研究背景：

水鎖效應(yīng)來(lái)源于油氣開(kāi)發(fā)過(guò)程中，當(dāng)鉆井液、完井液侵入石油儲(chǔ)集層后，造成近井壁處油氣相滲透率降低的現(xiàn)象。非常規(guī)致密儲(chǔ)層的開(kāi)發(fā)，極大的依賴水力壓裂技術(shù)，而實(shí)踐表明，壓裂液的反排率通常很低。大量的壓裂液滯留在地層中引起了水鎖效應(yīng)與賈敏效應(yīng)（如圖1），造成了儲(chǔ)層傷害，這對(duì)非常規(guī)油氣的開(kāi)發(fā)是極為不利的。

從國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)在來(lái)看，在石油領(lǐng)域的水鎖效應(yīng)研究較為成熟，主要體現(xiàn)在水鎖效應(yīng)機(jī)理、產(chǎn)生原因及解除方法上。而且，水鎖效應(yīng)的解除方法主要有兩種:①通過(guò)改變流體表面張力改變壓裂液性能;②改變巖體孔隙特征。

實(shí)驗(yàn)方法：

實(shí)驗(yàn)樣品采用的煤樣取自晉煤集團(tuán)長(zhǎng)平煤礦3煤層，樣品信息見(jiàn)下表。

利用NMR實(shí)驗(yàn)（臺(tái)式核磁）共振儀對(duì)煤儲(chǔ)層水鎖效應(yīng)的解除進(jìn)行研究，具體步驟為：
1.首先將取自晉煤集團(tuán)長(zhǎng)平煤礦煤樣制備成直徑為25 mmx50 mm的圓柱形煤樣20份。
2.選擇12份煤樣，利用真空飽和裝置對(duì)12份煤樣干抽480 min，濕抽240 min，使煤樣完全飽和水，對(duì)12份飽和水煤樣分別進(jìn)行核磁共振測(cè)試，反演T2分布。
3.將步驟2中核磁共振測(cè)試后的12份飽和水煤樣，利用高速離心機(jī)分別在轉(zhuǎn)速為1000一12000r/min條件下離心30 min。進(jìn)行第2次核磁共振測(cè)試，反演T2分布，同時(shí)核磁共振巖心分析軟件計(jì)算得出T2截止值，BVI，F(xiàn)FI參數(shù)，研究孔隙負(fù)壓對(duì)煤層水鎖效應(yīng)解除方法。
孔隙負(fù)壓是一種壓強(qiáng)的表現(xiàn)形式，可以用離心力與煤體內(nèi)表面積的比值表示。通過(guò)壓汞實(shí)驗(yàn)和CO2吸附測(cè)試，可以獲得煤樣內(nèi)表面為130平方米每克，因此可以計(jì)算孔隙負(fù)壓。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

圖2為12份原煤樣NMR的T2分布圖，圖3為煤樣在不同離心機(jī)轉(zhuǎn)速離心后的T2分布。在不同離心機(jī)轉(zhuǎn)速條件下由核磁共振巖芯分析軟件計(jì)算得出的水鎖效應(yīng)參數(shù)，見(jiàn)表2。

圖2. 飽和煤樣的T2分布

由圖2可知，對(duì)于12份原煤樣其內(nèi)部孔徑分布特征基本相同。煤樣在不同轉(zhuǎn)速條件下離心后，如圖3所示，當(dāng)離心機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)?000 r/min增加到7000 r/min過(guò)程中，第1弛豫峰逐漸降低，但基本保持穩(wěn)定，第2弛豫峰和第3弛豫峰不變;當(dāng)離心機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到10000 r/min時(shí)，3個(gè)弛豫峰均明顯降低;當(dāng)轉(zhuǎn)速繼續(xù)增加到12000r/min時(shí)，第1弛豫峰趨于穩(wěn)定，第2弛豫峰和第3弛豫峰基本消失。

圖3. 不同離心轉(zhuǎn)速下的T2分布

由表2可知，在離心機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)?000 r/min逐次升高到12000 r/min時(shí)，煤樣所受的孔隙負(fù)壓從12.8Pa升高到1108.1Pa。T2截止值和BVI隨轉(zhuǎn)速的增加有降低趨勢(shì)，而FFI隨轉(zhuǎn)速的增加而增加。T2截止值、BVI和FFI隨轉(zhuǎn)速的變化趨勢(shì)如圖4,5所示，據(jù)此劃分出三個(gè)階段。

表2. 不同離心轉(zhuǎn)速下參數(shù)表

(1)穩(wěn)定I階段:離心機(jī)轉(zhuǎn)速為0一7000 r/min，T2截止值保持在18.6 ms不變，BVI和FFI亦分別穩(wěn)定在98%和2%。說(shuō)明此時(shí)孔隙內(nèi)部飽和水分含量基本沒(méi)有變化。此階段離心機(jī)轉(zhuǎn)速產(chǎn)生的離心力以及等效的孔隙負(fù)壓不足以使大孔隙的水分與煤體分離，更不會(huì)驅(qū)使小孔隙的水分向大孔隙流動(dòng)，對(duì)煤樣中的水鎖效應(yīng)沒(méi)有產(chǎn)生影響，水鎖效應(yīng)沒(méi)有解除。若在煤礦井下實(shí)際抽采過(guò)程中，當(dāng)煤層內(nèi)的孔隙負(fù)壓小于360.9Pa時(shí)，煤層內(nèi)的外來(lái)水會(huì)堵塞煤體孔隙，封鎖瓦斯流動(dòng)通道，產(chǎn)生煤體水鎖效應(yīng)。

(2)降低階段:離心機(jī)轉(zhuǎn)速為8000~10000 r/min，T2截止值從18.7 ms降低到10ms，在此階段，BVI降低，F(xiàn)FI增加。煤樣孔隙內(nèi)的飽和水分含量開(kāi)始變化，大孔隙的水分開(kāi)始與煤體離，小孔隙的水分也開(kāi)始向大孔隙移動(dòng)，并且一部分小孔隙的水分經(jīng)過(guò)大孔隙也與煤體分離。

(3)穩(wěn)定II階段:離心機(jī)轉(zhuǎn)速為10000~12000 r/min。此階段煤樣孔隙內(nèi)水分含量又趨于穩(wěn)定，大孔隙內(nèi)基本沒(méi)有水分的存在，而只有存在極微小孔隙內(nèi)殘留的水分，此時(shí)T2截止值穩(wěn)定在10 ms。在此階段，煤樣大孔隙內(nèi)水分再不會(huì)減少，微小孔隙內(nèi)殘余的水分也不會(huì)再與煤體分離。此時(shí)，對(duì)應(yīng)的孔隙負(fù)壓為769.6Pa，即在井下煤層中的孔隙負(fù)壓為769.6Pa時(shí)，可以抽出大孔隙的水分，并且使小孔隙內(nèi)水分通過(guò)大孔隙運(yùn)移到煤層裂縫中，消除水分對(duì)煤層孔隙的封堵，解除瓦斯抽采過(guò)程中的煤層水鎖效應(yīng)。

圖4. T2截止值隨離心轉(zhuǎn)速的變化

圖5. BVI值與FFI值隨離心轉(zhuǎn)速的變化

結(jié)論：

為提高煤層瓦斯抽采效果，提出利用NMR無(wú)損害測(cè)試水鎖效應(yīng)的方法，從孔隙負(fù)壓角度對(duì)煤層水鎖效應(yīng)解除方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明:隨孔隙負(fù)壓的增加，核磁共振T2截止值可分為3個(gè)階段：穩(wěn)定一降低一穩(wěn)定階段。當(dāng)煤層內(nèi)的孔隙負(fù)壓小于360.9Pa時(shí)，煤層內(nèi)的外來(lái)水會(huì)堵塞煤體隙，產(chǎn)生煤體水鎖效應(yīng);當(dāng)孔隙負(fù)壓大于769.6Pa時(shí)，能夠消除水分對(duì)煤層孔隙的封堵，解除煤層水鎖效應(yīng)。

參考文獻(xiàn)：

倪冠華,李釗,解宏超.基于核磁共振測(cè)試的煤層水鎖效應(yīng)解除方法[J].煤炭學(xué)報(bào), 2018,43(08):2280-2287.

紐邁小編:小Y. 本文更多實(shí)驗(yàn)結(jié)果和結(jié)論