低透氣性煤層點式酸化壓裂增透技術研究與應用*

趙紅星，賈 男

(1.山西三元煤業股份有限公司，山西 長治 046000；2.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順 113122；3.中煤科工集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122)

0 引言

我國煤層氣資源儲量豐富，已探明埋深2 000 m淺煤層氣儲量約36.8萬億m3[1]。煤層氣作為優質清潔能源被廣泛用于民用及工業燃料、發電和化工等領域，國家“十三五”規劃大力支持煤層氣開發與利用。我國煤層氣開采主要采用地面抽采和井下抽采2種方式，井下抽采量約占煤層氣開采總量的70%。但我國礦區煤層普遍存在低滲透、強吸附的特點，嚴重制約煤層氣開采與利用。近年來，國內學者針對煤層增透方法展開研究，主要包括采動卸壓增透、高能液體擾動致裂增透、氣爆增透、超聲激勵增透等[2-9]。其中，高能液體擾動技術應用最為廣泛，原理是利用高壓泵將水加壓，并通過特定出水裝置使高壓水對煤體形成致裂增透。水力化技術包括傳統水力壓裂、水力割縫、水力造穴等，傳統水力化技術存在一定缺陷，如水力壓裂用水量較大且無法控制裂紋發育，水力割縫和水力造穴增透半徑較小，現場所需割縫及造穴工程量較大。

為解決傳統水力化技術用水量大、壓裂不可控以及致裂范圍較小等問題，國內學者針對點式壓裂技術展開研究：富向[10]通過數值模擬揭示點式壓裂過程中裂紋產生、發展和貫通全過程，并通過現場試驗采用低流量水達到煤層增透效果；張春華等[11]通過對比鉆孔內單段和多段水力壓裂增透效果得出，單段壓裂鉆孔內部容易產生應力集中現象，有效壓裂面積小，而多段壓裂鉆孔內部無明顯應力集中現象，有效壓裂面積大，采用多段壓裂鉆孔，煤體滲透系數最大可提高263倍；梁文勖等[12]通過地面壓裂試驗確定壓裂裝置技術參數，并在井下現場試驗中將壓裂后鉆孔組平均抽采瓦斯流量提高2.5～3.5倍，平均抽采瓦斯濃度提高1.9～2.5倍；馬文偉等[13]通過注水器開合壓力試驗確定注水器合理運行參數，通過膠囊封孔效果試驗得出高壓膨脹膠囊具有良好膨脹性和抗收縮性，并在井下工業試驗1 h單段壓裂10 m，用水量僅為10～13 t，瓦斯抽采流量和濃度均有顯著提高，成功實現鉆孔低流量壓裂。

點式壓裂技術通常以水作為壓裂介質，一定程度可實現煤體致裂增透，但針對富含礦物質的煤體增透效果不理想，國內學者針對富含礦物質煤體開展化學增透研究：趙博等[14]研究煤芯經酸化后增透率最大可提高18.42倍，且確定鹽酸質量分數在12%～15%最佳；馬永元[15]通過等溫吸附試驗和壓汞試驗定量表征酸化后煤體孔隙結構特征。

綜上，本文以酸液介質替代點式水力壓裂增透中水介質，將物理增透與化學增透進行有效融合，探索復合增透作用下煤體致裂機制及增透效果，以期為富含礦物質的低滲透煤層瓦斯治理提供新方法。

1 點式酸化壓裂增透機制

1.1 點式壓裂裝置結構及壓裂機制

點式壓裂裝置主要由注水器、高壓膨脹膠囊以及高壓推桿3部分組成，如圖1所示。壓裂前將高壓膨脹膠囊、注水器與高壓推桿連接，利用鉆機將壓注裝置送至鉆孔預定壓裂位置后啟動壓裂泵，高壓水經高壓推桿進入高壓膨脹膠囊及注水器，高壓膨脹膠囊開始膨脹。當水壓為3 MPa時，高壓膨脹膠囊基本與孔壁實現密封；當水壓達5 MPa時，注水器出水口張開，高壓水經出水口壓出并作用于孔壁；隨高壓水持續注入高壓膨脹膠囊，注水器空間逐漸充滿高壓水，隨泵壓不斷升高，注水器周圍封閉空間形成的高壓水應力持續作用于煤體，使煤體破壞并產生裂紋；隨壓裂進行，裂紋沿煤體弱面及最小主應力方向不斷擴展延伸，形成與周圍鉆孔貫通的橫向裂紋，最終實現煤體增透。

圖1 點式壓裂裝置Fig.1 Point fracturing device

1.2 點式酸化壓裂增透機理

煤體是由裂隙和孔隙組成的多孔介質結構，通過電子計算機X射線斷層掃描(Computer Tomography，CT)和X射線熒光光譜分析(X Ray Fluorescence，XRF)可知，煤體孔隙、裂隙結構中堆積大量礦物質，包括以方解石和白云石為主的碳酸鹽礦物和以高嶺石、蒙脫石等為主的黏土礦物，礦物質將影響煤體內部結構連通性及瓦斯在煤體裂隙和孔隙結構中的運移。研究發現，酸液可與煤體孔隙中礦物質發生化學反應，使礦物質溶解，進而疏通煤體內部孔隙裂隙結構，有利于瓦斯在煤體中運移。尤其對富含碳酸鹽類礦物的煤體，由于碳酸根離子易與氫離子發生反應，所以對碳酸鹽類礦物溶解效果較好。本文以鹽酸(HCl)為主要原料，現場加注鹽酸時容易對設備產生腐蝕，因此，在鹽酸中加入適量六次甲基四銨(C6H12N4)作為緩蝕劑；為防止黏土類礦物質遇水膨脹，加入適量氯化鉀(KCl)作為抗膨脹劑。酸液與礦物質(方解石、白云石以及黃鐵礦)反應主要化學方程式如式(1)～(4)所示：

(1)

(2)

(3)

(4)

在常規加注壓力下向鉆孔中加注酸液，僅影響煤層注液鉆孔濕潤半徑范圍，無法達到增透目的。點式壓裂產生的裂隙為酸液滲流提供有效通道，使酸液進入煤體深部，有效疏通煤體孔隙裂隙，從而為壓裂提供更多弱面和自由面，2者融合有利于裂紋持續高效發育，增強煤體孔隙結構整體連通性，最終提高瓦斯在煤體中滲透性。

2 酸液配比研究

三元煤礦3號煤層為低透氣性煤層，煤層瓦斯抽采效果較差，通過顯微組分分析可知，3號煤無機組分中含有大量碳酸鹽類礦物及黏土類礦物，在煤中無機質占比分別為20.2%～32.1%和42.2%～51.1%，適合采用酸化處理進行煤體增滲。

據調研，煤的酸化鹽酸質量濃度以12%～15%最佳，為確定適合三元煤礦3號煤增滲處理的鹽酸質量濃度，擬對4種不同鹽酸質量濃度配比下酸液處理后煤的掃描電鏡圖進行對比分析，試驗過程中在酸液中加入2%的六次甲基四銨作為緩蝕劑，加入3%氯化鉀作為抗膨脹劑，酸液配比見表1。

表1 酸液配比Table 1 Acid solution ratios

采集三元煤礦3號煤層煤樣4塊，其中1塊作為原始對比煤樣，其余3塊煤樣分別放在不同配比酸液中浸泡12 h，然后將浸泡后的煤樣放在干燥箱內進行干燥處理，對干燥后的煤樣進行切割，樣品規格為Φ=200 mm，高140 mm，對樣品一面進行研磨、剖光，用導電膠將剖光面與樣品脫黏貼固定，用吹掃器清理樣品表面雜物，然后將樣品在真空下干燥并進行導電處理，最后利用掃描電子顯微鏡觀測煤體微觀孔隙結構，同時觀測原始對比煤樣。三元煤礦煤樣酸化前后掃描電鏡如圖2所示。

圖2 三元煤礦煤樣酸化前后掃描電鏡Fig.2 SEM before and after acidification of coal samples in Sanyuan coal mine

由圖2(a)可知，原煤表面光滑無孔洞；由圖2(b)可知，在煤樣表面局部出現少量縫隙，其余表面變化不明顯，主要因為鹽酸質量濃度較低，酸液與煤體中礦物質反應緩慢不充分；由圖2(c)可知，在煤樣表面出現裂縫和大量孔洞，說明當鹽酸質量濃度為12%時，酸液與煤體中礦物質反應較劇烈，通過酸液對礦物質的溶解促使煤體內部形成裂縫和大量孔洞；由圖2(d)可知，煤樣表面出現裂縫和少量孔洞，主要因為鹽酸質量濃度過高導致溶液整體濃度較大，溶液與煤樣接觸面減少使反應受限。通過酸化煤樣掃描電鏡試驗可知，煤樣酸化處理有利于煤體裂縫和孔洞的產生，針對三元3號煤層煤體增透選擇12%HCl+2%C6H12N4+3%KCl的復合酸液體系較適合。

3 點式酸化壓裂增透試驗

試驗選取4302工作面回風巷，共設計3組順層鉆孔組，每組布置3個鉆孔，鉆孔長度均為80 m，孔間距均為5 m，其中a組為普通抽采鉆孔組，b、c組分別為點式酸化壓裂鉆孔組和點式水力壓裂鉆孔組，2組壓裂鉆孔組中間鉆孔均為壓裂孔，壓裂位置為距孔口60 m處，兩側鉆孔為控制孔，作用為引導裂紋向控制孔發育，鉆孔布置如圖3所示。

圖3 鉆孔布置示意Fig.3 Schematic diagram of boreholes layout

試驗用設備包括1臺高壓注水泵、1套點式壓裂裝置(含壓裂桿、高壓膨脹膠囊和注水器)以及KJ16高壓膠管。試驗用酸液體系為12%HCl+2%C6H12N4+3%KCl復合酸液。

點式酸化壓裂工藝流程：首先將高壓膨脹膠囊與注水器連接并送至鉆孔中，用管鉗將第1節壓裂桿與高壓膨脹膠囊連接；通過鉆機連接其他壓裂桿并送至鉆孔預定壓裂位置，將壓裂桿尾端通過水辮與高壓膠管連接，高壓膠管另一端連接壓裂泵出液口；向混液箱中加入固定比例復合酸液；調試壓裂泵組，啟動壓裂泵進行壓裂，當控制孔出現返水現象時壓裂成功；壓裂完成后，向混液箱加入清水并啟動壓裂泵對泵體進行清洗，防止殘留在壓裂設備內部酸液腐蝕設備；壓裂過程中采集壓裂時間、壓裂壓力及注水量等參數，壓裂結束后將3組鉆孔組接抽，并采集15 d鉆孔組抽采瓦斯濃度與流量數據。

4 試驗數據分析

4.1 現場壓裂參數分析

現場記錄點式酸化壓裂和點式水力壓裂的泵站壓力、壓裂時間和注液量3個參數，見表2。壓裂壓力與時間變化如圖4所示。

表2 酸化壓裂試驗泵站壓力、壓裂時間及注水量Table 2 Pressure,fracturing time and water injection of acidizing fracturing test pumping station

圖4 壓裂壓力隨時間變化Fig.4 Pressure change trend of pump station

由圖4可知，采用點式酸化壓裂時，壓裂1 min，泵站壓力約4 MPa，壓裂液進入壓裂桿和高壓膨脹膠囊，高壓膨脹膠囊膨脹并與孔壁密封，注水器開啟開始壓裂煤體；壓裂3 min，泵站壓力達18 MPa，隨后壓力出現小幅下降，說明煤體開始起裂；壓裂3～20 min，泵站壓力呈周期性波動變化，煤體裂紋不斷擴展、延伸；壓裂時間大于20 min，泵站壓力大幅下降，壓裂孔與控制孔形成導通，壓裂孔右側控制孔開始返水，壓裂完成，總壓裂時間23 min，總注液量2.6 m3。采用點式水力壓裂時，泵站壓力變化趨勢與點式酸化壓裂基本一致，壓裂煤體起裂壓力為22 MPa，總壓裂時間32 min，總注液量3.5 m3。相比點式酸化壓裂，點式水力壓裂起裂壓力較高，壓裂用時較長，注液量較大，這是由于點式酸化壓裂酸液對煤體中礦物質溶蝕作用降低煤體起裂壓力，有助于裂紋快速擴展、延伸，進而減少注液量，提高工作效率。

4.2 抽采效果分析

利用多種參數測試儀采集a(普通抽采鉆孔組)、b(點式酸化壓裂鉆孔組)、c(點式水力壓裂鉆孔組)3組鉆孔組瓦斯濃度和流量參數，共采集15 d參數數據，3組鉆孔組瓦斯混合流量與濃度變化如圖5～6所示。

圖5 鉆孔組瓦斯混合流量變化Fig.5 Variation of gas drainage flow in drilling groups

圖6 鉆孔組瓦斯濃度變化Fig.6 Variation of gas concentration in drilling groups

由圖5～6可知，普通抽采鉆孔組瓦斯混合流量為0.03～0.09 m3/min，抽采瓦斯濃度為36%～48%；點式酸化壓裂鉆孔組混合流量為0.15～0.21 m3/min，抽采瓦斯濃度為65%～77%；點式水力壓裂鉆孔組混合流量為0.11～0.17 m3/min，抽采瓦斯濃度為62%～71%。采取壓裂措施后，鉆孔瓦斯流量衰減速度明顯減慢，瓦斯混合流量及濃度均顯著提高，其中點式酸化壓裂鉆孔組瓦斯混合流量和瓦斯濃度分別為普通鉆孔組3.65，1.72倍，點式水力壓裂鉆孔組瓦斯混合流量和瓦斯濃度分別為普通鉆孔組的2.76，1.62倍。橫向對比2種壓裂方式抽采效果可知，點式酸化壓裂>點式水力壓裂。點式酸化壓裂鉆孔組瓦斯混合流量和瓦斯濃度為點式水力壓裂鉆孔組的1.32，1.06倍，這是由于點式酸化壓裂可在壓裂基礎上使酸液進入煤體深部，并溶蝕煤體中礦物質，進一步提高煤體裂隙發育范圍及裂隙結構整體連通性，強化煤體增透效果。

5 結論

1)點式酸化壓裂融合點式水力壓裂致裂煤體物理增透和酸液溶蝕煤體中礦物質化學增透，提高煤體裂隙發育范圍及整體連通性，為瓦斯在煤體中運移提供有利通道。

2)通過煤樣掃描電鏡試驗，確定適合三元煤礦的點式酸化壓裂酸液體系為12%HCl+2%C6H12N4+3%KCl復合酸液。

3)三元煤礦順層鉆孔采用點式酸化壓裂后，鉆孔組瓦斯混合流量及濃度均有顯著提高，為普通鉆孔組的3.65，1.72倍，且點式酸化壓裂效果明顯優于點式水力壓裂。