壓裂液浸泡對高階煤力學性質的軟化機理

陳立超，王生維，張典坤

(1. 內蒙古工業大學礦業學院，內蒙古自治區呼和浩特市，010051；2.煤與煤層氣共采國家重點實驗室，山西省晉城市，048204；3. 中國地質大學資源學院，湖北省武漢市，430074)

水力壓裂改造范圍內煤儲層與壓裂液間水-巖反應及其對儲層巖石力學性能的影響對于儲層水力壓裂效果長期評價、氣藏開發效果提升具有實際意義[1-3]。煤儲層巖石力學性質變化一方面導致煤巖體彈性能衰減，制約氣藏流體驅動效率；另一方面，煤巖體軟化導致壓裂裂縫壁面垮塌及次生裂縫壁面失穩，裂縫通道導流能力下降；同時，軟化導致煤體對壓裂液阻隔能力下降，壓裂液侵入深度增大，加劇了儲層傷害程度和解堵難度。圍繞儲層巖石與壓裂液水巖作用對巖石物性影響方面，學者采用氮氣吸附和掃描電鏡(SEM)、紅外光譜等表征手段，探究不同體系壓裂液處理對煤巖孔隙結構的影響[4]、壓裂液對煤巖滲流性能的微觀影響機理[5-6]以及活性劑對高階煤潤濕性的改性效果[7]等方面問題。

針對鉆完井液與儲層接觸對巖石力學性能影響問題，康毅力等[8]、晏軍等[9]、HUANG Ting等[10]開展了鉆完井工作液浸泡前后頁巖力學性能、巖石變形和破壞規律及巖石脆性演化特征方面的比較分析；劉向君等[11]通過三軸抗壓實驗研究多組鉆井液體系對泥巖強度特性的影響；劉厚彬等[12]、盧運虎等[13]通過室內實驗分析了鉆井液浸泡下深部泥巖強度弱化規律，并從微觀角度提出試樣變化的機制；陳田等[14]通過自制浸水裝置，獲得了煤樣峰值應力、彈性模量隨著浸水次數的變化規律。此外在壓裂液與巖石相互作用過程與機理問題研究基礎之上，國內學者還分別針對頁巖[15-16]、煤巖[17-18]與不同鉆完井工作液體系間適應性開展研究，上述工作為非常規儲層鉆完井工作液適配性評價提供了新的思路。

綜上認為，目前在非常規儲層巖石與鉆完井工作液間水-巖作用及其對儲層巖石力學性質影響問題研究，多采用單軸、三軸力學實驗從宏觀尺度對儲層巖石力學性質變化進行表征，而開展細觀層次小尺度試樣的研究甚少。因此，筆者利用壓痕實驗對不同壓裂液體系浸泡前后高階煤小尺寸樣品(厘米級)力學性質的對比研究，獲取水-巖作用后的高階煤維氏硬度(Hv)的值，分析不同壓裂液體系浸泡對高階煤力學性質的影響規律，并探討了壓裂液浸泡對高階煤力學性質的影響機制，以期為高階煤儲層壓裂液傷害理論深化與水力壓裂效果長期評價提供科學參考。

1 樣品與實驗

1.1 實驗流程

本實驗選用內蒙古阿拉善二道嶺礦區2-1煤為試樣，該高階煤樣品自然狀態下組分特征、微觀結構及彈性力學性質等詳見文獻[19]，4組高階煤樣品(厘米級)分別置于清水(CW)、活性水(AW)、高粘活性水(GAW)及瓜膠壓裂液(GF)體系中浸泡，室溫條件下浸泡1 440 h。為防止壓裂液中水分蒸發采取膜覆蓋保證封閉，實驗流程如圖1所示。實驗中清水壓裂液組成為10 g KCl、400 mL水；活性水組成為5 ml AOE-7表面活性劑、5 g KCl、490 mL水；高粘活性水組成為0.41 g瓜爾膠、2 g KCl、2 g NaOH、0.61 g過硫酸銨、2 ml AOE-7表面活性劑、492.98 mL水；瓜膠壓裂液組成為1.4 g瓜爾膠、10 g KCl、1 g NaOH、0.5 mL防腐劑、1.45 g過硫酸銨、485.65 mL水。

圖1 高階煤壓裂液浸泡實驗框架及壓痕法測試原理

1.2 維氏硬度測試原理及計算方法

高階煤樣品浸泡1 440 h后取出，利用內蒙古工業大學材料力學實驗室顯微硬度計(HXO-1000TM)進行壓痕測試，壓頭與樣品接觸作用時間15 s，壓頭載荷分別設定為0.5、1.0、2.0、3.0 N四檔，顯微鏡下獲取不同壓頭載荷在樣品表面作用形成的壓痕半徑(a)、壓痕面積(F)。并利用式(1)計算了不同壓裂液體系浸泡、不同加載載荷條件下煤巖維氏硬度(Hv)值。

(1)

式中：P——壓頭載荷，N；

F——壓痕面積，mm2；

a——壓痕半徑，mm。

清水(CW)、活性水(AW)、高粘活性水(GAW)及瓜膠壓裂液(GF)體系浸泡后高階煤在0.5、1.0、2.0、3.0 N四檔加載條件下的壓痕半徑和維氏硬度(Hv)計算結果詳見表1。

表1 壓裂液浸泡后高階煤力學性質(維氏硬度)計算結果

2 壓裂液浸泡后高階煤力學損傷特征及規律

2.1 不同壓裂液浸泡后高階煤力學損傷特征

由表1計算結果得出，壓裂液浸泡后高階煤維氏硬度值與自然干燥狀態下相比衰減顯著。同時，不同壓裂液體系浸泡對高階煤損傷程度差異亦較大，其中高階煤在清水(CW)、活性水(AW)、高粘活性水(GAW)、瓜膠(GF)4種壓裂液浸泡1 440 h后維氏硬度(Hv)分別為46.1、175.7、63.3、50.1 N/mm2，與自然干燥狀態下相比分別減小了434.4、304.8、417.2、430.4 N/mm2。整體上，瓜膠壓裂液浸泡后高階煤力學性質軟化損傷最為嚴重，而活性水壓裂液浸泡對煤巖的損傷作用最微弱。說明在高階煤儲層改造中活性水壓裂液能夠長期地保障儲層巖石彈性能，維持煤層氣藏流體產出的驅動能量和效率。

同時，筆者依據煤巖維氏硬度的變化特征規律，提出基于高階煤維氏硬度的“煤巖軟化系數(SC)”參數。煤巖軟化系數是指煤巖受外部鉆完井工作液浸泡等接觸影響，致使煤巖分子聚合鍵斷裂及其內部結構發生改變，使其巖石力學性質發生軟化效應，導致煤巖整體抗壓入能力的衰減。同時該參數可反映煤巖力學性質相較自然狀態下的損傷幅度。煤巖軟化系數計算方法如下：

(2)

式中：Hnv——自然干燥狀態下的煤巖維氏硬度值，N/mm2；

Hsv——壓裂液浸泡后軟化損傷煤巖維氏硬度值，N/mm2。

表1計算結果表明，壓裂液浸泡對煤巖的軟化損傷實質是煤巖抗壓入能力的減弱，即維氏硬度的下降。壓裂液浸泡后軟化損傷狀態下的高階煤宏觀形貌及光澤特征如圖2所示。由圖2中可知，煤巖在壓裂液體系浸泡后其軟化損傷程度與煤巖表面的光澤關系密切，即煤巖損傷軟化程度越嚴重，煤巖表面光澤越暗淡。活性水壓裂液浸泡后高階煤的軟化損傷程度最輕微，煤巖表面光澤最亮，在氣泡圖中代表材料光亮的黃色氣泡個數越多；反觀軟化損傷最嚴重的瓜膠壓裂液浸泡后的高階煤試樣，表面光澤最為暗淡，在氣泡圖中代表暗淡的黑色氣泡數量居多。筆者依據式(2)分別計算出清水(CW)、活性水(AW)、高粘活性水(GAW)、瓜膠(GF)壓裂液浸泡后高階煤的軟化損傷系數(SC)分別為0.90、0.63、0.87、0.90，計算結果與壓裂液浸泡后高階煤的宏觀形貌特征相符。

圖2 壓裂液浸泡后軟化損傷煤巖宏觀形貌及光澤特征

2.2 壓裂液浸泡后高階煤維氏硬度隨壓頭載荷變化規律

壓裂液浸泡后高階煤壓痕半徑及維氏硬度隨壓頭載荷變化特征如圖3所示，高階煤在清水(CW)、活性水(AW)、高粘活性水(GAW)及瓜膠(GF)壓裂液浸泡后其壓痕半徑及維氏硬度隨壓頭載荷變化規律不同，圖3(a)反映活性水(AW)壓裂液浸泡后高階煤壓痕半徑與壓頭載荷(P)之間相關性不敏感，說明活性水壓裂液浸泡對高階煤的軟化損傷作用輕微，而高粘活性水(GAW)壓裂液浸泡后高階煤壓痕半徑隨壓頭載荷增加存在顯著正相關關系，清水(CW)、瓜膠(GF)壓裂液浸泡后高階煤壓痕半徑隨壓頭載荷增加而迅速增大，二者敏感性較強。從圖3(b)中得知，活性水壓裂液浸泡后高階煤維氏硬度值隨壓頭載荷增加而迅速增大，相關性較強。說明高階煤微觀結構仍較致密，抗壓入能力較強，在低載荷下壓頭難以壓入煤巖，當施加載荷達到臨界值時壓頭突然壓入，從圖3(b)中紅色曲線看出3.0 N載荷施加下壓頭尚未完全侵入煤巖，高階煤剛度較大、“門限”壓入壓力較高；而清水、瓜膠及高粘活性水壓裂液浸泡后高階煤維氏硬度隨壓頭載荷變化不明顯，說明壓裂液浸泡對高階煤產生了軟化損傷，煤巖抗壓入能力較弱，壓頭在較低載荷情況下即可侵入樣品內部，“門限”壓入壓力較低。

圖3 壓裂液浸泡后高階煤壓痕半徑及維氏硬度隨壓頭載荷的變化特征

3 壓裂液浸泡對高階煤力學性質損傷機理的分析

壓裂液浸泡對高階煤力學性質損傷機理包括：

(1)壓裂液侵入煤巖導致天然裂隙端部產生應力集中，應力強度因子K增大，致使煤巖斷裂韌度相對自然干燥狀態降低，煤巖抗裂能力減弱；

(2)壓裂液侵入在裂縫壁面形成“潤滑”效應，提高了高階煤受壓條件下破巖效率[19-21]；

(3)壓裂液的浸潤對高階煤聚合鍵的破壞抵消了裂縫端部能壘，一定程度上也削弱了煤巖阻裂能力[22]。

不同壓裂液浸泡后高階煤力學損傷特征與機制如圖4所示。由圖4(a)可知，當清水壓裂液(CW)浸泡樣品時，壓裂液與煤巖潤濕性較好，壓裂液沿煤巖天然裂隙侵入并在裂隙內形成連續相液柱楔。液柱楔一方面在裂隙端部產生應力集中加速高階煤破壞，另一方面液柱在裂隙面位置充當潤滑劑，降低了煤巖破壞的剪應力(ε)，加速了煤巖的破壞。當硬度計壓頭加載時，初期載荷較低壓痕半徑增速較慢，后期隨壓頭載荷增大壓痕半徑快速遞增，如圖4(b)所示；隨著壓頭載荷增大，高階煤維氏硬度值初期略有下降，中期上升，后期降低，如圖4(c)所示。

由圖4(d)可知，活性水壓裂液(AW)浸泡煤巖時，由于活性水與煤巖間的疏水作用，活性水侵入煤巖裂隙內多以不連續液珠形式賦存，難以在天然裂隙端部形成應力集中及潤滑效應，高階煤壓痕半徑隨壓頭載荷增大初期略下降后回升，如圖4(e)所示，煤巖維氏硬度上隨壓頭載荷的增加快速遞增，如圖4(f)所示。

由圖4(g)可知，侵入煤巖內部的高粘活性水(GAW)以不連續液珠形式賦存，在裂隙端部產生應力集中效應有限，煤巖試樣壓痕半徑隨壓頭載荷增加快速提升，如圖4(h)所示，煤巖維氏硬度隨壓頭載荷增大變化則不明顯，如圖4(i)所示。

由圖4(j)所示，瓜膠壓裂液(GF)浸泡煤巖時，由于瓜膠壓裂液剪切應力大，常附著在天然裂縫壁面，從而在裂隙內形成連續相、在裂隙端部形成應力集中，加速煤巖破壞的速率。煤巖試樣壓痕半徑隨壓頭載荷增加初期緩慢增大，后期快速遞增，如圖4(k)所示，高階煤維氏硬度上隨壓頭載荷增加變化不明顯，如圖4(l)所示。

圖4 不同壓裂液浸泡后高階煤力學損傷特征與機理

總體而言，活性水和高粘活性水壓裂液與高階煤接觸對巖石軟化作用最為輕微，對于維持煤儲層巖石彈性能、保障儲層巖石堅固性具有積極意義。

4 結論

(1)高階煤在清水(CW)、活性水(AW)、高粘活性水(GAW)、瓜膠(GF)4種壓裂液中浸泡1 440 h后維氏硬度(Hv)分別降為46.1、175.7、63.3、50.1 N/mm2，與自然干燥狀態下的高階煤巖維氏硬度值相比分別減小了434.4、304.8、417.2、430.4 N/mm2。

(2)提出了“煤巖軟化系數”參數，其中清水、活性水、高粘活性水及瓜膠4種壓裂液浸泡后高階煤的軟化損傷系數(SC)分別為0.90、0.63、0.87、0.90。活性水壓裂液浸泡高階煤其軟化損傷程度最輕微。

(3)認為壓裂液濾液侵入導致高階煤天然裂隙端部應力集中，致使巖石斷裂韌度相對自然干燥狀態降低，壓裂液侵入在裂縫壁面形成潤滑效應以及壓裂液分子對高階煤聚合鍵的破壞抵消裂縫端部能壘作用，是導致壓裂液浸泡對高階煤軟化損傷的機理。

(4)對于高階煤儲層水力壓裂作業，為保障儲層能量有效驅替煤層氣藏流體產出，活性水及高粘活性水壓裂具有一定優勢。