煤层气井潜在酸联合加砂压裂增产机理及应用

郭爱华

(延长油田股份有限公司 杏子川采油厂，陕西 延安 717400)

0 引 言

煤层气是一种清洁无污染、热值高的非常规天然气，开采潜力巨大。煤层气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[1-5]。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[6-9]。增产措施是煤层气开发的核心和关键，只有增大煤层的孔隙度和渗透率才可能提高煤层气的解吸速率，加大煤层气的产出形成工业化的开采规模[10-11]。

酸化已是油气田勘探开发中重要的增产措施，不仅表现在增加储层的孔隙度而且还可以用在降低压裂时的破裂压力[12-13]。该技术在常规油气资源已有应用并取得了显著的效果，但针对煤层研究比较少。冯文光提出纳米酸化压裂技术，通过扩大纳米孔隙进行增储;然后通过通缝造缝实现煤层气增产，这项技术主要优势为：①增储：扩大纳米孔隙，提高吸附气解吸速度；②增产：扩大微米、毫米、厘米孔缝，增加有效作用距离；③投入产出比高：低浓度，大剂量，成本低。应用纳米技术先改造扩大纳米孔隙，首先提高解吸速度，再在油气与岩石壁面生成中间润湿性纳米膜，从而提高可动油气饱和度[14-15]。陈万钢等认为煤岩割理系统发育，裂隙多为方解石充填，可通过有机酸酸化解除部分填充物对煤岩孔缝的堵塞，根据煤岩可酸化的性能特征研究出了适用于煤层气井的潜在酸压裂液[16-17]；魏宏超、苏现波等人，通过试验研究，酸化处理能够明显改善煤心的渗透率，可以作为煤层的增产措施[18-21]。但是如何利用煤层气储层中的的碳酸岩矿物，生成潜在的酸液，以达到酸化增产的目的，目前鲜有人提及。

应用扫描电镜分析技术对煤层气储层裂缝的碳酸盐充填物特征进行分析，通过真实岩心室内岩心驱替实验，以氯化铵和多元醛为酸母体通过化学反应就地生成活性酸，形成了潜在酸体系配方，对潜在酸性能及潜在酸和压裂液的配伍性进行评价，并选择晋城地区潘河示范区多口煤层气井，进行矿场增产实际效果检验，施工现场表明，潜在酸与加砂压裂协同增产技术对煤层压裂效果明显，投产即表现出较高的产量。

1 煤层气储层岩性特征

矿物质是煤中的无机组分，因其硬度大、平均原子序数高，故通常在断面上比较凸出，二次电子图像的亮度大于有机显微组分，也有明显的形态特征，有的显示标志性晶形，比较容易识别。选取晋城地区煤炭样品，取直径25 mm，长度不超过20 mm的煤心样品，采用低频超声波清洗仪清洗选出来的煤心样品10 min，将煤样表面附着的外来物去掉，清洗完毕后放入40 ℃烘箱烘24 h以上，保证样品不含水分。将处理完毕后的煤心样品放入环境扫描电镜载物台，选择特征点进行观察。

从图1可以看出，煤中有多种碳酸盐矿物，但是较具普遍意义并且在煤层气开采中有影响的主要为方解石(CaCO3)。煤中的方解石虽然也有自生的，充填于丝质体胞腔及植物组织孔中，但更多为后生，这些充填裂隙的后生方解石是与煤层气开采最为密切的，这些方解石也是煤中充填孔隙的主要后生矿物。煤中方解石晶体形态有菱面体、似立方体、柱状、板状等，产状有脉状、薄膜状、分散状等。

方解石对于煤层气开采的影响除了充填裂隙外，如果增产采用的是酸化等方法，方解石(包括其他碳酸盐矿物)可以与酸发生反应从而改造煤岩储层的孔隙结构[19]。从扫描电镜可以看出，煤岩裂隙中大量发育方解石，煤岩表面及孔隙内少量分布有方解石和石膏。

图1 煤样中碳酸盐矿物特征Fig.1 Characteristics of carbonate minerals in coal sample

2 煤层潜在酸与加砂压裂协同增产技术室内实验

2.1 煤层潜在酸性能

潜在酸是指在地层条件下能产生酸的物质，即向地层注入酸母体，利用酸母体通过化学反应就地生成活性酸。相比常规酸化技术，潜在酸具有酸的活性保持时间长，有效作用距离远，缓解井下管线等设备的腐蚀等优点。以氯化铵和多元醛形成的总浓度20%的潜在酸在40 ℃条件下不同时间段pH值变化如图2所示。

图2 潜在酸溶液不同时间段的pH值变化Fig.2 pH changes of different time quantum of potential acid solution

从图2可以看出，氯化铵和多元醛形成潜在酸在40 ℃条件下随着时间的延长溶液pH值逐步降低，其中氯化铵和多元醛3∶2的比例的潜在酸酸性最强，2 h之后溶液的pH值可到1左右，说明该潜在酸释放酸速度较慢，最后形成的溶液酸性较强，可满足地层酸化的需求。

2.2 煤层潜在酸静态缓速性能

将煤心研磨成粉(80～120目)后混合均匀并烘干，然后等量分成2份分别放入潜在酸和土酸(12%HCl+3%HF)中进行对比，液固比20∶1。测定常温常压下岩粉在潜在酸和土酸中的溶蚀量随时间的变化，实验结果如图3所示。

图3 煤粉末潜在酸与土酸失重率Fig.3 Potential acid and mud acid weight loss rate of carbon powder

由图3实验表明，反应10 min时土酸对煤粉的溶蚀率是潜在酸的11倍多，但在20 min时土酸和煤粉反应就已结束，而潜在酸则在70 min时对煤粉的溶蚀量才基本不变，且最终土酸对煤粉的溶蚀率仅为潜在酸的2倍。由此可见煤粉在潜在酸中的最终失重率虽然不如土酸，但潜在酸却具有良好的缓速性能，且由于潜在酸对煤心矿物的溶蚀量较少，因此既可以起到酸化解堵的作用，又不会因为溶蚀量大而破坏煤的结构。

2.3 岩心驱替实验

采用潜在酸液对3块晋城煤心做了岩心驱替实验，先用2%KCl溶液正向测试岩心渗透率，然后用反向注入潜在酸0.8 pv(pv数是注入地下的聚合物溶液体积占地下总孔隙的倍数)，关闭出口，在40 ℃条件下让岩心反应5 h，再用2%KCl溶液正向驱替测定煤心渗透率变化见表1，从实验结果可以看出，潜在酸液在40 ℃条件下可以酸化煤层的部分矿物从而增加其渗透率。

表1 潜在酸液对煤心酸化前后的渗透率比Table 1 Before and after acidding pemeability ratio of potential acid to coal core

2.4 潜在酸和压裂液的配伍性

2.4.1 煤层气用清洁压裂液性能

将配制好的煤层气清洁压裂液体系在流变仪上进行170 s-1条件下剪切1 h，通过测定体系在170 s-1条件下不同时间段的黏度来评价其耐剪切性能如图6所示，从图4可以看出，该煤层气清洁压裂液体系在170 s-1条件下黏度均在40 MPa·s以上，具有很好的耐剪切性能(图4)。

图4 煤层气清洁压裂液体系黏度随剪切时间变化曲线Fig.4 Change curve of clean fracturing fluid system viscosity with shear time

2.4.2 潜在酸对煤层气清洁压裂液体系的影响

潜在酸在地层温度条件经过一定的时间才生成酸，在泵入地层一定时间内潜在酸还是以氯化铵和多元醛的形式存在，将潜在酸(未生成酸之前)加入到煤层气压裂液粘弹性表面活性剂中，测试潜在酸本身对压裂液的影响如图7所示。

图5 潜在酸对煤层气清洁压裂液体系黏度的影响Fig.5 Influence of potential acid to clean fracturing fluid system for coal bed gas

从图5可以看出，潜在酸加量少时对粘弹性表面活性剂影响较小，随着潜在酸浓度的增加，粘弹性表面活性剂黏度有所上升，这是由于潜在酸含有氯化铵盐类物质，对粘弹性表面活性剂表现出增粘效应，有利于蠕虫胶束的形成[20]。随着潜在酸浓度的继续增大，盐类物质浓度也加大，粘弹性表面活性剂表现出胶束电荷压缩效应，黏度有一定程度的降低，但黏度仍然能够保持在40 MPa·s以上，说明潜在酸(未生成酸之前)对粘弹性表面活性剂影响较小。

3 煤层气井潜在酸与加砂压裂协同增产现场应用

晋城地区潘河示范区煤的变质程度高，属于无烟煤阶段，煤层含气量高。含气量一般在16 m3/t左右，通过等温吸附实验获得的15#煤层含气饱和度在80%左右，含气饱和度较高，利于开采。潘河区块15#煤层裂隙较为发育，储层改造的目标应在造长缝的同时，尽可能的沟通储层中的天然裂隙，从而形成主缝+微缝的复杂裂缝网络，对煤层进行充分改造[21-22]。从裂隙充填物情况来看，压裂液最好能溶蚀裂隙中方解石，以更好的沟通天然裂缝。在PH1-006X1井和PH1-006X2井进行了潜在酸与加砂压裂协同增产施工应用，两口井压裂参数见表2.

潜在酸与加砂压裂协同增产现场施工顺序为先将潜在酸通过测试压裂阶段和前置液泵入地层，后泵入携砂的粘弹性表面活性剂压裂液，最后再泵入顶替液，施工曲线如图6所示。

图6 PH1-006井X115#煤层压裂施工曲线Fig.6 No.15 coal seam of PH1-006X1 well

井号预压液量/m3前置液量/m3携砂液量/m3顶替液量/m3净液量/m3砂量/m3平均砂比/%破裂压力/MPa压降/MPaPH1-006X1井28.00158.50278.9098.30543.4032.8012.3015.506.2～5.9PH1-006X2井28.00158.10256.3098.10521.2031.2012.9015.305.3～4.9

图7 PH1-006X2井15#煤层压裂施工曲线Fig.7 No.15 coal seam of PH1-006X2 well

从PH1-006X1井和PH1-006X2井施工曲线可以看出(图7)，两口井施工曲线平稳，破裂压明显，PH1-006X1井为15.5 MPa，PH1-006X2井为15.3 MPa，主要阶段压裂缓慢下降。从施工曲线表明，前置液阶段压力有所下降，证明潜在酸压裂液进入地层之后与储层开始反应，逐步沟通煤层原生孔隙喉道，加快潜在酸溶液在煤层中的渗流，提高储层渗透率，压力下降；粘弹性表面活性剂携砂液阶段压力非常平稳。当初始滤失量基本不变时，如果裂缝长度延长较快，缝内压力会紧随着下降很快，随着裂缝的延长，沿程摩阻在增加，当裂缝端部压力下降到接近闭合压力时，裂缝无法继续延伸，此时，滤失量变得相当大，表现在施工曲线上也就是变得平缓，甚至为直线，此类曲线表明形成的裂缝较长，压裂效果明显。两口井施工后投产即表现出较高的产量，两口井日产气量维持在2 000 m3以上。

4 结 论

1)煤中含有有多种酸溶性碳酸盐矿物主要为方解石(CaCO3)，因此可以考虑采用酸化技术改造煤层的孔隙度从而提高煤层的渗透率；

2)潜在酸释放酸速度较慢，泵入地层后对煤心矿物的具有一定的酸蚀性，既可以起到酸化增加孔隙度的作用而增加渗透率，又不会因为酸蚀量大而破坏煤的结构，该潜在酸还可以与煤层气清洁压裂液体系配合使用。

3)在PH1-006X1井和PH1-006X2井进行了施工，现场效果表明，潜在酸与加砂压裂协同增产技术对煤层压裂效果明显，投产即表现出较高的产量。