本文介紹重慶大學(xué)盧義玉教授團(tuán)隊(duì)發(fā)表在《Fuel》上的文章，文章利用開(kāi)發(fā)的加載-注入核磁共振系統(tǒng)在線監(jiān)測(cè)了模擬原位條件下水力壓裂過(guò)程煤體孔裂隙結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)演化，可為水力壓裂工程提供指導(dǎo) 。

水力壓裂是煤層氣增產(chǎn)的有效方法。為了更好的了解水力壓裂過(guò)程含宏觀裂隙煤體孔裂隙結(jié)構(gòu)的演化，進(jìn)行了一系列連續(xù)注水條件下的原位壓縮實(shí)驗(yàn)并使用核磁共振對(duì)樣本進(jìn)行了動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，分析了孔隙度、不同孔隙組分隨壓裂過(guò)程的變化及其與圍壓和注入壓力的關(guān)系，該研究可為滲透率計(jì)算、煤層氣產(chǎn)能預(yù)測(cè)和水力壓裂技術(shù)改進(jìn)提供很好的參考。 引言煤層氣屬非常規(guī)天然氣，其開(kāi)發(fā)受本身低滲透性限制。水力壓裂增透技術(shù)應(yīng)用廣泛，該方法將水連續(xù)注入煤體以產(chǎn)生理想的初級(jí)和次級(jí)裂隙，作為煤層氣運(yùn)移的通道，從而降低開(kāi)采難度，如圖1。認(rèn)識(shí)水力壓裂過(guò)程煤體孔裂隙結(jié)構(gòu)演化十分必要。

圖1 水力壓裂區(qū)域宏觀裂隙的形成

水力壓裂是將流體注入煤體的連續(xù)過(guò)程，使得孔裂隙結(jié)構(gòu)的演化具有動(dòng)態(tài)性，而當(dāng)前對(duì)此方面的研究較少。本文將對(duì)水力壓裂過(guò)程流體連續(xù)注入環(huán)境下煤體孔裂隙結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)演化進(jìn)行實(shí)時(shí)、精-確測(cè)試。

加載-注入核磁共振是研究模擬原位應(yīng)力和連續(xù)注入環(huán)境下孔裂隙結(jié)構(gòu)演化的重要技術(shù)。煤體孔裂隙結(jié)構(gòu)通常通過(guò)氣體吸附、壓汞、小角x射線散射和掃描電鏡來(lái)研究，然而這些方法不能對(duì)樣品施加壓力。CT與微CT的分辨率稍顯不足。各方法對(duì)比如圖2。通過(guò)核磁共振研究實(shí)時(shí)孔徑分布較為簡(jiǎn)單。然而單獨(dú)使用核磁共振觀測(cè)模擬原位應(yīng)力和連續(xù)注入環(huán)境下的孔裂隙結(jié)構(gòu)演化同樣不可能的，因此本文開(kāi)發(fā)了加載-注入核磁共振系統(tǒng)，如圖3。煤芯大直徑和長(zhǎng)度分別為25.4mm和60mm。系統(tǒng)通過(guò)使用氟油對(duì)徑向施加圍壓，-大圍壓25MPa；-高溫度150℃；液體或氣體通過(guò)軸向注入煤芯。

圖2 不同測(cè)試方法

根據(jù)流體注入壓力變化，水力壓裂可以分為四個(gè)階段：煤層致裂段、壓力維持段、壓力卸載-抽采段和施工結(jié)束段。在煤層致裂段，注入壓力逐漸增加或保持不變；壓力維持段液體以恒定的注入壓力向煤層擴(kuò)散；壓力卸載-抽采段流體流出煤層，壓力下降；施工結(jié)束段尚留在煤體中的液體流出，沒(méi)有額外的注入液流入。注入壓力、孔隙壓力、有效應(yīng)力和變形都會(huì)影響孔裂隙結(jié)構(gòu)，其中注入壓力和圍壓是主要變化因素。在本文中，我們從注入壓力和圍壓方面研究水力壓裂過(guò)程煤體孔裂隙結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)演化。設(shè)定了三種加載模式：固定圍壓和注入壓力；固定圍壓改變注入壓力；固定注入壓力改變圍壓。

將煤芯置于加載-注入實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，注入壓力通過(guò)注入蒸餾水施加，通過(guò)核磁共振掃描孔裂隙結(jié)構(gòu)演化。核磁共振系統(tǒng)由蘇州紐邁制造，型號(hào)為MacroMR 12-150H-I。當(dāng)圍壓或注入壓力維持120分鐘后，橫向弛豫時(shí)間T2曲線不會(huì)發(fā)生明顯變化。具體的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。

圖3 加載-注入核磁共振系統(tǒng)

表1 煤芯加載模式方案

為驗(yàn)證加載-注入核磁共振測(cè)試結(jié)果，輔助以壓汞和氣體吸附測(cè)試。T2譜變化每一個(gè)T2值對(duì)應(yīng)特定孔徑的孔隙，因此T2譜分布可以反映孔裂隙結(jié)構(gòu)。將孔隙劃分為微孔和過(guò)渡孔(＜2.5ms)、中孔(2.5-100ms)、大孔和裂隙(＞100ms)。固定圍壓與注入壓力，固定圍壓改變注入壓力和固定注入壓力改變圍壓條件下T2值與孔隙結(jié)構(gòu)的對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)下式：

其中，T2為橫向弛豫時(shí)間(ms); S為孔表面積(nm2); V為孔體積(nm3); ρ2為橫向表面弛豫系數(shù)(nm/ms)；r為孔隙半徑；Fs為幾何形狀因子。

T2曲線的變化可以反映連續(xù)注入液體條件下孔裂隙結(jié)構(gòu)的變化。T2譜呈現(xiàn)連續(xù)的三峰特征。如圖4所示，當(dāng)圍壓為10MPa，注入壓力為0時(shí)，P2和P3峰可忽略不計(jì)；0時(shí)刻的P1峰高于其他時(shí)刻。當(dāng)注入壓力不為0時(shí)，P2和P3峰不可忽略，時(shí)刻的三個(gè)峰都低于其他時(shí)刻。這說(shuō)明煤體孔隙度隨注入過(guò)程增加，孔裂隙結(jié)構(gòu)連續(xù)變化。 T2曲線隨圍壓和注入壓力變化。P1、P2和P3峰受注入壓力和圍壓變化的影響，這也說(shuō)明煤體孔裂隙結(jié)構(gòu)受注入壓力和圍壓影響較大。

圖4 不同加載模式下T2曲線變化

圍壓和注入壓力對(duì)孔隙度的影響當(dāng)圍壓不變，注入壓力變化時(shí)，中孔、大孔及裂隙數(shù)量較小。T2曲線＞2.5ms和＜2.5ms的累積峰面積如圖5所示。圖中有三條累積曲線，分別為總孔隙度(Total-P)，微孔-過(guò)渡孔孔隙度(MP-TP)；中孔孔隙度(MEP)并入大孔-裂隙孔隙度(MP-F)中，計(jì)算公式如下:

總孔隙度注入過(guò)程顯著增加；當(dāng)圍壓固定時(shí)并不隨注入壓力減小而減??；當(dāng)圍壓和注入壓力恒定時(shí)，先減小后增加。如圖5-a所示，當(dāng)圍壓為10MPa，注入壓力為0時(shí)，總孔隙度在初始60min減小了83.9%，然后在840-960區(qū)間增加了85.1%，呈U字型。如圖5-b所示，當(dāng)圍壓為10MPa，注入壓力為8MPa時(shí)，總孔隙度在初始120min內(nèi)增加了84%，隨后高于初始值，在480-600min減小了32%，然后在1320-1620min增加了30.6%，同樣呈U字型。如圖5-c所示，總孔隙度在初始15min增加了51.6%，當(dāng)注入壓力從7MPa降低到3MPa時(shí)，中孔、大孔-裂隙呈降低趨勢(shì)，而微孔-過(guò)渡孔呈上升趨勢(shì)?？偪紫抖确讲顬?.01，基本未變；當(dāng)注入壓力從9MPa降低到4MPa時(shí)，總孔隙度方差為0.015，也同樣基本不變(圖5-d)。

圖5 微孔-過(guò)渡孔，中孔，大孔和裂隙隨注入壓力和圍壓的變化

當(dāng)注入壓力恒定，圍壓變化時(shí)，總孔隙度隨注入過(guò)程增加。恒定注入壓力或增加圍壓條件下，總孔隙度先減小后增加。中孔孔隙度和大孔-裂隙孔隙度下降，微孔-過(guò)渡孔孔隙度升高。如圖5-e所示，總孔隙度*min增加了79.9%；當(dāng)圍壓由10MPa增加到12MPa時(shí)，總孔隙度降低了17.5%?？偪紫抖取⑽⒖?過(guò)渡孔孔隙度隨圍壓升高呈上升趨勢(shì)，中孔和大孔-裂隙孔隙度呈下降趨勢(shì)。如圖5-f所示，總孔隙度前30min增加了62.7%，隨后當(dāng)圍壓由6MPa升高到8MPa時(shí)減小了17%。

無(wú)圍壓和注入壓力時(shí)的孔裂隙結(jié)構(gòu)測(cè)試

對(duì)三種加載模式下的樣本卸去圍壓和注入壓力后進(jìn)行核磁共振，氣體吸附和壓汞測(cè)試。其中，煤芯I來(lái)自固定圍壓和注入壓力模式，煤芯III來(lái)自固定圍壓，改變注入壓力模式；煤芯V來(lái)自改變圍壓，固定注入壓力模式。氣體吸附的測(cè)試孔徑范圍為0.35-500nm，壓汞的測(cè)孔范圍＞30nm，將兩者結(jié)合可以有更廣的孔徑分布范圍。

圖6 無(wú)圍壓和軸壓下的T2譜和結(jié)合壓汞與氣體吸附的孔裂隙分布

軸壓和注入壓力為0條件下，主要的孔隙為微孔和過(guò)渡孔。如圖6a和b所示煤芯I由核磁測(cè)得的微孔-過(guò)渡孔孔隙度占總孔隙度的96.5%，中孔占3.5%；結(jié)合氣體吸附和壓汞的微孔-介孔占94.9%，中孔占2.2%，大孔-裂隙占2.6%。如圖6c和d，煤芯III核磁法微孔-過(guò)渡孔占81.8%，中孔占8.3%，大孔-裂隙占9.9%；氣體吸附-壓汞法微孔-過(guò)渡孔占84.6%，中孔占5.5%，大孔-裂隙占9.3%。如圖6e和f，煤芯V核磁法微孔-過(guò)渡孔占91.4%，中孔占6.6%，大孔-裂隙占2.0%；氣體吸附-壓汞法微孔-過(guò)渡孔占91.1%，中孔占5.7%，大孔-裂隙占2.5%。 核磁共振獲得的結(jié)果與氣體吸附-壓汞結(jié)合法相差0.3%-2.8%?？傮w來(lái)說(shuō)，核磁共振獲得的結(jié)果與壓汞-氣體吸附法結(jié)果有很好的匹配性，因此用核磁共振來(lái)表征孔裂隙結(jié)構(gòu)較為可靠。

圍壓和注入壓對(duì)孔裂隙結(jié)構(gòu)的影響

圖7 孔裂隙結(jié)構(gòu)隨不同孔徑及分類的變化

不同孔徑及類型的孔裂隙演化不同。在恒定或增加圍壓條件下，總孔隙度先減小后增加。在減小注入壓力或增加圍壓條件下，中孔、大孔-裂隙數(shù)量減小而微孔-過(guò)渡孔數(shù)量增加。如圖7a所示，在恒定圍壓或注入壓力條件下，煤芯I T2譜在0-240min范圍減小，總孔隙度減小，煤體壓縮；在840-1140min范圍T2譜增加，總孔隙度增加(圖7-b)。

如圖7-c在初始注入階段，煤芯II T2譜高于初始值，說(shuō)明流體連續(xù)注入煤芯。上述現(xiàn)象表明在10-120min隨注入增加，因?yàn)樵谶@段時(shí)間內(nèi)促進(jìn)水流動(dòng)的孔隙通道形成。如圖7d和e所示，T2曲線第2峰和第3峰注入壓力減小或圍壓增加而減小，而第1峰增加，這說(shuō)明當(dāng)注入壓力減小或圍壓增加時(shí)，中孔和大孔-裂隙減小而微孔-過(guò)渡孔增加。

孔裂隙動(dòng)態(tài)演化在水力壓裂的應(yīng)用

本文研究了水力壓裂不同圍壓下流體連續(xù)注入過(guò)程煤體孔裂隙結(jié)構(gòu)演化：

(1)煤層致裂階段，注入壓力施加，流體變化產(chǎn)生，煤層孔隙度在注入?yún)^(qū)域顯著增加，孔隙通道形成。

(2)壓力維持階段，注入壓力恒定，流體變化產(chǎn)生，一定數(shù)量的孔隙通道形成，這也揭示了保壓工序的重要性。

(3)壓力卸載段，注入壓力減小，重構(gòu)變化產(chǎn)生，孔隙度減小。

(4)施工結(jié)束段，液體流出煤層，孔裂隙在原位應(yīng)力下逐漸閉合；孔隙度會(huì)有暫時(shí)升高。

結(jié)論：應(yīng)用加載-注入核磁共振系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)了流體注入和圍壓變化條件下煤體孔裂隙結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)演化。主要結(jié)論如下： 初始注入階段，總孔隙度顯著增加，孔隙通道形成；恒定圍壓，注入壓力減少時(shí)或恒定注入壓力，圍壓增加時(shí)，中孔、大孔和裂隙破碎形成微孔和過(guò)渡孔。因此中孔、大孔和裂隙數(shù)量減小而微孔和介孔數(shù)量增加。在恒定注入壓力增加圍壓或恒定注入壓力和圍壓時(shí)，總孔隙度先減小后增加；注入流體或孔隙水打破孔隙壁，新孔隙生成。在圍壓和連續(xù)流體注入下有效應(yīng)力和孔隙壓力的改變導(dǎo)致孔裂隙結(jié)構(gòu)的破裂、閉合和持續(xù)重組。