劉建華，王生維，張曉飛，張業(yè)暢

（1.山西工程技術(shù)學(xué)院，山西 陽泉 045000；2.中國地質(zhì)大學(xué)（武漢） 資源學(xué)院，湖北 武漢 430074；3.中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司 古交項目部，山西 古交 030200；4.北京建設(shè)數(shù)字科技股份有限公司，北京100048）

0 引 言

煤儲層滲透率低，在煤層氣開發(fā)過程中經(jīng)常采取水力壓裂措施改造儲層，在煤層中形成裂縫或擴(kuò)開原生裂縫。在裂縫擴(kuò)展過程中，壓裂液會沿著裂縫壁面向煤儲層內(nèi)部濾失，嚴(yán)重影響了水力壓裂現(xiàn)場施工效果，同時造成嚴(yán)重的儲層污染。傳統(tǒng)的壓裂濾失儀，只能對煤巖芯進(jìn)行實驗，不能模擬原生結(jié)構(gòu)的煤巖，因此不能夠全面的研究煤儲層的濾失能力。在借鑒了傳統(tǒng)的壓裂濾失儀結(jié)構(gòu)特點后，對原有儀器設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)，制造出能夠測試尺寸在10 cm×10 cm×10 cm 以上原生結(jié)構(gòu)煤巖樣品的濾失儀設(shè)備。通過壓裂濾失實驗研究，找到影響濾失的主要因素，為下一步煤層氣壓裂降濾失提供理論依據(jù)。

1 實驗儀器和樣品

1.1 實驗儀器

改進(jìn)的壓裂濾失儀主要組成部分包括：鋼化玻璃夾板注水倉、3 MPa 水泵、流量計、濕度傳感器、稱重傳感器、電子壓力傳感器、筆記本電腦，其中注水倉和水泵共同組成壓裂液泵送系統(tǒng)，是實驗儀器的主要組成部分，濕度傳感器對濕度進(jìn)行實時監(jiān)測，可以反映出壓裂液在煤巖中的流動情況，稱重傳感器對煤巖的重量進(jìn)行實時監(jiān)測，反映壓裂液在煤巖中的濾失量，壓裂液濾失實驗儀示意如圖1 所示。

圖1 壓裂液濾失實驗儀示意Fig.1 Schematic of fracturing fluid filtration tester

1.2 實驗樣品

實驗采取沁南和鄂東大塊原生結(jié)構(gòu)的煤巖。

沁南煤巖采自沁水盆地南部寺河礦，煤樣尺寸235 mm×285 mm×125 mm，宏觀煤巖類型整體為半亮煤，煤體結(jié)構(gòu)保存較為完整，煤質(zhì)較硬，節(jié)理發(fā)育，易破碎。煤巖中鏡煤條帶很發(fā)育，寬度在1~ 4 mm，平行于層理面發(fā)育，條帶間距在5 ~ 10 mm，鏡煤條帶中小裂隙較為發(fā)育，密度6 條/cm。發(fā)育垂直于鏡煤條帶的節(jié)理裂隙，長度為3 ~ 11 cm，發(fā)育密度4 條/cm。

鄂東煤巖采自鄂爾多斯盆地東部柳林礦，煤巖大小為320 mm×175 mm×200 mm，宏觀煤巖類型整體為半暗煤，煤體結(jié)構(gòu)保存較為完整，煤質(zhì)較硬，節(jié)理較發(fā)育，不易破碎。煤巖中鏡煤條帶不發(fā)育，小的節(jié)理裂隙僅發(fā)育在鏡煤和亮煤中，長度在1 ~ 4 mm，垂直于層理面發(fā)育，條帶間距大致等距，密度1 條/cm。

通過對比，鄂東煤巖鏡煤條帶不發(fā)育，且僅發(fā)育少量長度在1~4 mm 的小節(jié)理裂隙，發(fā)育密度小，發(fā)育密度1 條/cm；而沁南煤巖鏡煤條帶很發(fā)育，鏡煤條帶中小裂隙很發(fā)育，發(fā)育密度6 條/cm，除發(fā)育小裂隙之外，沁南煤巖還發(fā)育延伸長度在3 ~ 11 cm 的節(jié)理裂隙，發(fā)育密度4 條/cm。整體上來看，無論是小裂隙還是大的節(jié)理裂隙，沁南煤巖都更發(fā)育。

2 實驗步驟

2.1 實驗準(zhǔn)備階段

測出的原煤的初始重量M1，對實驗儀器進(jìn)行調(diào)試，檢查線路是否正常。準(zhǔn)備實驗注入液體，實驗使用的液體為清水。

2.2 實驗階段

打開水泵，開始注入清水，并實時觀察和記錄實驗過程中的濕度、重量、壓力。保存濕度傳感器、稱重傳感器、流量計、壓力表所測得的實驗數(shù)據(jù)；觀察清水在煤巖樣品的側(cè)壁流出的情況，將整個注液過程錄像；將煤巖取出，測得實驗后煤巖的總重量為M2。

2.3 實驗效果評價（實驗結(jié)果與數(shù)據(jù)處理）

觀察、描述注入清水后煤巖特征，分析濾失效果。濕度變化分析清水流動情況；流量、壓力變化，分析壓裂液注入難易程度；重量變化用于分析濾失量。

3 實驗效果評價

3.1 實驗現(xiàn)象

實驗開始，采取泵送壓力均為2 MPa。沁南煤巖在清水充滿玻璃注水倉3 s 后，就有水從煤巖裂隙流出，該裂隙是煤巖中最寬的裂隙，1 min 后清水不僅從該裂隙流出，也漸漸從其他裂隙滲出，泵注的水流通過裂隙，順著裂隙濾失，在泵注過程中未形成憋壓。鄂東煤巖在清水充滿玻璃水倉15 s后，才有水從裂隙輕微滲出，2 min 后煤巖中的多條裂縫有清水滲出，但在泵注過程中壓力出現(xiàn)上升，至2.2 MPa。

3.2 實驗分析

3.2.1 重量數(shù)據(jù)分析

將試驗中記錄的總重量減去儀器的重量，得到清水濾失到煤巖后的總重量，即壓裂液濾失量，做出壓裂液濾失量隨時間的變化曲線（圖2）。實驗數(shù)據(jù)顯示，無論是沁南煤巖還是鄂東煤巖，濾失量隨時間呈直線上升趨勢，濾失一定時間后，濾失量不再增加。但是鄂東煤巖的濾失總量或者濾失速率（單位時間的濾失量） 均低于沁南煤巖。

圖2 煤巖測試重量變化曲線圖Fig.2 Chart of weight change of coal rock test

3.2.2 濕度數(shù)據(jù)分析

通過MATLAB 對測得濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行四維擬合，得到濕度擬合結(jié)果，擬合結(jié)果的顏色深淺代表濕度的高低。通過顏色的變化可以直觀地觀察煤巖與濕度傳感器接觸點附近的濕度變化。從擬合結(jié)果來看，隨著實驗的進(jìn)行，煤巖濕度整體是呈上升趨勢，但與沁南煤巖相比，鄂東煤巖整體濕度變化較小。

3.2.3 現(xiàn)象分析

無論是沁南煤巖還是鄂東煤巖，底部濕度傳感器顯示清水由注水端向遠(yuǎn)端逐漸濾失。在沁南煤巖中，大的節(jié)理裂隙更為發(fā)育，且裂縫寬度、延伸長度更大，清水流動受到的阻力相對較小，濾失速度相對快。而在鄂東煤巖中，裂隙發(fā)育少，尤其節(jié)理裂隙發(fā)育較少，清水濾失速度相對較慢。通過實驗說明節(jié)理裂隙是清水的主要濾失途徑，煤儲層中節(jié)理裂隙的發(fā)育程度將很大程度影響壓裂液的濾失速度。

4 結(jié) 論

（1） 通過改進(jìn)的濾失儀設(shè)備對大塊原生結(jié)構(gòu)的煤巖進(jìn)行濾失實驗，可以較為準(zhǔn)確地模擬原生煤巖的濾失情況。壓裂液的濾失受原生節(jié)理裂隙發(fā)育特征的影響，壓裂液（清水） 主要沿著原生裂隙的壁面向周圍濾失，這些原生裂隙大部分為煤巖中的原生節(jié)理裂隙，小部分為內(nèi)生裂隙。沁南煤巖中原生節(jié)理裂縫更為發(fā)育，裂隙規(guī)模較大，且連通性較好，導(dǎo)致沁南濾失量和濾失速度較鄂東煤巖相對較大。

（2） 在裂縫發(fā)育的地區(qū)，原生節(jié)理裂隙和內(nèi)生裂隙較為發(fā)育，實施壓裂改造煤儲層時，在裂縫擴(kuò)展過程中，壓裂液會沿著原生節(jié)理裂縫壁面向煤儲層內(nèi)部濾失，大大降低壓裂效果，同時嚴(yán)重污染儲層。因此針對裂縫發(fā)育的煤儲層，在壓裂過程中，必須采取合理的手段有效控制壓裂液濾失。