关于改进型真三轴四氢呋喃水力压裂提高渗透率效应的实验研究：孔隙与裂缝变化的影响因素

《Powder Technology》：Experimental investigation on permeability enhancement effect of improved true-triaxial tetrahydrofuran hydraulic fracturing: Perspectives of pore and fracture variations

高效增渗：四氢呋喃辅助水力压裂对低渗透煤储层孔隙裂隙网络及渗透率协同提升机制研究

　　

韩飞林|薛胜|郑春山|李国富|赵阳|陈中伟

中国安徽科技大学深煤安全开采与环境保护国家重点实验室，淮南232001

摘要

为了提高经过水力压裂处理的煤层的渗透率，开发了一种真正的三轴溶剂-水力注入实验系统。通过一系列实验技术研究了传统水力压裂和四氢呋喃（THF）增强压裂过程中孔隙和裂缝网络的变化。裂缝发育通过盒计数分形分析和超声损伤因子进行表征，而孔隙结构的分形维数则利用Frenkel-Halsey-Hill理论与Pfeifer-Avnir公式结合来评估多尺度孔隙变化。随后阐明了THF促进渗透率提高的机制。结果表明，测试煤样的破裂压力范围为12.08至19.73 MPa，由压裂产生的主要裂缝垂直于最小主应力方向。沿X轴方向，P波速度衰减和超声损伤因子最为显著。水和THF压裂均改善了孔隙结构，总孔隙体积分别增加了最多15.83%和37.39%。孔隙结构的分形维数D₁和D_Hg均有所减小，这意味着甲烷吸附空间减少，孔隙连通性增强，从而导致煤层渗透率显著提高。由于裂缝发育增强和孔隙内可溶性分子溶解的共同作用，THF辅助压裂实现了更显著的渗透率提升，最大增幅达106.933倍。这些发现为优化渗透率提升和高效开采低渗透率储层中的清洁气体提供了新的见解。

引言

“能源、安全、清洁”是煤层气提取的三大特征[1]、[2]、[3]。高效提取甲烷有助于清洁能源的快速发展，并是实现全球碳减排目标的重要途径[4]、[5]。然而，储层的低渗透率特性极大地阻碍了甲烷的提取效率。有效提高煤层渗透率对于实现高效提取至关重要[6]。水力压裂技术是提高煤层渗透率的最有效方法之一[7]、[8]、[9]。同时，有机溶剂改性已被证明可以调节煤层孔隙-裂缝结构及甲烷吸附行为，其中四氢呋喃（THF）在储层改性方面显示出巨大潜力[10]、[11]。因此，研究THF溶剂增强水力压裂下煤层孔隙裂缝特性的变化及其对渗透率的提升效果，对于实现煤层气的高效提取具有重要的理论和实践意义。

水力压裂对煤层渗透率的影响受多种因素影响[12]。Liu等人[13]研究了不同方向或距离的自然裂缝如何影响水力压裂过程中致密油储层的裂缝扩展。他们发现，当自然裂缝靠近压裂井时，裂缝方向对扩展的影响更大。Fan等人[14]应用耦合应力-损伤模型研究了水力压裂过程中渗透率和气体压力的变化。Zhang等人[15]进行了三轴水力压裂实验，强调了原有裂缝大小和位置对水力裂缝扩展的影响。他们的结果表明，随着压裂井与原有裂缝之间的距离减小，原有裂缝尖端的引导效应增强。一些学者利用CT扫描和DVC测试方法在实验室环境中模拟了高阶煤层的水力压裂过程，定量分析了孔径大于28.4 μm的裂缝的空间分布、结构变化和生长情况[16]。Sun等人[17]进行了关于煤层各向异性特性对水力压裂影响的数值模拟研究，揭示了气水两相流动的机制。此外，Deng等人[18]研究了定向水力压裂条件下裂缝的起始和扩展过程。基于真实三轴水力压裂实验和数值模拟，Meng和Lu[19]提出了基于不平衡向量的概念。通过在高阶煤层上进行水力压裂实验，Meng和Lu[19]揭示了压裂对煤样渗透率的影响规律。这些研究为传统水力压裂优化奠定了坚实基础，但它们主要关注通过水力作用创建宏观裂缝网络，对主导甲烷吸附、解吸和扩散的微观-纳米孔隙结构的改善有限，导致低渗透率煤层的生产迅速下降。

为了解决上述问题，有机溶剂辅助水力压裂已成为研究热点。当前的研究一致认为，有机溶剂可以溶解填充在煤层孔隙和裂缝中的有机小分子和矿物杂质，重构多尺度孔隙-裂缝网络，降低甲烷吸附能力，并提高储层流体通过能力[20]、[21]。研究表明，化学溶剂对煤层孔隙和裂缝结构的改变有显著影响[22]、[23]。Zhou等人[24]发现溶剂效果存在等级依赖性，发现溶剂诱导的形态重构形成了楔形和蜂窝状孔隙，增强了表面粗糙度和微裂缝效应。Zheng等人[25]进行了溶剂提取实验，分析了孔隙转化效应和分形特征。同时，Wang等人[11]从四个不同角度分析了有机溶剂侵蚀过程中煤层裂缝和孔隙的发展模式：宏观裂缝、微观裂缝、内部裂缝和孔隙。Lin等人[26]使用超声无损检测技术研究了化学溶剂侵蚀对煤层超声特性的影响，通过分析这些参数的变化推断出煤层的物理状态。Sun等人[27]结合多种实验方法研究了有机溶剂处理后煤样全尺度孔隙参数的变化，发现四氢呋喃可以重构孔隙结构，增加孔隙体积并提高孔隙间的连通性。Kao等人[28]通过酸性压裂试验研究了水力裂缝的扩展特性及其影响因素，分析了酸蚀裂缝的特征。

以往的煤层化学改性实验大多采用将煤柱或煤粉浸泡在溶剂中的方法。然而，对真实三轴方形煤样进行化学溶剂注入并结合高压渗流的综合测试和分析较为罕见，这难以准确反映实际煤层条件下原位水力注入煤的特征变化。THF改性结合水力压裂下煤块孔隙-裂缝结构的动态演变及渗透率提升的定量机制尚未完全揭示，限制了该技术的现场应用。基于此，本研究采用新开发的三轴化学溶剂水力注入实验系统，研究了煤层孔隙和裂缝的定量变化，并揭示了THF提高水力压裂效果的机制。这些结果可为提高低渗透率煤层中煤层气提取效率提供理论支持。

实验煤样

实验所用煤样来自中国的Ulandal（ULDE）矿、Wangjiata（WJT）矿和Wulunmulan（WLML）矿。根据工业分析实验确定了煤样中水分（M_ad）、空气干燥基灰分（A_d）、挥发分（V_daf）和固定碳（FC_ad）的质量分数。测试结果见表1。其中，ULDE煤的变质程度最高，WJT煤的变质程度最低。

注入压力和声发射计数变化

图4显示了四种煤在水力压裂过程中注入压力和声发射计数的变化。破裂压力是压裂过程中的最高注入压力，而破裂时间表示达到该压力所需的持续时间。如图4所示，所有四种煤样的注入压力曲线呈现出相似的趋势：注入压力最初逐渐增加，然后迅速上升，达到峰值。

结论

基于实验测试和理论模型分析，定量研究了THF水力压裂对煤层宏观裂缝和微观孔隙变化的影响以及渗透率提升效果。结论如下：

• (1)
  水力压裂过程可以分为四个阶段：压力积累、压力快速增加、破裂压力释放和压力波动稳定。

作者贡献声明

韩飞林：撰写——原始草案、方法论、资金获取、正式分析、概念构建。薛胜：撰写——审稿与编辑、资源协调、方法论。郑春山：撰写——审稿与编辑、资金获取、概念构建。李国富：验证、监督。赵阳：监督、正式分析。陈中伟：验证、数据管理。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

作者是该期刊的编委会成员/主编/副主编/客座编辑，未参与本文的审稿或发表决定。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（编号52274171）、安徽科技大学高层次人才科学研究基金（编号2025yjrc0085）和安徽省优秀青年项目（编号2023AH030042）的财政支持。