提高煤储层渗透率的酸化实验

提高瞄层渗透率的酸化实验刘炎杰;刘超;马兵淳5靖【摘要】为了研究酸化对煤储层渗透率的影响，进行了室内酸化实验。采取山西沁水盆地南部晋城矿区3号煤层中裂隙发育的煤样，分别将其制成60~80目的干燥煤粉和直径为50mm的煤心，用不同的酸液体系对煤粉和煤心进行处理，测量煤粉酸化后的溶蚀率以及煤心酸化前后的渗透率和孔隙度。实验结果发现，经酸化后煤心渗透率由原来的0.5x10-3pm2左右提高到3.0x10-3pm2左右，孔隙度增加了5.5%左右。对煤心进行酸化处理能极大的提高其渗透性，为煤层气酸化现场施工提供实验支撑。%Inordertostudytheinfluenceofacidificationonthepermeabilityofcoalreservoir,indooracidificationexperimentwascarriedout.CoalsampleswithdevelopedfracturesinNO.3coalseamofJinchengareaofQinshuibasininShanxiProvincewereadopted.Thecoalsamplesweremadeintodrypulverizedcoalof60-80meshandcoalcoresof50mmindiameter,thenthepulverizedcoalandcoalcoreswereprocessedwithdifferentacids.Thedissolutionrateafteracidificationofthepulverizedcoal,thepermeabilityandtheporositybeforeandafteracidi-ficationofthecoalcoresweremeasured.Theresultsindicatedthatafteracidificationthepermeabilityofthecoalcoresincreasedfromabout0.5x10-3pm2to3.0x10-3pm2andtheporosityincreasedabout5.5%.Acidificationofcoalcorecouldgreatlyimproveitspermeability.Theresearchresultsprovideanexperimentalsupportfortheap-plicationofcoalbedmethaneacidificationoperation.【期刊名称】《煤田地质与勘探》【年(卷)，期】2016(044)002【总页数】4页(P46-49)【关键词】酸化;渗透率;溶蚀率;孔隙度【作者】刘炎杰浏超;马兵;郭靖【作者单位】河南理工大学安全科学与工程学院，河南焦作454003;中国石油长庆油田分公司油气工艺研究院，陕西西安710018;低渗透油气田勘探开发国家工程实验室，陕西西安710018;河南理工大学安全科学与工程学院，河南焦作454003;中国石油长庆油田分公司油气工艺研究院，陕西西安710018;低渗透油气田勘探开发国家工程实验室，陕西西安710018【正文语种】中文【中图分类】P618.11我国煤层气资源十分丰富，现已进入开发利用的关键阶段［1］。在煤层气开发过程中，渗透性的好坏是决定煤层气采收率的重要因素。我国煤储层渗透率普遍偏低，对煤层气资源的开发利用极为不利。如何提高煤储层渗透率是我国煤层气开发中的关键科学问题。煤储层具有孔隙和裂隙双重孔隙结构，但煤中的黏土、碳酸盐类矿物易堵塞煤的孔隙、裂隙通道，造成煤储层渗透率偏低［2-4］。通过酸液对煤孔隙、裂隙中填充的矿物质进行溶解，改善煤储层孔连通性，从而提高渗透率，达到煤层气增产目的。我国将酸化技术应用于煤层气藏上鲜有报道。赵文秀等［5］、李瑞等［6］利用酸液对含有大量碳酸盐类矿物的煤储层进行处理，极大的改善了煤储层的渗透率；苏现波等［7］认为，用酸化法处理焦作地区被方解石充填的煤层比压裂增产更优越，但需要在实验室进行实验研究以指导现场应用。本文通过采取山西沁水盆地晋城矿区井下新鲜煤样，对其进行处理并用不同浓度的酸液进行酸化实验，通过实验研究酸化对煤粉溶蚀率以及煤心渗透率和孔隙度影响，为煤层气酸化现场施工提供参考。1.1实验煤样宏观特征实验所用煤样采自山西沁水盆地南部晋城无烟煤矿区3号煤层。该矿区3号煤层光泽较强，煤体整体呈黑色，以镜煤、亮煤为主，镜煤条带发育，层理清晰可见，断口呈阶梯状，煤体较坚硬。煤体结构为原生结构煤，裂隙较发育，连通性较好，并发育有穿层的大裂隙，面割理密度平均为14条/5cm。1.2实验样品测试在实验室对采取的新鲜煤样分别进行进行显微组分（含矿物基）、工业分析、元素分析和煤中矿物成分的X射线衍射测定（表1）。2.1反应机理由上述显微组分测试可知，煤中矿物绝大部分是方解石（碳酸盐类矿物），故采用盐酸进行酸化效果会很好，酸化反应化学方程式如下所示：2.2酸液体系实验采用质量分数分别为6%、10%、14%和18%的盐酸，稀盐酸由浓盐酸（质量分数为36%）稀释配置而成。由表1数据可知，煤中含有一定高岭石（黏土类矿物），而KCl溶液［8］具有防止黏土类矿物吸水膨胀的作用，故实验所用的盐酸中均加入1%质量分数的KCl溶液（文后所述的不同质量分数的盐酸均指已加入1%KCl的盐酸）。2.3样品制备2.3.1煤粉制取取适量块煤，用球磨机将其破碎并过60~80目筛，反复筛选后取60~80目的煤粉在60OC下进行干燥8h，之后放入干燥瓶中以备实验使用。2.3.2煤心制取挑选裂隙发育、含碳酸盐类矿物较多的块煤，在实验室利用岩心钻取机钻取4个直径为50mm，长度约为50mm的煤心，分别编号为1-4号。煤心上下两个端面用全自动精密切割机切磨平整，并参照石油天然气行业标准SY/T5336—2006《岩心分析方法》对煤心进行去油清洗与干燥处理［9］。3.1煤粉溶蚀率实验3.1.1溶蚀率测定将磨好且干燥过的60~80目的煤粉分成12份，每份50g，称量精确至0.001g。前四份用质量分数为6%、10%、14%及18%的盐酸分别与煤粉按一定比例（实验统一按5g：50mL配比）倒入锥形瓶中，充分震荡使酸液与煤粉充分接触。将锥形瓶置于30C恒温水浴中静置（中间四份和最后四份操作同前四份一样），前四份反应时间设定为1h，中间四份反应时间设定为2h，最后四份反应时间设定为3h。反应后用滤纸将煤样品过滤并放置于鼓风干燥箱中在60C条件下烘干然后用精密天平称重。根据反应前、后煤粉质量计算盐酸对煤粉的溶蚀率，并以此来确定盐酸的最佳反应质量分数。式中m1、m2分别是酸化前后煤粉质量，g。3.1.2测试数据与分析由表2和图1可知：同一反应时间下，煤粉的溶蚀率随着盐酸质量分数的增大均呈现〃先急后缓”的增大趋势。煤粉溶蚀率急剧增大出现在盐酸质量分数为10%~14%，之后继续增大盐酸质量分数，煤粉溶蚀率变化不大。这主要是因为：初始时，盐酸质量分数增大，溶液中的H+增多，更多H+与煤岩中碳酸盐类矿物质反应，增大溶蚀率，随着反应继续，产生的大量盐类会阻碍H+向煤岩表面流动，从而减缓了溶蚀率[10]。由此可知当盐酸质量分数为10%~14%时，该矿区的煤粉溶蚀率达到最佳。同一反应浓度下，盐酸与煤粉反应溶蚀率随着时间的增加而增大。反应2h与反应3h后的煤粉溶蚀率相差不大。考虑到盐酸在地层中存留时间过长会对地层产生损害，同时也为了节约时间，提高效益，因此酸化时选择2h的溶蚀时间比较适宜。3.2煤心酸化实验3.2.1渗透率测定对1-4号煤心分别用6%、10%、14%和18%的盐酸浸泡煤心，浸泡时间分别定为4h、8h、12h、16h及20h。并对浸泡后的煤心置于鼓风干燥箱中在60°C下烘干以备气体渗透率测试。利用储层渗透性动态伤害评价系统（图2）测试酸化前后煤样的气体渗透率。通过测定入口端、出口端的气体压力和通过煤心的气体流量，将所测数值代入式（3）,计算可得煤心的气体渗透率（测试气体为高纯氮气，测试时每个煤心施加的围压均为3MPa,进口压力为1MPa，出口压力为0.5MPa）。式中K为煤岩的气测渗透率，10-3顷2;q为气体在入口压力P1下的流量，mL/s;A为煤岩岩心的横截面积，cm2;u为气体在实验温度下的黏度，mPa・s;P1为入口端压力，MPa;P2为出口端压力，MPa;P0为1标准大气压，MPa;L为煤心的长度，cm。3.2.2测试数据与分析煤心酸化处理前后渗透率测试结果如表3和图3所示。从中可以看出：以碳酸盐类矿物为主的煤心经盐酸处理后，气体渗透率均有极大提高。经酸化后煤心渗透率由原来的0.5x10-3pm2左右提高到3.0x10-3pm2左右。主要是因为酸液溶蚀了煤心裂隙中的碳酸盐，沟通了孔裂隙通道，从而提高了渗透率。同一反应时间下，随着盐酸质量分数增大，煤心渗透率整体呈现逐渐增大趋势，质量分数为18%的盐酸对煤心渗透率改善最好，质量分数为10%~14%的盐酸处理后的煤心渗透率与质量分数为18%的盐酸处理煤心后的渗透率相差不大。综合煤自身性质和现场施工实际情况，质量分数为10%-14%的盐酸用于现场酸化效果最合适。随着酸化处理时间增加，煤心渗透率均呈现先增大后减小的趋势。在12h时，煤心渗透率均提高到最大。这是因为随着煤心酸浸泡时间增加，其中的黏土矿物发生膨胀，造成煤心孔隙、裂隙通道阻塞，从而降低了煤岩心渗透率，但因黏土含量相对较少，且反应溶液中加有防止黏土膨胀的KCl，故其煤心渗透率降低的程度并不大。3.3煤心孔隙度测试实验3.3.1孔隙度测定煤的孔隙度是指煤中孔隙体积与煤的总体积之百分比，一般所说煤的孔隙度均指煤的有效孔隙度。而煤的有效孔隙度在数值上等于煤岩饱和吸水率的数值[11-12],本文通过测定煤心的饱和吸水率间接获得煤心的有效孔隙度，计算吸水率Wx公式如下：式中M1为煤样烘干后的质量，g;M2为煤样吸水饱和后的质量，g。3.3.2测试数据与分析用质量分数为2%的KCl溶液采用浸泡法分别测出4个煤心的初始孔隙度和酸化20h后的孔隙度（煤样称重前用滤纸将煤心表面水分擦干），测试结果如表4所示。从表中数据看出，4个煤心经酸化处理后孔隙度均有明显提高。1-4号煤样的孔隙度平均增加了5.5%左右，这个结果与煤心气体渗透率测定结果一致，即：酸化后，煤心孔隙度整体均呈现增大趋势，煤心孔隙度增加量随着酸液质量分数提高而增大，经过质量分数为10%~14%的盐酸处理后的煤心的孔隙度增加量与经过质量分数为18%的盐酸处理后的孔隙度增加量相差不大。以碳酸盐类矿物为主的煤岩，经盐酸酸化后煤粉溶蚀率、气体渗透率及孔隙度均得到明显提高。随着盐酸质量分数的增加，煤心渗透率整体呈现逐渐增大趋势。盐酸质量分数超过14%之后煤心渗透率相差不大。随着酸化时间的增加，煤心渗透率呈现先大幅升高后略有降低的趋势。利用酸化技术清除煤储层中矿物质对改善煤储层渗透率有很大帮助。对于不同类型的煤岩，最佳反应时间与酸液体系和质量分数需要进一步开展研究。【相关文献】[1]叶建平.中国煤层气资源[M].北京：中国矿业大学出版社，1998.[2]段连秀，王生维，张明.煤储层中裂隙充填物的特征及其研究意义[J].煤田土地质与勘探，1999,27(3):33-35.DUANLianxiu,WANGShengwei,ZhangMing.Thecharacteristicsofthefracturefillingsincoalreservoirsanditsstudysignificance[J].CoalGeology&Exploration,1999,27(3):33-35.[3]GAYERR,HARRISI.NatureandoriginoffractureinpermiancoalsfromtheBowenbasinqueensland,Australia[J].CoalBedMethaneandCoalGeology,2006,109:133-150.陶树，王延斌，汤达祯，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