張迎新， 楊 杰， 王鵬飛， 洪 濤， 孫海波

(1．黑龍江科技大學 安全工程學院，哈爾濱150022;2．黑龍江龍煤礦業(yè)控股集團有限責任公司 雞西分公司，黑龍江 雞西158100)

0 引 言

隨著煤礦開采深度的增加，煤層的瓦斯含量、瓦斯壓力逐漸增大，工作面發(fā)生煤與瓦斯突出的危險性隨之加?。?－6］。瓦斯預(yù)抽已經(jīng)成為我國煤礦瓦斯治理的一項重要技術(shù)，煤層透氣性系數(shù)的高低直接決定著抽采效果的好壞。理論及實驗研究表明，隨著礦井采深的增加以及地應(yīng)力的增大，煤體的原生裂隙和孔隙度逐漸變小，煤層的透氣性隨之越來越差，因此傳統(tǒng)的瓦斯預(yù)抽工藝效果變得不再理想。同時，我國煤層的透氣性普遍偏低，比美國至少低2～3個數(shù)量級［7］。因此，亟須提高煤層的透氣性以改善預(yù)抽瓦斯的效果，除了增加鉆孔密度、延長抽采時間外，在技術(shù)上主要是依靠多種形式的煤層增透技術(shù)，使煤體裂隙密度和范圍增大，提高煤層透氣性，最終達到提高煤層瓦斯抽采效果的目的［8］。對于難以進行抽采的低透高瓦斯煤層，為提高瓦斯抽采效果，就必須通過各種手段使煤層卸壓增透，溝通煤層內(nèi)部的原生裂隙或產(chǎn)生新的裂隙。根據(jù)國內(nèi)外實驗研究情況，目前煤層增透的主要技術(shù)方法有水力壓裂增透、高壓水射流擴孔增透、水力割縫增透、深孔控制預(yù)裂爆破增透等［9－12］。

酸化工藝是應(yīng)用在石油天然氣領(lǐng)域的增產(chǎn)技術(shù)，有其特有的優(yōu)點。筆者將以酸化工藝為基礎(chǔ)，以平崗煤礦低透煤層為研究對象，探討煤層增透創(chuàng)新技術(shù)。

1 礦井概況

平崗煤礦位于雞西煤田南部含煤條帶邊緣，距雞西火車站27 km。行政區(qū)隸屬于雞西市梨樹區(qū)平崗礦區(qū)，位于雞西煤盆地西南端，屬于穆棱－平崗斷裂構(gòu)造單元的一部分。平崗煤礦東一上部采區(qū)14#右三面開采成子河組，14#煤層瓦斯壓力取實測值p0=2.7 MPa，原始煤層的透氣性系數(shù)也取實測值1.1 ×10－2m2/(MPa2·d)。該工作面瓦斯絕對涌出量為40.2 m3/min，經(jīng)鑒定屬于低透高瓦斯工作面。實驗室鑒定該工作面煤樣發(fā)現(xiàn):煤樣裂隙較為發(fā)育，但被方解石，白云巖等雜質(zhì)填充，且煤樣中所含的碳酸鹽雜質(zhì)的質(zhì)量分數(shù)為20%，因此以該工作面煤層為研究對象。

2 酸化工藝增透機理

酸化工藝目前是應(yīng)用在石油天然氣領(lǐng)域的增產(chǎn)措施，分為基質(zhì)酸化和酸化壓裂兩部分。基質(zhì)酸化是指在低于地層破裂壓力的條件下將配方酸液擠入地層，酸液腐蝕地層并溝通地層的原生裂隙，進而增大地層的透氣性能。酸化壓裂是指在高于地層破裂壓力的條件下，將酸液壓入地層，使地層在壓力作用下產(chǎn)生裂縫，酸液繼續(xù)刻蝕裂縫并溝通地層原生裂隙，進而增加地層的透氣性。據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，煤體本身含有很多原生裂隙，但基本上都被方解石、白云巖等碳酸鹽類礦物質(zhì)所填充，這是導(dǎo)致煤層低透氣性的一個重要原因。因此，可以采用酸化工藝綜合處理煤層，溶解煤體中含有的碳酸鹽雜質(zhì)，進而使煤體內(nèi)部的原生裂隙重新疏通并形成新的裂縫，則煤體出現(xiàn)較為發(fā)達的通透網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以大大降低瓦斯在煤層中流動的阻力，進而使煤層的透氣性大幅提高，改善瓦斯抽采效果。

其化學反應(yīng)機理為

由以上化學式可以看出，當HCL 與方解石反應(yīng)時，2 mol 的HCL 可以溶解1 mol 的方解石，生成1 mol的CO2;當HCL 與白云巖反應(yīng)時，4 mol 的HCL可以溶解1 mol 的白云巖，生成2 mol 的CO2。由此，可以分別計算不同濃度的HCL 溶解方解石、白云巖能力XF、XB。

3 酸化煤層分析

煤層在酸化作用下產(chǎn)生的“三圈”即以鉆孔為中心，在鉆孔周圍產(chǎn)生的鉆孔卸壓圈、酸化處理圈及未受影響圈，如圖1 所示。在這“三圈”中，酸化處理圈的范圍決定著瓦斯抽采鉆孔的有效抽采半徑，影響著鉆孔布置等重要的瓦斯抽采參數(shù)，因此，以酸化處理圈為研究重點。文中將從以下兩個方面分析酸化處理圈，研究酸在煤層中的影響范圍，為創(chuàng)新煤層增透技術(shù)奠定基礎(chǔ)。

圖1 “三圈”示意Fig．1 “Three times”schematic diagram

3．1 基質(zhì)酸化的影響范圍

基質(zhì)酸化在石油領(lǐng)域中主要用以改善碳酸鹽地層的近井筒范圍內(nèi)的滲透率，但在煤層中的影響范圍還未曾涉及。假設(shè)在4 m 厚的煤層中沿煤層傾向施工一個水平鉆孔，孔長100 m，鉆孔直徑113 mm，向鉆孔間斷地注入酸液(目的是使酸液與煤層中的碳酸鹽礦物質(zhì)反應(yīng)完全)，并使酸液完全充滿于鉆孔。由于酸液是從鉆孔的初始注酸處流向終孔，且初始注酸處接觸酸液的時間長于終孔，因此，整體來看酸化處理圈，受酸液腐蝕的范圍類似半個橢圓體。為便于計算，將橢圓體簡化為圓臺狀的模型，如圖2所示，R 表示鉆孔的初始注酸處的酸化圈半徑，r 表示鉆孔終孔處的酸化圈半徑，l 表示鉆孔注酸處到終孔的長度。

圖2 鉆孔酸化示意Fig．2 Borehole acidification schematic diagram

酸與巖石反應(yīng)的消耗速率:

式中:ns——酸液消耗量，mol;

t——單位時間，min;

k0——煤層參考溫度;

ΔE——活化能;

k——普通氣體常數(shù);

θ——絕對溫度;

Tref——室溫(25 ℃)下的反應(yīng)速率常數(shù);

vwall——巖體體表面反應(yīng)速度;

m——反應(yīng)階段。

假設(shè)在鉆孔注酸處的酸液濃度為c0，酸液消耗速率由式(1)計算出，v =10 mol/min。由于封孔段的影響，鉆孔注酸處到終孔的距離為90 m，酸液注入速度為2 m3/min，考慮酸液的流失和阻力影響，到達終孔的速率為1.686 m3/min。因此，r/R 可以按照1.686/2 的比例參與圓臺的體積運算。

式中:V——圓臺體積，文中指酸液腐蝕煤體的體積，m3;

h——圓臺高度，文中指鉆孔注酸處到終孔的距離，m;

R'——圓臺底面半徑，文中指酸液在注酸處的腐蝕范圍半徑，m;

r'——圓臺上底面半徑，文中指酸液在終孔處的腐蝕范圍半徑，m。

用上面提到的r/R'的關(guān)系式代入圓臺體積計算公式，可得

經(jīng)計算可得

由式(2)可以解出酸液在注酸處的影響范圍半徑

也可以求出酸液在終孔處的影響范圍半徑r'。至此，基質(zhì)酸化在煤層中的影響范圍在不考慮煤層有斷層、無炭柱等大型裂隙存在的情況下，可以由上述過程計算得知。

因?qū)嶒灄l件所限，簡化上述計算模型。在平崗煤礦所采的煤樣為長方體，長40 cm，寬和高均是30 cm，用電鉆在30 cm ×30 cm 的側(cè)面向煤樣中打直徑為11.3 mm，長為20 cm 的鉆孔，用注射器向鉆孔中注入500 mL 質(zhì)量分數(shù)為15%的HCL，待其充分反應(yīng)后，再利用電鉆在距鉆孔分別為1、2、3、4、5、6、7 cm分別鉆眼取煤屑，并將煤屑放于裝有紫色石蕊試液的試管中觀察石蕊是否變色。實驗結(jié)果顯示，除了在7 cm 處取得的煤屑外，其他的煤屑均使紫色石蕊試液變紅。這表明，基質(zhì)酸化處理煤樣的影響范圍在6～7 cm 之內(nèi)。由式(3)計算酸液的影響范圍R' =5.98 cm。這與實驗的結(jié)果出現(xiàn)了一個可接受的誤差。經(jīng)分析，可能是實驗室條件下煤樣所承受的地應(yīng)力基本為零，煤層產(chǎn)生一定的膨脹，煤體的孔隙度有所增加，酸液在煤層中流動阻力減小導(dǎo)致了酸液滲透范圍的增加。由此可以驗證該公式的推導(dǎo)過程正確可行。

利用式(3)預(yù)測，如果通過長100 m 的順層鉆孔向煤層注入100 m3質(zhì)量分數(shù)為15%的HCL 酸化煤層，酸液的影響范圍不超過鉆孔周圍1.87 m?？紤]到重力對酸液在煤層中的分布及滲透影響，酸液對鉆孔中心到煤層底板區(qū)域的影響范圍略大于到煤層頂板區(qū)域的影響范圍，但它是非常有限的，因此，基質(zhì)酸化所起到的作用同在碳酸鹽地層中的作用是相同的，并沒有因為煤的加入而使其作用發(fā)生變化;它只能改善鉆孔周圍有限區(qū)域內(nèi)的煤層透氣性，不能大面積的改善煤層透氣性，進而增大鉆孔的有效抽采半徑和瓦斯抽采效果的作用也非常有限。大量的成本投入?yún)s不能起到理想的作用，甚至造成得不償失的結(jié)果，因此將從酸化壓裂方面著手研究煤層增透技術(shù)。

3.2 酸化壓裂的影響范圍

由上述分析可知，基質(zhì)酸化處理煤層時，酸液腐蝕煤層的有效半徑小，不能有效解決煤層的低透氣性問題，并且由于酸化壓裂技術(shù)在煤炭領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用尚處于在實驗室研究階段，因此，文中采用FracproPT2007 壓裂模擬軟件進行煤層的酸化壓裂模擬，分析酸化壓裂產(chǎn)生的裂縫的縫長、縫高和縫寬等因素，最終確定裂縫的導(dǎo)流能力，并利用地面鉆井聯(lián)合井下煤層鉆孔抽采煤層瓦斯。

(1)地質(zhì)條件的酸化壓裂模擬

模擬在平崗煤礦的煤層中打壓裂鉆孔。首先采用YF230D 壓裂液作為前置液進行小排量造縫，然后再注入質(zhì)量分數(shù)為19.690 的SEX 28%的主壓裂液進行酸化壓裂，進一步擴大壓裂范圍。模擬發(fā)現(xiàn):僅采用酸壓技術(shù)來壓裂煤層，可以產(chǎn)生長為105 m 的裂縫，但在停泵后由于壓裂液壓力降低，壓裂產(chǎn)生的裂縫在地應(yīng)力的作用下基本閉合，裂縫無導(dǎo)流能力。由于該礦煤體較軟、酸液與煤層中的碳酸鹽雜質(zhì)反應(yīng)，消耗了部分的碳酸鹽，使煤體的承壓能力進一步減弱遂導(dǎo)致壓裂結(jié)束后裂縫閉合。

(2)壓裂產(chǎn)生的裂縫如圖3 所示。

圖3 PT 模擬的裂縫形態(tài)Fig．3 PT simulation of fracture morphology

分析壓裂結(jié)果可知，添加支撐劑的酸化壓裂煤層能獲得長101.56 m，寬0.608 cm，高7.28 m 的垂直裂縫，裂縫略微伸入煤層頂板。該裂縫具有良好的裂縫導(dǎo)流能力，證明了這種酸化壓裂的方案效果較好。

由上述模擬可知，酸化壓裂的影響圈可以達到101.56 m。在消耗同等質(zhì)量的酸液時，煤層酸化壓裂的影響范圍是基質(zhì)酸化的54.3 倍。在該區(qū)域圈內(nèi)的煤層透氣性系數(shù)會大幅度提高，煤層中的瓦斯在抽采負壓的作用下可以通過裂縫進行流動，極大降低了瓦斯在煤體中的流動阻力，改變了瓦斯在煤層中的流動形式，能夠有效提高瓦斯的抽采效果。

4 效果分析

實驗室分析發(fā)現(xiàn)，煤樣中的裂隙較為發(fā)育，但這些原生裂隙被碳酸鹽礦物所填充，如方解石、白云巖等。由化學理論可知，這些碳酸鹽礦物質(zhì)可以與酸(HCL，CH3COOH 等)反應(yīng)生成CO2氣體和可溶于水的鹽類，而煤不與酸反應(yīng)，因此，可以利用酸化工藝對煤層進行處理以增大煤層的透氣性。由于基質(zhì)酸化處理煤層的范圍有限，只能增加鉆孔周圍小部分空間內(nèi)的煤層透氣性，不能改變遠離鉆孔的煤層區(qū)域，因此，它只適合在抽采鉆孔成孔后改善鉆孔周圍裂隙的通透性，降低瓦斯在鉆孔中流動阻力;酸化壓裂技術(shù)能使煤體產(chǎn)生裂縫，酸液可繼續(xù)腐蝕裂縫進一步增加裂縫的導(dǎo)流瓦斯的能力，同時酸液在滲入煤體的過程中還可以腐蝕堵塞煤體原生裂隙的碳酸鹽充填物進而溝通裂縫與原生裂隙，形成可以供瓦斯流動的連通的網(wǎng)絡(luò)式結(jié)構(gòu)，進而降低瓦斯在煤體中的流動阻力，達到增加煤層透氣性的目的。另外，據(jù)相關(guān)文獻可知，在同等溫度壓力條件下，煤體對CO2的吸附力比CH4的吸附力強數(shù)倍，煤層經(jīng)酸化工藝處理，由酸與碳酸鹽反應(yīng)生成的CO2還能置換煤層中的CH4，增加煤體的瓦斯解吸速度，可在一定程度上增加瓦斯的抽采量。實驗和模擬顯示，利用酸化工藝解決煤層低透氣性問題是可行的。

但是，由于酸化工藝是應(yīng)用于石油天然氣領(lǐng)域的增產(chǎn)措施，在煤層瓦斯增透中尚處在起步階段，另外，酸化工藝中采用的酸為強酸，在使用過程中可能會對地下水造成污染，對環(huán)境產(chǎn)生不利影響。因此，酸化工藝在煤層增透技術(shù)中的應(yīng)用還需要進行更為詳細深刻的實驗和研究才能正式應(yīng)用在生產(chǎn)實際中。

5 結(jié) 論

(1)由實驗和理論分析結(jié)果可知，基質(zhì)酸化產(chǎn)生的酸化處理圈較小，使用100 m3質(zhì)量分數(shù)為15%的HCL 處理鉆孔后，酸化處理圈的范圍也不超過以鉆孔中心為圓心，半徑為1.87 m 的圓，因此達不到煤層增透的效果，只適合改善抽采鉆孔成孔后鉆孔周圍裂隙的通透性，以降低瓦斯在鉆孔中流動阻力。

(2)由FracproPT2007 軟件的模擬結(jié)果可知，在使用YF230D 前置液、添加支撐劑CarboProp20/40的酸化壓裂后，酸化處理圈的范圍可達101.56 m，是基質(zhì)酸化處理圈的54.3 倍，并且能形成可以供瓦斯流動連通的網(wǎng)絡(luò)式結(jié)構(gòu)，進而降低瓦斯在煤體中的流動阻力，達到大面積增加煤層透氣性的目的。

(3)文中的實驗和理論分析為創(chuàng)新煤層增透技術(shù)奠定了一定基礎(chǔ)。由于目前國內(nèi)對采用酸化工藝解決煤層低透氣性的研究還處在實驗室研究的初級階段，因此，該項技術(shù)作為一種新型的增透技術(shù)還需要更為詳細和深入的研究才能在現(xiàn)場投入使用。

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