前置酸壓裂提高煤層氣單井產(chǎn)量機(jī)理與適用性研究

范 耀

前置酸壓裂提高煤層氣單井產(chǎn)量機(jī)理與適用性研究

范 耀1,2

(1. 煤炭科學(xué)研究總院，北京 100013；2. 中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

針對目前我國煤層氣地面開發(fā)單井產(chǎn)量低、開發(fā)效益差的現(xiàn)狀，為探索研究適用于煤層氣井的經(jīng)濟(jì)高效增產(chǎn)改造技術(shù)，借鑒常規(guī)油氣藏前置酸壓裂技術(shù)的成功經(jīng)驗，采集焦坪礦區(qū)4-2煤層煤樣，進(jìn)行前置酸改善壓裂效果評價實驗，結(jié)合宏觀觀察、X射線衍射分析及掃描電鏡–能譜手段對比分析實驗前后礦物質(zhì)成分與含量變化，研究前置酸壓裂技術(shù)煤層增產(chǎn)機(jī)理和適用條件。結(jié)果表明：前置酸可改善煤儲層孔裂隙之間連通性，大大降低壓裂液本身對煤層的傷害，改造效果顯著；酸化溶解(堵塞和填隙物質(zhì))為主要增產(chǎn)機(jī)理，形成不規(guī)則酸巖溶蝕面、酸鹽反應(yīng)生成CO2促進(jìn)CH4解吸等作用是輔助增產(chǎn)機(jī)理；前置酸壓裂技術(shù)適用于含礦物質(zhì)較高、滲透性較差煤層增產(chǎn)改造和近井地帶解堵，首選富含方解石、白云石、菱鐵礦和赤鐵礦等酸溶性充填物為主的煤層，對于含有較高黏土礦物的煤層或以解除近井地帶污染為目的，重點考慮減少二次沉淀帶來的負(fù)效應(yīng)問題。建議采用二次沉淀物預(yù)防措施、綜合防濾失技術(shù)、低密度支撐劑、低傷害/高黏度壓裂液等對策來解決前置酸酸化后二次傷害和煤層壓裂液濾失大的問題。

前置酸壓裂；煤層氣；增產(chǎn)機(jī)理；適用條件；連通性

我國煤層氣資源豐富，但煤層氣儲層地質(zhì)條件相對復(fù)雜[1]，造成我國的煤層氣開發(fā)除了在沁水盆地南部和一些低階盆煤地獲得比較理想的開發(fā)效果以外，大部分區(qū)塊普遍存在單井產(chǎn)量低、穩(wěn)產(chǎn)時間短、開發(fā)效益差的問題[2-4]。低產(chǎn)井的大量存在已成為制約煤層氣產(chǎn)業(yè)規(guī)模提升的主要技術(shù)難題和生產(chǎn)瓶頸。圍繞如何提高煤層氣單井產(chǎn)量這一亟待解決的重大技術(shù)問題，科研工作者從提高煤層滲透性和促進(jìn)煤層氣解吸入手，開展了包括水力壓裂[5-6]、酸化[7]、可控沖擊波[8-9]、多脈沖高能氣體壓裂[10]、極小半徑側(cè)鉆[11]、微生物解堵[12]、注氣與注熱等多種增產(chǎn)改造技術(shù)的研究[13-15]。其中水力壓裂技術(shù)作為主要手段應(yīng)用最為廣泛，但由于煤層地質(zhì)條件差異，增產(chǎn)效果各異，主要面臨以下問題：煤巖彈性模量低、泊松比高，壓裂產(chǎn)生的裂縫縫長較短、寬度較大[16]，煤層中孔裂隙結(jié)構(gòu)發(fā)育，易出現(xiàn)多裂縫和裂縫曲折，有效縫長被降低[17]；煤儲層復(fù)雜的孔裂隙結(jié)構(gòu)被壓裂后，在煤層中形成尺寸差異大且分布錯綜復(fù)雜的縫網(wǎng)系統(tǒng)，煤層氣產(chǎn)出路徑一般從基質(zhì)孔隙→顯微裂縫→宏觀裂縫→人工裂縫→井筒，路徑復(fù)雜，且作為煤層氣主要吸附空間的基質(zhì)孔隙，主要通過解吸擴(kuò)散方式流動，供給能力弱，顯微裂縫、宏觀裂縫與人工裂縫之間如果連通不暢，將造成原生裂隙無法連通人工裂縫，進(jìn)而降低對井筒的供給能力，也就是說，即便壓裂形成了流體運(yùn)移的“高速公路”，也會因為其他流動路徑的限流而無法充分發(fā)揮作用，這是大部分煤層氣壓裂井初期產(chǎn)氣量較好，但穩(wěn)產(chǎn)時間短、產(chǎn)量下降快的根本原因。由此可見，煤層氣井壓裂想要取得理想的改造效果，在解決好壓裂形成高導(dǎo)流能力人工裂縫的同時，需要重點解決壓裂改造范圍內(nèi)整個流動路徑的連通性問題，最大程度增加煤體內(nèi)部孔裂隙系統(tǒng)的有效溝通。

研究發(fā)現(xiàn)，煤儲層孔隙、裂隙表面常被礦物質(zhì)充填，導(dǎo)致煤儲層滲透率變低[18]。黏土礦物、碳酸鹽類礦物、石英和黃鐵礦是我國煤中最常見的礦物質(zhì)[19-20]。另外，完井液進(jìn)入煤層裂隙中將造成煤層污染，降低煤層滲透率并導(dǎo)致煤層破裂壓力升高，增加施工難度。酸化技術(shù)是通過酸液對巖層膠結(jié)物或地層孔裂隙內(nèi)堵塞物等的溶解或溶蝕，來恢復(fù)或提高地層孔裂隙導(dǎo)流能力的一種增產(chǎn)措施。相關(guān)學(xué)者針對酸化對煤層的改造效果進(jìn)行了系列的室內(nèi)研究，并已開始進(jìn)行現(xiàn)場試驗；晉城礦區(qū)3號煤儲層的酸化實驗證明了鹽酸能夠改造1 μm左右的孔裂隙系統(tǒng)，從而提高煤的滲透性[21]；酸液對不同煤階煤的酸化效果不同，多組分酸能與煤中的礦物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，提高煤儲層的導(dǎo)流能力[22]；核磁共振和低溫氮吸附方法可定量表征煤層的酸化效果，孔隙中的可溶性礦物質(zhì)對煤層酸化的增透效果有決定性作用，而酸液對煤樣的溶蝕效果主要與煤階高低有關(guān)[23]；采用脈動式酸化壓裂后，壓裂孔瓦斯抽采平均混合流量和含量為普通抽采鉆孔的3.10和3.39倍[24]；沁水盆地南部3號煤層進(jìn)行酸化壓裂試驗后，最高日產(chǎn)氣量由最初的200 m3增加到2 400 m3[25]。以上研究證實了酸化作用對煤儲層具有顯著的改造效果。

前置酸壓裂技術(shù)是通過在正式加砂壓裂之前將酸液在高于破裂壓力下泵入地層，酸液沿著裂縫流動進(jìn)入地層，與儲層巖石基質(zhì)接觸，溶解儲層中的酸溶成分，溝通天然微裂縫及部分基質(zhì)孔隙，降低滲流阻力，以提高壓裂改造效果[26-27]。前置酸壓裂技術(shù)綜合了水力壓裂的物理改造與酸化的化學(xué)改造優(yōu)點，在鄂爾多斯盆地和四川盆地等地區(qū)的油氣井中得到廣泛應(yīng)用，取得顯著效果[28-34]，已成為油氣田增產(chǎn)的重要手段之一。但是，前置酸壓裂技術(shù)在地面煤層氣井儲層改造方面的應(yīng)用鮮有報道。結(jié)合前置酸壓裂技術(shù)特點，針對含礦物質(zhì)較高、滲透性較差的煤層，前置酸壓裂技術(shù)有望實現(xiàn)提高煤層氣單井產(chǎn)量的效果。

筆者以陜西銅川焦坪礦區(qū)侏羅紀(jì)煤層為研究對象，通過室內(nèi)模擬實驗和分析研究，探討前置酸壓裂技術(shù)提高煤層氣單井產(chǎn)量的機(jī)理，分析其技術(shù)應(yīng)用于煤層氣藏的適用條件，以期為該技術(shù)在煤層氣藏的應(yīng)用提供理論支撐。

1 樣品物性特征

選取陜西銅川焦坪礦區(qū)侏羅紀(jì)4-2煤層為研究對象。4-2煤層屬低變質(zhì)長焰煤，煤體以原生結(jié)構(gòu)為主，主裂隙發(fā)育情況各異，為不發(fā)育–極發(fā)育，儲層壓力梯度0.66～0.76 MPa/hm，屬于欠壓儲層；煤層溫度23℃左右；煤層試井滲透率0.08×10–3μm2，物性差。

對繩索取心采集的煤心樣品，采用宏觀觀測、X射線衍射分析及掃描電鏡–能譜4種手段，從宏觀和微觀角度，通過定性和定量的方式，分析樣品礦物質(zhì)成分與含量。

1.1 宏觀煤巖特征

4-2煤以暗煤為主，亮煤次之，屬半暗型及暗淡型煤；瀝青光澤，參差狀斷口，塊狀構(gòu)造，為原生結(jié)構(gòu)或碎裂結(jié)構(gòu)煤，裂隙發(fā)育且被方解石脈充填，常見鈣質(zhì)薄膜(圖1)。

圖1 煤心樣

1.2 X射線衍射分析

X射線衍射實驗采用JCPDS卡片檢索法進(jìn)行物相分析，采用基本強(qiáng)度對比法進(jìn)行定量分析。實驗結(jié)果可知，煤中礦物質(zhì)主要為碳酸鹽類(方解石和白云石)，占比15%～29%；黏土礦物(主要為高嶺石)，占比5%～10%，氧化硅礦物主要為石英，占比3%～8%(表1)。

1.3 掃描電鏡–能譜分析

借助掃描電鏡–能譜分析煤儲層礦物質(zhì)賦存狀態(tài)。從掃描電鏡–能譜結(jié)果(圖2—圖5)可以判斷：煤儲層礦物質(zhì)含有的碳酸鹽類物質(zhì)為方解石和白云石，黏土礦物主要為高嶺石，氧化硅礦物主要為石英。其中，方解石和白云石多為后生礦物以充填裂隙形式存在；高嶺石多作為同生礦物存在于原生孔隙和裂隙中，部分可見于植物細(xì)胞腔內(nèi)；石英賦存形式主要為分散狀，層面上較為多見。

礦物質(zhì)中高嶺石易發(fā)生分散和運(yùn)移，壓裂過程中高速流體沖擊以及排采過程中流速過快都易造成高嶺石分散運(yùn)移，從而損害滲透率；方解石、白云石、高嶺石、石英、菱鐵礦和赤鐵礦都屬于酸溶性礦物，采用合適的酸液即可溶解掉，為前置酸壓裂技術(shù)的應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。

2 前置酸壓裂效果評價實驗

開展煤儲層前置酸壓裂液評價實驗，結(jié)合宏觀觀察、X衍射定量分析、掃描電鏡等手段，分析前置酸壓裂在溶解煤孔裂隙中填充礦物、降低壓裂液對煤層傷害等方面的效果。

2.1 前置酸壓裂液配方

① 前置酸配方：15%鹽酸+0.5%D-60(助排劑)+1%HJF-94(緩蝕劑)+0.1%CA+清水。

表1 煤心X衍射定量分析結(jié)果

圖2 方解石掃描電鏡–能譜分析

圖3 白云石掃描電鏡–能譜分析

圖4 高嶺石掃描電鏡–能譜分析

圖5 石英掃描電鏡–能譜分析

② 活性水壓裂液配方：1.0%氯化鉀+0.1%氟炭離子表面活性劑+清水。

2.2 實驗樣品

實驗煤樣取自焦坪礦區(qū)下石節(jié)煤礦4-2煤層，采出煤塊，加工為?50 mm煤樣(圖6)。

圖6 實驗樣品

2.3 實驗方法

煤儲層改造液評價實驗方法尚無相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，本次借鑒石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5358—2010《儲層敏感性流動實驗評價方法》，并結(jié)合煤儲層特性，提出適合煤儲層的室內(nèi)前置酸壓裂液評價實驗方法。

① 測定煤心氣體滲透率，并校正到克氏滲透率；

② 煤心抽真空并飽和地層水，在煤儲層溫度下，正向測定用氮氣驅(qū)替時的煤心氣相滲透率1；

③ 反向注入2倍以上孔隙體積的改造液，關(guān)閉煤心夾持器的入口和出口閥門，使煤心與改造液接觸達(dá)l0 h以上；

④ 注入氮氣正向驅(qū)替，測定氮氣驅(qū)替時的煤心氣相滲透率2。

2.4 評價方法

借鑒石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5107—2016《水基壓裂液性能評價方法》，采用滲透率變化率評價改造液對煤儲層的影響：

式中：d為滲透率變化率，%；1為煤樣注入改造液前的煤心氣相滲透率，10–3μm2；2為煤樣注入改造液后的煤心氣相滲透率，10–3μm2。

2.5 結(jié)果分析

為評價前置酸壓裂液對煤層滲透率的影響，采用單一注入活性水壓裂液作為對照實驗。

實驗結(jié)果表明：先注入前置酸，再注入活性水壓裂液的方式，煤樣滲透率變化率為–276.01%～ 154.44%；而單一注入活性水壓裂液煤樣滲透率變化率為8.98%～14.96%，這表明前置酸酸化作用后增加了煤儲層孔裂隙之間連通性，提高了煤儲層的滲透率，大大降低了壓裂液本身對煤層的傷害，改造效果顯著(表2)。

表2 前置酸壓裂液對煤樣影響評價結(jié)果

2.6 礦物質(zhì)溶蝕效果

酸化實驗后觀察分析煤樣變化：一是直觀觀察溶蝕效果，在煤樣中直接取出含有明顯填隙物的煤塊(圖7a)，另外一種是在酸液中浸泡15 min后再取

出(圖7b)。為盡量真實對比酸化前后溶蝕效果，選取同一塊大樣中位置臨近的樣品(并非同一塊樣品)進(jìn)行溶蝕前后的X衍射和掃描電鏡分析(表3，圖8)。

樣品觀測結(jié)果(圖8)表明，鹽酸與煤樣反應(yīng)后，樣品表面變得相對粗糙；孔裂隙中的方解石、白云石、菱鐵礦和赤鐵礦等充填物被溶解掉，礦物質(zhì)含量大大減少(表3)，孔裂隙得到了有效的溝通。

3 前置酸壓裂技術(shù)增產(chǎn)機(jī)理

綜合實驗結(jié)果并結(jié)合理論分析，認(rèn)為焦坪礦區(qū)煤樣的酸化作用機(jī)理主要有兩個方面。

圖7 酸化前后煤樣

表3 溶蝕后煤心X衍射定量分析結(jié)果

圖8 酸化前后掃描電鏡照片

1) 主導(dǎo)作用：酸液可溶除煤層中酸溶成分，提高孔裂縫及附近地層的滲透性

當(dāng)前置酸液沿著裂隙進(jìn)入煤樣后，一部分酸液濾失在裂縫附近區(qū)域形成濾失帶，發(fā)生酸巖溶蝕反應(yīng)，溶解煤層中酸溶成分，提高裂縫附近煤層的滲透性；一部分酸液起到前置液的作用，位于裂縫最前緣[35]。酸化過程中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)如下：

CaCO3+2HCl══CaCl2+CO2↑+H2O (2)

Ca(Fe,Mg)(CO3)2+6HCl══CaCl2FeCl2+

MgCl2+2CO2↑+3H2O (3)

FeCO3+2HCl══FeCl2+CO2↑+H2O (4)

Fe2O3+6HCl══2FeCl3+3H2O (5)

2) 輔助作用

(1) 不規(guī)則酸巖溶蝕面保持較高的導(dǎo)流能力

由于煤層中礦物質(zhì)分布的非均勻性，使得前置酸液溶蝕形成的孔洞分布和大小也不均勻，裂縫壁面凹凸不平，因此，即使壓裂停泵卸壓后，裂縫未被支撐劑充填，也會由于裂縫壁面不能完全閉合，具有較高的導(dǎo)流能力。

(2) 酸鹽反應(yīng)生成的CO2促進(jìn)煤層氣解吸

煤基質(zhì)對CO2的吸附能力高于對CH4的吸附能力，CO2可以置換出煤層中的CH4，酸液與碳酸鹽巖礦物反應(yīng)生成的CO2將置換吸附在煤基質(zhì)表面的CH4，有利于煤層氣井的提前產(chǎn)氣和解吸[36-37]。

此外，針對含有蒙脫石、伊蒙混層等膨脹性黏土礦物的煤層，酸液還具有抑制黏土礦物膨脹的作用，pH值達(dá)到4以下時黏土膨脹量幾乎為零[35]。

4 前置酸壓裂技術(shù)適應(yīng)條件

從前置酸壓裂液作用于煤樣的實驗效果和機(jī)理分析可知，該技術(shù)主要適用于礦物含量較高、滲透性較差的煤層增產(chǎn)改造，也可應(yīng)用于煤儲層近井地帶由于酸溶性物質(zhì)污染造成的產(chǎn)氣量明顯下降或者不產(chǎn)氣的煤層氣井。首選以方解石、白云石、菱鐵礦和赤鐵礦等酸溶性充填物為主的煤層進(jìn)行應(yīng)用；對于含有較高黏土礦物的煤層或以解除近井地帶污染為目的，需重點考慮減少前置酸液與充填物反應(yīng)后二次沉淀帶來的負(fù)效應(yīng)問題。

針對前置酸液可能造成的二次傷害問題，建議圍繞以下2方面開展工作。

(1) 綜合考慮煤儲層孔裂隙結(jié)構(gòu)、礦物質(zhì)成分和煤層溫度，優(yōu)選前置酸壓裂液體系；針對近井地帶外來污染物質(zhì)和煤中填隙物的不同可進(jìn)行多級前置酸設(shè)計。

(2) 針對酸化反應(yīng)物質(zhì)與地層水或前置液反應(yīng)生成沉淀物，以及采用植物膠壓裂液或清潔壓裂液時造成遇酸提前破膠，則需要在施工工藝中增加注入隔離液步驟。

針對煤層壓裂液濾失大的問題，建議圍繞以下3方面開展工作。

(1) 以形成具有有效導(dǎo)流能力的網(wǎng)絡(luò)裂縫，盡量以提高儲層改造體積為目標(biāo)，結(jié)合室內(nèi)研究、壓裂軟件模擬與分析、小型壓裂測試等手段，獲取壓裂液濾失系數(shù)等參數(shù)。正式壓裂時，采用提高排量、增加前置液用量、前置液加多級低砂比支撐劑段塞的綜合防濾失技術(shù)，降低壓裂液濾失，使水力裂縫盡量向遠(yuǎn)井地帶擴(kuò)展延伸，增加儲層改造體積。

(2) 采用低密度支撐劑以提高攜砂效果，減小砂堵風(fēng)險。

(3) 考慮到前置酸壓裂技術(shù)可以大幅度改善煤層滲透率，減小壓裂液對煤層的傷害，建議開展低傷害、高黏度壓裂液的應(yīng)用嘗試，利用其更好的攜砂和造縫效果，彌補(bǔ)因壓裂液濾液帶來的傷害，達(dá)到更好的增產(chǎn)改造效果[38]。

5 結(jié)論

a. 銅川焦坪礦區(qū)煤中含有方解石、白云石、菱鐵礦和赤鐵礦等酸溶性充填物，為前置酸壓裂技術(shù)在煤層氣井增產(chǎn)改造中的應(yīng)用提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。實驗結(jié)果表明：前置酸酸化的改善作用增加煤儲層孔裂隙之間連通性，提高煤儲層滲透率，大大降低壓裂液本身對煤層的傷害，改造效果顯著。

b. 酸化溶解堵塞和填隙物質(zhì)是前置酸壓裂技術(shù)的主要增產(chǎn)機(jī)理；形成不規(guī)則酸巖溶蝕面、酸鹽反應(yīng)生成的CO2促進(jìn)CH4解吸等作用是其輔助增產(chǎn)機(jī)理。

c. 前置酸壓裂技術(shù)適用于礦物質(zhì)含量較高、滲透性較差的煤層增產(chǎn)改造和近井地帶解堵。優(yōu)選富含酸溶性充填物的煤層，對于黏土礦物含量較高的煤層，為了解除近井地帶污染問題，重點考慮減少前置酸液與充填物反應(yīng)后二次沉淀帶來的負(fù)效應(yīng)問題。

d. 前置酸酸化后可能造成的二次傷害和煤層壓裂液濾失大是影響前置酸壓裂技術(shù)現(xiàn)場應(yīng)用效果的兩個關(guān)鍵問題，建議通過開展評價實驗、優(yōu)選適配性的工作液配方及優(yōu)化施工工藝來解決前置酸液造成二次傷害的問題；采用綜合防濾失技術(shù)，低密度支撐劑、低傷害/高黏度壓裂液等技術(shù)手段來解決前置酸酸化后煤層壓裂液濾失大的問題。

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Mechanism and applicability of increasing coalbed methane well production by pre-positioned acid fracturing

FAN Yao1,2

(1. China Coal Research Institute, Beijing 100013, China; 2. Xi’an Research Institute Co. Ltd., China Coal Technology and Engineering Group Corp., Xi’an 710077, China)

At present, the production shortfall and benefits decline of the coalbed methane reservoirs in China are the leading problems.In order to explore and study the economic and efficient stimulation technology suitable for the coalbed methane wells, this paper studies mechanism and applicable conditions on increasing coalbed methane well production by the pre-positioned acid fracturing technology, by drawing on the successful experiences of conventional oil and gas reservoir with this technology. The coal samples of No.4-2 coal seam in Jiaoping Mining Area were collected to evaluate the effect of improving fracturing with acid preposition. The changes of mineral composition and content before and after the experiment were analyzed by macroscopic observation, X-ray diffraction and scanning electron microscope energy dispersive spectrometry. The results indicate that the pre-positioned acid achieved remarkable effect in improving the connectivity between pores and fractures of coal reservoir and reducing the damage of fracturing fluid to coal seam. The main stimulation mechanisms is acid dissolving plugging and interstitial materials, and the auxiliary stimulation mechanisms include forming irregular acid dissolution surface and promoting CH4desorption by CO2generated from acid salt reaction. Pre-acid fracturing technology is suitable for increasing production and reforming of coal seams with high mineral content and poor permeability, and near the well zone plug removal. The coal seams with rich acid-soluble fillings such as calcite, dolomite, siderite and hematite are the first choice. While for coal seams containing high clay minerals or for the purpose of eliminating pollution near well, the negative effect caused by secondary sedimentation should be mainly considered. It is suggested to adopt secondary sediment prevention measures, combined with anti-filtration technology, low density proppant, low damage/high viscosity fracturing fluid and other countermeasures to solve the problems of secondary damage after pre-acid acidification and large filtration loss of fracturing fluid in coal seam.

pre-positioned acid fracturing;coalbed methane; stimulationmechanism;applicable conditions; connectivity

P634

A

1001-1986(2021)04-0153-09

2020-07-29；

2021-03-31

陜西省創(chuàng)新能力支撐計劃項目(2018TD-039)

范耀，1983年生，男，陜西咸陽人，博士研究生，副研究員，從事煤層氣地質(zhì)與勘探開發(fā)工作. E-mail：fanyao@cctegxian.com

范耀. 前置酸壓裂提高煤層氣單井產(chǎn)量機(jī)理與適用性研究[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2021，49(4)：153–161. doi: 10.3969/j. issn.1001-1986.2021.04.018

FAN Yao. Mechanism and applicability of increasing coalbed methane well production by pre-positioned acid fracturing[J]. Coal Geology & Exploration，2021，49(4)：153–161. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986. 2021.04.018

(責(zé)任編輯 范章群 郭東瓊)