酸性壓裂液防治低滲煤層水鎖損害實驗研究

胡千庭，李曉旭，陳 強，梁運培

(1.重慶大學 煤礦災害動力學與控制國家重點實驗室，重慶 400044；2. 重慶大學 資源與安全學院，重慶 400044)

低滲透是制約我國煤層氣開發(fā)或煤礦瓦斯抽采的關鍵因素之一，為此常采用水力壓裂技術增加煤層滲透率。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濾失或強制滲吸[1-2]，壓裂結束關井、排水階段，由于毛管力導致的自發(fā)滲吸作用，使壓裂液進一步侵入裂縫面附近基質孔隙[3-4]，因此壓裂后水力裂縫面附近煤基質含水飽和度遠高于煤層原始含水飽和度。煤基質孔喉細小(數(shù)納米～數(shù)百納米)、毛管力大，加之我國煤層低壓、低滲、低飽和氣特點，并考慮到煤層裂縫強應力敏感性[5-7]，排水采氣階段僅能實現(xiàn)較低返排壓差，難以克服煤基質微、小孔隙的高毛管阻力，導致煤基質內侵入的壓裂液返排困難，從而在水力裂縫-煤基質界面形成水鎖損害帶，阻礙甲烷氣體從基質孔隙向裂縫的流動產(chǎn)出[8-9]，這與采用水力壓裂完井的致密砂巖氣層、頁巖氣層情況類似[10]。

為緩解水鎖損害、提高水力壓裂煤層增產(chǎn)效果，現(xiàn)場應對措施主要包括以下4個方面。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?，F(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，但煤對表面活性劑吸附能力強[15-17]，可能堵塞煤層微、小孔隙，影響甲烷解吸、擴散。② 優(yōu)化壓裂設計、增大生產(chǎn)壓差，例如縮短壓裂作業(yè)時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，但針對裂縫應力敏感性強[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 儲層加熱技術，主要采用電加熱[22-24]、微波加熱[25-26]等方式，加熱儲層內難以返排的孔隙水，達到相變蒸發(fā)解除水鎖損害、提高氣體滲透率目的，但溫度需>120 ℃時才能明顯降低孔隙水飽和度，同時加熱范圍一般局限于井筒周圍5 m以內，而水力裂縫向井筒兩側延伸距離普遍介于數(shù)十米～數(shù)百米，導致遠離井筒的裂縫面加熱難度大，難以高溫蒸發(fā)裂縫面附近基質內滯留水，因此該技術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，孔隙內不存在氣-液兩相，因此能夠預防水鎖損害，同時有效避免黏土礦物吸水膨脹，目前該技術處于工業(yè)化試驗階段，在富含黏土礦物的煤層、頁巖油氣層和干熱巖地層具有較大應用前景。

針對富含化學活性組分(如酸溶性礦物、氧化還原敏感性礦物與干酪根等)的煤層、頁巖氣儲層，筆者團隊及合作者近年來提出了酸化、氧化溶蝕防治水力裂縫-基質界面水鎖損害的技術思路[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驗對象，模擬常規(guī)活性水壓裂液與酸性壓裂液濾失導致的煤基質水鎖損害，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氣體驅替壓差下返排煤樣內侵入的水相，實時測試氣相滲透率演變規(guī)律，計算水鎖損害程度，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用前景。

1 煤樣與實驗方法

1.1 煤樣基本信息

阜新盆地作為中國重要的煤炭生產(chǎn)基地，同時蘊含豐富的低煤階煤層氣資源[35-37]。盆地內劉家區(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)試驗井的單井產(chǎn)氣量達3 000 m3/d，顯示出良好的開采潛力[40]。為此，選用阜新組長焰煤為實驗對象(圖1)，該煤樣結構完整，內、外生微裂縫發(fā)育，屬于原生結構煤。

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

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

煤樣破碎后用標準篩進行篩分，選取粒徑小于0.2 mm樣品，利用5E-MAG6600型全自動煤質工業(yè)分析儀，測定煤樣中水分、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《煤炭質量分級 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，分析煤樣中無機礦物類型及含量。結果顯示，煤樣中主要礦物為方解石，質量占比約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%。

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

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 實驗方法

1.2.1 實驗液體選取

1.2.2 實驗步驟

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

(2) 烘干煤巖心，利用滲流裝置正向測試干燥原煤樣的氣相滲透率kg(圖3)，作為基準滲透率，然后模擬壓裂液在一定壓力下濾失侵入煤層過程，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 巖心滲流實驗裝置及壓裂液水鎖評價流程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程，利用氮氣對煤巖心依次正向施加0.1，0.5，2.0 MPa驅替壓差(等效壓力梯度0.02，0.1，0.4 MPa/cm)，返排孔縫內侵入的水相，根據(jù)入口、出口端氣體壓力及流量，基于達西公式實時計算氣相滲透率恢復過程，并根據(jù)驅替前后樣品質量差，計算水飽和度變化。

(4) 步驟(3)結束后，模擬酸性壓裂液在一定壓力下濾失侵入煤層過程，分別以0.5，2.0 MPa注入壓力，對上述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，基于達西公式實時計算注酸過程水相滲透率。

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

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

2 實驗結果與討論

2.1 原煤樣返排過程氣相滲透率恢復規(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程，該實驗采用2種不同壓力向煤巖心注水。實驗煤樣為長焰煤，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價結果 Table 1 Experimental results of fracturing fluids flowback and water blockage in raw coal samples

水相注入結束后，利用氮氣對飽和水煤巖心逐級施加不同驅替壓差，模擬煤層孔縫內侵入壓裂液的返排過程。對于表面親水的煤樣，在氣體驅替水階段，毛管力是阻力，氣相驅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)文獻測試數(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]，計算得到煤樣不同尺寸孔縫對應的毛管力。結果表明，在0.1，0.5，2.0 MPa驅替壓差下，水相能夠返排的臨界孔縫尺寸分別為1 040，208，52 nm。對于尺寸大于1 040 nm的孔縫，理論上僅需0.1 MPa驅替壓差即可返排出該孔縫內全部水相，從而解除該尺寸孔縫的水鎖損害；同理，對于尺寸小于52 nm的孔縫，其毛管阻力高于實驗最大驅替壓差(2.0 MPa)，導致該孔縫內水相返排率為0，從而無法解除該尺寸孔縫的水鎖損害。

如表1與圖4所示，0.1 MPa驅替壓差下，所有煤巖心出口端無氣、水產(chǎn)出，表明水相占據(jù)了所有滲流通道，導致氣相滲透率降為0，證實該驅替壓差無法克服煤基質毛管力；當驅替壓差增加至0.5 MPa，煤巖心氣相滲透率快速恢復并持續(xù)穩(wěn)定到(0.04～0.15)×10-15m2，但含水飽和度仍高達90%以上，表明被驅替排出的水主要來自于毛管力較小的滲流通道；驅替壓差為2.0 MPa時，煤巖心滲透率大幅提升，水鎖損害得到進一步解除，但仍存在較嚴重滲透率損害，損害率為33%～75%，含水飽和度高于70%。

上述結果可以看出，盡管氣體驅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)驅替時間內得到恢復，隨后長時間處于平衡穩(wěn)定狀態(tài)(圖4)。對比孔隙型致密巖石內侵入水的返排實驗，納米孔內毛管力束縛水返排時間長達數(shù)十～數(shù)百小時，滲透率也呈緩慢恢復特征，而對于裂縫型致密巖石，滲透率可在1.0 h內達到平衡穩(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)差異可由上述計算得到的納米孔與裂縫毛管阻力來解釋。

圖4 原煤樣壓裂液返排過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)煤層原始壓力為6.7～8.2 MPa[38-39]，當壓裂液侵入煤基質深度大于20 cm時，返排過程驅替壓力梯度將小于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)本文返排實驗結果，推測認為強親水煤層水力裂縫-煤基質界面滲透率將遠低于原煤層滲透率，排采階段僅靠煤層自生驅替壓差，難以克服煤基質孔隙的高毛管力，無法有效解除壓裂液侵入帶來的滲透率損害。因此，有必要采取措施降低煤基質毛管力，促進壓裂液返排，進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

煤層水力壓裂過程中，裂縫內流體濾失壓力高，壓裂液濾失(強制滲吸)快，導致壓裂液快速侵入煤基質，而泵注結束后裂縫內流體濾失壓力大幅減小，壓裂液進入煤基質速率較慢。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，并實時計算液體滲透率，模擬酸性壓裂液濾失過程煤滲透率演變規(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，該過程耗時40～50 h，滲透率增加2～5倍；當滲透率增加至0.1×10-15m2后，進入快速變化階段，F(xiàn)F-1耗時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25 h后滲透率快速增加至24.1×10-15m2(增加240倍)。對于FF-3，F(xiàn)F-4，酸液注入壓力大，對應于較大的酸液傳質速率，滲透率增加至0.1×10-15m2耗時小于15 h，隨后在1.0 h內，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)。對比2個不同注入壓力下的滲透率測試結果可知，提高注酸壓力有助于在煤巖心內快速形成貫通的酸溶蝕通道，更快速改變煤樣滲透性。同時，盡管煤中含鐵礦物(如菱鐵礦、黃鐵礦)與酸液接觸后會被酸溶蝕，釋放鐵離子，但乙酸能夠與鐵離子形成絡合物[41]，因此未見鐵離子二次沉淀導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煤巖心滲透率動態(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煤樣滲流通道影響，采用核磁共振儀(MacroMR12-150H-I)對煤巖心開展表征分析。核磁共振作為一種快速、無損檢測手段，已廣泛用于煤的孔裂隙結構分析，部分學者[48-49]根據(jù)飽和水煤樣橫向弛豫時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。對于煤的孔隙劃分，一般認為微孔、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時核磁信號強度接近于為0，反映出無裂縫存在，與煤巖心呈現(xiàn)低滲透的特征一致；在10 ms10 ms對應的孔隙水可自由流動，而T2<10 ms對應的孔隙水則被毛管力束縛無法流動，從而解釋了驅替結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構的核磁定量表征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曲線對應的核磁信號增強，孔隙度分量變大，而T2<10 ms曲線形態(tài)無明顯變化，表明被酸液溶蝕的方解石主要賦存于中大孔及裂縫內，因此注入酸液可以大幅改善煤巖心滲流能力。酸液在煤內部流動時，涉及滲流場與化學場的耦合過程，其主要表現(xiàn)為孔縫內酸液傳質速率影響方解石溶蝕過程，同時該溶蝕過程使孔縫結構呈現(xiàn)動態(tài)變化，從而影響滲流場。對比4塊煤巖心T2結果，采用較低注酸壓力時，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注酸壓力對應于較低的酸液傳質速率，使注入的酸液在流動過程中能夠長時間與方解石接觸，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，煤巖心內部微米級滲流通道均被方解石充填堵塞，CT掃描無法檢測到微米級滲流通道，故未展示對應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滲流路徑(Z軸方向)中均檢測到酸溶蝕通道，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，導致酸液在煤巖心內流動速率不同，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，注入的酸液在流動過程中能夠更長時間、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、窄特征。根據(jù)對CT圖像的定量統(tǒng)計，沿Z軸乙酸流動方向，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氣體驅替壓差，評價水相返排過程氣相滲透率演變規(guī)律。根據(jù)CT、核磁共振巖心分析結果，酸溶蝕通道尺寸>100 nm，而該尺寸孔縫的毛管力小于實驗驅替壓差，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驅替后，煤巖心含水飽和度進一步降低至42%～72%，而提高驅替壓差至2.0 MPa，含水飽和度僅微小變化，表明0.5 MPa驅替壓差已能很好滿足酸化煤巖心中外來水相的返排。與原煤樣驅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，有利于解除煤基質水鎖損害。除了降低毛管阻力，酸溶蝕通道內水相易返排，會在局部區(qū)域形成低含水飽和度，而在酸溶蝕通道之外區(qū)域煤基質仍處于高含水飽和度。根據(jù)毛管力與含水飽和度關系[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。這種毛管力差異驅動的水二次分布效應，已成為注氣干化解除儲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為酸化后煤樣驅替返排過程氣相滲透率曲線，由于方解石溶蝕在煤巖心內形成了低毛管力的裂縫性流動通道，因此即使采用極低的0.1 MPa驅替壓差，仍能克服煤基質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，隨驅替時間、驅替壓差遞增表現(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。裂縫作為煤巖的主要滲流通道，普遍是氣、水、煤粉三相同時參與流動[54]，因此水返排速率、煤粉產(chǎn)出量、煤粉粒徑對氣相滲透率、流態(tài)產(chǎn)生了重要影響。對于本文實驗煤樣，裂縫開度較大、毛管力較小，在驅替返排壓差下裂縫內水相能夠快速被排出，氣相在裂縫內建立較穩(wěn)定的滲流路徑與穩(wěn)定的流態(tài)所需時間短，例如酸化前原煤樣在0.5 MPa驅替壓差下氣相滲透率達到穩(wěn)定值所需時間<0.5 h，酸化后煤樣裂縫開度進一步增大，毛管力進一步減小，理論上裂縫內水相返排速率更快，但酸化后煤樣在0.1～0.5 MPa驅替壓差下滲透率持續(xù)上升、波動，未表現(xiàn)出快速平穩(wěn)特征，對比表明水不是導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

裂縫內煤粉的產(chǎn)出受煤巖強度、流體速度(即驅替或生產(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，同時方解石溶蝕使裂縫壁面強度降低、煤顆粒間膠結作用變差、連接力減小。因此，對酸化前后煤樣采用相同驅替壓差時，酸化后煤樣裂縫內氣體流速更快，根據(jù)摩擦學原理，對煤粉產(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，從而使驅替返排階段氣相滲透率不斷增加，這與文獻報道的“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，導致難以在裂縫內建立長期穩(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驅替壓差下氣相未形成較穩(wěn)定的流動狀態(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，隨驅替壓差增加到2.0 MPa，被剝落煤粉的數(shù)量、粒徑進一步增加，從而在裂縫較小開度位置形成了長期性顆粒堵塞，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)改造技術應用前景及挑戰(zhàn)

煤層孔縫內充填的方解石是熱液或地下水的活動礦物[58-59]，我國多個地區(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-煤基質界面水鎖損害示意及基于酸性壓裂液的防治對策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，為此針對富含方解石低滲煤層的水力壓裂，可以設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。壓裂過程中，酸性壓裂液將在縫內流體壓力作用下濾失侵入煤層，而壓裂結束后，未及時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，從而實現(xiàn)防水鎖與增滲目的，有效解除水力裂縫-煤基質界面水鎖損害，促進煤層甲烷高效產(chǎn)出(圖9(b))。同時，酸性壓裂液也能夠促進煤層氣解吸，其主要原理包括兩方面，首先是方解石酸溶蝕產(chǎn)生的CO2氣體通過競爭吸附強化煤層甲烷解吸[32]，其次酸液能夠破壞煤中部分有機官能團[73]，增加羥基數(shù)量[74]，從而降低煤對甲烷的吸附能力。

油氣井現(xiàn)場試驗表明，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險。以砂巖油氣井酸化解堵為例，與酸化相關的風險主要來自于微粒運移、反應產(chǎn)物的沉淀，而實踐證明這些可以通過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、關井時間等工藝來減小風險。在煤層采用酸性壓裂液增產(chǎn)時，同樣需要重視煤粉運移、反應產(chǎn)物二次沉淀問題。對于方解石酸溶蝕可能加劇煤粉運移問題，首先應優(yōu)化施工周期、酸化后關井時間，或采用反應速率較低的酸液(如本文的乙酸)，防治對裂縫中方解石過度溶蝕而誘發(fā)大規(guī)模出煤粉，同時可通過合理控制返排或生產(chǎn)壓差來減小煤粉的啟動、運移，如本文返排實驗結果(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]，實現(xiàn)煤粉防控；對于反應產(chǎn)物二次沉淀風險，則需要優(yōu)化酸液體系來防治，與砂巖采用HF + HCl混合酸液體系不同，針對裂縫充填方解石的低滲煤層，通過采用乙酸、甲酸、鹽酸等，可以有效避免反應產(chǎn)物的二次沉淀?？傊?，對于富含方解石礦物的煤層酸化壓裂，需要結合煤粉運移臨界參數(shù)、裂縫內礦物的具體組分等資料，“一井一策”或“一段一策”制定針對性的設計方案。儲層酸化增滲本質上屬于多孔介質反應-流動問題，涉及滲流場與化學場的耦合過程，孔縫內H+離子傳質速率、礦物表面反應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)場應用之前，首先應開展巖心柱尺度滲流實驗評價，然后建立合理的酸溶蝕孔縫擴展延伸模型，明確不同因素影響下高滲通道擴展路徑，在不同酸液滲吸速率(等效于酸液傳質速率)、酸巖反應速率下獲得最優(yōu)的酸液濃度與酸液反應時間等，最大程度解除壓裂改造煤層水鎖損害，并降低對煤體強度及煤粉運移影響。

酸性壓裂液被推廣應用的前提條件是獲得較好的經(jīng)濟效益。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⒎琅騽?如氯化鉀)和助排劑[81]，工業(yè)級氯化鉀(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20.16～35.69萬元/井，單井壓裂液成本增長12.16～27.69萬元，與總壓裂成本相比，該費用占比較低。另一方面，壓裂管柱設備材質通常為合金鋼材，如鑄鐵、碳鋼、不銹鋼[82]。在高溫(99 ℃)測試環(huán)境下，乙酸對鑄鐵、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)上述文獻資料，推測可知該溫度條件下壓裂管柱設備在乙酸中的耐腐蝕性強，尤其在選用302，304，316，317不銹鋼時，腐蝕率為0[84]，因此壓裂管柱設備勿需替換，不會產(chǎn)生管柱替換費用，則主要防腐蝕成本來自于緩蝕劑。正如本文實驗結果顯示，乙酸改性壓裂液作用后煤層滲透率大幅提高，再如文獻[85]中現(xiàn)場施工數(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)高效抽采時間更長，由此可知針對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可觀經(jīng)濟收益。

4 結 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%，掃描電鏡圖像證實方解石主要充填于天然裂縫，少量賦存于中大孔隙內，對煤樣滲透率存在較大影響。

(2)酸化前原煤樣的儲集空間以微、小孔隙為主，高毛管阻力導致水相返排難度大，在0.1，0.5 MPa氣體驅替壓差(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，當驅替壓差增加至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氣體驅替壓差即可有效返排主要滲流通道中的滲吸水相，返排過程氣體滲透率達(6.9～82.3)×10-15m2，較酸化前增加10～79倍，有效實現(xiàn)了防水鎖與增滲目的。

(4)針對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的水鎖損害；通過優(yōu)化酸液濃度、返排時機，可最大程度降低酸溶蝕區(qū)域的煤粉運移、堵塞損害。