前置酸压裂提高煤层气单井产量机理与适用性研究

范 耀

前置酸压裂提高煤层气单井产量机理与适用性研究

范 耀1,2

(1. 煤炭科学研究总院，北京 100013；2. 中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077)

针对目前我国煤层气地面开发单井产量低、开发效益差的现状，为探索研究适用于煤层气井的经济高效增产改造技术，借鉴常规油气藏前置酸压裂技术的成功经验，采集焦坪矿区4-2煤层煤样，进行前置酸改善压裂效果评价实验，结合宏观观察、X射线衍射分析及扫描电镜–能谱手段对比分析实验前后矿物质成分与含量变化，研究前置酸压裂技术煤层增产机理和适用条件。结果表明：前置酸可改善煤储层孔裂隙之间连通性，大大降低压裂液本身对煤层的伤害，改造效果显著；酸化溶解(堵塞和填隙物质)为主要增产机理，形成不规则酸岩溶蚀面、酸盐反应生成CO2促进CH4解吸等作用是辅助增产机理；前置酸压裂技术适用于含矿物质较高、渗透性较差煤层增产改造和近井地带解堵，首选富含方解石、白云石、菱铁矿和赤铁矿等酸溶性充填物为主的煤层，对于含有较高黏土矿物的煤层或以解除近井地带污染为目的，重点考虑减少二次沉淀带来的负效应问题。建议采用二次沉淀物预防措施、综合防滤失技术、低密度支撑剂、低伤害/高黏度压裂液等对策来解决前置酸酸化后二次伤害和煤层压裂液滤失大的问题。

前置酸压裂；煤层气；增产机理；适用条件；连通性

我国煤层气资源丰富，但煤层气储层地质条件相对复杂[1]，造成我国的煤层气开发除了在沁水盆地南部和一些低阶盆煤地获得比较理想的开发效果以外，大部分区块普遍存在单井产量低、稳产时间短、开发效益差的问题[2-4]。低产井的大量存在已成为制约煤层气产业规模提升的主要技术难题和生产瓶颈。围绕如何提高煤层气单井产量这一亟待解决的重大技术问题，科研工作者从提高煤层渗透性和促进煤层气解吸入手，开展了包括水力压裂[5-6]、酸化[7]、可控冲击波[8-9]、多脉冲高能气体压裂[10]、极小半径侧钻[11]、微生物解堵[12]、注气与注热等多种增产改造技术的研究[13-15]。其中水力压裂技术作为主要手段应用最为广泛，但由于煤层地质条件差异，增产效果各异，主要面临以下问题：煤岩弹性模量低、泊松比高，压裂产生的裂缝缝长较短、宽度较大[16]，煤层中孔裂隙结构发育，易出现多裂缝和裂缝曲折，有效缝长被降低[17]；煤储层复杂的孔裂隙结构被压裂后，在煤层中形成尺寸差异大且分布错综复杂的缝网系统，煤层气产出路径一般从基质孔隙→显微裂缝→宏观裂缝→人工裂缝→井筒，路径复杂，且作为煤层气主要吸附空间的基质孔隙，主要通过解吸扩散方式流动，供给能力弱，显微裂缝、宏观裂缝与人工裂缝之间如果连通不畅，将造成原生裂隙无法连通人工裂缝，进而降低对井筒的供给能力，也就是说，即便压裂形成了流体运移的“高速公路”，也会因为其他流动路径的限流而无法充分发挥作用，这是大部分煤层气压裂井初期产气量较好，但稳产时间短、产量下降快的根本原因。由此可见，煤层气井压裂想要取得理想的改造效果，在解决好压裂形成高导流能力人工裂缝的同时，需要重点解决压裂改造范围内整个流动路径的连通性问题，最大程度增加煤体内部孔裂隙系统的有效沟通。

研究发现，煤储层孔隙、裂隙表面常被矿物质充填，导致煤储层渗透率变低[18]。黏土矿物、碳酸盐类矿物、石英和黄铁矿是我国煤中最常见的矿物质[19-20]。另外，完井液进入煤层裂隙中将造成煤层污染，降低煤层渗透率并导致煤层破裂压力升高，增加施工难度。酸化技术是通过酸液对岩层胶结物或地层孔裂隙内堵塞物等的溶解或溶蚀，来恢复或提高地层孔裂隙导流能力的一种增产措施。相关学者针对酸化对煤层的改造效果进行了系列的室内研究，并已开始进行现场试验；晋城矿区3号煤储层的酸化实验证明了盐酸能够改造1 μm左右的孔裂隙系统，从而提高煤的渗透性[21]；酸液对不同煤阶煤的酸化效果不同，多组分酸能与煤中的矿物质发生反应，提高煤储层的导流能力[22]；核磁共振和低温氮吸附方法可定量表征煤层的酸化效果，孔隙中的可溶性矿物质对煤层酸化的增透效果有决定性作用，而酸液对煤样的溶蚀效果主要与煤阶高低有关[23]；采用脉动式酸化压裂后，压裂孔瓦斯抽采平均混合流量和含量为普通抽采钻孔的3.10和3.39倍[24]；沁水盆地南部3号煤层进行酸化压裂试验后，最高日产气量由最初的200 m3增加到2 400 m3[25]。以上研究证实了酸化作用对煤储层具有显著的改造效果。

前置酸压裂技术是通过在正式加砂压裂之前将酸液在高于破裂压力下泵入地层，酸液沿着裂缝流动进入地层，与储层岩石基质接触，溶解储层中的酸溶成分，沟通天然微裂缝及部分基质孔隙，降低渗流阻力，以提高压裂改造效果[26-27]。前置酸压裂技术综合了水力压裂的物理改造与酸化的化学改造优点，在鄂尔多斯盆地和四川盆地等地区的油气井中得到广泛应用，取得显著效果[28-34]，已成为油气田增产的重要手段之一。但是，前置酸压裂技术在地面煤层气井储层改造方面的应用鲜有报道。结合前置酸压裂技术特点，针对含矿物质较高、渗透性较差的煤层，前置酸压裂技术有望实现提高煤层气单井产量的效果。

笔者以陕西铜川焦坪矿区侏罗纪煤层为研究对象，通过室内模拟实验和分析研究，探讨前置酸压裂技术提高煤层气单井产量的机理，分析其技术应用于煤层气藏的适用条件，以期为该技术在煤层气藏的应用提供理论支撑。

1 样品物性特征

选取陕西铜川焦坪矿区侏罗纪4-2煤层为研究对象。4-2煤层属低变质长焰煤，煤体以原生结构为主，主裂隙发育情况各异，为不发育–极发育，储层压力梯度0.66～0.76 MPa/hm，属于欠压储层；煤层温度23℃左右；煤层试井渗透率0.08×10–3μm2，物性差。

对绳索取心采集的煤心样品，采用宏观观测、X射线衍射分析及扫描电镜–能谱4种手段，从宏观和微观角度，通过定性和定量的方式，分析样品矿物质成分与含量。

1.1 宏观煤岩特征

4-2煤以暗煤为主，亮煤次之，属半暗型及暗淡型煤；沥青光泽，参差状断口，块状构造，为原生结构或碎裂结构煤，裂隙发育且被方解石脉充填，常见钙质薄膜(图1)。

图1 煤心样

1.2 X射线衍射分析

X射线衍射实验采用JCPDS卡片检索法进行物相分析，采用基本强度对比法进行定量分析。实验结果可知，煤中矿物质主要为碳酸盐类(方解石和白云石)，占比15%～29%；黏土矿物(主要为高岭石)，占比5%～10%，氧化硅矿物主要为石英，占比3%～8%(表1)。

1.3 扫描电镜–能谱分析

借助扫描电镜–能谱分析煤储层矿物质赋存状态。从扫描电镜–能谱结果(图2—图5)可以判断：煤储层矿物质含有的碳酸盐类物质为方解石和白云石，黏土矿物主要为高岭石，氧化硅矿物主要为石英。其中，方解石和白云石多为后生矿物以充填裂隙形式存在；高岭石多作为同生矿物存在于原生孔隙和裂隙中，部分可见于植物细胞腔内；石英赋存形式主要为分散状，层面上较为多见。

矿物质中高岭石易发生分散和运移，压裂过程中高速流体冲击以及排采过程中流速过快都易造成高岭石分散运移，从而损害渗透率；方解石、白云石、高岭石、石英、菱铁矿和赤铁矿都属于酸溶性矿物，采用合适的酸液即可溶解掉，为前置酸压裂技术的应用提供了基础。

2 前置酸压裂效果评价实验

开展煤储层前置酸压裂液评价实验，结合宏观观察、X衍射定量分析、扫描电镜等手段，分析前置酸压裂在溶解煤孔裂隙中填充矿物、降低压裂液对煤层伤害等方面的效果。

2.1 前置酸压裂液配方

① 前置酸配方：15%盐酸+0.5%D-60(助排剂)+1%HJF-94(缓蚀剂)+0.1%CA+清水。

表1 煤心X衍射定量分析结果

图2 方解石扫描电镜–能谱分析

图3 白云石扫描电镜–能谱分析

图4 高岭石扫描电镜–能谱分析

图5 石英扫描电镜–能谱分析

② 活性水压裂液配方：1.0%氯化钾+0.1%氟炭离子表面活性剂+清水。

2.2 实验样品

实验煤样取自焦坪矿区下石节煤矿4-2煤层，采出煤块，加工为ø50 mm煤样(图6)。

图6 实验样品

2.3 实验方法

煤储层改造液评价实验方法尚无相关标准，本次借鉴石油天然气行业标准SY/T 5358—2010《储层敏感性流动实验评价方法》，并结合煤储层特性，提出适合煤储层的室内前置酸压裂液评价实验方法。

① 测定煤心气体渗透率，并校正到克氏渗透率；

② 煤心抽真空并饱和地层水，在煤储层温度下，正向测定用氮气驱替时的煤心气相渗透率1；

③ 反向注入2倍以上孔隙体积的改造液，关闭煤心夹持器的入口和出口阀门，使煤心与改造液接触达l0 h以上；

④ 注入氮气正向驱替，测定氮气驱替时的煤心气相渗透率2。

2.4 评价方法

借鉴石油天然气行业标准SY/T 5107—2016《水基压裂液性能评价方法》，采用渗透率变化率评价改造液对煤储层的影响：

式中：d为渗透率变化率，%；1为煤样注入改造液前的煤心气相渗透率，10–3μm2；2为煤样注入改造液后的煤心气相渗透率，10–3μm2。

2.5 结果分析

为评价前置酸压裂液对煤层渗透率的影响，采用单一注入活性水压裂液作为对照实验。

实验结果表明：先注入前置酸，再注入活性水压裂液的方式，煤样渗透率变化率为–276.01%～ 154.44%；而单一注入活性水压裂液煤样渗透率变化率为8.98%～14.96%，这表明前置酸酸化作用后增加了煤储层孔裂隙之间连通性，提高了煤储层的渗透率，大大降低了压裂液本身对煤层的伤害，改造效果显著(表2)。

表2 前置酸压裂液对煤样影响评价结果

2.6 矿物质溶蚀效果

酸化实验后观察分析煤样变化：一是直观观察溶蚀效果，在煤样中直接取出含有明显填隙物的煤块(图7a)，另外一种是在酸液中浸泡15 min后再取

出(图7b)。为尽量真实对比酸化前后溶蚀效果，选取同一块大样中位置临近的样品(并非同一块样品)进行溶蚀前后的X衍射和扫描电镜分析(表3，图8)。

样品观测结果(图8)表明，盐酸与煤样反应后，样品表面变得相对粗糙；孔裂隙中的方解石、白云石、菱铁矿和赤铁矿等充填物被溶解掉，矿物质含量大大减少(表3)，孔裂隙得到了有效的沟通。

3 前置酸压裂技术增产机理

综合实验结果并结合理论分析，认为焦坪矿区煤样的酸化作用机理主要有两个方面。

图7 酸化前后煤样

表3 溶蚀后煤心X衍射定量分析结果

图8 酸化前后扫描电镜照片

1) 主导作用：酸液可溶除煤层中酸溶成分，提高孔裂缝及附近地层的渗透性

当前置酸液沿着裂隙进入煤样后，一部分酸液滤失在裂缝附近区域形成滤失带，发生酸岩溶蚀反应，溶解煤层中酸溶成分，提高裂缝附近煤层的渗透性；一部分酸液起到前置液的作用，位于裂缝最前缘[35]。酸化过程中发生的化学反应如下：

CaCO3+2HCl══CaCl2+CO2↑+H2O (2)

Ca(Fe,Mg)(CO3)2+6HCl══CaCl2FeCl2+

MgCl2+2CO2↑+3H2O (3)

FeCO3+2HCl══FeCl2+CO2↑+H2O (4)

Fe2O3+6HCl══2FeCl3+3H2O (5)

2) 辅助作用

(1) 不规则酸岩溶蚀面保持较高的导流能力

由于煤层中矿物质分布的非均匀性，使得前置酸液溶蚀形成的孔洞分布和大小也不均匀，裂缝壁面凹凸不平，因此，即使压裂停泵卸压后，裂缝未被支撑剂充填，也会由于裂缝壁面不能完全闭合，具有较高的导流能力。

(2) 酸盐反应生成的CO2促进煤层气解吸

煤基质对CO2的吸附能力高于对CH4的吸附能力，CO2可以置换出煤层中的CH4，酸液与碳酸盐岩矿物反应生成的CO2将置换吸附在煤基质表面的CH4，有利于煤层气井的提前产气和解吸[36-37]。

此外，针对含有蒙脱石、伊蒙混层等膨胀性黏土矿物的煤层，酸液还具有抑制黏土矿物膨胀的作用，pH值达到4以下时黏土膨胀量几乎为零[35]。

4 前置酸压裂技术适应条件

从前置酸压裂液作用于煤样的实验效果和机理分析可知，该技术主要适用于矿物含量较高、渗透性较差的煤层增产改造，也可应用于煤储层近井地带由于酸溶性物质污染造成的产气量明显下降或者不产气的煤层气井。首选以方解石、白云石、菱铁矿和赤铁矿等酸溶性充填物为主的煤层进行应用；对于含有较高黏土矿物的煤层或以解除近井地带污染为目的，需重点考虑减少前置酸液与充填物反应后二次沉淀带来的负效应问题。

针对前置酸液可能造成的二次伤害问题，建议围绕以下2方面开展工作。

(1) 综合考虑煤储层孔裂隙结构、矿物质成分和煤层温度，优选前置酸压裂液体系；针对近井地带外来污染物质和煤中填隙物的不同可进行多级前置酸设计。

(2) 针对酸化反应物质与地层水或前置液反应生成沉淀物，以及采用植物胶压裂液或清洁压裂液时造成遇酸提前破胶，则需要在施工工艺中增加注入隔离液步骤。

针对煤层压裂液滤失大的问题，建议围绕以下3方面开展工作。

(1) 以形成具有有效导流能力的网络裂缝，尽量以提高储层改造体积为目标，结合室内研究、压裂软件模拟与分析、小型压裂测试等手段，获取压裂液滤失系数等参数。正式压裂时，采用提高排量、增加前置液用量、前置液加多级低砂比支撑剂段塞的综合防滤失技术，降低压裂液滤失，使水力裂缝尽量向远井地带扩展延伸，增加储层改造体积。

(2) 采用低密度支撑剂以提高携砂效果，减小砂堵风险。

(3) 考虑到前置酸压裂技术可以大幅度改善煤层渗透率，减小压裂液对煤层的伤害，建议开展低伤害、高黏度压裂液的应用尝试，利用其更好的携砂和造缝效果，弥补因压裂液滤液带来的伤害，达到更好的增产改造效果[38]。

5 结论

a. 铜川焦坪矿区煤中含有方解石、白云石、菱铁矿和赤铁矿等酸溶性充填物，为前置酸压裂技术在煤层气井增产改造中的应用提供了物质基础。实验结果表明：前置酸酸化的改善作用增加煤储层孔裂隙之间连通性，提高煤储层渗透率，大大降低压裂液本身对煤层的伤害，改造效果显著。

b. 酸化溶解堵塞和填隙物质是前置酸压裂技术的主要增产机理；形成不规则酸岩溶蚀面、酸盐反应生成的CO2促进CH4解吸等作用是其辅助增产机理。

c. 前置酸压裂技术适用于矿物质含量较高、渗透性较差的煤层增产改造和近井地带解堵。优选富含酸溶性充填物的煤层，对于黏土矿物含量较高的煤层，为了解除近井地带污染问题，重点考虑减少前置酸液与充填物反应后二次沉淀带来的负效应问题。

d. 前置酸酸化后可能造成的二次伤害和煤层压裂液滤失大是影响前置酸压裂技术现场应用效果的两个关键问题，建议通过开展评价实验、优选适配性的工作液配方及优化施工工艺来解决前置酸液造成二次伤害的问题；采用综合防滤失技术，低密度支撑剂、低伤害/高黏度压裂液等技术手段来解决前置酸酸化后煤层压裂液滤失大的问题。

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Mechanism and applicability of increasing coalbed methane well production by pre-positioned acid fracturing

FAN Yao1,2

(1. China Coal Research Institute, Beijing 100013, China; 2. Xi’an Research Institute Co. Ltd., China Coal Technology and Engineering Group Corp., Xi’an 710077, China)

At present, the production shortfall and benefits decline of the coalbed methane reservoirs in China are the leading problems.In order to explore and study the economic and efficient stimulation technology suitable for the coalbed methane wells, this paper studies mechanism and applicable conditions on increasing coalbed methane well production by the pre-positioned acid fracturing technology, by drawing on the successful experiences of conventional oil and gas reservoir with this technology. The coal samples of No.4-2 coal seam in Jiaoping Mining Area were collected to evaluate the effect of improving fracturing with acid preposition. The changes of mineral composition and content before and after the experiment were analyzed by macroscopic observation, X-ray diffraction and scanning electron microscope energy dispersive spectrometry. The results indicate that the pre-positioned acid achieved remarkable effect in improving the connectivity between pores and fractures of coal reservoir and reducing the damage of fracturing fluid to coal seam. The main stimulation mechanisms is acid dissolving plugging and interstitial materials, and the auxiliary stimulation mechanisms include forming irregular acid dissolution surface and promoting CH4desorption by CO2generated from acid salt reaction. Pre-acid fracturing technology is suitable for increasing production and reforming of coal seams with high mineral content and poor permeability, and near the well zone plug removal. The coal seams with rich acid-soluble fillings such as calcite, dolomite, siderite and hematite are the first choice. While for coal seams containing high clay minerals or for the purpose of eliminating pollution near well, the negative effect caused by secondary sedimentation should be mainly considered. It is suggested to adopt secondary sediment prevention measures, combined with anti-filtration technology, low density proppant, low damage/high viscosity fracturing fluid and other countermeasures to solve the problems of secondary damage after pre-acid acidification and large filtration loss of fracturing fluid in coal seam.

pre-positioned acid fracturing;coalbed methane; stimulationmechanism;applicable conditions; connectivity

P634

A

1001-1986(2021)04-0153-09

2020-07-29；

2021-03-31

陕西省创新能力支撑计划项目(2018TD-039)

范耀，1983年生，男，陕西咸阳人，博士研究生，副研究员，从事煤层气地质与勘探开发工作. E-mail：fanyao@cctegxian.com

范耀. 前置酸压裂提高煤层气单井产量机理与适用性研究[J]. 煤田地质与勘探，2021，49(4)：153–161. doi: 10.3969/j. issn.1001-1986.2021.04.018

FAN Yao. Mechanism and applicability of increasing coalbed methane well production by pre-positioned acid fracturing[J]. Coal Geology & Exploration，2021，49(4)：153–161. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986. 2021.04.018

(责任编辑 范章群 郭东琼)