不同煤岩特性对气压裂效果的影响机制

摘要： 本文旨在深入探讨不同煤岩特性对气压裂效果的影响机制。通过对煤岩的力学性质、孔隙结构、渗透率、矿物成分等特性进行分析，阐述这些特性如何影响气压裂过程中的裂缝起裂、扩展和最终的压裂效果。研究结果有助于优化煤层气压裂工艺，提高煤层气开采效率。

关键词：煤岩；压裂；开采；效率

一、引言

随着能源需求的不断增长和对清洁能源的重视，煤层气作为一种重要的非常规天然气资源，受到了广泛的关注。气压裂技术是提高煤层气开采率的关键技术之一。然而，煤岩特性的多样性导致气压裂效果存在显著差异。因此，深入研究不同煤岩特性对气压裂效果的影响机制具有重要的理论和实际意义。

二、煤岩特性概述

（一）力学性质

1.弹性模量

弹性模量反映了煤岩抵抗弹性变形的能力。较高弹性模量的煤岩在气压裂过程中需要更高的压力才能使其产生变形。例如，硬煤的弹性模量较大，在注入压裂液时，压力会在煤岩内部积累，当达到起裂压力时，裂缝才会起裂。

弹性模量还影响裂缝的扩展方向。在各向异性的煤岩中，如果弹性模量在不同方向上存在差异，裂缝更倾向于沿着弹性模量较低的方向扩展。

2.泊松比

泊松比表征煤岩在单轴压缩或拉伸时横向应变与纵向应变的比值。泊松比越大，煤岩在受到轴向压力时横向变形越明显。在气压裂过程中，泊松比会影响裂缝周围的应力分布。例如，泊松比高的煤岩在裂缝产生后，裂缝周围的应力重新分布情况与泊松比低的煤岩不同，这会影响后续裂缝的扩展和相互作用。

（二）孔隙结构

1.孔隙大小分布

煤岩中的孔隙大小分布广泛，从微孔（<2nm）到介孔（2 - 50nm）再到大孔（>50nm）。微孔和介孔主要影响煤层气的吸附能力，而大孔对气体的渗流起重要作用。在气压裂过程中，大孔的存在为裂缝的起裂和扩展提供了初始空间。

如果煤岩中大孔的比例较高，压裂液更容易进入煤岩内部，降低起裂压力，并且裂缝更容易沿着大孔发育的区域扩展。

2.孔隙连通性

孔隙连通性决定了煤岩内部气体和液体的渗流通道。连通性好的孔隙结构使得压裂液能够更均匀地分布在煤岩内部，有利于裂缝的均匀起裂和扩展。

当孔隙连通性较差时，压裂液在煤岩中的流动会受到阻碍，可能导致局部压力过高，使得裂缝起裂和扩展不均匀，影响气压裂效果。

（三）渗透率

1.渗透率与气压裂的关系

渗透率是衡量煤岩允许流体通过能力的指标。低渗透率的煤岩需要更高的压力来驱动压裂液进入煤岩并产生裂缝。在气压裂过程中，渗透率低的煤岩起裂压力高，而且裂缝扩展速度相对较慢。

高渗透率的煤岩则相对容易被压裂，但是由于气体容易通过已有的渗流通道散失，可能需要特殊的压裂工艺来确保裂缝能够有效地保持张开状态，以提高煤层气的采收率。

（四）矿物成分

1.黏土矿物

煤岩中的黏土矿物对气压裂效果有着复杂的影响。黏土矿物具有吸水性，在压裂过程中会吸收压裂液中的水分，导致压裂液性能发生变化。例如，蒙脱石类黏土矿物吸水膨胀后，会堵塞煤岩的孔隙和裂缝，阻碍压裂液的流动和气体的渗流。

同时，黏土矿物与煤岩的结合力也会影响裂缝的起裂和扩展。如果黏土矿物与煤岩结合紧密，在裂缝扩展过程中会消耗更多的能量，降低裂缝扩展的效率。

2.石英等矿物

石英等硬度较高的矿物在煤岩中的分布会影响煤岩的力学性质。如果石英含量较高，煤岩的整体硬度会增加，弹性模量增大，起裂压力也会相应提高。

在裂缝扩展过程中，石英等矿物的存在可能会改变裂缝的扩展路径，使裂缝绕过这些硬度较高的矿物颗粒，导致裂缝扩展方向的改变和复杂性增加。

三、不同煤岩特性对气压裂效果的影响机制

（一）起裂机制

1.力学性质的影响

弹性模量和泊松比共同决定了煤岩的应力 - 应变关系。在气压裂过程中，起裂压力与煤岩的弹性模量和泊松比有关。根据弹性力学理论，起裂压力可以通过煤岩的弹性参数、原地应力等因素进行计算。弹性模量越大，泊松比越小，起裂压力越高。

当煤岩受到注入压力时，应力在煤岩内部逐渐积累，当达到起裂压力时，裂缝开始起裂。在各向异性的煤岩中，由于弹性模量和泊松比在不同方向上的差异，裂缝起裂方向会优先选择在应力更容易集中且弹性模量较低的方向。

2.孔隙结构和渗透率的影响

孔隙结构中的大孔和连通性好的孔隙为压裂液的进入提供了通道，降低了起裂压力。低渗透率的煤岩由于流体难以进入，需要更高的压力来积累能量达到起裂条件。

煤岩的孔隙压力也会影响起裂压力。如果煤岩内部的孔隙压力较高，相当于外部施加的起裂压力可以相对降低，因为孔隙压力与外部压力共同作用促使裂缝起裂。

3.矿物成分的影响

黏土矿物的吸水膨胀和对孔隙的堵塞会增加起裂压力。因为压裂液需要克服黏土矿物造成的阻力才能进入煤岩内部积累足够的能量起裂。

石英等硬度高的矿物增加了煤岩的整体强度，使得起裂压力升高，并且可能改变起裂点的位置，因为应力在这些矿物颗粒周围的分布会发生变化。

（二）扩展机制

1.力学性质的影响

裂缝扩展过程中，弹性模量决定了裂缝扩展的阻力。弹性模量高的煤岩，裂缝扩展需要更多的能量，裂缝扩展速度相对较慢。

泊松比影响裂缝周围的应力分布，进而影响裂缝的扩展方向。泊松比大的煤岩，在裂缝扩展过程中，裂缝周围的应力重新分布会使裂缝更容易发生转向或分支。

2.孔隙结构和渗透率的影响

孔隙结构的连通性影响压裂液的补充。连通性好的孔隙结构能够保证压裂液持续供应到裂缝尖端，使裂缝持续稳定地扩展。

渗透率高的煤岩中，由于气体容易通过已有的渗流通道散失，会导致裂缝内的压力降低，影响裂缝的扩展。如果不能有效地控制气体的散失，裂缝可能会过早闭合，影响气压裂效果。

3.矿物成分的影响

黏土矿物在裂缝扩展过程中会与压裂液发生相互作用。如果压裂液中含有与黏土矿物反应的化学物质，可能会改变黏土矿物的性质，影响裂缝的扩展。例如，某些化学添加剂可以抑制黏土矿物的膨胀，有利于裂缝的扩展。

石英等矿物会改变裂缝的扩展路径。裂缝在遇到石英颗粒时可能会绕过，导致裂缝扩展路径变得曲折，增加了裂缝的复杂性，这对于提高煤层气的采收率既有有利的一面，也有不利的一面。有利的是复杂的裂缝网络可以增加气体的渗流面积，不利的是裂缝扩展难度增加。

（三）最终压裂效果

1.煤岩特性综合影响

综合考虑煤岩的力学性质、孔隙结构、渗透率和矿物成分等特性，不同的煤岩特性组合会导致不同的最终压裂效果。例如，具有低弹性模量、高孔隙连通性、适当渗透率和低黏土矿物含量的煤岩在气压裂后可能会形成较为理想的裂缝网络，有利于煤层气的开采。

而高弹性模量、低孔隙连通性、低渗透率和高黏土矿物含量的煤岩则可能导致气压裂效果不佳，裂缝起裂和扩展困难，气体采收率低。

四、结论

不同的煤岩特性对气压裂效果有着显著的影响。煤岩的力学性质、孔隙结构、渗透率和矿物成分等特性在气压裂的起裂、扩展和最终压裂效果等方面都起着重要的作用。在煤层气开采过程中，深入了解煤岩特性并根据其特性优化气压裂工艺是提高煤层气采收率的关键。未来的研究可以进一步深入探讨煤岩特性与气压裂效果之间的定量关系，开发更加精准的气压裂模型，以更好地指导煤层气的开采实践。

参考文献

[1] 李明潮， 煤层气开采中的气压裂技术研究进展[J]. 天然气工业， 2020， 40（5）：1 - 10.

[2] 张峰， 煤岩力学性质对气压裂裂缝扩展的影响[D]. 中国矿业大学， 2018.