压裂液浸泡对高阶煤力学性质的软化机理

陈立超，王生维，张典坤

(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.煤与煤层气共采国家重点实验室，山西省晋城市，048204；3. 中国地质大学资源学院，湖北省武汉市，430074)

水力压裂改造范围内煤储层与压裂液间水-岩反应及其对储层岩石力学性能的影响对于储层水力压裂效果长期评价、气藏开发效果提升具有实际意义[1-3]。煤储层岩石力学性质变化一方面导致煤岩体弹性能衰减，制约气藏流体驱动效率；另一方面，煤岩体软化导致压裂裂缝壁面垮塌及次生裂缝壁面失稳，裂缝通道导流能力下降；同时，软化导致煤体对压裂液阻隔能力下降，压裂液侵入深度增大，加剧了储层伤害程度和解堵难度。围绕储层岩石与压裂液水岩作用对岩石物性影响方面，学者采用氮气吸附和扫描电镜(SEM)、红外光谱等表征手段，探究不同体系压裂液处理对煤岩孔隙结构的影响[4]、压裂液对煤岩渗流性能的微观影响机理[5-6]以及活性剂对高阶煤润湿性的改性效果[7]等方面问题。

针对钻完井液与储层接触对岩石力学性能影响问题，康毅力等[8]、晏军等[9]、HUANG Ting等[10]开展了钻完井工作液浸泡前后页岩力学性能、岩石变形和破坏规律及岩石脆性演化特征方面的比较分析；刘向君等[11]通过三轴抗压实验研究多组钻井液体系对泥岩强度特性的影响；刘厚彬等[12]、卢运虎等[13]通过室内实验分析了钻井液浸泡下深部泥岩强度弱化规律，并从微观角度提出试样变化的机制；陈田等[14]通过自制浸水装置，获得了煤样峰值应力、弹性模量随着浸水次数的变化规律。此外在压裂液与岩石相互作用过程与机理问题研究基础之上，国内学者还分别针对页岩[15-16]、煤岩[17-18]与不同钻完井工作液体系间适应性开展研究，上述工作为非常规储层钻完井工作液适配性评价提供了新的思路。

综上认为，目前在非常规储层岩石与钻完井工作液间水-岩作用及其对储层岩石力学性质影响问题研究，多采用单轴、三轴力学实验从宏观尺度对储层岩石力学性质变化进行表征，而开展细观层次小尺度试样的研究甚少。因此，笔者利用压痕实验对不同压裂液体系浸泡前后高阶煤小尺寸样品(厘米级)力学性质的对比研究，获取水-岩作用后的高阶煤维氏硬度(Hv)的值，分析不同压裂液体系浸泡对高阶煤力学性质的影响规律，并探讨了压裂液浸泡对高阶煤力学性质的影响机制，以期为高阶煤储层压裂液伤害理论深化与水力压裂效果长期评价提供科学参考。

1 样品与实验

1.1 实验流程

本实验选用内蒙古阿拉善二道岭矿区2-1煤为试样，该高阶煤样品自然状态下组分特征、微观结构及弹性力学性质等详见文献[19]，4组高阶煤样品(厘米级)分别置于清水(CW)、活性水(AW)、高粘活性水(GAW)及瓜胶压裂液(GF)体系中浸泡，室温条件下浸泡1 440 h。为防止压裂液中水分蒸发采取膜覆盖保证封闭，实验流程如图1所示。实验中清水压裂液组成为10 g KCl、400 mL水；活性水组成为5 ml AOE-7表面活性剂、5 g KCl、490 mL水；高粘活性水组成为0.41 g瓜尔胶、2 g KCl、2 g NaOH、0.61 g过硫酸铵、2 ml AOE-7表面活性剂、492.98 mL水；瓜胶压裂液组成为1.4 g瓜尔胶、10 g KCl、1 g NaOH、0.5 mL防腐剂、1.45 g过硫酸铵、485.65 mL水。

图1 高阶煤压裂液浸泡实验框架及压痕法测试原理

1.2 维氏硬度测试原理及计算方法

高阶煤样品浸泡1 440 h后取出，利用内蒙古工业大学材料力学实验室显微硬度计(HXO-1000TM)进行压痕测试，压头与样品接触作用时间15 s，压头载荷分别设定为0.5、1.0、2.0、3.0 N四档，显微镜下获取不同压头载荷在样品表面作用形成的压痕半径(a)、压痕面积(F)。并利用式(1)计算了不同压裂液体系浸泡、不同加载载荷条件下煤岩维氏硬度(Hv)值。

(1)

式中：P——压头载荷，N；

F——压痕面积，mm2；

a——压痕半径，mm。

清水(CW)、活性水(AW)、高粘活性水(GAW)及瓜胶压裂液(GF)体系浸泡后高阶煤在0.5、1.0、2.0、3.0 N四档加载条件下的压痕半径和维氏硬度(Hv)计算结果详见表1。

表1 压裂液浸泡后高阶煤力学性质(维氏硬度)计算结果

2 压裂液浸泡后高阶煤力学损伤特征及规律

2.1 不同压裂液浸泡后高阶煤力学损伤特征

由表1计算结果得出，压裂液浸泡后高阶煤维氏硬度值与自然干燥状态下相比衰减显著。同时，不同压裂液体系浸泡对高阶煤损伤程度差异亦较大，其中高阶煤在清水(CW)、活性水(AW)、高粘活性水(GAW)、瓜胶(GF)4种压裂液浸泡1 440 h后维氏硬度(Hv)分别为46.1、175.7、63.3、50.1 N/mm2，与自然干燥状态下相比分别减小了434.4、304.8、417.2、430.4 N/mm2。整体上，瓜胶压裂液浸泡后高阶煤力学性质软化损伤最为严重，而活性水压裂液浸泡对煤岩的损伤作用最微弱。说明在高阶煤储层改造中活性水压裂液能够长期地保障储层岩石弹性能，维持煤层气藏流体产出的驱动能量和效率。

同时，笔者依据煤岩维氏硬度的变化特征规律，提出基于高阶煤维氏硬度的“煤岩软化系数(SC)”参数。煤岩软化系数是指煤岩受外部钻完井工作液浸泡等接触影响，致使煤岩分子聚合键断裂及其内部结构发生改变，使其岩石力学性质发生软化效应，导致煤岩整体抗压入能力的衰减。同时该参数可反映煤岩力学性质相较自然状态下的损伤幅度。煤岩软化系数计算方法如下：

(2)

式中：Hnv——自然干燥状态下的煤岩维氏硬度值，N/mm2；

Hsv——压裂液浸泡后软化损伤煤岩维氏硬度值，N/mm2。

表1计算结果表明，压裂液浸泡对煤岩的软化损伤实质是煤岩抗压入能力的减弱，即维氏硬度的下降。压裂液浸泡后软化损伤状态下的高阶煤宏观形貌及光泽特征如图2所示。由图2中可知，煤岩在压裂液体系浸泡后其软化损伤程度与煤岩表面的光泽关系密切，即煤岩损伤软化程度越严重，煤岩表面光泽越暗淡。活性水压裂液浸泡后高阶煤的软化损伤程度最轻微，煤岩表面光泽最亮，在气泡图中代表材料光亮的黄色气泡个数越多；反观软化损伤最严重的瓜胶压裂液浸泡后的高阶煤试样，表面光泽最为暗淡，在气泡图中代表暗淡的黑色气泡数量居多。笔者依据式(2)分别计算出清水(CW)、活性水(AW)、高粘活性水(GAW)、瓜胶(GF)压裂液浸泡后高阶煤的软化损伤系数(SC)分别为0.90、0.63、0.87、0.90，计算结果与压裂液浸泡后高阶煤的宏观形貌特征相符。

图2 压裂液浸泡后软化损伤煤岩宏观形貌及光泽特征

2.2 压裂液浸泡后高阶煤维氏硬度随压头载荷变化规律

压裂液浸泡后高阶煤压痕半径及维氏硬度随压头载荷变化特征如图3所示，高阶煤在清水(CW)、活性水(AW)、高粘活性水(GAW)及瓜胶(GF)压裂液浸泡后其压痕半径及维氏硬度随压头载荷变化规律不同，图3(a)反映活性水(AW)压裂液浸泡后高阶煤压痕半径与压头载荷(P)之间相关性不敏感，说明活性水压裂液浸泡对高阶煤的软化损伤作用轻微，而高粘活性水(GAW)压裂液浸泡后高阶煤压痕半径随压头载荷增加存在显著正相关关系，清水(CW)、瓜胶(GF)压裂液浸泡后高阶煤压痕半径随压头载荷增加而迅速增大，二者敏感性较强。从图3(b)中得知，活性水压裂液浸泡后高阶煤维氏硬度值随压头载荷增加而迅速增大，相关性较强。说明高阶煤微观结构仍较致密，抗压入能力较强，在低载荷下压头难以压入煤岩，当施加载荷达到临界值时压头突然压入，从图3(b)中红色曲线看出3.0 N载荷施加下压头尚未完全侵入煤岩，高阶煤刚度较大、“门限”压入压力较高；而清水、瓜胶及高粘活性水压裂液浸泡后高阶煤维氏硬度随压头载荷变化不明显，说明压裂液浸泡对高阶煤产生了软化损伤，煤岩抗压入能力较弱，压头在较低载荷情况下即可侵入样品内部，“门限”压入压力较低。

图3 压裂液浸泡后高阶煤压痕半径及维氏硬度随压头载荷的变化特征

3 压裂液浸泡对高阶煤力学性质损伤机理的分析

压裂液浸泡对高阶煤力学性质损伤机理包括：

(1)压裂液侵入煤岩导致天然裂隙端部产生应力集中，应力强度因子K增大，致使煤岩断裂韧度相对自然干燥状态降低，煤岩抗裂能力减弱；

(2)压裂液侵入在裂缝壁面形成“润滑”效应，提高了高阶煤受压条件下破岩效率[19-21]；

(3)压裂液的浸润对高阶煤聚合键的破坏抵消了裂缝端部能垒，一定程度上也削弱了煤岩阻裂能力[22]。

不同压裂液浸泡后高阶煤力学损伤特征与机制如图4所示。由图4(a)可知，当清水压裂液(CW)浸泡样品时，压裂液与煤岩润湿性较好，压裂液沿煤岩天然裂隙侵入并在裂隙内形成连续相液柱楔。液柱楔一方面在裂隙端部产生应力集中加速高阶煤破坏，另一方面液柱在裂隙面位置充当润滑剂，降低了煤岩破坏的剪应力(ε)，加速了煤岩的破坏。当硬度计压头加载时，初期载荷较低压痕半径增速较慢，后期随压头载荷增大压痕半径快速递增，如图4(b)所示；随着压头载荷增大，高阶煤维氏硬度值初期略有下降，中期上升，后期降低，如图4(c)所示。

由图4(d)可知，活性水压裂液(AW)浸泡煤岩时，由于活性水与煤岩间的疏水作用，活性水侵入煤岩裂隙内多以不连续液珠形式赋存，难以在天然裂隙端部形成应力集中及润滑效应，高阶煤压痕半径随压头载荷增大初期略下降后回升，如图4(e)所示，煤岩维氏硬度上随压头载荷的增加快速递增，如图4(f)所示。

由图4(g)可知，侵入煤岩内部的高粘活性水(GAW)以不连续液珠形式赋存，在裂隙端部产生应力集中效应有限，煤岩试样压痕半径随压头载荷增加快速提升，如图4(h)所示，煤岩维氏硬度随压头载荷增大变化则不明显，如图4(i)所示。

由图4(j)所示，瓜胶压裂液(GF)浸泡煤岩时，由于瓜胶压裂液剪切应力大，常附着在天然裂缝壁面，从而在裂隙内形成连续相、在裂隙端部形成应力集中，加速煤岩破坏的速率。煤岩试样压痕半径随压头载荷增加初期缓慢增大，后期快速递增，如图4(k)所示，高阶煤维氏硬度上随压头载荷增加变化不明显，如图4(l)所示。

图4 不同压裂液浸泡后高阶煤力学损伤特征与机理

总体而言，活性水和高粘活性水压裂液与高阶煤接触对岩石软化作用最为轻微，对于维持煤储层岩石弹性能、保障储层岩石坚固性具有积极意义。

4 结论

(1)高阶煤在清水(CW)、活性水(AW)、高粘活性水(GAW)、瓜胶(GF)4种压裂液中浸泡1 440 h后维氏硬度(Hv)分别降为46.1、175.7、63.3、50.1 N/mm2，与自然干燥状态下的高阶煤岩维氏硬度值相比分别减小了434.4、304.8、417.2、430.4 N/mm2。

(2)提出了“煤岩软化系数”参数，其中清水、活性水、高粘活性水及瓜胶4种压裂液浸泡后高阶煤的软化损伤系数(SC)分别为0.90、0.63、0.87、0.90。活性水压裂液浸泡高阶煤其软化损伤程度最轻微。

(3)认为压裂液滤液侵入导致高阶煤天然裂隙端部应力集中，致使岩石断裂韧度相对自然干燥状态降低，压裂液侵入在裂缝壁面形成润滑效应以及压裂液分子对高阶煤聚合键的破坏抵消裂缝端部能垒作用，是导致压裂液浸泡对高阶煤软化损伤的机理。

(4)对于高阶煤储层水力压裂作业，为保障储层能量有效驱替煤层气藏流体产出，活性水及高粘活性水压裂具有一定优势。