本文介紹重慶大學(xué)盧義玉教授團(tuán)隊發(fā)表在《Fuel》上的文章,，文章利用開發(fā)的加載-注入核磁共振系統(tǒng)在線監(jiān)測了模擬原位條件下水力壓裂過程煤體孔裂隙結(jié)構(gòu)的動態(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)并使用核磁共振對樣本進(jìn)行了動態(tài)監(jiān)測,，分析了孔隙度,、不同孔隙組分隨壓裂過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算,、煤層氣產(chǎn)能預(yù)測和水力壓裂技術(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)生理想的初級和次級裂隙，作為煤層氣運(yùn)移的通道,，從而降低開采難度,，如圖1。認(rèn)識水力壓裂過程煤體孔裂隙結(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)過程,，使得孔裂隙結(jié)構(gòu)的演化具有動態(tài)性，而當(dāng)前對此方面的研究較少,。本文將對水力壓裂過程流體連續(xù)注入環(huán)境下煤體孔裂隙結(jié)構(gòu)的動態(tài)演化進(jìn)行實(shí)時,、精-確測試。

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)通常通過氣體吸附,、壓汞、小角x射線散射和掃描電鏡來研究,，然而這些方法不能對樣品施加壓力,。CT與微CT的分辨率稍顯不足。各方法對比如圖2。通過核磁共振研究實(shí)時孔徑分布較為簡單,。然而單獨(dú)使用核磁共振觀測模擬原位應(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,，因此本文開發(fā)了加載-注入核磁共振系統(tǒng)，如圖3,。煤芯大直徑和長度分別為25.4mm和60mm,。系統(tǒng)通過使用氟油對徑向施加圍壓，-大圍壓25MPa,；-高溫度150℃,；液體或氣體通過軸向注入煤芯。

圖2 不同測試方法

根據(jù)流體注入壓力變化,，水力壓裂可以分為四個階段：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程煤體孔裂隙結(jié)構(gòu)的動態(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),，注入壓力通過注入蒸餾水施加,，通過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，橫向弛豫時間T2曲線不會發(fā)生明顯變化,。具體的實(shí)驗(yàn)設(shè)計見表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-注入核磁共振測試結(jié)果，輔助以壓汞和氣體吸附測試。T2譜變化每一個T2值對應(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)的對應(yīng)關(guān)系見下式：

其中,，T2為橫向弛豫時間(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，P2和P3峰可忽略不計,；0時刻的P1峰高于其他時刻,。當(dāng)注入壓力不為0時，P2和P3峰不可忽略,，時刻的三個峰都低于其他時刻,。這說明煤體孔隙度隨注入過程增加，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

圍壓和注入壓力對孔隙度的影響當(dāng)圍壓不變，注入壓力變化時,，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,，計算公式如下:

總孔隙度注入過程顯著增加；當(dāng)圍壓固定時并不隨注入壓力減小而減??；當(dāng)圍壓和注入壓力恒定時，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，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，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,，中孔、大孔-裂隙呈降低趨勢,，而微孔-過渡孔呈上升趨勢,。總孔隙度方差為0.01,，基本未變,；當(dāng)注入壓力從9MPa降低到4MPa時，總孔隙度方差為0.015,，也同樣基本不變(圖5-d)。

圖5 微孔-過渡孔,，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,，總孔隙度隨注入過程增加,。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，總孔隙度降低了17.5%?？偪紫抖?、微孔-過渡孔孔隙度隨圍壓升高呈上升趨勢，中孔和大孔-裂隙孔隙度呈下降趨勢,。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時減小了17%,。

無圍壓和注入壓力時的孔裂隙結(jié)構(gòu)測試

對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,，氣體吸附和壓汞測試。其中,，煤芯I來自固定圍壓和注入壓力模式,，煤芯III來自固定圍壓，改變注入壓力模式,；煤芯V來自改變圍壓,，固定注入壓力模式。氣體吸附的測試孔徑范圍為0.35-500nm,，壓汞的測孔范圍＞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渡孔,。如圖6a和b所示煤芯I由核磁測得的微孔-過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來說,，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，因此用核磁共振來表征孔裂隙結(jié)構(gòu)較為可靠,。

圍壓和注入壓對孔裂隙結(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@段時間內(nèi)促進(jìn)水流動的孔隙通道形成,。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,，這說明當(dāng)注入壓力減小或圍壓增加時,，中孔和大孔-裂隙減小而微孔-過渡孔增加。

孔裂隙動態(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,；孔隙度會有暫時升高。

結(jié)論：應(yīng)用加載-注入核磁共振系統(tǒng)實(shí)時監(jiān)測了流體注入和圍壓變化條件下煤體孔裂隙結(jié)構(gòu)的動態(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,，注入壓力減少時或恒定注入壓力，圍壓增加時,，中孔,、大孔和裂隙破碎形成微孔和過渡孔。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,，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,。