应力-水化学耦合下深部煤割理-水力裂缝动态渗透率演化与表征

《Water》：Dynamic Permeability Evolution and Characterization of Cleat-Hydraulic Fractures in Deep Coal Under Stress-Hydrochemical Coupling

　　

以鄂尔多斯盆地本溪组8号煤为研究对象，针对深部煤中割理-水力裂缝系统在高层地应力与滞留压裂液共同作用下渗透率受应力与水化学条件显著影响的问题，开展了覆压氦气渗透率实验。实验采用8个标准圆柱样（Φ25 mm × 50 mm），包括4个代表天然割理系统的完整样与4个代表割理-水力裂缝系统的预制裂缝（自支撑）样。在孔隙压力1.38 MPa条件下，沿首次加载、二次加载和分级卸载三条应力路径施加3.45–24.14 MPa阶梯围压。水化学处理通过将样品在水中浸泡24 h后空气干燥12 h实现，随后重复渗透率测试。最后基于实验结果建立动态渗透率模型，并确定不同条件下煤裂缝的渗透率表征参数。结果表明：所有样品渗透率随围压增大呈指数递减，裂缝类型与割理连通性主导样品渗透率。单条直接贯通裂缝可使完整煤初始渗透率提高5–10倍并显著降低其衰减速率。割理高度发育且连通性良好的样品初始渗透率高达32.36 × 10^?3 μm²，较其他预制裂缝样品高8–30倍。二次加载使相同围压下渗透率降低20–40%，应力恢复后渗透率仅回升至首次加载水平的35–60%，表明大部分裂缝闭合为不可逆塑性变形。水化学处理可改善裂缝连通性并提高渗透率，其效果受割理发育程度与矿物充填特征共同控制。对于割理发育且充填方解石的样品，处理后渗透率增至处理前的2.0–3.7倍且应力敏感性显著降低，表明充填方解石溶解使原本胶结封闭的割理与天然裂缝重新张开并相互连通，形成更连续且抗闭合的渗流通道。通过渗透率模型拟合实验数据，获得了不同条件下裂缝应力敏感性系数的分布。本研究的主要局限为：每种测试条件仅在单个样品上完成、未设重复实验；浸泡过程中水化学与溶解离子浓度未测定；模型参数在特定加载条件下标定，外推至储层条件时需谨慎。本研究阐明了深部煤裂缝的动态渗透率演化规律及煤裂缝系统渗透率预测参数，为气井水力压裂与生产制度优化设计提供了重要参考。

**研究背景与问题**：煤层气（CBM）以吸附态赋存于煤基质微孔表面，渗透率与含气饱和度是控制单井产量的关键参数。随着水平井与大规模体积压裂技术的发展，煤层气勘探正由浅部（<1000 m）向深部（>2000 m）储层延伸。全球94个主要含煤盆地评价表明，深部煤岩气地质资源量约232 × 10¹² m³，俄罗斯、加拿大、美国、中国和澳大利亚占90%以上。鄂尔多斯盆地已有煤岩气井经高速率、大规模、多级簇压裂后产量达6 × 10⁴ m³/d，显示出可观潜力。压裂在煤中形成割理与水力裂缝的多尺度网络，是扩大泄流面积、提高单井产量的核心手段。然而深部煤储层长期处于高有效应力环境，加之压裂液侵入引起的水化学作用，其动态导流能力能否长期保持，是学术界与工业界尚待解决的重要问题。动态裂缝渗透率机制主要包括应力敏感性、基质收缩/膨胀与气体滑脱。已有研究多聚焦浅部煤层及有效应力下的煤渗透率，对深部煤在高应力下割理-水力裂缝系统的动态渗透率响应关注不足。水与溶质同煤基质的相互作用是影响裂缝渗流能力的另一重要方面，相关研究可分为含水饱和度效应、矿化度效应与矿物溶解/沉淀效应三方面。多数水化学相关研究集中于浅部煤层含水饱和度或矿化度影响，普遍认为水化学作用对煤层气渗流多为不利；但对于广泛发育碳酸盐充填割理的深部煤，水化学-应力耦合下割理-水力裂缝的动态渗流响应研究仍十分有限，裂缝动态渗透率演化尚不明确。具体而言：(i) 割理与水力裂缝连通性如何控制高有效应力下深部煤的渗透率水平与应力敏感性；(ii) 水化学处理能否及在多大程度上改变割理与水力裂缝渗透率；(iii) 不同加卸载路径下渗透率表征参数如何确定与选取，均尚不清楚。裂缝系统动态渗透率的数学表征对产能评价与开发优化尤为重要。现有渗透率模型分为应力型与应变型，多以有效应力或应变为控制变量，但主要基于有效应力或应变建立，未直接考虑裂缝结构或水化学处理，导致不同储层条件下模型参数存在较大不确定性。因此，需再现储层裂缝结构、有效应力与水化学条件，以获得相应表征参数，支撑压裂与生产制度设计。为此，本研究以鄂尔多斯盆地本溪组8号深部煤为对象，研究应力-水化学耦合下割理-水力裂缝系统的动态渗透率演化与表征。

**研究方法**：首先开展覆压气体渗透率实验，表征不同连通程度割理及预制裂缝（自支撑）水力裂缝样品在高有效应力下的动态渗透率行为；其次改变应力加载路径并施加水化学处理，揭示应力-水化学耦合下渗透率演化、裂缝闭合可恢复性及方解石溶解改造作用；最后采用含割理压缩项与滑脱项的模型进行定量表征，确定深部煤储层条件下裂缝参数分布范围，实现模型参数的确定性表征。样品取自鄂尔多斯盆地本溪组8号煤，垂深2059–2425 m，钻取Φ25 mm × 50 mm标准圆柱样，分为完整样（C1–C4）与预制裂缝样（J1、J2-1、J2-2、M1）。实验在Vinci Technologies公司Coreval 700覆压气体孔隙度渗透率仪上完成，以氦气为介质，渗透率测量范围0.001 × 10^?3 μm²至10 μm²，最大孔隙压力1.72 MPa，采用非稳态压力衰减法测定。孔隙压力设为1.38 MPa，围压依次设为3.45、6.90、12.41、17.24和24.14 MPa。加载模式包括干态分级加载、二次加载与分级卸载；水化学处理为常温柔压敞口烧杯中浸泡24 h后空气干燥12 h。关键技术方法包括：覆压氦气非稳态压力衰减渗透率测试、三级应力路径（首次加载-二次加载-分级卸载）实验设计、浸泡-风干水化学处理，以及基于Shi-Durucan模型的指数型渗透率-有效应力关系线性拟合反演。

**研究结果**：(1) 不同裂缝类型样品结果：随围压由3.45 MPa阶梯增至24.14 MPa，所有样品渗透率呈显著指数下降，表明应力闭合强烈控制割理与裂缝渗透率。完整样中，割理不直接连通的C1、C2初始渗透率仅0.204 × 10^?3 μm²与0.848 × 10^?3 μm²，而含直接贯通割理的C3、C4分别达2.45 × 10^?3 μm²与4.62 × 10^?3 μm²，单条直接贯通割理可使完整样初始渗透率提高约5–10倍，且应力敏感性明显降低。预制裂缝样在割理发育程度相近时，渗透率与含直接贯通割理的完整样相当。割理极发育且连通性好的M1初始渗透率高达32.36 × 10^?3 μm²，较其他预制裂缝样高约8–30倍，围压增至24.14 MPa时仍保持2.40 × 10^?3 μm²，总体衰减仅约13倍。表明割理连通性与水力裂缝的存在及连通性共同决定煤的渗流能力，除水力压裂形成的高导流裂缝外，连通良好的割理是深部煤储层保持高产渗流通道的关键。(2) 水化学处理效应：对J2-1，浸泡-风干后各围压下渗透率较首次加载普遍高30–65%，与未经水化学处理的二次加载J1-S相比，二次加载使渗透率降低20–40%，说明水化学处理带来的渗流改善足以抵消并超过二次加载的压实损伤。对M1，处理后各围压下达处理前的2.0–3.7倍，3.45至24.14 MPa总体渗透率衰减倍数由约13降至约7.5，应力敏感性显著降低。方解石溶解主要沿水解路径与质子促进溶解路径进行，后者在敞口浸泡条件下为主导机制。需强调该解释存在局限：未测定溶解离子浓度与溶解矿物质量，渗透率提升应视为上述过程综合结果而非仅归因于方解石溶解。(3) 围压加载方案效应：相同围压下J1二次加载渗透率较首次加载低约20–40%，卸载阶段渗透率回升但仅恢复至首次加载水平的35–60%，加卸载曲线不重合且呈明显滞后，表明裂缝系统闭合以塑性变形为主、弹性恢复有限。经水化学处理的样品在应力循环后仍保留部分增益，M1w-R在12.41–24.14 MPa范围卸载渗透率高于M1首次加载对应值，说明水化学处理形成的流动通道具有一定抗应力闭合能力；但卸载至低围压3.45 MPa时仍显著低于其加载曲线对应值，表明反复加卸载仍造成显著渗透率损失。(4) 动态渗透率表征：基于Shi-Durucan模型，忽略滑脱与吸附膨胀效应，渗透率-有效应力关系简化为指数形式，以ln(k/k₀)为纵坐标、有效应力差为横坐标线性拟合，斜率对应割理体积压缩系数，截距对应参考有效应力下渗透率。取最小水平主应力38.3 MPa与原始储层孔隙压力21 MPa，得参考有效应力17.3 MPa。数据在有效应力较高区间（接近原地层有效应力）线性良好，低有效应力区偏离明显，原因包括割理体积压缩系数非常数、岩心应力释放使微裂缝张开、低有效应力下非达西效应相对影响增大。完整样C1–C4渗透率系数分别为0.2467、0.2953、0.1983和0.1727 MPa^?1，原始渗透率分别为0.0017、0.0032、0.0321和0.1133 × 10^?3 μm²；割理不直接连通的C1、C2渗透率系数明显高于含贯通割理的C3、C4。预制裂缝样渗透率系数为0.0924–0.1474 MPa^?1，普遍低于完整样，M1截距远高于其他样品。水化学处理后，J2-1拟合斜率几乎不变而截距由?3.2547升至?2.7718，相同有效应力下渗透率约为处理前1.6倍，应力敏感性系数基本不变；M1截距由1.4485升至2.6106（约3.2倍），应力敏感性系数由0.037降至0.027 MPa^?1（降低约25%）。卸载阶段拟合斜率与截距均低于加载阶段，关系曲线整体更平缓，呈明显滞后。J1二次加载与首次加载斜率基本一致而截距下降，说明二次加载渗透率损失主要源于首次加载中裂缝面岩石的不可逆变形，而割理系统自身压缩刚度不变。由于模型以当前有效应力为唯一状态变量而渗透率具路径依赖性，实际预测应按应力路径选取对应参数集：首次加载或有效应力增大采用首次加载参数，反复加载采用体现不可逆损失的二次加载参数，卸载或应力恢复采用卸载阶段参数。(5) 结论：本研究获得不同条件下渗透率及定量表征参数（初始渗透率、割理压缩系数）范围，实现渗透率模型不确定参数表征，基于式(4)可定量预测煤储层渗透率，为深部煤层气井开发设计与生产制度优化提供基础数据支撑；并基于水化学溶解方解石充填裂缝可显著提高渗透率、降低应力敏感性的实验发现，提出低浓度酸压或压后注酸激活天然裂缝网络的潜在增产研究方向。

**讨论与结论总结**：作者指出本研究主要局限为每种测试条件仅单个样品、未设重复实验，浸泡过程水化学与溶解离子浓度未测定，模型参数在特定加载条件下标定、外推至储层条件需谨慎；渗透率提升应视为方解石溶解、黏土矿物软化、煤粉运移再沉积及干燥诱导微裂纹等多种过程综合结果，需通过浸泡液化学分析、矿物学表征（如XRD或CT扫描）及分离单一机制的专门实验加以验证与定量，留待未来工作。结论部分译为：本研究考察了深部煤割理-水力裂缝系统在不同裂缝类型、应力加载路径与水化学处理下的渗透率演化，并对渗透率模型参数进行了定量表征，主要结论如下：(1) 煤的渗流能力主要受裂缝系统类型与连通性控制，所有样品渗透率随有效应力增大呈指数递减，割理连通性及其与水力裂缝的连接决定初始渗透率水平与应力敏感性，连通性越好，初始渗透率越高、应力敏感性越弱；除水力压裂形成的高导流裂缝外，贯通且连通良好的割理是深部煤储层保持高产渗流通道的关键。(2) 应力加载路径显著影响渗透率，裂缝闭合具明显不可逆性，反复加载使相同有效应力下渗透率逐步降低，卸载时渗透率回升但加卸载曲线不重合且呈明显滞后，表明裂缝闭合包含塑性变形、弹性恢复有限；对煤层气井而言，井底压力反复波动造成的导流能力损失大部分不可逆，采用合理降压力生产制度对保持储层渗透率具有重要意义。(3) 水化学处理可在一定程度上改善裂缝导流能力，效果主要取决于裂缝发育程度与充填矿物特征，浸泡中充填碳酸盐矿物溶解使原本胶结封闭的割理相互连通，提高渗透率的同时降低应力敏感性；对裂缝发育差或充填稀疏的样品改善有限，提示可通过调控水化学处理强度与时间优化裂缝导流能力，低浓度酸压或压后注酸激活充填天然裂缝网络是潜在增产方向。(4) 动态裂缝渗透率-有效应力指数模型可较好描述实验结果，获得研究区割理-水力裂缝系统应力敏感性系数分布：割理系统0.1727–0.2953 MPa^?1，割理-水力裂缝系统0.0924–0.1474 MPa^?1；水化学处理后相同有效应力下渗透率分别增至1.3–1.65倍（割理中等发育样，如J2-1）与2.0–3.7倍（割理发育良好样，如M1），应力敏感性系数有不同程度降低。结果实现了渗透率模型不确定参数的定量表征，为深部煤储层裂缝渗透率预测提供了参数依据。