酸化工藝的煤層增透新技術(shù)

張迎新， 楊 杰， 王鵬飛， 洪 濤， 孫海波

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

0 引 言

隨著煤礦開(kāi)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(xiǎn)性隨之加劇［1－6］。瓦斯預(yù)抽已經(jīng)成為我國(guó)煤礦瓦斯治理的一項(xiàng)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(shí)驗(yàn)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(lái)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(shí)，我國(guó)煤層的透氣性普遍偏低，比美國(guó)至少低2～3個(gè)數(shù)量級(jí)［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(zhǎng)抽采時(shí)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(dá)到提高煤層瓦斯抽采效果的目的［8］。對(duì)于難以進(jìn)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(guò)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(guó)內(nèi)外實(shí)驗(yàn)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(kuò)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(diǎn)。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(duì)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(chē)站27 km。行政區(qū)隸屬于雞西市梨樹(shù)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(kāi)采成子河組，14#煤層瓦斯壓力取實(shí)測(cè)值p0=2.7 MPa，原始煤層的透氣性系數(shù)也取實(shí)測(cè)值1.1 ×10－2m2/(MPa2·d)。該工作面瓦斯絕對(duì)涌出量為40.2 m3/min，經(jīng)鑒定屬于低透高瓦斯工作面。實(shí)驗(yàn)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?jǐn)?shù)為20%，因此以該工作面煤層為研究對(duì)象。

2 酸化工藝增透機(jī)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(jìn)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(jìn)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(lèi)礦物質(zhì)所填充，這是導(dǎo)致煤層低透氣性的一個(gè)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(jìn)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(dá)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(dòng)的阻力，進(jìn)而使煤層的透氣性大幅提高，改善瓦斯抽采效果。

其化學(xué)反應(yīng)機(jī)理為

由以上化學(xué)式可以看出，當(dāng)HCL 與方解石反應(yīng)時(shí)，2 mol 的HCL 可以溶解1 mol 的方解石，生成1 mol的CO2;當(dāng)HCL 與白云巖反應(yīng)時(shí)，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(jì)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?chē)a(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(diǎn)。文中將從以下兩個(gè)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(gè)水平鉆孔，孔長(zhǎng)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(mǎn)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(shí)間長(zhǎng)于終孔，因此，整體來(lái)看酸化處理圈，受酸液腐蝕的范圍類(lèi)似半個(gè)橢圓體。為便于計(jì)算，將橢圓體簡(jiǎn)化為圓臺(tái)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(zhǎng)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(shí)間，min;

k0——煤層參考溫度;

ΔE——活化能;

k——普通氣體常數(shù);

θ——絕對(duì)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(jì)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(dá)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(tái)的體積運(yùn)算。

式中:V——圓臺(tái)體積，文中指酸液腐蝕煤體的體積，m3;

h——圓臺(tái)高度，文中指鉆孔注酸處到終孔的距離，m;

R'——圓臺(tái)底面半徑，文中指酸液在注酸處的腐蝕范圍半徑，m;

r'——圓臺(tái)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(tái)體積計(jì)算公式，可得

經(jīng)計(jì)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(wú)炭柱等大型裂隙存在的情況下，可以由上述過(guò)程計(jì)算得知。

因?qū)嶒?yàn)條件所限，簡(jiǎn)化上述計(jì)算模型。在平崗煤礦所采的煤樣為長(zhǎng)方體，長(zhǎng)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(zhǎng)為20 cm 的鉆孔，用注射器向鉆孔中注入500 mL 質(zhì)量分?jǐn)?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(shí)驗(yàn)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(jì)算酸液的影響范圍R' =5.98 cm。這與實(shí)驗(yàn)的結(jié)果出現(xiàn)了一個(gè)可接受的誤差。經(jīng)分析，可能是實(shí)驗(yàn)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(dòng)阻力減小導(dǎo)致了酸液滲透范圍的增加。由此可以驗(yàn)證該公式的推導(dǎo)過(guò)程正確可行。

利用式(3)預(yù)測(cè)，如果通過(guò)長(zhǎng)100 m 的順層鉆孔向煤層注入100 m3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%的HCL 酸化煤層，酸液的影響范圍不超過(guò)鉆孔周?chē)?.87 m?？紤]到重力對(duì)酸液在煤層中的分布及滲透影響，酸液對(duì)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(méi)有因?yàn)槊旱募尤攵蛊渥饔冒l(fā)生變化;它只能改善鉆孔周?chē)邢迏^(qū)域內(nèi)的煤層透氣性，不能大面積的改善煤層透氣性，進(jìn)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(shí)，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(wèn)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(shí)驗(yàn)室研究階段，因此，文中采用FracproPT2007 壓裂模擬軟件進(jìn)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(zhǎng)、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(jìn)行小排量造縫，然后再注入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為19.690 的SEX 28%的主壓裂液進(jìn)行酸化壓裂，進(jìn)一步擴(kuò)大壓裂范圍。模擬發(fā)現(xiàn):僅采用酸壓技術(shù)來(lái)壓裂煤層，可以產(chǎn)生長(zhǎng)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(wú)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(jìn)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(zhǎng)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(dá)到101.56 m。在消耗同等質(zhì)量的酸液時(shí)，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(huì)大幅度提高，煤層中的瓦斯在抽采負(fù)壓的作用下可以通過(guò)裂縫進(jìn)行流動(dòng)，極大降低了瓦斯在煤體中的流動(dòng)阻力，改變了瓦斯在煤層中的流動(dòng)形式，能夠有效提高瓦斯的抽采效果。

4 效果分析

實(shí)驗(yàn)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(xué)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(lèi)，而煤不與酸反應(yīng)，因此，可以利用酸化工藝對(duì)煤層進(jìn)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?chē)〔糠挚臻g內(nèi)的煤層透氣性，不能改變遠(yuǎn)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?chē)严兜耐ㄍ感?，降低瓦斯在鉆孔中流動(dòng)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(jìn)一步增加裂縫的導(dǎo)流瓦斯的能力，同時(shí)酸液在滲入煤體的過(guò)程中還可以腐蝕堵塞煤體原生裂隙的碳酸鹽充填物進(jìn)而溝通裂縫與原生裂隙，形成可以供瓦斯流動(dòng)的連通的網(wǎng)絡(luò)式結(jié)構(gòu)，進(jìn)而降低瓦斯在煤體中的流動(dòng)阻力，達(dá)到增加煤層透氣性的目的。另外，據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)可知，在同等溫度壓力條件下，煤體對(duì)CO2的吸附力比CH4的吸附力強(qiáng)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(shí)驗(yàn)和模擬顯示，利用酸化工藝解決煤層低透氣性問(wèn)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(qiáng)酸，在使用過(guò)程中可能會(huì)對(duì)地下水造成污染，對(duì)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(jìn)行更為詳細(xì)深刻的實(shí)驗(yàn)和研究才能正式應(yīng)用在生產(chǎn)實(shí)際中。

5 結(jié) 論

(1)由實(shí)驗(yàn)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?jǐn)?shù)為15%的HCL 處理鉆孔后，酸化處理圈的范圍也不超過(guò)以鉆孔中心為圓心，半徑為1.87 m 的圓，因此達(dá)不到煤層增透的效果，只適合改善抽采鉆孔成孔后鉆孔周?chē)严兜耐ㄍ感裕越档屯咚乖阢@孔中流動(dòng)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(dá)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(dòng)連通的網(wǎng)絡(luò)式結(jié)構(gòu)，進(jìn)而降低瓦斯在煤體中的流動(dòng)阻力，達(dá)到大面積增加煤層透氣性的目的。

(3)文中的實(shí)驗(yàn)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(guó)內(nèi)對(duì)采用酸化工藝解決煤層低透氣性的研究還處在實(shí)驗(yàn)室研究的初級(jí)階段，因此，該項(xiàng)技術(shù)作為一種新型的增透技術(shù)還需要更為詳細(xì)和深入的研究才能在現(xiàn)場(chǎng)投入使用。

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