趙文秀 李 瑞 烏效鳴 湯繼丹 王 坤 王于健

(1.華北油田采油工藝研究院,河北 062552;2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué),湖北 430074)

煤儲(chǔ)層具有雙孔隙結(jié)構(gòu),煤層氣絕大多數(shù)以吸附狀態(tài)存在于煤基質(zhì)孔隙中,少部分游離于煤層孔、裂隙中。當(dāng)煤層壓力降低到一定程度時(shí),煤中被吸附的氣體開(kāi)始從微孔隙表面解吸,由于割理中的壓力降低,解吸的氣體通過(guò)基質(zhì)和微孔隙擴(kuò)散進(jìn)入裂縫網(wǎng)絡(luò)中,再經(jīng)裂縫網(wǎng)絡(luò)流向井筒。由于我國(guó)煤儲(chǔ)層本身滲透率總體相對(duì)偏低,這樣勢(shì)必影響煤層氣在煤層裂隙中的運(yùn)移,進(jìn)而導(dǎo)致煤層氣產(chǎn)能較低。因此,改善煤層滲透率,增強(qiáng)煤儲(chǔ)層中孔、裂隙的連通性,是我國(guó)煤層氣開(kāi)發(fā)中需要重點(diǎn)解決的問(wèn)題。

在油氣開(kāi)發(fā)中,酸化即是通過(guò)井眼向地層注入一種或幾種酸液,利用酸液對(duì)巖石膠結(jié)物或地層孔隙、裂隙內(nèi)堵塞物等的溶解和溶蝕作用,恢復(fù)或提高地層孔隙和裂隙的滲透性的一項(xiàng)增產(chǎn)措施。酸化已是油氣田勘探開(kāi)發(fā)中提高油氣產(chǎn)量的重要手段,較小規(guī)模的酸化措施有可能極大的提高油氣產(chǎn)能。但是,在煤層氣開(kāi)發(fā)中卻極少有對(duì)煤儲(chǔ)層進(jìn)行酸化的相關(guān)報(bào)道。蘇現(xiàn)波 (1998)對(duì)河南焦作地區(qū)的煤觀察發(fā)現(xiàn),盡管該地區(qū)煤處于高變質(zhì)無(wú)煙煤階段,煤中的內(nèi)生裂隙還沒(méi)有完全閉合,為10條/5cm左右,但這些裂隙基本上均為方解石充填,甚至一部分外生裂隙也被方解石充填。并提出采用酸化法處理比壓裂有一定的優(yōu)越性。

作者在油氣井酸化的基礎(chǔ)上,結(jié)合煤儲(chǔ)層本身物理、化學(xué)特征,在實(shí)驗(yàn)室中鉆取了φ25mm的煤巖心,對(duì)其進(jìn)行了酸化處理,并對(duì)酸化前后煤巖心的滲透率及孔隙度進(jìn)行了測(cè)試和分析。另外,對(duì)酸化前后煤巖心的肉眼及鏡下特征也做了仔細(xì)觀察。

1 實(shí)驗(yàn)材料

1.1 酸液類型

實(shí)驗(yàn)分別采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%、9%及15%的鹽酸作為酸處理液。

1.2 巖心

實(shí)驗(yàn)所用到的煤樣取自山西晉城地區(qū),在實(shí)驗(yàn)室中用這些煤樣鉆取了六個(gè)φ25mm直徑的煤巖心,并分別編號(hào),其中1、2、3號(hào)煤巖心為光亮煤,4、5、6號(hào)煤巖心為暗淡煤。光亮煤裂隙系統(tǒng)發(fā)育,除可觀察到大量?jī)?nèi)生裂隙外,還可見(jiàn)少量外生裂隙,并且內(nèi)、外生裂隙多數(shù)被方解石脈充填,只有個(gè)別內(nèi)生裂隙未被充填。暗淡煤內(nèi)生裂隙不發(fā)育,但可見(jiàn)大量直徑約2～4mm的孔洞,孔洞已被碳酸鹽礦物充填。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 煤樣物相分析

利用X射線衍射儀測(cè)得實(shí)驗(yàn)用光亮煤中粘土5%,石英1%,方解石20%,非晶質(zhì)74%;暗淡煤中粘土5%,石英1%,方解石 20%,白云石15%,非晶質(zhì)59%。

實(shí)驗(yàn)用的煤樣其中的礦物質(zhì)以碳酸鹽礦物為主,主要為方解石和白云石。其中光亮煤中以方解石為主,并且主要以脈狀充填在裂隙系統(tǒng)中;暗淡煤中既含有方解石又含有白云石,這些碳酸鹽礦物不僅充填在2～4mm的孔洞中,還充填在少數(shù)的20～70μm的內(nèi)生裂隙中。

2.2 對(duì)煤巖心酸化處理

分別用6%、9%和15%的鹽酸浸泡1、2、3號(hào)煤巖心及4、5、6號(hào)煤巖心。浸泡時(shí)間分別為6、9、12、15及21小時(shí)。

3 酸化反應(yīng)機(jī)理

(1)CaCO3(方解石)+2HCl=CaCl2+CO2↑+H2O

(2)CaMg(CO3)2(白云石)+4HCl=CaCl2+MgCl2+2CO2↑+2H2O

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試及數(shù)據(jù)分析

4.1 煤巖心氣體滲透率的變化

在分別浸泡煤巖心6、9、12、15及 21小時(shí)后,取出巖心并用鼓風(fēng)干燥箱在60℃條件下烘干,之后利用JHGP氣體滲透率儀測(cè)試各個(gè)煤巖心氣體滲透率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1、2及圖1。

表1 1、2、3號(hào)煤巖心酸化前后滲透率變化

表2 4、5、6號(hào)煤巖心酸化前后滲透率變化

圖1 煤巖心酸化前后滲透率增加倍數(shù)

從以上煤巖心氣體滲透率測(cè)試結(jié)果可以得出以下結(jié)論：

(1)含大量碳酸鹽礦物的煤巖心經(jīng)酸化處理后,氣體滲透率均有顯著提高。

(2)鹽酸濃度越大,煤巖心酸處理后滲透率提高程度越大,但考慮到煤機(jī)械強(qiáng)度較低,鹽酸濃度過(guò)大可能會(huì)對(duì)煤體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不良影響。因此,本實(shí)驗(yàn)采用的鹽酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大為15%。

(3)裂隙發(fā)育程度高的煤,其酸化效果要好于裂隙發(fā)育程度低的煤。實(shí)驗(yàn)中2號(hào)煤巖心裂隙寬度及密度明顯大于1、3號(hào)煤巖心,其滲透率增加倍數(shù)也明顯高于1、3號(hào)煤巖心。另外,結(jié)合前述煤樣物相分析結(jié)果,雖然暗淡煤中碳酸鹽礦物含量明顯高于光亮煤,但其酸化后滲透率增加程度并不高于光亮煤,而光亮煤裂隙發(fā)育程度要高于暗淡煤,因此,光亮煤酸化效果優(yōu)于暗淡煤。

(4)酸處理時(shí)間為9～12小時(shí)時(shí),煤巖心滲透率提高到最大程度,超過(guò)此時(shí)間,滲透率開(kāi)始減小并逐漸趨于一定的值。本實(shí)驗(yàn)中,各煤巖心滲透率相對(duì)于其最高值降低程度在24.3～65.9%,平均為37.3%。分析主要原因可能為煤巖心長(zhǎng)時(shí)間被酸浸泡后,粘土礦物發(fā)生膨脹堵塞煤巖心孔、裂隙,從而降低了煤巖心滲透率,但因黏土含量有限所以其降低煤巖心滲透率的程度也是有限的。因此,時(shí)間因素是影響酸化效果的重要因素,要達(dá)到理想的酸化效果須控制好酸化時(shí)間。

4.2 煤巖心孔隙度的變化

利用AP-608自動(dòng)覆壓孔滲儀,在7～8MPa環(huán)壓下,分別測(cè)試未酸化和用15%鹽酸酸化21小時(shí)后煤巖心的平均孔隙度。其孔隙度變化如表3。

表3 煤巖心酸化前后孔隙度變化

根據(jù)以上數(shù)據(jù)計(jì)算得知,光亮煤和暗淡煤經(jīng)酸處理后孔隙度分別增加了0.97%和0.36%,光亮煤和暗淡煤孔隙度增長(zhǎng)率分別為10.09%和3.55%。光亮煤孔隙度增長(zhǎng)率大于暗淡煤,與前述不同煤巖類型的巖心氣體滲透率的變化特征一致,即光亮煤酸化效果好于暗淡煤。

圖2 酸化前煤巖心方解石脈

圖3 酸化后煤巖心裂隙

4.3 煤巖心肉眼及鏡下變化特征

酸化前后用數(shù)碼相機(jī)及VISION4100(金相)數(shù)字顯微鏡分別拍攝了實(shí)驗(yàn)用煤巖心照片,如圖2、3。

圖4 酸化前內(nèi)生裂隙中方解石脈,×50

圖5 酸化后內(nèi)生裂隙,×50

圖6 酸化前外生裂隙中方解石脈,×100

圖7 酸化后外生裂隙,×100

由圖4～7煤的肉眼及鏡下特征不難發(fā)現(xiàn),酸化后煤巖心孔、裂隙系統(tǒng)發(fā)生了較明顯的變化,煤裂隙、孔隙中的碳酸鹽礦物已經(jīng)比較徹底得被鹽酸溶蝕掉。

5 結(jié)論

(1)實(shí)驗(yàn)室中煤樣的礦物質(zhì)以碳酸鹽礦物為主,另外還含有少量粘土礦。

(2)煤巖心酸化后氣體滲透率及孔隙度均有較明顯的提高。裂隙越發(fā)育,酸化效果越顯著,光亮煤酸化效果優(yōu)于暗淡煤。

(3)隨著煤巖心酸化時(shí)間的增加,煤巖心滲透率先大幅升高后略有降低,最后趨于某一值。煤中的黏土礦物可能是導(dǎo)致煤巖心滲透率降低的主要因素。

(4)通過(guò)肉眼及鏡下觀察,發(fā)現(xiàn)煤巖心中孔、裂隙系統(tǒng)中的碳酸鹽礦物 (方解石及白云石)能夠被鹽酸較徹底的溶蝕。

總的來(lái)說(shuō),高濃度、短時(shí)間酸化處理更有利于改善煤層滲透性。就目前室內(nèi)實(shí)驗(yàn)情況,采用一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的鹽酸,酸化處理后效果較好,滲透率可提高20倍以上。因此,作者認(rèn)為將酸化技術(shù)應(yīng)用于清除煤層礦物質(zhì)是有價(jià)值的,并且有待開(kāi)展更深入、更廣泛的研究。

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