为y=2.2804x-2.092，表明随着压裂液滤失作用过程的进行，煤岩内部孔隙流体内压逐渐升高，而量筒内液柱压力则逐渐降低，导致工作液下渗的压差动力减弱，加之随着工作液的不断渗入，带动煤岩内煤粉颗粒启动运移将孔裂隙渗水通道堵塞，导致随着累计滤失量的增大，压裂液渗水系数及渗透速度呈幂函数逐渐降低。清洁压裂液渗入原生结构煤滤失参数随累计滤失量变化规律如图3所示。

表2 压裂液渗入原生结构煤、构造煤样渗水系数及渗透速度参数计算结果

由图3可以看出，压裂液滤失初期渗水系数和渗透速度均较大，而且滤失初期二者的衰减速度也最快，这说明对于煤岩试样其初期滤失程度最高，推测为煤岩干燥性及孔裂隙吸水能力较强导致，后期随着压裂液的不断渗入，煤岩内部孔裂隙水趋于饱和状态，渗水系数及渗透速度的衰减速度和幅度与初期相比逐渐减弱。

3.5 冻胶压裂液渗入原生结构煤滤失参数变化

冻胶压裂液通过原生结构煤样其渗水系数与渗透速度与清洁压裂液相比较低，随着累计滤失量的增加二者同样呈幂函数形式降低。其中渗水系数与累计滤失量的数学关系可用y=34.67x-1.299表达，渗透速度与累计滤失量的数学关系为y=0.1212x-1.309，二者相关性良好(R2≈0.995)，表明渗水系数和渗透速度与累计滤失量间关系密切，主要是随着冻胶压裂液的不断渗入，煤岩内部孔裂隙的导流通道被冻胶压裂液中的聚合物分子堵塞，导致导流能力衰减，而且随着压裂液的不断渗入煤岩孔裂隙缺陷空间内流体压力逐渐升高，导致冻胶压裂液渗入的驱动压差降低，渗入能力下降。冻胶压裂液渗入原生结构煤滤失参数随累计滤失量变化规律如图4所示。

图3 清洁压裂液渗入原生结构煤滤失参数随累计滤失量变化规律

图4 冻胶压裂液渗入原生结构煤滤失参数随累计滤失量变化规律

由图4可以看出，冻胶压裂液渗入初期其渗水系数和渗透速度衰减幅度和速度较明显，渗入后期其衰减幅度和速度相对较为缓和。与清洁压裂液相比，冻胶压裂液渗水系数和渗透速度衰减幅度较小，推测与冻胶压裂液的粘度高和流变性显著有关。

3.6 清洁压裂液渗入构造煤滤失参数变化

清洁压裂液通过构造煤样其渗水系数和渗透速度较大，其中初期渗水系数最高可达60 mL/min，这说明清洁压裂液在构造煤中的滤失程度非常高。与前2种试验条件相比，随着累计滤失量增加渗水系数和渗透速度均呈幂函数形式递减。其中渗水系数、渗透速度与累计滤失量数学关系可分别用y=4464.3x-1.857、y=15.179x-1.858表达，相关性非常好(R2≈0.995)。清洁压裂液渗入构造煤样过程中渗水系数和渗透速度的衰减速度、幅度相对比较稳定，即初期的衰减强度与后期基本一致，表明清洁压裂液介质通过构造煤样过程中，由于构造煤样内部导流通道张开度较大不至于被启动运移的煤粉颗粒完全堵塞[19]，而且说明构造煤内部的导流通道其堵塞过程是渐进式的，这与前2种试验中煤样内部发生明显的速敏效应不同。清洁压裂液渗入构造煤滤失参数随累计滤失量变化规律如图5所示。

图5 清洁压裂液渗入构造煤滤失参数随累计滤失量变化规律

4 煤岩压裂液滤失微观影响机制

煤岩压裂液静态滤失侵入微观模式及滤失参数衰变规律如图6所示。

由图6(a)可以看出，当清洁压裂液在原生结构煤中渗滤时，压裂液渗流主要路径包括压裂液中的水分子在毛细管力和干湿循环应力作用下侵入煤样表面的开放性孔隙内，该部分滤失液量较少；大部分压裂液沿着煤样节理缝隙侵入煤岩内部，并在裂缝面上形成挤压面应力(Pw)，该力作用下裂缝被撑开并造成裂缝面两侧煤岩基质形变，导致远处封闭性孔隙内产生弹性响应(即储层孔隙流体压力)；图6(b)反映了该效应致使压裂液侵入驱动压差(Pw-Pi)逐渐降低，压裂液向煤岩滤失的渗透速度快速下降，后期衰减至滞流；由图6(c)可以看出，清洁压裂液在原生结构煤岩中滤失初滤失现象较为明显，初滤失量和初始滤失渗透速度较大，清洁压裂液粘度小流动速度较快，然后快速递减至稳定状态。

图6 煤岩压裂液静态滤失侵入微观模式及滤失参数衰变规律

由6(d)可以看出，冻胶压裂液在原生结构煤样滤失路径包括煤岩表面的开放性孔隙及节理缝，由于冻胶压裂液粘度大、分子直径大，大部分液体优先沿节理缝隙进行渗滤，但渗水系数和渗透速度较低，后期由于冻胶压裂液剪切应力大拓宽了液体渗滤缝隙，导致裂缝面两侧煤岩基质封闭性孔隙产生回弹效应；图6(e)反映了冻胶压裂液滤失驱动压差(Pw-Pi)初期下降缓慢而后期快速降低；由图6(f)可以看出，压裂液滤失渗透速度呈现了初期快速下降后期缓慢降低的规律，这与驱动压差变化规律相吻合。

由6(g)可以看出，当清洁压裂液在构造煤岩试样滤失时，液体滤失路径包括煤岩表面开放性孔隙及大量节理缝，压裂液中水分子在毛细管力作用下就近侵入裂缝面上开放性孔隙内，并置换出部分甲烷气体分子，后期游移到节理缝端部形成气顶效应，导致压裂液滤失中阻力增大，滤失渗透速度降低；由图6(h)所可以看出，由于压裂液在构造节理缝隙内的“水楔”作用，导致压裂液在滤失过程中出现驱动压差(Pw-Pi)的反复；由图6(i)可以看出，清洁压裂液在构造煤中滤失渗透速度整体平稳递减，与煤岩整体渗透性好、节理缝隙较宽难以发生速敏效应有关。

5 结语

(1)煤岩渗水试验显示，压裂液渗入原生结构煤样基质部位与裂隙部位的动力学方式分别为基质渗透和渗流(沟槽流)；而压裂液渗入构造煤样的主要动力学形式为裂缝型滤失，压裂液主要沿构造煤样垂向裂缝推进，液体侵入较深。

(2)笔者计算了三大类清洁压裂液渗入原生结构煤、冻胶压裂液渗入原生结构煤及清洁压裂液渗入碎裂构造煤共12组滤失特征参数——渗水系数和渗透速度的值，回归显示随着累计滤失量的增加，渗水系数和渗透速度呈负幂指数形式下降，其中清洁压裂液通过构造煤试验条件下，渗水系数和渗透速度与累计滤失量间数学关系可分别用y=4464.3x-1.857、y= 15.179x-1.858表达，相关性良好(R2≈0.995)。

(3)笔者认为宏观上煤岩滤失特征参数渗水系数和渗透速度主要受液体驱动压差、压裂液类型、煤岩破碎程度的综合影响，微观层次上煤岩弹性形变产生的孔隙流体压力效应、液体置换甲烷分子形成裂缝端部的气顶效应较为关键，建议在水力压裂中适当提升裂缝内净压力，通过拓宽主干压裂裂缝激励裂缝壁面两侧基质的弹性形变，减小次级裂隙的开度，有利于控制压裂液滤失。