低透氣性煤層多組分酸化壓裂增透技術(shù)研究

賈 男

(1.中煤科工集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122； 2.煤礦安全技術(shù)國家重點試驗室，遼寧 撫順 113122)

根據(jù)國家能源局最新發(fā)布的關(guān)于我國煤炭產(chǎn)能公告，截至2018年12月底，我國現(xiàn)有正規(guī)化生產(chǎn)礦井 3 373處，產(chǎn)能35.3億t，煤炭占我國能源消費總量的比重為59%，依舊處于重要地位。現(xiàn)有礦井中高瓦斯及突出礦井比例在50%以上，且大多數(shù)礦井的開采煤層普遍存在滲透性差的問題，煤層滲透率一般在0.1×10-6～1.0×10-6μm2，相比國外礦井煤層滲透率差了2～3個數(shù)量級[1]，且隨著開采深度的不斷加大，在高地應(yīng)力、高瓦斯、低透氣性條件下增加了煤層瓦斯治理難度，嚴重制約了煤礦的安全生產(chǎn)。針對這個難題，國內(nèi)外學者開展了大量的關(guān)于煤層增透技術(shù)的試驗研究，如通過水力割縫、水力壓裂、高壓空氣爆破、聚能爆破等技術(shù)有效改善了煤層的透氣性[2-12]。陳洪濤等[13]通過對超高壓水力割縫技術(shù)及工藝參數(shù)的優(yōu)化研究，在60～70 MPa割縫壓力下，將煤層順層鉆孔的日均抽采瓦斯?jié)舛忍岣吡?5%，日均抽采瓦斯純量提高了2.25倍；郭臣業(yè)等[14]通過前期數(shù)值模擬與優(yōu)化設(shè)計，采用定點、定向、定區(qū)域控制水力壓裂技術(shù)使單孔的瓦斯抽采量提高了5倍以上，在有效治理瓦斯的基礎(chǔ)上減少了鉆孔工程量；李守國[15]基于高壓空氣致裂煤層增透機理，研發(fā)了一套利用高壓空氣爆破致裂煤層增透的裝備，在現(xiàn)場工業(yè)性試驗中取得了較好的效果；郭德勇等[16]通過改變深孔聚能爆破的裝藥結(jié)構(gòu)，研究發(fā)現(xiàn)采用偏心不耦合裝藥結(jié)構(gòu)的爆破孔下方煤層裂隙發(fā)育好于上方的裂隙發(fā)育；王海東[17]應(yīng)用掘進工作面CO2可控相變致裂技術(shù)提高了煤層的滲透率，瓦斯抽采量提高了近2倍，縮短了巷道煤層瓦斯預抽時間，提高了掘進速度；倪小明等[18]通過開展酸液對不同煤階煤的酸化試驗得出，多組分酸能與煤體里的礦物質(zhì)反應(yīng)進而增強煤體中孔隙、裂隙的導流能力，尤其對富含碳酸鹽礦物煤體酸化效果較好；李勝等[19]通過核磁共振和低溫氮吸附方法對煤層的酸化效果進行了定量表征，經(jīng)酸化后煤的有效孔隙度和滲透率都有所增大，殘余孔隙度降低。

國內(nèi)外學者對煤層增透技術(shù)的研究主要采用物理增透方式，對化學增透方式的研究較少且主要集中在室內(nèi)實驗。筆者基于前人的研究，在分析三元煤礦低透煤層瓦斯賦存及煤質(zhì)情況的基礎(chǔ)上，提出了采用多組分酸化壓裂增透技術(shù)，將物理增透與化學增透進行有效融合，通過實驗室實驗確定了合適的多組分酸液配比，并進行了現(xiàn)場工業(yè)性試驗。該研究可為煤層增透提供新的方法，研究成果對國內(nèi)同類礦井具有借鑒意義。

1 多組分酸化壓裂增透機理

煤層透氣性好壞主要取決于煤體的孔隙—裂隙結(jié)構(gòu)，低透煤層的孔隙裂隙連通性較差，影響了瓦斯在煤體中的流動。通過X射線衍射儀測試發(fā)現(xiàn)，煤層中許多孔隙裂隙被礦物質(zhì)和一些雜質(zhì)阻塞，其中包括以方解石和白云石為主的碳酸鹽礦物，以伊利石、蒙脫石、高嶺石等為主的黏土礦物，以及硫化物、黃鐵礦等。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，通過酸液可以有效地溶解、溶蝕煤層中礦物質(zhì)及阻塞物，以碳酸鹽礦物和硫化物溶解效果最好，以石英和高嶺石溶解效果最差。通過酸液與煤體中礦物質(zhì)的化學反應(yīng)及酸液對煤基質(zhì)和阻塞物的溶蝕作用，可以有效提高煤層整體孔隙—裂隙結(jié)構(gòu)的連通性，增強煤體中瓦斯流場的流動性。多組分酸化可增加煤體的孔隙度和比表面積，改善煤層滲透性，并減少煤中灰分比例，提高煤的發(fā)熱量。

多組分酸化壓裂是以傳統(tǒng)水力壓裂為基礎(chǔ)，在壓裂過程中將兩種或兩種以上酸液按照一定比例融入水中制備壓裂液，利用高壓泵將壓裂液注入煤體實現(xiàn)煤層增透。壓裂液在高壓泵的作用下可以使煤體起裂，并使裂紋不斷擴展、延伸實現(xiàn)裂隙之間的連通，裂隙連通性的提高可提升壓裂液在煤體中的滲流能力，同時壓裂液中的酸可以溶解溶蝕煤體裂隙中的礦物質(zhì)和阻塞物，因此注入酸液可以進一步提高裂隙結(jié)構(gòu)的發(fā)育程度，且煤體在酸化作用下會產(chǎn)生化學損傷，降低煤體的抗壓強度，有利于煤體的壓裂增透，通過兩者的耦合作用可以大幅提高煤體的壓裂效果，使煤體內(nèi)部形成連通性更好的空間孔隙裂隙結(jié)構(gòu)。

根據(jù)三元煤礦煤的顯微組分分析可知，3號煤層中無機組分以碳酸鹽和黏土類礦物為主，其中碳酸鹽類礦物占煤中無機質(zhì)的20.2%～32.1%，黏土類礦物占42.2%～51.1%。根據(jù)礦方當前實際抽采情況，瓦斯抽采濃度和流量均偏低，適合進行酸化壓裂增透。國內(nèi)油氣田酸化壓裂過程中多采用鹽酸作為壓裂液，考慮到鹽酸對設(shè)備具有一定的腐蝕性，而低濃度乙酸腐蝕強度極低且能與碳酸鹽類礦物反應(yīng)，因此設(shè)計采用鹽酸HCl與乙酸CH3COOH組合的形式，降低鹽酸濃度。通過試驗確定鹽酸和乙酸的合適配比；由于煤體中黏土類礦物遇水會產(chǎn)生膨脹，容易堵塞裂隙，而氯化鉀KCl可以抑制黏土類礦物的膨脹效應(yīng)，在酸液中加入適量的KCl作為防膨脹劑。因此本次研究采用的酸液為鹽酸+乙酸+氯化鉀的多組分酸液，利用多組分酸化增透方式主要涉及的化學反應(yīng)方程式如下：

方解石：

CaCO3+2HCl=CaCl2+CO2↑+H2O

CaCO3+2CH3COOH=(CH3COO)2Ca+CO2↑+H2O

白云石：

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

CaMg(CO3)2+4CH3COOH=(CH3COO)2Ca+(CH3COO)2Mg+2CO2↑+2H2O

黃鐵礦：

FeS2+2HCl=FeCl2+H2S+S

2 多組分酸液配比試驗

國內(nèi)油氣田酸化壓裂過程中多采用質(zhì)量分數(shù)為12%左右的HCl作為壓裂液，國內(nèi)有關(guān)研究成果表明，煤的酸化鹽酸質(zhì)量分數(shù)為12%～15%最佳[20]。為抑制鹽酸的腐蝕效應(yīng)同時保證酸化效果，本次試驗采用鹽酸和乙酸的組合形式，使兩者質(zhì)量分數(shù)之和為12%，同時加入質(zhì)量濃度為 20 g/L 的KCl防止酸化過程中黏土類礦物發(fā)生膨脹。為確定適用于三元煤礦3號煤層酸化增透的酸液合適配比，擬測試 5組(B～F組)不同酸液比例酸化下煤樣滲透率變化情況，5種酸液配比如表1 所示。

表1 各組試驗酸液配比

采集三元煤礦3號煤層煤樣，將其制作成 ?25 mm×50 mm規(guī)格煤芯，利用覆壓孔滲儀進行滲透率測試試驗。試驗條件：設(shè)定試驗圍壓為4 MPa，采用N2作為試驗氣體，進氣壓力設(shè)置為3 MPa，通過測試進氣口和出氣口流量和壓力，計算煤樣滲透率。試驗方法：首先將煤樣放在不同配比酸液中浸泡12 h，浸泡后取出煤樣放在干燥箱內(nèi)干燥24 h，然后再將煤樣放在干燥器內(nèi)冷卻至室溫，測試煤樣酸化后的滲透率，同時測定未進行酸化處理煤樣的原始滲透率。煤樣滲透率測試結(jié)果如表2所示，滲透率變化情況如圖1所示。

表2 煤樣酸化前后滲透率測試結(jié)果

圖1 不同酸液配比下煤樣滲透率變化情況

由圖1可以看出，酸化后煤樣的滲透率有顯著提高，隨著酸液中鹽酸質(zhì)量分數(shù)增高，煤樣滲透率呈整體上升趨勢。當鹽酸質(zhì)量分數(shù)為12%不用乙酸時煤樣滲透率最高，達到13.154×10-15m2，相比原始煤樣滲透率提高了16.19倍；當乙酸質(zhì)量分數(shù)為3%、鹽酸質(zhì)量分數(shù)達到9%時，隨著鹽酸質(zhì)量分數(shù)的逐漸增高，煤樣酸化后滲透率增速放緩，該配比酸化后煤樣滲透率為11.973×10-15m2，相比原始煤樣滲透率提高了14.65倍，與鹽酸質(zhì)量分數(shù)為12%時的煤樣滲透率相差不大，同樣具有較好的酸化增透效果；當乙酸質(zhì)量分數(shù)為5%、鹽酸質(zhì)量分數(shù)為7%時，煤樣滲透率為6.657×10-15m2，相比原始煤樣滲透率提高了7.70倍，與鹽酸質(zhì)量分數(shù)為12%時的煤樣滲透率相差較大。試驗結(jié)果說明可以用一定比例的乙酸替代鹽酸，但鹽酸比例不宜過低，否則會影響酸化增透效果。考慮鹽酸相比乙酸對設(shè)備腐蝕性更強，但酸化作用更好，為保證現(xiàn)場試驗的酸化增透效果，設(shè)計采用w(HCl)為9%+w(CH3COOH)為3%+ρ(KCl)為 20 g/L 組成的多組分酸液作為現(xiàn)場試驗的酸液配比。

3 多組分酸化壓裂增透試驗

3.1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)為三元煤礦3號煤層4302工作面，工作面開切眼長220 m，采高7.25 m，采用綜采放頂煤采煤方法，工作面最大原煤瓦斯含量為6.25 m3/t，孔隙率為3.65%，煤層透氣性系數(shù)為3.157 m2/(MPa2·d)，屬貧瘦煤。

3.2 試驗方案設(shè)計

本次試驗采用順層鉆孔壓裂方式，試驗區(qū)選在4302回風巷，設(shè)計了3組試驗鉆孔：方案Ⅰ(編號a組)采用多組分酸化壓裂增透方式，方案Ⅱ(編號b組)采用高壓水力壓裂增透方式，方案Ⅲ(編號 c組)采用大孔徑多組分酸化壓裂增透方式。每種方案布置5個鉆孔，組間距為20 m，其中中間鉆孔為壓裂孔，其余鉆孔與中間鉆孔間距分別為3、4、5、6 m，孔深設(shè)計為100 m；同時采集不采取增透措施的4個鉆孔數(shù)據(jù)進行對比，礦方現(xiàn)施工普通鉆孔間距為3 m，鉆孔孔徑為94 mm，大孔徑鉆孔孔徑為113 mm。鉆孔布置如圖2所示。

圖2 鉆孔布置及壓裂原理示意圖

試驗采用智能化高壓注水泵一套，壓裂孔采用高壓膨脹膠囊封孔，封孔深度為20 m。多組分酸液配比：w(HCl)為9%+w(CH3COOH)為3%+ρ(KCl)為20 g/L，泵注流量控制在400～600 L/min。

煤體起裂壓力是判定煤體失穩(wěn)和決定泵注參數(shù)的重要依據(jù)，不同賦存條件和不同煤階煤的起裂壓力不同，可根據(jù)式(1)計算三元煤礦3號煤層煤體的起裂壓力：

(1)

式中：p起裂為煤體裂縫起裂注水壓力，MPa；σ抗拉為煤體抗拉強度，0.6 MPa；σ1、σ2為煤體水平主應(yīng)力，分別取13、9 MPa；α為煤的畢奧特常數(shù)，取0.84；μ為煤體的泊松比，0.28；p0為煤體的瓦斯壓力，0.32 MPa；pc為注水壓力的摩擦損失，2.4 MPa。

泵注壓裂液總量受煤體孔隙率、壓裂范圍及壓裂過程中的濾失量等因素影響，由于煤體具有非均質(zhì)多孔介質(zhì)特性，壓裂過程中只能通過估算得出壓裂液用量：

V液=φV煤體+V管+V孔

(2)

V煤體=abc

(3)

式中：V液、V煤體分別為壓裂液體積、壓裂煤體體積，m3；V管、V孔分別為管道體積、壓裂孔體積，取0.22、0.78 m3；φ為煤體的孔隙率，取3.65%；a、b、c為壓裂影響煤體的長、寬、高，分別為80、11、7.25 m。

根據(jù)公式(1)和(2)可以求得煤體起裂注水壓力為24.80 MPa，單組壓裂液體積約為233 m3。

多組分酸化壓裂工藝流程：首先施工壓裂孔及左右兩側(cè)間距分別為6、5 m的觀測孔，向壓裂孔中放入高壓膨脹壓裂封孔器，連接管路，調(diào)試壓裂泵組，向混液箱中加入固定比例的水和多組分酸液，啟動壓裂泵，緩慢升壓，使壓裂液充滿鉆孔及煤體原始裂隙，當泵注壓力達到煤體起裂壓力后，持續(xù)周期循環(huán)壓裂，當位于最邊緣左右兩側(cè)觀測孔均出現(xiàn)返水現(xiàn)象時，持續(xù)壓裂一段時間，使煤體裂隙更充分發(fā)育，返排的壓裂液通過水泵抽排到井下臨時水倉，壓裂結(jié)束后停泵，施工其余2個觀測孔進行聯(lián)網(wǎng)抽采，并采集相關(guān)瓦斯?jié)舛?CH4體積分數(shù)，下同)和流量參數(shù)。

4 試驗數(shù)據(jù)分析

現(xiàn)場施工過程中，3組壓裂孔的壓裂參數(shù)如表3 所示。

表3 現(xiàn)場壓裂參數(shù)

由表3可以看出，現(xiàn)場起裂壓力與理論計算值相差6.45%～12.10%，證明理論計算方法具有可行性。以多組分酸化壓裂為例，壓裂初始階段，表壓為 0 MPa，壓裂液充滿鉆孔及煤體較大的原始裂隙，然后泵注壓力逐漸升高，使煤體中形變能量不斷積累，當壓力達到22.5 MPa左右時，煤體開始起裂，裂隙不斷擴展、延伸并貫通，然后壓力開始小幅下降，壓裂液進入更深部的裂隙，泵注壓力呈升壓—穩(wěn)壓—卸壓周期性波動變化。

采用多種參數(shù)測定儀每天記錄3組試驗鉆孔的瓦斯抽采濃度、流量和負壓參數(shù)，采集1個月的數(shù)據(jù)進行對比分析。3組鉆孔瓦斯混合流量與瓦斯?jié)舛鹊淖兓闆r如圖3～8所示。

圖3 多組分酸化壓裂鉆孔瓦斯流量變化情況

通過對3組試驗方案1個月的抽采數(shù)據(jù)進行整理分析可以得到：

1)從圖3和圖4可以看出，采用多組分酸化壓裂時，單孔(a-1#～a-4#)抽采瓦斯混合流量為0.40～0.66 m3/min，瓦斯?jié)舛葹?%～19%，且距壓裂孔近的抽采孔抽采效果較好。當抽采15 d后，抽采瓦斯混合流量和瓦斯?jié)舛染行》认陆?。不采取增透措施的a鉆孔的抽采瓦斯混合流量為0.17～0.32 m3/min，瓦斯?jié)舛葹?%～8%，距壓裂孔3 m的觀測孔a-1#比a鉆孔抽采瓦斯混合流量平均提高了1.34倍，瓦斯?jié)舛绕骄岣吡?.70倍；距壓裂孔 6 m 的觀測孔a-4#比a鉆孔抽采瓦斯混合流量平均提高了1.05倍，瓦斯?jié)舛绕骄岣吡?.04倍。

圖4 多組分酸化壓裂鉆孔瓦斯?jié)舛茸兓闆r

2)從圖5和圖6可以看出，采用水力壓裂時，單孔(b-1#～b-4#)抽采瓦斯混合流量為0.27～0.60 m3/min，瓦斯?jié)舛葹?%～13%。當抽采12 d后，抽采瓦斯混合流量和瓦斯?jié)舛扔行》认陆怠＞鄩毫芽? m的觀測孔b-1#比b鉆孔抽采瓦斯混合流量平均提高了1.06倍，瓦斯?jié)舛绕骄岣吡?0%。

圖5 水力壓裂鉆孔瓦斯流量變化情況

圖6 水力壓裂鉆孔瓦斯?jié)舛茸兓闆r

3)從圖7和圖8可以看出，采用大孔徑多組分酸化壓裂時，單孔(c-1#～c-4#)抽采瓦斯混合流量為0.48～0.73 m3/min，瓦斯?jié)舛葹?1%～26%。當抽采15 d后，抽采瓦斯混合流量和瓦斯?jié)舛扔行》认陆?。距壓裂? m的觀測孔 c-1#比c鉆孔抽采瓦斯混合流量平均提高了 1.85倍，瓦斯?jié)舛绕骄岣吡?.66倍。

圖7 大孔徑多組分酸化壓裂鉆孔瓦斯流量變化情況

圖8 大孔徑多組分酸化壓裂鉆孔瓦斯?jié)舛茸兓闆r

4)從圖3～8可以看出，采取增透措施的鉆孔抽采效果明顯好于普通抽采鉆孔，鉆孔抽采瓦斯?jié)舛群土髁慷加写蠓鹊奶岣?，且距壓裂孔近的抽采孔抽采效果較好，在保證抽采瓦斯流量和瓦斯?jié)舛鹊那疤嵯鲁椴砂霃娇商岣?倍。

5)通過橫向?qū)Ρ瓤梢钥闯觯?組試驗方案抽采效果優(yōu)劣排序為大孔徑多組分酸化壓裂>多組分酸化壓裂>水力壓裂，且酸化壓裂后的持續(xù)高效抽采時間長于水力壓裂，這是由于多組分酸液與煤體中的碳酸鹽類礦物發(fā)生反應(yīng)起到了對孔隙裂隙的導流作用，同時反應(yīng)生成的CO2氣體對瓦斯有驅(qū)替作用，強化了增透效果，說明對于富含碳酸鹽類礦物質(zhì)的煤適合采用多組分酸化壓裂方式，且擴大鉆孔孔徑可以增加酸化壓裂接觸面面積，能進一步提高壓裂效果。

5 結(jié)語

1)通過對單一低透氣性煤層多組分酸化壓裂增透技術(shù)研究得出，對于透氣性較差的富含碳酸鹽類礦物質(zhì)的煤體，采用物理增透與化學增透聯(lián)合的多組分酸化壓裂增透方式好于采用傳統(tǒng)水力壓裂增透方式，且在采取增透措施的同時擴大鉆孔孔徑可以有效提高壓裂接觸面及抽采自由面面積，提高煤體孔隙—裂隙結(jié)構(gòu)的發(fā)育，進而強化瓦斯抽采效果。

2)通過煤樣酸化滲透試驗確定了適用于三元煤礦的多組分酸液組分配比：w(HCl)為9%+w(CH3COOH)為3%+ρ(KCl)為20 g/L。在現(xiàn)場試驗中，與普通抽采鉆孔相比，采用多組分酸化壓裂抽采瓦斯混合流量和瓦斯?jié)舛绕骄岣吡?.34倍和1.70倍，采用水力壓裂平均提高了1.06倍和90%，采用大孔徑多組分酸化壓裂提高了1.85倍和2.66倍，且酸化壓裂持續(xù)高效抽采時間可達到15 d，相比水力壓裂時間更長。多組分酸化壓裂增透技術(shù)在三元煤礦取得了較好的試驗效果，對解決富含碳酸鹽類礦物質(zhì)低透氣性煤層的瓦斯抽采問題有著重要意義。