压裂液高压作用对低-中阶煤储层微观结构的影响

发布时间：2020-03-23 17:30

【摘要】：水力压裂是目前我国煤层气行业的主要增产措施。在压裂过程的高压注入作用下,压裂液势必会引起造缝带附近煤储层的伤害,影响煤层气井的产能。因此,开展压裂液高压作用对煤储层伤害特征及其控制机理的研究,对于煤层气开发储层保护理论和新型低伤害性压裂液体系的研制具有重要意义。本论文选取低、中阶煤样品,先用砂线切割机将煤样切成直径为25mm,高度约为50mm的煤柱,然后开展模拟高压压裂液注入处理实验,并针对处理前后煤的微观结构特征变化开展了系列实验研究和控制机理探讨。采用二氧化碳吸附、低温液氮吸附等分析技术对比压裂液处理前后河曲煤样与柳林煤样的孔隙差异,并根据液氮吸附中的相关数据得到煤样的分形维数,以此得到压裂液对煤中吸附孔及渗流孔等孔隙的影响;借助FTIR、XRD、~(13)C-NMR等测试手段来对比压裂液作用前后煤分子中官能团及微晶结构参数等微观结构的变化;利用压裂液对孔隙及煤分子结构的影响来解释压裂液对渗透率与润湿性的变化;从高压作用下煤储层孔隙结构的变化和流体作用下煤储层表面性质的变化来综合探讨压裂液处理对煤储层吸附性和渗透性的影响机制。基于对上述测试手段所得数据进行处理及实验结果分析的基础上,得到以下结论:(1)经压裂液作用后,在二氧化碳和液氮的等温吸附曲线中,煤的总吸附量增加;液氮吸脱附曲线中滞后环的面积减小,说明煤中的细瓶颈孔和墨水瓶孔的比例下降。原因在于:一方面,高压作用使得煤储层更加致密化,从而导致开放型孔隙数量减少;另一方面,残留在煤微孔中的高压注入水和煤粉堵塞了部分孔隙吼道。此外,煤样的分形维数减小,表明压裂作用使得造缝带附近煤的内部结构更加规则化,这与宏观意义上的压实作用的影响相一致。(2)从傅立叶红外的测试结果可以看出:经压裂液处理后,两种煤中芳环的取代方式、含氧官能团、脂肪烃和氢键的含量都发生了一定程度的变化。两种煤中脂肪链的支链数量均有一定程度的减小。从残液的红外中可以发现,煤样残余液的特征吸收峰相较于参比液蒸馏水发生了很大变化。其主要原因是煤分子中的含氧官能团与水分子之间发生了氢键作用,使氢键的类型与大小发生变化所致。此外,河曲残液和柳林残液与蒸馏水的红外谱图相比,液体中烃基的含量增加。(3)由XRD的微晶结构参数可知,经压裂液作用后,两种煤的层间距d_(002)有轻微的减小,芳香层片直径L_a与层片的堆砌高度L_c稍有增大。这主要是由于在高压作用下,煤储层更加致密,煤分子的结构更趋于定向性的结果。由未经脱灰煤的XRD测试结果可知,煤中主要含有蒙脱石、高岭石与硬石膏等矿物,经压裂液作用后,煤中矿物的含量均有减小的趋势。(4)通过对煤样的~(13)C-NMR的数据处理及分析,河曲煤中sp~2杂化总碳增加,柳林煤中sp~2杂化总碳减小。河曲煤的sp~3杂化总碳量减小,而甲基含量不变,因此亚甲基或次甲基含量减小。对于柳林煤而言,sp~3杂化总碳增加,而甲基的含量不变,因此,亚甲基或次甲基的含量增加,这与红外中脂肪烃的研究结果保持一致。(5)由煤样的接触角可知,经压裂液作用后,河曲煤的接触角略有增加,柳林煤的接触角减小,说明压裂液使得河曲煤疏水,柳林煤亲水。这与煤样中羧基的含量有密切关系。(6)通过对压裂前后的煤样进行气相渗透率的测试,可以发现:经压裂液作用后,两种煤样的渗透率均出现了下降,这与液氮吸附中一端封闭的平行板状孔的数量增加和FHH分形维数减小(宏观意义上的压实作用)有关。
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TE377

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