煤层气井酸化压裂增产机理及施工程序优化

王镜惠 梅明华 刘娟 王华军

摘      要：为了明确酸化压裂对煤储层增产改造的适应性，通过煤样碳酸岩质量分数测试和酸液浸泡前后渗透率实验，得到了酸液对煤样渗透率的影响规律，将研究成果应用于酸化压裂工艺选井和现场实施。结果表明，碳酸盐质量分数较高且填充在割理、裂缝中是研究区储层渗透率较低的重要原因;酸化压裂能够有效提高煤样渗透率，但碳酸盐矿物质量分数大于1%，黏土矿物质量分数低于2%，储层渗透率低于0.2 mD时效果较好;酸化压裂工艺应该包括小型预压裂、酸化处理、注替液和焖井4个环节，其中小型预压裂应逐级提排量，控制前置液量小于总液量的17%，最大排量小于6 m3·min-1，砂比小于15%;酸化处理分为注前置酸、处理酸和后置酸，排量和液量逐级降低;最后需要注入顶替液，并焖井24 h以上。研究内容对煤层气井酸化压裂增产工艺实施具有指导意义。

关  键  词：煤层气井;酸化;增产措施;碳酸盐矿物;施工方案

中图分类号：TE357.2         文献标识码： A       文章编号： 1671-0460（2020）09-1892-04

Abstract： In order to clarify the adaptability of acidizing fracturing to coalbed gas reservoirs， the stimulation mechanism of acidizing fracturing was studied through the content test of carbonate rock incoal samples and the permeability change experiment after acid soaking， and then a reasonable construction planwas put forward. The results showed that the content of carbonate was high in some areas， and the permeability of fractures was greatly reduced when carbonate minerals were filled in the cleavage and fractures. The permeability of 6 coal samples was increased perfectly after soaking them in acid solution. When the content of carbonate minerals was more than 1%， clay mineral content was less than 2%， and the permeability was less than 0.2 mD， the performance of acidizing fracturing was perfect. The acidizing fracturing process should include four steps： small pre-fracturing， acidizing treatment， fluid injection and confining well. In the small pre-fracturing， the displacement should be increased step by step， andthe pre-flush volume should be less than 17% of the total fluid volume， the maximum displacement should be less than 6 m3·min-1， and the sand ratio should be less than 15%. The acidification treatment was divided into pre-acid injection， treatment acid and post-acid injection. Finally， displacement fluid should be injected and the well should be confined for more than 24 h. Field test showed that the well selection principle and construction technology effectively improved the output of a single well.

Key words： Coalbed methane wells; Acidizing fracturing; Stimulation measures; Carbonate minerals; Construction plan

沁水盆地南部3#煤層为目前主力开发煤层，埋深在600～1 000 m之间[1]，深部煤层大面积分布;3#煤层煤岩显微组分中镜质组反射率高达58.4%～75.4%，最大镜质体反射率较高达到3.27%～3.98%，为高煤阶煤层气储层[2];3#煤层抗压强度为7.45～20.91 MPa，抗拉强度为0.36～0.93 MPa，弹性模量分布在580～1 630 MPa之间，弹性模量数值相对较低;东北部为挤压应力区，西南部为拉张应力区[3]，原生煤、碎裂煤、碎粒煤均不同程度发育。3#煤层试井渗透率普遍低于1.0×10-4 ?m2，为低渗、特低渗储层，渗透率高低取决于裂缝宽度和密度。开发区目前煤层气井整体产量偏低，压裂是煤层增产的主要措施[4]，酸化压裂利于进一步提升压裂缝波及区煤层渗透率，郭涛等研究认为煤层酸化在理论上可行，可以提高煤层渗透率10倍以上，但是酸化时间和酸浓度具有地质适应性[5]。赵博等研究了煤岩渗透率对酸化作用的影响，认为盐酸质量分数在12%～15%为最佳，且酸化时间过长会造成渗透率降低，建议12 h左右[6]。张迎新等从工程角度阐释了酸化压裂的影响范围，指出酸化压裂时可以产生101.56 m的高效导流裂缝[7]。王军鹏等认为煤层具有酸敏性，煤层中的黏土矿物等与酸液形成难以溶解的矿物，造成储层伤害[8]。因此酸化压裂是否适应于研究区域，合理的施工步骤及施工参数需要进一步确定，本文基于室内实验数据对酸化压裂的选井原则、施工步骤及参数进行了研究。

1  碳酸盐质量分数及赋存

1.1  碳酸盐质量分数

3#煤层中碳酸盐质量分数为0.25%～3.87%，平均0.72%;15#煤层中碳酸盐矿物质量分数为0.17%～2.39%，平均0.76%;3#煤层中碳酸盐质量分数高于15#煤层，可能与15#煤层成岩过程中的石英交代作用有关。刘贝等研究表明，沁水盆地南部柿庄北区块3#煤层碳酸盐矿物质量分数为0.2%～2%，平均0.56%，15#煤层碳酸盐矿物质量分数为0%～0.7%，平均0.18%，3#煤层的碳酸盐矿物质量分数同样高于15#煤层[9]。

1.2  碳酸盐赋存

煤层气储层为致密储层，渗透率高低取决于裂缝宽度和密度，尤其是裂缝宽度对渗透率具有重要影响。以往研究表明，储层渗透率与裂缝宽度的3次方成正比，因此碳酸盐类矿物填充在裂缝中会导致裂缝渗透率大幅降低，同理通过酸化将裂缝中的碳酸盐矿物溶蚀，也会大幅增加储层渗透率。

2  室内实验

2.1  煤样及酸液制备

从研究区域采集煤样，加工成直径为25 mm、长度为50 mm的煤柱，选取碳酸盐矿物质量分数分布在0.4%～1.34%的煤样进行室内实验，增加实验的针对性。

本次实验采用12%盐酸+3%氢氟酸。

2.2  实验步骤

采用碳酸盐质量分数测定仪对碳酸盐质量分数进行测试;采用气体渗透率测试仪对煤样初始渗透率和酸化浸泡不同时间后的煤样渗透率进行测试;煤样在酸液中浸泡后分别置于80 ℃恒温箱中烘干，直至重量不再发生变化后进入下一个浸泡时间段测试;各煤样在酸液中浸泡时间分别为1、12、24 h。

3  酸化效果影响因素分析

3.1  矿物类型及质量分数

图2表明，6块煤样在酸液中浸泡后渗透率增加了1.34～11.73倍，表明酸化压裂确实能够有效提高煤样渗透率，且整体上碳酸盐矿物质量分数越高，渗透率增加倍数越大。这主要是由于割理裂缝中的方解石（CaCO3）和白云石（CaMg（CO3）2）与酸液发生化学反应，将碳酸盐矿物转化为溶于水的物质，被水带走，使得裂缝渗透率提高，其化学反应式为：

图2表明碳酸盐质量分数大于1%时，渗透率增幅较高，平均达到6.8倍以上;而碳酸盐矿物质量分数小于1%时，渗透率平均增幅为1.4倍，这表明酸化压力应该选择碳酸盐质量分数大于1%的储层。

图3表明，3号煤样在酸液中浸泡后最终渗透率低于初始渗透率，这与其他煤样结果不同，主要是由于该煤样黏土矿物和黄铁矿质量分数分别达到9.8%和3.2%，且高岭石、伊利石等黏土矿物和黄铁矿所填充在割理裂隙中，这些矿物与酸液反应能形成固体沉淀物质或水化膨胀导致渗透率降低[10]，因此一般选择黏土矿物小于5%且黄铁矿小于1%的储层进行酸化压裂。

3.2  浸泡时间

图3表明，除煤样3以外，各煤样渗透率均随浸泡时间增加而增加，这是由于浸泡时间越长，碳酸盐矿物与酸液接触时间越长，反应越充分，渗透率增加幅度越大。图3还表明，当浸泡时间增加至24 h时，曲线趋于平缓，因此现场施工可以选择注入酸液后焖井时间为24 h。

3.3  煤层渗透率

图4是根据图3得到的，煤样初始渗透率与酸化后增渗倍数间关系图。

图4数据表明，初始渗透率小于0.2 mD时，煤样酸化后渗透率增加倍数较大，渗透率继续增大，煤样酸化后渗透率增加倍数降低。这是由于研究区煤样渗透率较低的重要原因是煤岩裂缝被碳酸盐矿物填充，因此渗透率较低的井酸化效果较好。因此一般选取渗透率小于0.2 mD的储层进行酸化压裂。

4  施工方案

4.1  施工设计思路

酸化压裂整体思路为先造缝、后溶縫，即通过有效造缝，为酸液波及更大的范围，溶解更多的碳酸盐提供条件。因此，酸化压裂施工包括小型预压裂、酸化处理、注替液和焖井4个环节。

4.2  小型预压裂

小型预压裂是为了造缝和携砂，小型预压裂包括注前置液、注携砂液和注顶替液3个阶段。前置液应控制在小型预压裂总液量的17%以内，避免压裂液大量注入，进而降低压裂液对煤层气储层的伤害;另外在注入前置液的过程中应该采用逐级提排量、控制最大排量的方式，排量从2 m3·min-1开始，每次增加1 m3·min-1，将排量提高至6 m3·min-1后保持该排量开始注入携砂液，从而避免压裂裂缝垂直贯穿煤层顶底板，沟通含水层。携砂液和顶替液均以6 m3·min-1注人，其中顶替液量一般为10～15 m3，其余液量全部为携砂液，砂量一般在30～40 m3之间，砂比控制在15%以内，保证有效携砂。

4.3  酸化处理

该阶段是为了将酸液压入煤层中，使酸液在煤层中尽可能波及更大的面积。注前置酸是为了用酸液进一步顶替之前注入的压裂液，排量为       2.5 m3·min-1，液量为40 m3;注处理酸液是为了将酸液与煤层中碳酸盐矿物充分接触，通过变排量进入不同的孔裂隙中，排量范围为1.2～2.5 m3·min-1，液量为35 m3;最后以1.2 m3·min-1的排量注入5 m3后置酸液，结束酸化处理过程。

4.4  注顶替液和焖井

以低于1～1.2 m3·min-1的排量注入活性水压裂液10 m3，将酸液顶替进入煤层中，最大限度发挥酸液作用，同时避免井筒及附近残留酸液造成腐蚀。根据表1可知，煤样渗透率随着浸泡时间增加而增加，浸泡24 h时渗透率达到最大，因此焖井时间应该在24 h以上，使酸液与碳酸盐矿物充分反应。

5  现场试验

H1-1井3#煤层含气量较高，为20.5 m3·t-1;注入压降试井渗透率为0.15 mD;煤心显微组分分析表明碳酸盐类矿物质量分数较高，达到2.1%，扫描电镜观测显示部分割理裂缝被碳酸盐类矿物填充。该井初次压裂采用活性水压裂，投产后日产气量始终小于200 m3·d-1，开发效果较差（图5）。

鉴于其地质条件符合酸化压裂选井原则，在排采500 d后采用酸化压裂工艺对3#煤层进行二次压裂，压裂液包括活性水压裂液400 m3和酸液（12%盐酸+3%氢氟酸）80 m3，压裂砂30 m3，施工工艺按照4.2-4.4步骤进行，压裂施工曲线如图6所示。压裂后，最高日产气量增加到2 400 m3，生产2年后，目前产量仍高于1 300 m3，表明酸化壓裂后效果较好（图5）。

6  结 论

1）研究区3#、15#煤层碳酸盐质量分数分别为0.25%～3.87%和0.17%～2.39%，部分区域碳酸盐质量分数较高，且3#煤层普遍高于15#煤层。酸盐类矿物填充在割理、裂缝中会导致裂缝渗透率大幅降低。

2）6块煤样在酸液中浸泡后渗透率增加了1.34～11.73倍，表明酸化压裂确实能够有效提高煤样渗透率，且整体上碳酸盐矿物质量分数越高，黏土矿物和黄铁矿质量分数越低，初始渗透率小于0.2 mD时，渗透率增加倍数越大，酸化效果越好。

3）酸化压裂工艺应该包括小型预压裂、酸化处理、注替液和焖井4个环节，其中小型预压裂前置液应小于总液量的17%，应逐级提排量，控制最大排量为6 m3·min-1，砂比小于15%。酸化处理分为注前置酸、处理酸和后置酸，排量和液量逐级降低;最后需要注入顶替液，并焖井24 h以上。现场试验表明，该选井原则和施工工艺能够有效提高单井产量。

参考文献：

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[5]郭涛.煤层酸化提高煤岩渗透率的可行性研究[J].煤炭科学技术，2014，42（增刊）：137-138.

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[8]王军鹏.沁水盆地南部煤层气储层敏感性评价与保护技术研究[J].中国煤层气，2014，11（1）：25-29.

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[10]倪小明，李全中，王延斌，等.多组分酸对不同煤阶煤储层化学增透实验研究[J].煤炭学报，2014，39（S2）：436-440.