研究背景：

水鎖效應(yīng)來源于油氣開發(fā)過程中，當(dāng)鉆井液、完井液侵入石油儲集層后，造成近井壁處油氣相滲透率降低的現(xiàn)象。非常規(guī)致密儲層的開發(fā)，極大的依賴水力壓裂技術(shù)，而實踐表明，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），造成了儲層傷害，這對非常規(guī)油氣的開發(fā)是極為不利的。

從國內(nèi)外研究現(xiàn)在來看，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。

實驗方法：

實驗樣品采用的煤樣取自晉煤集團長平煤礦3煤層，樣品信息見下表。

利用NMR實驗（臺式核磁）共振儀對煤儲層水鎖效應(yīng)的解除進行研究，具體步驟為：
1.首先將取自晉煤集團長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12份煤樣干抽480 min，濕抽240 min，使煤樣完全飽和水，對12份飽和水煤樣分別進行核磁共振測試，反演T2分布。
3.將步驟2中核磁共振測試后的12份飽和水煤樣，利用高速離心機分別在轉(zhuǎn)速為1000一12000r/min條件下離心30 min。進行第2次核磁共振測試，反演T2分布，同時核磁共振巖心分析軟件計算得出T2截止值，BVI，F(xiàn)FI參數(shù)，研究孔隙負壓對煤層水鎖效應(yīng)解除方法。
孔隙負壓是一種壓強的表現(xiàn)形式，可以用離心力與煤體內(nèi)表面積的比值表示。通過壓汞實驗和CO2吸附測試，可以獲得煤樣內(nèi)表面為130平方米每克，因此可以計算孔隙負壓。

實驗結(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轉(zhuǎn)速離心后的T2分布。在不同離心機轉(zhuǎn)速條件下由核磁共振巖芯分析軟件計算得出的水鎖效應(yīng)參數(shù)，見表2。

圖2. 飽和煤樣的T2分布

由圖2可知，對于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)離心機轉(zhuǎn)速從1000 r/min增加到7000 r/min過程中，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)離心機轉(zhuǎn)速達到10000 r/min時，3個弛豫峰均明顯降低;當(dāng)轉(zhuǎn)速繼續(xù)增加到12000r/min時，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，在離心機轉(zhuǎn)速從1000 r/min逐次升高到12000 r/min時，煤樣所受的孔隙負壓從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，而FFI隨轉(zhuǎn)速的增加而增加。T2截止值、BVI和FFI隨轉(zhuǎn)速的變化趨勢如圖4,5所示，據(jù)此劃分出三個階段。

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%。說明此時孔隙內(nèi)部飽和水分含量基本沒有變化。此階段離心機轉(zhuǎn)速產(chǎn)生的離心力以及等效的孔隙負壓不足以使大孔隙的水分與煤體分離，更不會驅(qū)使小孔隙的水分向大孔隙流動，對煤樣中的水鎖效應(yīng)沒有產(chǎn)生影響，水鎖效應(yīng)沒有解除。若在煤礦井下實際抽采過程中，當(dāng)煤層內(nèi)的孔隙負壓小于360.9Pa時，煤層內(nèi)的外來水會堵塞煤體孔隙，封鎖瓦斯流動通道，產(chǎn)生煤體水鎖效應(yīng)。

(2)降低階段:離心機轉(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)的飽和水分含量開始變化，大孔隙的水分開始與煤體離，小孔隙的水分也開始向大孔隙移動，并且一部分小孔隙的水分經(jīng)過大孔隙也與煤體分離。

(3)穩(wěn)定II階段:離心機轉(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)水分再不會減少，微小孔隙內(nèi)殘余的水分也不會再與煤體分離。此時，對應(yīng)的孔隙負壓為769.6Pa，即在井下煤層中的孔隙負壓為769.6Pa時，可以抽出大孔隙的水分，并且使小孔隙內(nèi)水分通過大孔隙運移到煤層裂縫中，消除水分對煤層孔隙的封堵，解除瓦斯抽采過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無損害測試水鎖效應(yīng)的方法，從孔隙負壓角度對煤層水鎖效應(yīng)解除方法進行實驗研究。結(jié)果表明:隨孔隙負壓的增加，核磁共振T2截止值可分為3個階段：穩(wěn)定一降低一穩(wěn)定階段。當(dāng)煤層內(nèi)的孔隙負壓小于360.9Pa時，煤層內(nèi)的外來水會堵塞煤體隙，產(chǎn)生煤體水鎖效應(yīng);當(dāng)孔隙負壓大于769.6Pa時，能夠消除水分對煤層孔隙的封堵，解除煤層水鎖效應(yīng)。

參考文獻：

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

紐邁小編:小Y. 本文更多實驗結(jié)果和結(jié)論