利用酸化技術提高煤儲層滲透率的室內初探

趙文秀 李 瑞 烏效鳴 湯繼丹 王 坤 王于健

(1.華北油田采油工藝研究院,河北 062552;2.中國地質大學,湖北 430074)

煤儲層具有雙孔隙結構,煤層氣絕大多數以吸附狀態存在于煤基質孔隙中,少部分游離于煤層孔、裂隙中。當煤層壓力降低到一定程度時,煤中被吸附的氣體開始從微孔隙表面解吸,由于割理中的壓力降低,解吸的氣體通過基質和微孔隙擴散進入裂縫網絡中,再經裂縫網絡流向井筒。由于我國煤儲層本身滲透率總體相對偏低,這樣勢必影響煤層氣在煤層裂隙中的運移,進而導致煤層氣產能較低。因此,改善煤層滲透率,增強煤儲層中孔、裂隙的連通性,是我國煤層氣開發中需要重點解決的問題。

在油氣開發中,酸化即是通過井眼向地層注入一種或幾種酸液,利用酸液對巖石膠結物或地層孔隙、裂隙內堵塞物等的溶解和溶蝕作用,恢復或提高地層孔隙和裂隙的滲透性的一項增產措施。酸化已是油氣田勘探開發中提高油氣產量的重要手段,較小規模的酸化措施有可能極大的提高油氣產能。但是,在煤層氣開發中卻極少有對煤儲層進行酸化的相關報道。蘇現波 (1998)對河南焦作地區的煤觀察發現,盡管該地區煤處于高變質無煙煤階段,煤中的內生裂隙還沒有完全閉合,為10條/5cm左右,但這些裂隙基本上均為方解石充填,甚至一部分外生裂隙也被方解石充填。并提出采用酸化法處理比壓裂有一定的優越性。

作者在油氣井酸化的基礎上,結合煤儲層本身物理、化學特征,在實驗室中鉆取了φ25mm的煤巖心,對其進行了酸化處理,并對酸化前后煤巖心的滲透率及孔隙度進行了測試和分析。另外,對酸化前后煤巖心的肉眼及鏡下特征也做了仔細觀察。

1 實驗材料

1.1 酸液類型

實驗分別采用質量分數為6%、9%及15%的鹽酸作為酸處理液。

1.2 巖心

實驗所用到的煤樣取自山西晉城地區,在實驗室中用這些煤樣鉆取了六個φ25mm直徑的煤巖心,并分別編號,其中1、2、3號煤巖心為光亮煤,4、5、6號煤巖心為暗淡煤。光亮煤裂隙系統發育,除可觀察到大量內生裂隙外,還可見少量外生裂隙,并且內、外生裂隙多數被方解石脈充填,只有個別內生裂隙未被充填。暗淡煤內生裂隙不發育,但可見大量直徑約2～4mm的孔洞,孔洞已被碳酸鹽礦物充填。

2 實驗方法

2.1 煤樣物相分析

利用X射線衍射儀測得實驗用光亮煤中粘土5%,石英1%,方解石20%,非晶質74%;暗淡煤中粘土5%,石英1%,方解石 20%,白云石15%,非晶質59%。

實驗用的煤樣其中的礦物質以碳酸鹽礦物為主,主要為方解石和白云石。其中光亮煤中以方解石為主,并且主要以脈狀充填在裂隙系統中;暗淡煤中既含有方解石又含有白云石,這些碳酸鹽礦物不僅充填在2～4mm的孔洞中,還充填在少數的20～70μm的內生裂隙中。

2.2 對煤巖心酸化處理

分別用6%、9%和15%的鹽酸浸泡1、2、3號煤巖心及4、5、6號煤巖心。浸泡時間分別為6、9、12、15及21小時。

3 酸化反應機理

(1)CaCO3(方解石)+2HCl=CaCl2+CO2↑+H2O

(2)CaMg(CO3)2(白云石)+4HCl=CaCl2+MgCl2+2CO2↑+2H2O

4 實驗測試及數據分析

4.1 煤巖心氣體滲透率的變化

在分別浸泡煤巖心6、9、12、15及 21小時后,取出巖心并用鼓風干燥箱在60℃條件下烘干,之后利用JHGP氣體滲透率儀測試各個煤巖心氣體滲透率。實驗結果如表1、2及圖1。

表1 1、2、3號煤巖心酸化前后滲透率變化

表2 4、5、6號煤巖心酸化前后滲透率變化

圖1 煤巖心酸化前后滲透率增加倍數

從以上煤巖心氣體滲透率測試結果可以得出以下結論：

(1)含大量碳酸鹽礦物的煤巖心經酸化處理后,氣體滲透率均有顯著提高。

(2)鹽酸濃度越大,煤巖心酸處理后滲透率提高程度越大,但考慮到煤機械強度較低,鹽酸濃度過大可能會對煤體結構產生不良影響。因此,本實驗采用的鹽酸質量分數最大為15%。

(3)裂隙發育程度高的煤,其酸化效果要好于裂隙發育程度低的煤。實驗中2號煤巖心裂隙寬度及密度明顯大于1、3號煤巖心,其滲透率增加倍數也明顯高于1、3號煤巖心。另外,結合前述煤樣物相分析結果,雖然暗淡煤中碳酸鹽礦物含量明顯高于光亮煤,但其酸化后滲透率增加程度并不高于光亮煤,而光亮煤裂隙發育程度要高于暗淡煤,因此,光亮煤酸化效果優于暗淡煤。

(4)酸處理時間為9～12小時時,煤巖心滲透率提高到最大程度,超過此時間,滲透率開始減小并逐漸趨于一定的值。本實驗中,各煤巖心滲透率相對于其最高值降低程度在24.3～65.9%,平均為37.3%。分析主要原因可能為煤巖心長時間被酸浸泡后,粘土礦物發生膨脹堵塞煤巖心孔、裂隙,從而降低了煤巖心滲透率,但因黏土含量有限所以其降低煤巖心滲透率的程度也是有限的。因此,時間因素是影響酸化效果的重要因素,要達到理想的酸化效果須控制好酸化時間。

4.2 煤巖心孔隙度的變化

利用AP-608自動覆壓孔滲儀,在7～8MPa環壓下,分別測試未酸化和用15%鹽酸酸化21小時后煤巖心的平均孔隙度。其孔隙度變化如表3。

表3 煤巖心酸化前后孔隙度變化

根據以上數據計算得知,光亮煤和暗淡煤經酸處理后孔隙度分別增加了0.97%和0.36%,光亮煤和暗淡煤孔隙度增長率分別為10.09%和3.55%。光亮煤孔隙度增長率大于暗淡煤,與前述不同煤巖類型的巖心氣體滲透率的變化特征一致,即光亮煤酸化效果好于暗淡煤。

圖2 酸化前煤巖心方解石脈

圖3 酸化后煤巖心裂隙

4.3 煤巖心肉眼及鏡下變化特征

酸化前后用數碼相機及VISION4100(金相)數字顯微鏡分別拍攝了實驗用煤巖心照片,如圖2、3。

圖4 酸化前內生裂隙中方解石脈,×50

圖5 酸化后內生裂隙,×50

圖6 酸化前外生裂隙中方解石脈,×100

圖7 酸化后外生裂隙,×100

由圖4～7煤的肉眼及鏡下特征不難發現,酸化后煤巖心孔、裂隙系統發生了較明顯的變化,煤裂隙、孔隙中的碳酸鹽礦物已經比較徹底得被鹽酸溶蝕掉。

5 結論

(1)實驗室中煤樣的礦物質以碳酸鹽礦物為主,另外還含有少量粘土礦。

(2)煤巖心酸化后氣體滲透率及孔隙度均有較明顯的提高。裂隙越發育,酸化效果越顯著,光亮煤酸化效果優于暗淡煤。

(3)隨著煤巖心酸化時間的增加,煤巖心滲透率先大幅升高后略有降低,最后趨于某一值。煤中的黏土礦物可能是導致煤巖心滲透率降低的主要因素。

(4)通過肉眼及鏡下觀察,發現煤巖心中孔、裂隙系統中的碳酸鹽礦物 (方解石及白云石)能夠被鹽酸較徹底的溶蝕。

總的來說,高濃度、短時間酸化處理更有利于改善煤層滲透性。就目前室內實驗情況,采用一定質量分數的鹽酸,酸化處理后效果較好,滲透率可提高20倍以上。因此,作者認為將酸化技術應用于清除煤層礦物質是有價值的,并且有待開展更深入、更廣泛的研究。

[1] 董波,李圣濤,楊興渝等.黏彈性表面活性劑用作煤層壓裂液性能研究 [J].鉆采工藝,2010,33(4)：94-96.

[2] Palmer I D,Metcalfe R S,Yee D,等著.煤層甲烷儲層評價及生產技術 [M].秦勇,曾勇等,編譯.徐州：中國礦業大學出版社,1996.

[3] 葉建平,史保生,張春才.中國煤儲層滲透性及其主要影響因素 [J].煤炭學報,1999,24(2)：118-122.

[4] 韓忠英.低滲透油藏裂縫擴展注水機理研究 [D].東營：中國石油大學,2009.

[5] 王祥杰.油水井增產增注技術 [M].東營：中國石油大學出版社,2006.

[6] 蘇現波,湯友誼,盛建海.河南省煤層氣開發工藝初探 [J].焦作工學院學報,1998,17(6)：406-408.