多组分酸对不同煤阶煤储层化学增透实验研究

一第39卷增刊2

煤一一炭一一学一一报

Vol.39一Supp.2一一2014年

12月

JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETY

Dec.一

2014一

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.doi:10.13225/https://www.360docs.net/doc/2211710055.html,ki.jccs.2013.1363

Ni Xiaoming,Li Quanzhong,Wang Yanbin,et al.Experimental study on chemical permeability improvement of different rank coal reservoirs using multi-component acid[J].Journal of China Coal Society,2014,39(S2):436-440.doi:10.13225/https://www.360docs.net/doc/2211710055.html,ki.jccs.2013.1363

多组分酸对不同煤阶煤储层化学增透实验研究

倪小明1,2,李全中2,王延斌3,高莎莎3

(1.河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室 省部共建国家重点实验室培育基地,河南焦作一454003;2.河南理工大学能源科学与工程学院,河南焦作一454003;3.中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院,北京一100083)

摘一要:查明酸液对不同煤阶煤的酸化效果,能够为提高煤储层导流能力提供一种化学方法三通过对不同煤阶煤样酸化前后煤表面观察二矿物质含量和渗透率测试,得出不同煤阶煤酸化后表面变化特征二矿物质含量变化及渗透率变化规律三结果表明: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三煤中原始裂隙发育程度及矿物质的含量共同影响着增透效果;酸化使煤中的碳酸盐矿物和硫化物减少最多,其次是蒙脱石二绿泥石和伊利石,石英和高岭石减少最少;煤体裂隙越发育,与酸液反应的碳酸盐和硫化物含量越高,酸化增透效果越好三研究结果为多组分酸在煤储层水力压裂中的应用提供了实验支撑三关键词:多组分酸;化学增透;煤层气;渗透率

中图分类号:P618．11一一一文献标志码:A一一一文章编号:0253-9993(2014)S2-0436-05

收稿日期:2013-09-22一一责任编辑:韩晋平

一一基金项目:国家科技重大专项资助项目(2011ZX05042-003);河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室 省部共建国家重点实验室培育基地

开放课题共同资助项目(WS2013B6)

一一作者简介:倪小明(1979 ),男,山西临汾人,副教授,博士三E -mail:nxm1979@126．com

Experimental study on chemical permeability improvement of different rank

coal reservoirs using multi-component acid

NI Xiao-ming 1,2,LI Quan-zhong 2,WANG Yan-bin 3,GAO Sha-sha 3

(1.State Key Laboratory Cultivation Base for Gas Geology and Gas Control ,Henan Polytechnic University ,Jiaozuo 一454003,China ;2.School of Energy Science and Engineering ,Henan Polytechnic University ,Jiaozuo 一454003,China ;3.College of Geoscience and Surveying Engineering ,China University of Mining &Technology (Beijing ),Beijing 一100083,China )

Abstract :It can provide a chemical method for improving the diversion capacity of coal reservoir by identifying the acidification effect of multi-component acid on different rank coals.The variation characteristics of coal surface,chan-

ges of mineral content in coal and variation law of permeability about different rank coals after acidification were ob-tained by observing coal surface and testing mineral content in coal and permeability with different rank coal samples before and after acidification.The results show that:multi-component acid can react with minerals in the coals and in-crease the conductivity of coal reservoir.The development degree of original crack and mineral contents in coal com-bined affect the antireflection effect.The decrements of the carbonate and sulfide minerals in coal after acidification are significant while the decrements of montmorillonite,chlorite and illite are less,and the decrements of quartz and kao-linite are even less.The more development of coal fracture and the higher content of carbonate minerals and sulfide,the better anti-reflection by acidification.The research results provide an experimental support for the application of multi-component acid in hydraulic fracturing of coal reservoir.

Key words :multi-component acid;chemical anti-reflection;coal bed methane;permeability

增刊2倪小明等:多组分酸对不同煤阶煤储层化学增透实验研究

一一煤储层导流能力的大小对煤层气的产出影响很大三为了改变煤储层的导流能力,我国煤层气工作者采用水力压裂二胍胶压裂二N 2泡沫压裂二CO 2泡沫压裂等物理的方法对煤储层进行改造,在有的地区取得了一些效果,但在一些地区改造效果不甚理想[1-7]三

酸化技术是通过酸液与地层孔裂隙中的黏土矿物二钻井泥浆和完井液等进行溶解和溶蚀,从而恢复或提高地层孔裂隙导流能力的一种增产措施,酸化技术已成为油气田增产最重要的技术手段之一[8-12]三但是,酸化技术在煤层气开发方面应用的报道极少三国内外学者对煤储层孔裂隙研究发现,煤储层孔裂隙中常被矿物质充填,堵塞了裂隙通道,降低了煤储层的导流能力[13-18]三如果将油田的酸化技术引入煤储层改造,可能会增加煤储层的导流能力三一些学者采用不同浓度盐酸对煤样进行了室内酸化实验,发现酸化后煤样渗透率大大增加[19]三但盐酸对煤层气井油管等腐蚀严重,现场应用局限性较大三为了探究对煤层气油管腐蚀较弱并且有一定缓速作用的多组分酸(盐酸-氢氟酸-乙酸)对不同煤阶煤储层的增透效果,笔者对不同变质程度煤酸化前后的煤表面二矿物质含量二渗透率进行测试,得出其变化特征,为酸化技术在煤储层改造中的技术推广提供实验支撑三

1一实一一验

1．1一实验样品

实验煤样分别采自山西长平煤矿无烟煤二屯兰煤矿焦煤二河南义马千秋煤矿长焰煤三煤样的煤质分析结果见表1三

表1一样品煤质特性分析结果

Table 1一Analysis results about coal characteristics

%一

样品名称M ad A ad V ad FC ad 镜质组惰质组壳质组矿物质R max 长平煤样6．328．096．1679．4392．320．3007．382．85屯兰煤样5．8913．5812．1168．4279．366．704．509．441．68千秋煤样

6．12

15．89

39．31

38．68

66．78

8．12

5．19

19．91

0．69

1．2一实验方案

为了研究酸化后煤样渗透率变化规律,主要进行3方面的实验:即将3个地区煤样分别与3%HCl +3%HF +3%HAC 反应,使用扫描电镜观察煤酸化前后煤表面和孔裂隙中矿物充填变化,研究不同变质程度煤表面变化特征三使用X 射线衍射仪测试与酸反应前后煤中矿物含量变化,得出不同变质程度煤中矿物质含量变化特征三使用覆压孔渗仪测试不同反应时间后煤样渗透率,得出酸化前后不同变质程度煤的

渗透率变化特征三

2一实验结果与分析

2．1一煤样酸化前后煤表面结构变化

将长平煤矿二屯兰煤矿二千秋煤矿煤样切割二粗磨二细磨和抛光后,在30mL 浓度为3%HCl +3%HF +3%HAC 酸液中酸化24h,在扫描电镜下观察煤样酸化前后表面变化,如图1~3所示三

从图中可以看出,

千秋煤矿煤样原始裂隙最为发

图1一长平煤矿煤样酸化前后扫描电镜

Fig．1一Scanning electron micrograph of Changping coal samples before and after acidification

育,其次是长平煤矿,屯兰煤矿煤样裂隙最不发育三煤样酸化后表面被溶蚀形成一些新的小的孔裂隙,裂隙中的一些充填物被溶蚀(图1),在相同条件下,低煤阶煤样溶蚀后表面变的粗糙,溶蚀效果更好(图

3),中高煤阶煤样芳香环聚合化程度高,表面溶蚀效果较差(图1,2)三

2．2一煤样酸化前后矿物含量变化

煤中主要含有以蒙脱石二伊利石二绿泥石和高岭石为主的黏土矿物,以方解石和白云石为主的碳酸盐矿物和一些黄铁矿二硫化物等,这些矿物在酸液中都

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煤一一炭一一学一一报

2014年第39

卷

图2一屯兰煤矿煤样酸化前后扫描电镜

Fig．2一Scanning electron micrograph of Tunlan coal samples before and after acidification

图3一千秋煤矿煤样酸化前后扫描电镜

Fig．3一Scanning electron micrograph of Qianqiu coal samples before and after acidification

能发生一定程度的溶解或沉淀三为了探讨酸化对不同煤样的溶蚀率及酸化后煤样中矿物含量的变化,进行了煤样酸化溶蚀率和矿物含量测试实验三实验方法为:将长平煤矿二屯兰煤矿二千秋煤矿煤样破碎为粒度0．5mm 左右煤粒,分别取3g 样品,在30mL 浓度为3%HCl +3%HF +3%HAC 酸液中酸化24h,烘干,

称重,计算酸液对不同样品的溶蚀率,其中,酸对长平煤矿二屯兰煤矿和千秋煤矿煤样的溶蚀率分别为6．67%,3．22%和10．04%三应用D8Advance X 射线

衍射仪对酸化前后不同煤阶煤样进行X 射线衍射实验,测试酸化前后煤中不同矿物质相对含量变化,结果如表2二图4所示三

表2一酸化前后煤中矿物质含量变化

Table 2一Changes of mineral content in the coal before and after acidification

%一

样一品

方解石白云石石英蒙脱石绿泥石伊利石高岭石赤铁矿黄铁矿长平煤矿

酸化前2123401821400酸化后1104391721800屯兰煤矿

酸化前10130077630酸化后10120077910千秋煤矿

酸化前32371401715012酸化后

1

35

11

19

25

9

一一注:长平煤矿煤样测试中含有一些伊利石-蒙脱石混层二绿泥石-蒙脱石混层矿物,均换算为单一矿物[20]三

一一从表2和图4中可以看出,煤样中矿物质含量变化具有以下特征:

(1)千秋煤矿煤样矿物质含量最高,裂隙最为发

育,同时含有一些易于与酸液反应的碳酸盐矿物和硫化物,大量酸液进入煤裂隙中与矿物质反应,溶蚀率最高;长平煤矿煤样矿物质含量最低,但裂隙较为发育,酸液对其溶蚀率低于千秋矿溶蚀率;屯兰煤矿煤样裂隙最不发育,酸液很难进入孔裂隙中与矿物质反应,同时含有大量高岭石矿物,与其他矿物相比,高岭石与酸液反应较为不剧烈[21],酸液对屯兰煤矿煤样

溶蚀率最低三

(2)对于3种煤样,总体来说,酸化后矿物质中

减少最多是方解石二白云石和硫化物;其次是蒙脱石二绿泥石和伊利石;减少最少的是石英和高岭石三这说明碳酸盐矿物与酸反应最多,其次是蒙脱石二绿泥石和伊利石,石英和高岭石与酸液反应最少三

2．3一煤样酸化前后渗透率变化

将3个地区煤样制作成?25mm ?50mm 规格的煤芯,采用覆压孔渗仪AP -608进行孔渗实验三实验方法为:先将样品烘干待用,将岩芯装载在夹持器上,

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增刊2倪小明等:

多组分酸对不同煤阶煤储层化学增透实验研究

图4一酸化前后矿物质含量变化

Fig．4一The changes of mineral content in the

coal before and after acidification

检测气路密闭性,设定实验围压为3．45MPa,流体进口压力为1．00MPa,测试气体为氦气,通过测试煤样进二出口气体的压力和流量,即可计算出煤样渗透率三测试完原始渗透率后,在500mL 浓度为3%HCl +3%HF +3%HAC 酸液中浸泡不同的时间(12,24,48,

72h),浸泡后取出烘干,测试其渗透率三渗透率测试结果如表3二图5所示三

从表3二图5可看出渗透率变化具有以下特征:(1)煤样经酸化后,渗透率增加三在72h 酸化时

间内,多数煤样渗透率随酸化时间呈现出增加的趋势三A -3煤样渗透率随酸化时间先增加后减小,这可能是由于长平煤矿煤样中蒙脱石矿物含量较高,在煤样酸化过程中,同时存在矿物溶解和矿物膨胀对

表3一煤样酸化不同时间后渗透率变化

Table 3一The permeability variation of coal samples at different acidification times

10-15m 2一

酸化时间/h

A -1A -2A -3

B -1B -2B -3D -1D -2D -30

0．3210．2510．1310．0200．0500．0311．2410．2730．040121．5951．0931．4820．0210．0510．0326．622

3．050

0．231242．3822．1820．2550．0210．1000．03513．59111．6010．273483．4633．3310．2920．0290．1010．04028．35230．8001．770725．044

4．573

0．227

0．031

0．110

0．041

33．21035．2402．

555

图5一煤样渗透率随酸化时间变化

Fig．5一The permeability of coal samples change

with acidification times

渗透率的正负效应,其中矿物溶解(主要碳酸盐矿物)对渗透率产生正效应,矿物膨胀(主要黏土矿物)对渗透率产生负效应三酸化初期正效应占主导地位,渗透率增加,酸化后期负效应占主导地位,黏土矿物膨胀堵塞了孔裂隙,导致煤样渗透率下降,并且长平煤矿煤样中含有一定含量的绿泥石,可能存在酸敏效应,导致渗透率降低三

一一(2)煤阶越低,煤中易于与酸液反应的碳酸盐矿物和硫化物含量越高,煤样酸化效果越好三D -1,D -2,D -3为长焰煤,煤中矿物质含量较高,并且含有一些易于与酸反应的碳酸盐矿物和硫化物,与酸反应后,孔裂隙中充填的矿物质被酸液大量溶蚀,渗透率

增加较多;长平煤矿煤和屯兰煤矿煤样煤阶较高,矿物质含量较低,酸化效果没有低煤阶煤样酸化效果好三

(3)煤样裂隙发育,初始渗透率较高的煤样酸化

效果较好三长平煤矿和千秋煤矿煤样裂隙发育,初始渗透率较高,酸化效果较好;屯兰煤矿煤样裂隙不发育,初始渗透较低,酸化效果不理想三

3一结一一论

(1)通过扫描电子显微镜观察,酸化前后一些裂

隙中充填的矿物被溶解,低煤阶煤样芳香环聚合化程度低,容易酸化溶蚀形成一些新的孔裂隙,高煤阶煤样芳香环聚合化程度较高,不容易被酸液溶蚀三

(2)当裂隙发育时,酸液容易进入煤样孔裂隙中与矿物质反应,矿物质含量大大减少;当裂隙不发育时,酸液很难进入孔隙中而与矿物质反应,矿物质含量减少较少三与酸液反应最多的是碳酸盐矿物和硫化物,其次是蒙脱石二绿泥石和伊利石,反应最少的是石英和高岭石三

(3)多组分酸能与煤中矿物质发生反应,大大提

高煤储层的导流能力三煤中原始裂隙发育程度及矿物质含量共同影响增透效果三煤体裂隙越发育,易于与酸液反应的碳酸盐矿物和硫化物含量越高,酸化效

9

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煤一一炭一一学一一报2014年第39卷

果越好三对于矿物质含量较高且发育有一定裂隙的煤储层,可采用多组分酸的方法实现化学增透三

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