利用酸化技术提高煤储层渗透率的室内初探

赵文秀 李 瑞 乌效鸣 汤继丹 王 坤 王于健

(1.华北油田采油工艺研究院,河北 062552;2.中国地质大学,湖北 430074)

煤储层具有双孔隙结构,煤层气绝大多数以吸附状态存在于煤基质孔隙中,少部分游离于煤层孔、裂隙中。当煤层压力降低到一定程度时,煤中被吸附的气体开始从微孔隙表面解吸,由于割理中的压力降低,解吸的气体通过基质和微孔隙扩散进入裂缝网络中,再经裂缝网络流向井筒。由于我国煤储层本身渗透率总体相对偏低,这样势必影响煤层气在煤层裂隙中的运移,进而导致煤层气产能较低。因此,改善煤层渗透率,增强煤储层中孔、裂隙的连通性,是我国煤层气开发中需要重点解决的问题。

在油气开发中,酸化即是通过井眼向地层注入一种或几种酸液,利用酸液对岩石胶结物或地层孔隙、裂隙内堵塞物等的溶解和溶蚀作用,恢复或提高地层孔隙和裂隙的渗透性的一项增产措施。酸化已是油气田勘探开发中提高油气产量的重要手段,较小规模的酸化措施有可能极大的提高油气产能。但是,在煤层气开发中却极少有对煤储层进行酸化的相关报道。苏现波 (1998)对河南焦作地区的煤观察发现,尽管该地区煤处于高变质无烟煤阶段,煤中的内生裂隙还没有完全闭合,为10条/5cm左右,但这些裂隙基本上均为方解石充填,甚至一部分外生裂隙也被方解石充填。并提出采用酸化法处理比压裂有一定的优越性。

作者在油气井酸化的基础上,结合煤储层本身物理、化学特征,在实验室中钻取了φ25mm的煤岩心,对其进行了酸化处理,并对酸化前后煤岩心的渗透率及孔隙度进行了测试和分析。另外,对酸化前后煤岩心的肉眼及镜下特征也做了仔细观察。

1 实验材料

1.1 酸液类型

实验分别采用质量分数为6%、9%及15%的盐酸作为酸处理液。

1.2 岩心

实验所用到的煤样取自山西晋城地区,在实验室中用这些煤样钻取了六个φ25mm直径的煤岩心,并分别编号,其中1、2、3号煤岩心为光亮煤,4、5、6号煤岩心为暗淡煤。光亮煤裂隙系统发育,除可观察到大量内生裂隙外,还可见少量外生裂隙,并且内、外生裂隙多数被方解石脉充填,只有个别内生裂隙未被充填。暗淡煤内生裂隙不发育,但可见大量直径约2～4mm的孔洞,孔洞已被碳酸盐矿物充填。

2 实验方法

2.1 煤样物相分析

利用X射线衍射仪测得实验用光亮煤中粘土5%,石英1%,方解石20%,非晶质74%;暗淡煤中粘土5%,石英1%,方解石 20%,白云石15%,非晶质59%。

实验用的煤样其中的矿物质以碳酸盐矿物为主,主要为方解石和白云石。其中光亮煤中以方解石为主,并且主要以脉状充填在裂隙系统中;暗淡煤中既含有方解石又含有白云石,这些碳酸盐矿物不仅充填在2～4mm的孔洞中,还充填在少数的20～70μm的内生裂隙中。

2.2 对煤岩心酸化处理

分别用6%、9%和15%的盐酸浸泡1、2、3号煤岩心及4、5、6号煤岩心。浸泡时间分别为6、9、12、15及21小时。

3 酸化反应机理

(1)CaCO3(方解石)+2HCl=CaCl2+CO2↑+H2O

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

4 实验测试及数据分析

4.1 煤岩心气体渗透率的变化

在分别浸泡煤岩心6、9、12、15及 21小时后,取出岩心并用鼓风干燥箱在60℃条件下烘干,之后利用JHGP气体渗透率仪测试各个煤岩心气体渗透率。实验结果如表1、2及图1。

表1 1、2、3号煤岩心酸化前后渗透率变化

表2 4、5、6号煤岩心酸化前后渗透率变化

图1 煤岩心酸化前后渗透率增加倍数

从以上煤岩心气体渗透率测试结果可以得出以下结论：

(1)含大量碳酸盐矿物的煤岩心经酸化处理后,气体渗透率均有显著提高。

(2)盐酸浓度越大,煤岩心酸处理后渗透率提高程度越大,但考虑到煤机械强度较低,盐酸浓度过大可能会对煤体结构产生不良影响。因此,本实验采用的盐酸质量分数最大为15%。

(3)裂隙发育程度高的煤,其酸化效果要好于裂隙发育程度低的煤。实验中2号煤岩心裂隙宽度及密度明显大于1、3号煤岩心,其渗透率增加倍数也明显高于1、3号煤岩心。另外,结合前述煤样物相分析结果,虽然暗淡煤中碳酸盐矿物含量明显高于光亮煤,但其酸化后渗透率增加程度并不高于光亮煤,而光亮煤裂隙发育程度要高于暗淡煤,因此,光亮煤酸化效果优于暗淡煤。

(4)酸处理时间为9～12小时时,煤岩心渗透率提高到最大程度,超过此时间,渗透率开始减小并逐渐趋于一定的值。本实验中,各煤岩心渗透率相对于其最高值降低程度在24.3～65.9%,平均为37.3%。分析主要原因可能为煤岩心长时间被酸浸泡后,粘土矿物发生膨胀堵塞煤岩心孔、裂隙,从而降低了煤岩心渗透率,但因黏土含量有限所以其降低煤岩心渗透率的程度也是有限的。因此,时间因素是影响酸化效果的重要因素,要达到理想的酸化效果须控制好酸化时间。

4.2 煤岩心孔隙度的变化

利用AP-608自动覆压孔渗仪,在7～8MPa环压下,分别测试未酸化和用15%盐酸酸化21小时后煤岩心的平均孔隙度。其孔隙度变化如表3。

表3 煤岩心酸化前后孔隙度变化

根据以上数据计算得知,光亮煤和暗淡煤经酸处理后孔隙度分别增加了0.97%和0.36%,光亮煤和暗淡煤孔隙度增长率分别为10.09%和3.55%。光亮煤孔隙度增长率大于暗淡煤,与前述不同煤岩类型的岩心气体渗透率的变化特征一致,即光亮煤酸化效果好于暗淡煤。

图2 酸化前煤岩心方解石脉

图3 酸化后煤岩心裂隙

4.3 煤岩心肉眼及镜下变化特征

酸化前后用数码相机及VISION4100(金相)数字显微镜分别拍摄了实验用煤岩心照片,如图2、3。

图4 酸化前内生裂隙中方解石脉,×50

图5 酸化后内生裂隙,×50

图6 酸化前外生裂隙中方解石脉,×100

图7 酸化后外生裂隙,×100

由图4～7煤的肉眼及镜下特征不难发现,酸化后煤岩心孔、裂隙系统发生了较明显的变化,煤裂隙、孔隙中的碳酸盐矿物已经比较彻底得被盐酸溶蚀掉。

5 结论

(1)实验室中煤样的矿物质以碳酸盐矿物为主,另外还含有少量粘土矿。

(2)煤岩心酸化后气体渗透率及孔隙度均有较明显的提高。裂隙越发育,酸化效果越显著,光亮煤酸化效果优于暗淡煤。

(3)随着煤岩心酸化时间的增加,煤岩心渗透率先大幅升高后略有降低,最后趋于某一值。煤中的黏土矿物可能是导致煤岩心渗透率降低的主要因素。

(4)通过肉眼及镜下观察,发现煤岩心中孔、裂隙系统中的碳酸盐矿物 (方解石及白云石)能够被盐酸较彻底的溶蚀。

总的来说,高浓度、短时间酸化处理更有利于改善煤层渗透性。就目前室内实验情况,采用一定质量分数的盐酸,酸化处理后效果较好,渗透率可提高20倍以上。因此,作者认为将酸化技术应用于清除煤层矿物质是有价值的,并且有待开展更深入、更广泛的研究。

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