胡千庭，李曉旭，陳 強(qiáng)，梁運(yùn)培

(1.重慶大學(xué) 煤礦災(zāi)害動(dòng)力學(xué)與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044；2. 重慶大學(xué) 資源與安全學(xué)院，重慶 400044)

低滲透是制約我國(guó)煤層氣開發(fā)或煤礦瓦斯抽采的關(guān)鍵因素之一，為此常采用水力壓裂技術(shù)增加煤層滲透率。壓裂泵注階段，壓裂液在裂縫流體壓力作用下向裂縫面附近煤基質(zhì)濾失或強(qiáng)制滲吸[1-2]，壓裂結(jié)束關(guān)井、排水階段，由于毛管力導(dǎo)致的自發(fā)滲吸作用，使壓裂液進(jìn)一步侵入裂縫面附近基質(zhì)孔隙[3-4]，因此壓裂后水力裂縫面附近煤基質(zhì)含水飽和度遠(yuǎn)高于煤層原始含水飽和度。煤基質(zhì)孔喉細(xì)小(數(shù)納米～數(shù)百納米)、毛管力大，加之我國(guó)煤層低壓、低滲、低飽和氣特點(diǎn)，并考慮到煤層裂縫強(qiáng)應(yīng)力敏感性[5-7]，排水采氣階段僅能實(shí)現(xiàn)較低返排壓差，難以克服煤基質(zhì)微、小孔隙的高毛管阻力，導(dǎo)致煤基質(zhì)內(nèi)侵入的壓裂液返排困難，從而在水力裂縫-煤基質(zhì)界面形成水鎖損害帶，阻礙甲烷氣體從基質(zhì)孔隙向裂縫的流動(dòng)產(chǎn)出[8-9]，這與采用水力壓裂完井的致密砂巖氣層、頁(yè)巖氣層情況類似[10]。

為緩解水鎖損害、提高水力壓裂煤層增產(chǎn)效果，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)對(duì)措施主要包括以下4個(gè)方面。① 添加表面活性劑，以減小氣-水界面張力、增大水相接觸角[11-14]，最終減小毛管力。現(xiàn)有煤層氣井主要使用活性水壓裂液，其采用清水、防膨劑、表面活性劑配制而成，但煤對(duì)表面活性劑吸附能力強(qiáng)[15-17]，可能堵塞煤層微、小孔隙，影響甲烷解吸、擴(kuò)散。② 優(yōu)化壓裂設(shè)計(jì)、增大生產(chǎn)壓差，例如縮短壓裂作業(yè)時(shí)間以降低壓裂液濾失量，排采階段增大返排壓差，快速返排壓裂液，減少壓裂液自發(fā)滲吸量，但針對(duì)裂縫應(yīng)力敏感性強(qiáng)[18-19]、易誘發(fā)出煤粉的煤層[20-21]，不宜采用較大的返排壓差。③ 儲(chǔ)層加熱技術(shù)，主要采用電加熱[22-24]、微波加熱[25-26]等方式，加熱儲(chǔ)層內(nèi)難以返排的孔隙水，達(dá)到相變蒸發(fā)解除水鎖損害、提高氣體滲透率目的，但溫度需>120 ℃時(shí)才能明顯降低孔隙水飽和度，同時(shí)加熱范圍一般局限于井筒周圍5 m以內(nèi)，而水力裂縫向井筒兩側(cè)延伸距離普遍介于數(shù)十米～數(shù)百米，導(dǎo)致遠(yuǎn)離井筒的裂縫面加熱難度大，難以高溫蒸發(fā)裂縫面附近基質(zhì)內(nèi)滯留水，因此該技術(shù)不適宜水力壓裂氣井解除水鎖。④ 非水基壓裂液，如超臨界CO2壓裂[27-29]、液氮壓裂[30-31]等，壓裂后相變?yōu)镃O2與N2氣體，孔隙內(nèi)不存在氣-液兩相，因此能夠預(yù)防水鎖損害，同時(shí)有效避免黏土礦物吸水膨脹，目前該技術(shù)處于工業(yè)化試驗(yàn)階段，在富含黏土礦物的煤層、頁(yè)巖油氣層和干熱巖地層具有較大應(yīng)用前景。

針對(duì)富含化學(xué)活性組分(如酸溶性礦物、氧化還原敏感性礦物與干酪根等)的煤層、頁(yè)巖氣儲(chǔ)層，筆者團(tuán)隊(duì)及合作者近年來(lái)提出了酸化、氧化溶蝕防治水力裂縫-基質(zhì)界面水鎖損害的技術(shù)思路[32-34]，其原理是在水鎖損害帶形成酸化或氧化溶蝕孔縫，通過(guò)增加壓裂液侵入帶的滲流通道尺寸，減小侵入帶毛管力，從而促進(jìn)壓裂液返排，以解除水鎖損害。為此，筆者以富含方解石的阜新盆地低煤階煤樣為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，模擬常規(guī)活性水壓裂液與酸性壓裂液濾失導(dǎo)致的煤基質(zhì)水鎖損害，分別將活性水壓裂液與酸液注入煤巖心，然后分別在0.1，0.5，2.0 MPa氣體驅(qū)替壓差下返排煤樣內(nèi)侵入的水相，實(shí)時(shí)測(cè)試氣相滲透率演變規(guī)律，計(jì)算水鎖損害程度，并基于核磁共振、CT掃描分析方解石溶蝕對(duì)煤樣滲流通道影響，探討酸性壓裂液防治煤層水鎖損害可行性與應(yīng)用前景。

1 煤樣與實(shí)驗(yàn)方法

1.1 煤樣基本信息

阜新盆地作為中國(guó)重要的煤炭生產(chǎn)基地，同時(shí)蘊(yùn)含豐富的低煤階煤層氣資源[35-37]。盆地內(nèi)劉家區(qū)白堊統(tǒng)阜新組含煤地層(埋深730～843 m)發(fā)現(xiàn)煤層氣富集，根據(jù)煤層氣井試井分析，儲(chǔ)層壓力為6.7～8.2 MPa[38-39]，早期8口煤層氣參數(shù)井與生產(chǎn)試驗(yàn)井的單井產(chǎn)氣量達(dá)3 000 m3/d，顯示出良好的開采潛力[40]。為此，選用阜新組長(zhǎng)焰煤為實(shí)驗(yàn)對(duì)象(圖1)，該煤樣結(jié)構(gòu)完整，內(nèi)、外生微裂縫發(fā)育，屬于原生結(jié)構(gòu)煤。

如圖1所示，煤樣裂縫被方解石充填，降低了煤樣滲透性，在3.0 MPa測(cè)試圍壓下，干燥煤巖心氣體滲透率為(0.4～1.4)×10-15m2。

圖1 阜新組長(zhǎng)焰煤原煤樣及其表面可見的裂縫充填方解石Fig.1 Representative images of raw coal sample and the observed fracture-filling calcite on sample surfaces

該原煤樣滲透率應(yīng)力敏感系數(shù)為0.13～0.14 MPa-1[19]，則換算得到煤層實(shí)際埋深下的氣體滲透率為(0.08～0.34)×10-15m2，與試井測(cè)得滲透率接近，屬于低滲透儲(chǔ)層[39]。

煤樣破碎后用標(biāo)準(zhǔn)篩進(jìn)行篩分，選取粒徑小于0.2 mm樣品，利用5E-MAG6600型全自動(dòng)煤質(zhì)工業(yè)分析儀，測(cè)定煤樣中水分、灰分、揮發(fā)分、固定碳平均值分別為8.4%，9.1%，30.5%，52.0%。根據(jù)GB/T 15224.1—2010《煤炭質(zhì)量分級(jí) 第1部分：灰分》，煤樣屬于特低灰煤。采用粉末X射線衍射方法，分析煤樣中無(wú)機(jī)礦物類型及含量。結(jié)果顯示，煤樣中主要礦物為方解石，質(zhì)量占比約7.95%，其余次要礦物含量少，依次為菱鐵礦(1.09%)、黃鐵礦(0.59%)、石英(0.21%)，未檢測(cè)到黏土礦物。分別取煤樣、方解石的密度為1.54，2.71 g/cm3，換算得到煤樣中方解石體積占比約4.52%。

利用場(chǎng)發(fā)射電鏡(FEI Nova400)觀察了煤樣內(nèi)方解石微觀形貌(圖2)，發(fā)現(xiàn)方解石主要充填在微裂縫內(nèi)，少量充填于中大孔隙內(nèi)，被方解石充填的微裂縫開度為10～300 μm，并呈現(xiàn)較強(qiáng)非均質(zhì)性分布特征；同時(shí)，利用場(chǎng)發(fā)射電鏡配套的X射線能譜儀(牛津X-Max N50)，對(duì)微裂縫充填礦物開展了主要元素點(diǎn)掃描，分析礦物主要元素組成。結(jié)果表明，微裂縫內(nèi)礦物元素主要為Ca、C、O，3者質(zhì)量分?jǐn)?shù)總和占比大于98%，證實(shí)為方解石礦物，且由于未見Al，Si元素富集，表明微裂縫內(nèi)無(wú)伴生的黏土礦物。

圖2 掃描電鏡下原煤樣裂縫充填方解石微觀賦存狀態(tài)Fig.2 SEM images of fracture-filling calcite in raw coal samples

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 實(shí)驗(yàn)液體選取

1.2.2 實(shí)驗(yàn)步驟

(1) 選取富含方解石的4件煤巖心(?25 mm×50 mm)作為實(shí)驗(yàn)樣品，分別利用核磁共振、CT掃描技術(shù)，檢測(cè)原煤樣滲流通道發(fā)育情況。

(2) 烘干煤巖心，利用滲流裝置正向測(cè)試干燥原煤樣的氣相滲透率kg(圖3)，作為基準(zhǔn)滲透率，然后模擬壓裂液在一定壓力下濾失侵入煤層過(guò)程，即分別以0.5，2.0 MPa注入壓力(等效壓力梯度0.1，0.4 MPa/cm)，分別將0.5% KCl溶液反方向注入4件煤巖心，直至煤巖心含水飽和度不再變化，視為孔縫全部被水充滿飽和。

圖3 巖心滲流實(shí)驗(yàn)裝置及壓裂液水鎖評(píng)價(jià)流程Fig.3 Experimental device and simulation process for fracturing fluid intrusion/flowback

(3) 模擬水力壓裂煤層氣井排水降壓過(guò)程，利用氮?dú)鈱?duì)煤巖心依次正向施加0.1，0.5，2.0 MPa驅(qū)替壓差(等效壓力梯度0.02，0.1，0.4 MPa/cm)，返排孔縫內(nèi)侵入的水相，根據(jù)入口、出口端氣體壓力及流量，基于達(dá)西公式實(shí)時(shí)計(jì)算氣相滲透率恢復(fù)過(guò)程，并根據(jù)驅(qū)替前后樣品質(zhì)量差，計(jì)算水飽和度變化。

(4) 步驟(3)結(jié)束后，模擬酸性壓裂液在一定壓力下濾失侵入煤層過(guò)程，分別以0.5，2.0 MPa注入壓力，對(duì)上述4件煤巖心反方向注入6%乙酸溶液，并根據(jù)注入壓力、流量，基于達(dá)西公式實(shí)時(shí)計(jì)算注酸過(guò)程水相滲透率。

(5) 酸液注入結(jié)束后，利用CT掃描、核磁共振技術(shù)，檢測(cè)酸化煤樣內(nèi)滲流通道變化。

(6) 使用上述4件酸化煤巖心，重復(fù)步驟(3)，對(duì)比酸化溶蝕前后煤樣氣相滲透率及水飽和度變化差異。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 原煤樣返排過(guò)程氣相滲透率恢復(fù)規(guī)律及水鎖損害程度

干燥狀態(tài)下，原煤樣氣相滲透率為(0.44～1.44)×10-15m2，見表1。水力壓裂過(guò)程，壓裂液將在裂縫與地層之間壓力差作用下向煤層濾失，為此模擬活性水壓裂液濾失侵入過(guò)程，該實(shí)驗(yàn)采用2種不同壓力向煤巖心注水。實(shí)驗(yàn)煤樣為長(zhǎng)焰煤，是典型的低階煤。在低成熟階段(0.3%

表1 原煤樣水相返排效果及水鎖損害率評(píng)價(jià)結(jié)果 Table 1 Experimental results of fracturing fluids flowback and water blockage in raw coal samples

水相注入結(jié)束后，利用氮?dú)鈱?duì)飽和水煤巖心逐級(jí)施加不同驅(qū)替壓差，模擬煤層孔縫內(nèi)侵入壓裂液的返排過(guò)程。對(duì)于表面親水的煤樣，在氣體驅(qū)替水階段，毛管力是阻力，氣相驅(qū)替壓差高于該毛管阻力是水相能夠返排的前提條件。毛管力計(jì)算公式為

其中，Pc為毛管力，MPa；σ為界面張力，mN/m；θ為接觸角，(°)；r為毛管半徑，nm。根據(jù)文獻(xiàn)測(cè)試數(shù)據(jù)，氣水界面張力σ=72 mN/m，水在該低階煤樣表面的接觸角θ=68.8°[45]，計(jì)算得到煤樣不同尺寸孔縫對(duì)應(yīng)的毛管力。結(jié)果表明，在0.1，0.5，2.0 MPa驅(qū)替壓差下，水相能夠返排的臨界孔縫尺寸分別為1 040，208，52 nm。對(duì)于尺寸大于1 040 nm的孔縫，理論上僅需0.1 MPa驅(qū)替壓差即可返排出該孔縫內(nèi)全部水相，從而解除該尺寸孔縫的水鎖損害；同理，對(duì)于尺寸小于52 nm的孔縫，其毛管阻力高于實(shí)驗(yàn)最大驅(qū)替壓差(2.0 MPa)，導(dǎo)致該孔縫內(nèi)水相返排率為0，從而無(wú)法解除該尺寸孔縫的水鎖損害。

如表1與圖4所示，0.1 MPa驅(qū)替壓差下，所有煤巖心出口端無(wú)氣、水產(chǎn)出，表明水相占據(jù)了所有滲流通道，導(dǎo)致氣相滲透率降為0，證實(shí)該驅(qū)替壓差無(wú)法克服煤基質(zhì)毛管力；當(dāng)驅(qū)替壓差增加至0.5 MPa，煤巖心氣相滲透率快速恢復(fù)并持續(xù)穩(wěn)定到(0.04～0.15)×10-15m2，但含水飽和度仍高達(dá)90%以上，表明被驅(qū)替排出的水主要來(lái)自于毛管力較小的滲流通道；驅(qū)替壓差為2.0 MPa時(shí)，煤巖心滲透率大幅提升，水鎖損害得到進(jìn)一步解除，但仍存在較嚴(yán)重滲透率損害，損害率為33%～75%，含水飽和度高于70%。

上述結(jié)果可以看出，盡管氣體驅(qū)替壓差與水注入壓力相同，但僅小部分水能夠被排出，且滲透率在極短(<1.0 h)驅(qū)替時(shí)間內(nèi)得到恢復(fù)，隨后長(zhǎng)時(shí)間處于平衡穩(wěn)定狀態(tài)(圖4)。對(duì)比孔隙型致密巖石內(nèi)侵入水的返排實(shí)驗(yàn)，納米孔內(nèi)毛管力束縛水返排時(shí)間長(zhǎng)達(dá)數(shù)十～數(shù)百小時(shí)，滲透率也呈緩慢恢復(fù)特征，而對(duì)于裂縫型致密巖石，滲透率可在1.0 h內(nèi)達(dá)到平衡穩(wěn)定狀態(tài)[46-47]，與圖4曲線特征類似，這種滲透率曲線形態(tài)差異可由上述計(jì)算得到的納米孔與裂縫毛管阻力來(lái)解釋。

圖4 原煤樣壓裂液返排過(guò)程氣相滲透率變化曲線Fig.4 Experimental curves of gas permeability in raw coals during fracturing fluid flowback

阜新盆地劉家區(qū)煤層原始?jí)毫?.7～8.2 MPa[38-39]，當(dāng)壓裂液侵入煤基質(zhì)深度大于20 cm時(shí)，返排過(guò)程驅(qū)替壓力梯度將小于0.34～0.41 MPa/cm，接近于本文所采用的最大返排壓力梯度(0.4 MPa/cm)，因此根據(jù)本文返排實(shí)驗(yàn)結(jié)果，推測(cè)認(rèn)為強(qiáng)親水煤層水力裂縫-煤基質(zhì)界面滲透率將遠(yuǎn)低于原煤層滲透率，排采階段僅靠煤層自生驅(qū)替壓差，難以克服煤基質(zhì)孔隙的高毛管力，無(wú)法有效解除壓裂液侵入帶來(lái)的滲透率損害。因此，有必要采取措施降低煤基質(zhì)毛管力，促進(jìn)壓裂液返排，進(jìn)一步解除壓裂液侵入帶的水鎖損害。

2.2 酸溶蝕作用下煤樣滲透率演變規(guī)律

煤層水力壓裂過(guò)程中，裂縫內(nèi)流體濾失壓力高，壓裂液濾失(強(qiáng)制滲吸)快，導(dǎo)致壓裂液快速侵入煤基質(zhì)，而泵注結(jié)束后裂縫內(nèi)流體濾失壓力大幅減小，壓裂液進(jìn)入煤基質(zhì)速率較慢。為此，分別模擬0.5，2.0 MPa兩種差異較大的濾失壓力，向上述煤巖心反方向注入相同體積的6%乙酸溶液，并實(shí)時(shí)計(jì)算液體滲透率，模擬酸性壓裂液濾失過(guò)程煤滲透率演變規(guī)律。如圖5所示，在酸液注入的初始階段，煤巖心軸向上未形成貫通的酸溶蝕通道，測(cè)得煤巖心初始液體滲透率為(0.010～0.026)×10-15m2。根據(jù)滲透率增幅快慢，以0.1×10-15m2為界限，將FF-1，F(xiàn)F-2滲透率曲線劃分為2個(gè)階段，即前期緩慢變化階段與后期快速變化階段。在前期階段，隨著酸液持續(xù)注入，F(xiàn)F-1，F(xiàn)F-2滲透率緩慢增加，表明酸溶蝕通道在軸向上逐漸貫通，該過(guò)程耗時(shí)40～50 h，滲透率增加2～5倍；當(dāng)滲透率增加至0.1×10-15m2后，進(jìn)入快速變化階段，F(xiàn)F-1耗時(shí)15 h后滲透率快速增加至7.0×10-15m2(增加70倍)，F(xiàn)F-2耗時(shí)25 h后滲透率快速增加至24.1×10-15m2(增加240倍)。對(duì)于FF-3，F(xiàn)F-4，酸液注入壓力大，對(duì)應(yīng)于較大的酸液傳質(zhì)速率，滲透率增加至0.1×10-15m2耗時(shí)小于15 h，隨后在1.0 h內(nèi)，F(xiàn)F-3，F(xiàn)F-4滲透率分別激增至27.2(增加272倍)、10.1×10-15m2(增加101倍)。對(duì)比2個(gè)不同注入壓力下的滲透率測(cè)試結(jié)果可知，提高注酸壓力有助于在煤巖心內(nèi)快速形成貫通的酸溶蝕通道，更快速改變煤樣滲透性。同時(shí)，盡管煤中含鐵礦物(如菱鐵礦、黃鐵礦)與酸液接觸后會(huì)被酸溶蝕，釋放鐵離子，但乙酸能夠與鐵離子形成絡(luò)合物[41]，因此未見鐵離子二次沉淀導(dǎo)致的酸溶蝕通道堵塞與滲透率降低現(xiàn)象。

圖5 注入相同體積乙酸時(shí)煤巖心滲透率動(dòng)態(tài)變化曲線Fig.5 Experimental curves of liquid permeability in coal samples during acetic acid injection

2.3 酸溶蝕作用下煤樣滲流通道變化

為研究乙酸溶液注入對(duì)煤樣滲流通道影響，采用核磁共振儀(MacroMR12-150H-I)對(duì)煤巖心開展表征分析。核磁共振作為一種快速、無(wú)損檢測(cè)手段，已廣泛用于煤的孔裂隙結(jié)構(gòu)分析，部分學(xué)者[48-49]根據(jù)飽和水煤樣橫向弛豫時(shí)間劃分了微孔與小孔(T2< 10 ms)、中孔與大孔(10 ms 100 ms)等，而中大孔與裂縫是煤的主要滲流通道，其連通性、體積占比、孔徑分布特征等決定了煤樣氣水兩相滲流能力。對(duì)于煤的孔隙劃分，一般認(rèn)為微孔、小孔的孔徑小于100 nm，中孔、大孔尺寸為100～1 000 nm，裂縫尺寸大于1 000 nm。如表2與圖6所示，T2>100 ms時(shí)核磁信號(hào)強(qiáng)度接近于為0，反映出無(wú)裂縫存在，與煤巖心呈現(xiàn)低滲透的特征一致；在10 ms10 ms對(duì)應(yīng)的孔隙水可自由流動(dòng)，而T2<10 ms對(duì)應(yīng)的孔隙水則被毛管力束縛無(wú)法流動(dòng)，從而解釋了驅(qū)替結(jié)束后原煤樣高含水飽和度的原因。

圖6 乙酸注入前后煤巖心核磁共振T2譜曲線Fig.6 T2 distribution curves in coal samples before and after acetic acid injection

表2 乙酸注入前后煤巖心孔隙結(jié)構(gòu)的核磁定量表征Table 2 Characterization of pore structure in raw and acid-treated coals using nuclear magnetic resonance testing

乙酸溶液注入煤巖心后，T2>10 ms曲線對(duì)應(yīng)的核磁信號(hào)增強(qiáng)，孔隙度分量變大，而T2<10 ms曲線形態(tài)無(wú)明顯變化，表明被酸液溶蝕的方解石主要賦存于中大孔及裂縫內(nèi)，因此注入酸液可以大幅改善煤巖心滲流能力。酸液在煤內(nèi)部流動(dòng)時(shí)，涉及滲流場(chǎng)與化學(xué)場(chǎng)的耦合過(guò)程，其主要表現(xiàn)為孔縫內(nèi)酸液傳質(zhì)速率影響方解石溶蝕過(guò)程，同時(shí)該溶蝕過(guò)程使孔縫結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化，從而影響滲流場(chǎng)。對(duì)比4塊煤巖心T2結(jié)果，采用較低注酸壓力時(shí)，T2>10 ms曲線形態(tài)變化更加明顯，滲流通道的孔隙度分量增幅更大，說(shuō)明方解石溶蝕量更多，更有利于改善中大孔及裂縫的滲流能力。與0.4 MPa/cm注酸壓力相比，0.1 MPa/cm注酸壓力對(duì)應(yīng)于較低的酸液傳質(zhì)速率，使注入的酸液在流動(dòng)過(guò)程中能夠長(zhǎng)時(shí)間與方解石接觸，從而溶解更多方解石，更大范圍改變煤巖心滲流通道。

核磁共振分析表明方解石溶蝕產(chǎn)生了更多滲流通道，為更直觀顯示酸溶蝕通道形貌、分布特征，采用德國(guó)西門子Somatom CT掃描系統(tǒng)(分辨率150 μm×150 μm×600 μm)，開展酸液注入前后煤巖心CT掃描，然后基于Avizo圖像處理軟件，三維可視化展示酸溶蝕通道空間連通性與分布特征。

酸液注入前，由圖2掃描電鏡圖像可知，煤巖心內(nèi)部微米級(jí)滲流通道均被方解石充填堵塞，CT掃描無(wú)法檢測(cè)到微米級(jí)滲流通道，故未展示對(duì)應(yīng)CT掃描圖像。酸液注入煤巖心后，將溶蝕產(chǎn)生的滲流通道分別在XZ，YZ平面顯示(圖7)，圖中滲流通道以不同顏色渲染表示，同一顏色代表同一類空間連通體。由圖7可知，在煤巖心入口端到出口端整個(gè)滲流路徑(Z軸方向)中均檢測(cè)到酸溶蝕通道，并呈現(xiàn)出較好的空間連通性，因此酸液注入能夠大幅提高煤巖心滲透率。由于注酸壓力不同，導(dǎo)致酸液在煤巖心內(nèi)流動(dòng)速率不同，從而使酸溶蝕通道的形態(tài)與面積占比存在差異性。酸液注入速率較低，注入的酸液在流動(dòng)過(guò)程中能夠更長(zhǎng)時(shí)間、更大范圍溶蝕方解石，使煤巖心FF-1，F(xiàn)F-2酸溶蝕通道呈現(xiàn)粗、寬的形貌特征，而FF-3，F(xiàn)F-4酸溶蝕通道呈細(xì)、窄特征。根據(jù)對(duì)CT圖像的定量統(tǒng)計(jì)，沿Z軸乙酸流動(dòng)方向，煤巖心FF-1，F(xiàn)F-2酸溶蝕通道在各CT切片中的面積占比分別介于0.6%～7.9%(平均值3.7%)，2.7%～5.9%(平均值4.1%)，與此相比，煤巖心FF-3，F(xiàn)F-4酸溶蝕通道的面積占比分別介于0.3%～4.2%(平均值2.1%)、0.1%～4.7%(平均值1.2%)。

圖7 煤巖心內(nèi)部酸溶蝕通道的CT可視化表征Fig.7 CT images of flow channels related with acid-induced dissolution

2.4 酸溶蝕通道防治煤基質(zhì)水鎖損害效果

酸化后煤巖心孔縫被酸液完全飽和、占據(jù)，然后依次采用0.1，0.5，2.0 MPa氣體驅(qū)替壓差，評(píng)價(jià)水相返排過(guò)程氣相滲透率演變規(guī)律。根據(jù)CT、核磁共振巖心分析結(jié)果，酸溶蝕通道尺寸>100 nm，而該尺寸孔縫的毛管力小于實(shí)驗(yàn)驅(qū)替壓差，水容易被返排出煤巖心，為此理論上酸溶蝕通道不易發(fā)生水鎖損害。

從表3可以看出，0.1 MPa壓差驅(qū)替后，煤巖心含水飽和度小于0.8，氣相滲透率隨水相返排逐漸提升至(4.1～58.6)×10-15m2，遠(yuǎn)大于干燥原煤樣初始滲透率，水鎖損害被完全解除；0.5 MPa驅(qū)替后，煤巖心含水飽和度進(jìn)一步降低至42%～72%，而提高驅(qū)替壓差至2.0 MPa，含水飽和度僅微小變化，表明0.5 MPa驅(qū)替壓差已能很好滿足酸化煤巖心中外來(lái)水相的返排。與原煤樣驅(qū)替后的高含水飽和度、高水鎖損害率相比，酸溶蝕通道可以大幅降低酸化煤樣毛管力及水相返排阻力，有利于解除煤基質(zhì)水鎖損害。除了降低毛管阻力，酸溶蝕通道內(nèi)水相易返排，會(huì)在局部區(qū)域形成低含水飽和度，而在酸溶蝕通道之外區(qū)域煤基質(zhì)仍處于高含水飽和度。根據(jù)毛管力與含水飽和度關(guān)系[50]，含水飽和度越低，毛管力越高，因此將在酸溶蝕通道與煤基質(zhì)微、小孔隙之間形成毛管力差異，促使微、小孔隙的水遷移至酸溶蝕通道，然后被氣體排出。這種毛管力差異驅(qū)動(dòng)的水二次分布效應(yīng)，已成為注氣干化解除儲(chǔ)層水鎖損害的重要原理[51-53]。

表3 酸化煤樣水相返排效果及滲透率變化Table 3 Experimental results of fracturing fluids flowback and water blockage in acid-treated coal samples

圖8為酸化后煤樣驅(qū)替返排過(guò)程氣相滲透率曲線，由于方解石溶蝕在煤巖心內(nèi)形成了低毛管力的裂縫性流動(dòng)通道，因此即使采用極低的0.1 MPa驅(qū)替壓差，仍能克服煤基質(zhì)中主要滲流通道的毛管力約束，使氣相滲透率大幅提高。與酸化前原煤樣相比，酸化后煤樣滲透率曲線形態(tài)出現(xiàn)明顯差異性，從圖8可以看出，隨驅(qū)替時(shí)間、驅(qū)替壓差遞增表現(xiàn)為先持續(xù)增加、后突然減小(如FF-2，F(xiàn)F-3，F(xiàn)F-4)，且滲透率值存在一定幅度波動(dòng)。裂縫作為煤巖的主要滲流通道，普遍是氣、水、煤粉三相同時(shí)參與流動(dòng)[54]，因此水返排速率、煤粉產(chǎn)出量、煤粉粒徑對(duì)氣相滲透率、流態(tài)產(chǎn)生了重要影響。對(duì)于本文實(shí)驗(yàn)煤樣，裂縫開度較大、毛管力較小，在驅(qū)替返排壓差下裂縫內(nèi)水相能夠快速被排出，氣相在裂縫內(nèi)建立較穩(wěn)定的滲流路徑與穩(wěn)定的流態(tài)所需時(shí)間短，例如酸化前原煤樣在0.5 MPa驅(qū)替壓差下氣相滲透率達(dá)到穩(wěn)定值所需時(shí)間<0.5 h，酸化后煤樣裂縫開度進(jìn)一步增大，毛管力進(jìn)一步減小，理論上裂縫內(nèi)水相返排速率更快，但酸化后煤樣在0.1～0.5 MPa驅(qū)替壓差下滲透率持續(xù)上升、波動(dòng)，未表現(xiàn)出快速平穩(wěn)特征，對(duì)比表明水不是導(dǎo)致酸化前后滲透率曲線形態(tài)差異的主要因素。

圖8 酸化后煤樣水相返排過(guò)程氣相滲透率變化曲線Fig.8 Experimental curves of gas permeability in acid-treated coals during fracturing fluid flowback

裂縫內(nèi)煤粉的產(chǎn)出受煤巖強(qiáng)度、流體速度(即驅(qū)替或生產(chǎn)壓差)、裂縫開度等因素制約[55-56]。酸化后，煤樣裂縫開度大幅增加，同時(shí)方解石溶蝕使裂縫壁面強(qiáng)度降低、煤顆粒間膠結(jié)作用變差、連接力減小。因此，對(duì)酸化前后煤樣采用相同驅(qū)替壓差時(shí)，酸化后煤樣裂縫內(nèi)氣體流速更快，根據(jù)摩擦學(xué)原理，對(duì)煤粉產(chǎn)生的水平方向拖拽力更大，更易誘發(fā)出煤粉。這些煤粉的持續(xù)剝落、產(chǎn)出，增加了裂縫開度，從而使驅(qū)替返排階段氣相滲透率不斷增加，這與文獻(xiàn)報(bào)道的“適度出煤粉”提高煤巖滲透率理論一致[57]。另一方面，裂縫壁面呈現(xiàn)高度粗糙性，顆粒與壁面之間的碰撞、短暫性架橋堵塞、間歇性沉降與舉升等作用，導(dǎo)致難以在裂縫內(nèi)建立長(zhǎng)期穩(wěn)定的滲流路徑，因此酸化后煤樣FF-2，F(xiàn)F-3，F(xiàn)F-4在0.1～0.5 MPa驅(qū)替壓差下氣相未形成較穩(wěn)定的流動(dòng)狀態(tài)。此外，由于產(chǎn)出煤粉數(shù)量、煤粉粒徑與流體流速緊密相關(guān)，隨驅(qū)替壓差增加到2.0 MPa，被剝落煤粉的數(shù)量、粒徑進(jìn)一步增加，從而在裂縫較小開度位置形成了長(zhǎng)期性顆粒堵塞，因此FF-2，F(xiàn)F-3，F(xiàn)F-4煤樣滲透率顯著減小。

3 基于酸化改性壓裂液的煤層增產(chǎn)改造技術(shù)應(yīng)用前景及挑戰(zhàn)

煤層孔縫內(nèi)充填的方解石是熱液或地下水的活動(dòng)礦物[58-59]，我國(guó)多個(gè)地區(qū)的低滲煤層均存在方解石完全或局部充填孔縫現(xiàn)象[60-61]，如我國(guó)華北地區(qū)石炭二疊系煤層(其中沁南地區(qū)最為典型)[62-64]、新疆準(zhǔn)格爾盆地南緣[65]、川南(如芙蓉礦區(qū)、筠連礦區(qū)、石屏礦區(qū))[66]、川東(如華鎣山礦區(qū))[66]、貴州(如新田煤礦)。這些煤層甲烷含量高[64-65，67-69]，孔隙度小、滲透率低[64-65，67，69]，因此煤層氣單井產(chǎn)量并不高。水力壓裂改造煤層是提高單井產(chǎn)能的主要方法，但效果往往并不理想，甚至可能適得其反[67]，水鎖損害是限制壓裂改造煤層單井產(chǎn)量提升的重要原因(圖9(a))[70-72]。

圖9 水力裂縫-煤基質(zhì)界面水鎖損害示意及基于酸性壓裂液的防治對(duì)策Fig.9 Schematic diagram of acid-based fracturing fluid for mitigating water blockage within fracture-matrix interface

本文煤巖心注酸后表現(xiàn)出優(yōu)異的水鎖解除效果，為此針對(duì)富含方解石低滲煤層的水力壓裂，可以設(shè)想將乙酸加入活性水壓裂液，然后利用該酸性壓裂液造縫、攜帶支撐劑。壓裂過(guò)程中，酸性壓裂液將在縫內(nèi)流體壓力作用下濾失侵入煤層，而壓裂結(jié)束后，未及時(shí)返排的酸性壓裂液將在毛管力作用下自發(fā)滲吸侵入煤層。利用侵入的酸性壓裂液，溶蝕裂縫內(nèi)充填方解石，在煤層水鎖損害帶形成低毛管力、高滲透的裂縫性滲流通道，從而實(shí)現(xiàn)防水鎖與增滲目的，有效解除水力裂縫-煤基質(zhì)界面水鎖損害，促進(jìn)煤層甲烷高效產(chǎn)出(圖9(b))。同時(shí)，酸性壓裂液也能夠促進(jìn)煤層氣解吸，其主要原理包括兩方面，首先是方解石酸溶蝕產(chǎn)生的CO2氣體通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)吸附強(qiáng)化煤層甲烷解吸[32]，其次酸液能夠破壞煤中部分有機(jī)官能團(tuán)[73]，增加羥基數(shù)量[74]，從而降低煤對(duì)甲烷的吸附能力。

油氣井現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，盡管酸性工作液能夠大幅提高產(chǎn)量，但仍存在較高的失敗風(fēng)險(xiǎn)。以砂巖油氣井酸化解堵為例，與酸化相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)主要來(lái)自于微粒運(yùn)移、反應(yīng)產(chǎn)物的沉淀，而實(shí)踐證明這些可以通過(guò)采用合適的酸液注入體積、酸液注入量以及正確的選取添加劑、關(guān)井時(shí)間等工藝來(lái)減小風(fēng)險(xiǎn)。在煤層采用酸性壓裂液增產(chǎn)時(shí)，同樣需要重視煤粉運(yùn)移、反應(yīng)產(chǎn)物二次沉淀問(wèn)題。對(duì)于方解石酸溶蝕可能加劇煤粉運(yùn)移問(wèn)題，首先應(yīng)優(yōu)化施工周期、酸化后關(guān)井時(shí)間，或采用反應(yīng)速率較低的酸液(如本文的乙酸)，防治對(duì)裂縫中方解石過(guò)度溶蝕而誘發(fā)大規(guī)模出煤粉，同時(shí)可通過(guò)合理控制返排或生產(chǎn)壓差來(lái)減小煤粉的啟動(dòng)、運(yùn)移，如本文返排實(shí)驗(yàn)結(jié)果(圖8)所示，也可在酸性壓裂液中添加黏土穩(wěn)定劑(如NH4Cl)[41]、低界面表面活性劑[75]，實(shí)現(xiàn)煤粉防控；對(duì)于反應(yīng)產(chǎn)物二次沉淀風(fēng)險(xiǎn)，則需要優(yōu)化酸液體系來(lái)防治，與砂巖采用HF + HCl混合酸液體系不同，針對(duì)裂縫充填方解石的低滲煤層，通過(guò)采用乙酸、甲酸、鹽酸等，可以有效避免反應(yīng)產(chǎn)物的二次沉淀?？傊?，對(duì)于富含方解石礦物的煤層酸化壓裂，需要結(jié)合煤粉運(yùn)移臨界參數(shù)、裂縫內(nèi)礦物的具體組分等資料，“一井一策”或“一段一策”制定針對(duì)性的設(shè)計(jì)方案。儲(chǔ)層酸化增滲本質(zhì)上屬于多孔介質(zhì)反應(yīng)-流動(dòng)問(wèn)題，涉及滲流場(chǎng)與化學(xué)場(chǎng)的耦合過(guò)程，孔縫內(nèi)H+離子傳質(zhì)速率、礦物表面反應(yīng)速率共同控制礦物溶蝕程度及酸溶蝕孔縫形態(tài)[76-77]，為此低滲煤層開展酸性壓裂液增產(chǎn)改造現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用之前，首先應(yīng)開展巖心柱尺度滲流實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)，然后建立合理的酸溶蝕孔縫擴(kuò)展延伸模型，明確不同因素影響下高滲通道擴(kuò)展路徑，在不同酸液滲吸速率(等效于酸液傳質(zhì)速率)、酸巖反應(yīng)速率下獲得最優(yōu)的酸液濃度與酸液反應(yīng)時(shí)間等，最大程度解除壓裂改造煤層水鎖損害，并降低對(duì)煤體強(qiáng)度及煤粉運(yùn)移影響。

酸性壓裂液被推廣應(yīng)用的前提條件是獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益。一方面，煤層氣單井壓裂液用量主要介于500～1 000 m3[78-80]，取其平均值為750 m3?；钚运畨毫岩褐饕煞质乔逅?、防膨劑(如氯化鉀)和助排劑[81]，工業(yè)級(jí)氯化鉀(純度98%)約5 200元/t，常用助排劑十二烷基苯磺酸鈉(SDBS)約1 400元/t，則活性水壓裂液(清水+2% KCl+0.2% SDBS)大概成本為8.00萬(wàn)元/井。乙酸改性壓裂液主要成分是清水、乙酸、緩蝕劑，工業(yè)級(jí)冰乙酸(純度99.8%)約4 900元/t，常用緩蝕劑十八胺約15 000元/t，則乙酸改性壓裂液(清水+3%～6%乙酸+0.1%～0.5%十八胺)大概成本20.16～35.69萬(wàn)元/井，單井壓裂液成本增長(zhǎng)12.16～27.69萬(wàn)元，與總壓裂成本相比，該費(fèi)用占比較低。另一方面，壓裂管柱設(shè)備材質(zhì)通常為合金鋼材，如鑄鐵、碳鋼、不銹鋼[82]。在高溫(99 ℃)測(cè)試環(huán)境下，乙酸對(duì)鑄鐵、碳鋼能夠產(chǎn)生明顯腐蝕作用[83]，而在常溫～中溫(20～40 ℃)測(cè)試環(huán)境下，鑄鐵、碳鋼以及不銹鋼均具有優(yōu)異的耐腐蝕性能[84]。阜新盆地阜新組煤層埋深小于1 000 m，煤層溫度介于28.1～40.2 ℃[39]，根據(jù)上述文獻(xiàn)資料，推測(cè)可知該溫度條件下壓裂管柱設(shè)備在乙酸中的耐腐蝕性強(qiáng)，尤其在選用302，304，316，317不銹鋼時(shí)，腐蝕率為0[84]，因此壓裂管柱設(shè)備勿需替換，不會(huì)產(chǎn)生管柱替換費(fèi)用，則主要防腐蝕成本來(lái)自于緩蝕劑。正如本文實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，乙酸改性壓裂液作用后煤層滲透率大幅提高，再如文獻(xiàn)[85]中現(xiàn)場(chǎng)施工數(shù)據(jù)表明酸化壓裂井較活性水壓裂井的產(chǎn)氣量和濃度更高且持續(xù)高效抽采時(shí)間更長(zhǎng)，由此可知針對(duì)如阜新盆地富含方解石的低滲煤層，乙酸改性壓裂液能夠帶來(lái)可觀經(jīng)濟(jì)收益。

4 結(jié) 論

(1)阜新盆地煤層氣富集區(qū)域的阜新組低滲煤樣中方解石體積占比約4.5%，掃描電鏡圖像證實(shí)方解石主要充填于天然裂縫，少量賦存于中大孔隙內(nèi)，對(duì)煤樣滲透率存在較大影響。

(2)酸化前原煤樣的儲(chǔ)集空間以微、小孔隙為主，高毛管阻力導(dǎo)致水相返排難度大，在0.1，0.5 MPa氣體驅(qū)替壓差(等效壓力梯度0.02，0.1 MPa/cm)下僅少量水被返排出，滯留水造成氣相滲透率降低90%以上，當(dāng)驅(qū)替壓差增加至2.0 MPa(等效壓力梯度0.4 MPa/cm)，部分煤樣水鎖損害率仍大于60%。

(3)乙酸注入后裂縫充填方解石被溶蝕，使煤巖心內(nèi)形成了低毛管力、高滲透率的裂縫性酸溶蝕通道，0.1，0.5 MPa氣體驅(qū)替壓差即可有效返排主要滲流通道中的滲吸水相，返排過(guò)程氣體滲透率達(dá)(6.9～82.3)×10-15m2，較酸化前增加10～79倍，有效實(shí)現(xiàn)了防水鎖與增滲目的。

(4)針對(duì)富含方解石低滲煤層，采用乙酸改性現(xiàn)有活性水壓裂液體系，在水力裂縫面附近水鎖損害帶內(nèi)形成數(shù)量合理的低毛管力、高滲透率的裂縫性酸溶蝕通道，有利于防治壓裂帶來(lái)的水鎖損害；通過(guò)優(yōu)化酸液濃度、返排時(shí)機(jī)，可最大程度降低酸溶蝕區(qū)域的煤粉運(yùn)移、堵塞損害。