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第 44 卷 第 2 期 煤田地质与勘探 Vol. 44 No.2 2016 年 4 月 COAL GEOLOGY EXPLORATION Apr. 2016 收稿日期 2015-03-19 作者简介 刘炎杰（1989），男，河南新郑人，硕士研究生，从事瓦斯地质理论与应用工作. E-mail765905843 引用格式 刘炎杰，刘超，马兵，等. 提高煤储层渗透率的酸化实验［J］. 煤田地质与勘探，2016，44（2）46-49. LIU Yanjie， LIU Chao， MA Bing， et al. Acidification experiment for enhancing the permeability of coal reservoir［J］. Coal Geology Exploration， 2016， 44 （2） 46-49. 文章编号 1001-1986（2016）02-0046-04 提高煤储层渗透率的酸化实验 刘炎杰 1，刘 超2，3，马 兵1，郭 靖2，3 （1. 河南理工大学安全科学与工程学院，河南 焦作 454003；2. 中国石油长庆油田分公司油气工艺 研究院，陕西 西安 710018；3.低渗透油气田勘探开发国家工程实验室，陕西 西安 710018） 摘要 为了研究酸化对煤储层渗透率的影响，进行了室内酸化实验。采取山西沁水盆地南部晋城 矿区 3 号煤层中裂隙发育的煤样，分别将其制成 60～80 目的干燥煤粉和直径为 50 mm 的煤心，用 不同的酸液体系对煤粉和煤心进行处理，测量煤粉酸化后的溶蚀率以及煤心酸化前后的渗透率和 孔隙度。实验结果发现，经酸化后煤心渗透率由原来的 0.510-3 μm2左右提高到 3.010-3 μm2左 右，孔隙度增加了 5.5％左右。对煤心进行酸化处理能极大的提高其渗透性，为煤层气酸化现场施 工提供实验支撑。 关 键 词酸化；渗透率；溶蚀率；孔隙度 中图分类号P618.11 文献标识码A DOI 10.3969/j.issn.1001-1986.2016.02.009 Acidification experiment for enhancing the permeability of coal reservoir LIU Yanjie1， LIU Chao2，3， MA Bing1， GUO Jing2，3 （1. School of Safety Science and Engineering， Henan Polytechnic University， Jiaozuo 454003， China； 2. Oil Gas Technology Research Institute of PetroChina Changqing Oilfield Company， Xi′an 710018， China； 3. National Engineering Laboratory for Exploration and Development of Low-Permeability Oil Gas Fields， Xi′an 710018， China） Abstract In order to study the influence of acidification on the permeability of coal reservoir，indoor acidification experiment was carried out. Coal samples with developed fractures in NO.3 coal seam of Jincheng area of Qinshui basin in Shanxi Province were adopted. The coal samples were made into dry pulverized coal of 60-80 mesh and coal cores of 50 mm in diameter， then the pulverized coal and coal cores were processed with different acids. The dissolution rate after acidification of the pulverized coal， the permeability and the porosity before and after acidi- fication of the coal cores were measured. The results indicated that after acidification the permeability of the coal cores increased from about 0.510-3 μm2 to 3.010-3μm2 and the porosity increased about 5.5％. Acidification of coal core could greatly improve its permeability. The research results provide an experimental support for the ap- plication of coalbed methane acidification operation. Key words acidification； permeability； dissolution rate； porosity 我国煤层气资源十分丰富，现已进入开发利用 的关键阶段［1］。在煤层气开发过程中，渗透性的好 坏是决定煤层气采收率的重要因素。我国煤储层渗 透率普遍偏低， 对煤层气资源的开发利用极为不利。 如何提高煤储层渗透率是我国煤层气开发中的关键 科学问题。 煤储层具有孔隙和裂隙双重孔隙结构，但煤中 的黏土、碳酸盐类矿物易堵塞煤的孔隙、裂隙通道， 造成煤储层渗透率偏低［2-4］。通过酸液对煤孔隙、裂 隙中填充的矿物质进行溶解， 改善煤储层孔连通性， 从而提高渗透率，达到煤层气增产目的。我国将酸 化技术应用于煤层气藏上鲜有报道。赵文秀等［5］、 李瑞等［6］利用酸液对含有大量碳酸盐类矿物的煤储 层进行处理，极大的改善了煤储层的渗透率；苏现 波等［7］认为，用酸化法处理焦作地区被方解石充填 的煤层比压裂增产更优越，但需要在实验室进行实 验研究以指导现场应用。 本文通过采取山西沁水盆地晋城矿区井下新 鲜煤样， 对其进行处理并用不同浓度的酸液进行酸 化实验， 通过实验研究酸化对煤粉溶蚀率以及煤心 渗透率和孔隙度影响， 为煤层气酸化现场施工提供 参考。 ChaoXing 第 2 期 刘炎杰等 提高煤储层渗透率的酸化实验 47 1 煤储层特征 1.1 实验煤样宏观特征 实验所用煤样采自山西沁水盆地南部晋城无烟 煤矿区 3 号煤层。该矿区 3 号煤层光泽较强，煤体 整体呈黑色，以镜煤、亮煤为主，镜煤条带发育， 层理清晰可见，断口呈阶梯状，煤体较坚硬。煤体 结构为原生结构煤，裂隙较发育，连通性较好，并发 育有穿层的大裂隙，面割理密度平均为 14 条/5 cm。 1.2 实验样品测试 在实验室对采取的新鲜煤样分别进行进行显微 组分（含矿物基）、工业分析、元素分析和煤中矿物 成分的 X 射线衍射测定（表 1）。 表 1 煤样基础参数 Table 1 Basic parameters of coal samples 显微组分体积分数/％ 矿物成分质量分数/％ 工业分析/％ 元素分析/％ 镜质组 惰质组 矿物质 高岭石 方解石 石英非晶质 w（Mad）w （Aad）w （Vad） w （Cad）w （Had） w （Oad） w （Nad）w （St，ad） 73.2 17.6 9.2 6 20 2 72 1.60 17.915.1878.982.67 3.58 1.07 0.39 2 实验准备 2.1 反应机理 由上述显微组分测试可知，煤中矿物绝大部分 是方解石（碳酸盐类矿物），故采用盐酸进行酸化效 果会很好，酸化反应化学方程式如下所示 CO32-2HCl→Ca2CO2↑H2O （1） 2.2 酸液体系 实验采用质量分数分别为 6％、 10％、 14％和 18％ 的盐酸，稀盐酸由浓盐酸（质量分数为 36％）稀释配 置而成。 由表 1 数据可知，煤中含有一定高岭石（黏土类 矿物），而 KCl 溶液［8］具有防止黏土类矿物吸水膨胀 的作用， 故实验所用的盐酸中均加入 1％质量分数的 KCl溶液（文后所述的不同质量分数的盐酸均指已加 入 1％KCl 的盐酸）。 2.3 样品制备 2.3.1 煤粉制取 取适量块煤，用球磨机将其破碎并过 60～80 目 筛，反复筛选后取 60～80 目的煤粉在 60℃下进行干 燥 8 h，之后放入干燥瓶中以备实验使用。 2.3.2 煤心制取 挑选裂隙发育、含碳酸盐类矿物较多的块煤， 在实验室利用岩心钻取机钻取 4 个直径为 50 mm， 长度约为 50 mm 的煤心，分别编号为 1-4 号。煤心 上下两个端面用全自动精密切割机切磨平整，并参 照石油天然气行业标准 SY/T53362006 岩心分析 方法对煤心进行去油清洗与干燥处理［9］。 3 实验测试及数据分析 3.1 煤粉溶蚀率实验 3.1.1 溶蚀率测定 将磨好且干燥过的 60～80 目的煤粉分成 12 份， 每份 50 g，称量精确至 0.001 g。前四份用质量分数 为 6％、10％、14％及 18％的盐酸分别与煤粉按一定 比例（实验统一按 5 g∶50 mL 配比）倒入锥形瓶中， 充分震荡使酸液与煤粉充分接触。将锥形瓶置于 30 ℃恒温水浴中静置（中间四份和最后四份操作同前 四份一样），前四份反应时间设定为 1 h，中间四份 反应时间设定为 2 h ，最后四份反应时间设定为 3 h。 反应后用滤纸将煤样品过滤并放置于鼓风干燥箱 中在 60℃条件下烘干然后用精密天平称重。根据反 应前、后煤粉质量计算盐酸对煤粉的溶蚀率，并以 此来确定盐酸的最佳反应质量分数。 溶蚀率（％）（m1-m2 ）/m1100％ （2） 式中 m1、m2分别是酸化前后煤粉质量，g。 3.1.2 测试数据与分析 由表 2 和图 1 可知 a. 同一反应时间下，煤粉的溶蚀率随着盐酸质 量分数的增大均呈现“先急后缓”的增大趋势。煤粉 溶蚀率急剧增大出现在盐酸质量分数为 10％～14％， 之后继续增大盐酸质量分数， 煤粉溶蚀率变化不大。 这主要是因为初始时，盐酸质量分数增大，溶液 中的 H增多，更多 H与煤岩中碳酸盐类矿物质反 应，增大溶蚀率，随着反应继续，产生的大量盐类 会阻碍 H向煤岩表面流动，从而减缓了溶蚀率［10］。 由此可知当盐酸质量分数为 10％～14％时， 该矿区的 煤粉溶蚀率达到最佳。 b. 同一反应浓度下，盐酸与煤粉反应溶蚀率随 着时间的增加而增大。 反应 2 h 与反应 3 h 后的煤粉 溶蚀率相差不大。考虑到盐酸在地层中存留时间过 长会对地层产生损害，同时也为了节约时间，提高 效益，因此酸化时选择 2 h 的溶蚀时间比较适宜。 3.2 煤心酸化实验 3.2.1 渗透率测定 对 1-4 号煤心分别用 6％、10％、14％和 18％ ChaoXing 48 煤田地质与勘探 第 44 卷 表 2 不同浓度下煤粉溶蚀率 T able 2 Dissolu tion rate of pulverized coal under different concentrations 溶蚀率 /％ 接触时间 /h 6％HCl 10％HCl 14％HCl 18％HC l 1 2 3 3.8 5.7 5.8 8.5 8.9 9.7 9.7 10.9 11.3 10.2 11.4 11.9 图 1 不同浓度不同时间下煤粉溶蚀率 Fig.1 Dissolution rate of pulverized coal under different con- centrations and time 的盐酸浸泡煤心， 浸泡时间分别定为 4 h、 8 h、 12 h、 16 h 及 20 h。并对浸泡后的煤心置于鼓风干燥箱中 在 60℃下烘干以备气体渗透率测试。 利用储层渗透性动态伤害评价系统（图 2）测试 酸化前后煤样的气体渗透率。通过测定入口端、出 口端的气体压力和通过煤心的气体流量，将所测数 值代入式（3）， 计算可得煤心的气体渗透率（测试气体 为高纯氮气，测试时每个煤心施加的围压均为 3 MPa，进口压力为 1 MPa，出口压力为 0.5 MPa）。 K 22 0 12 2P quL APP- 100 （3） 式中 K 为煤岩的气测渗透率，10-3 μm2；q 为气体 在入口压力 P1下的流量，mL/s；A 为煤岩岩心的横 截面积， cm2； u 为气体在实验温度下的黏度， mPas； P1为入口端压力，MPa；P2为出口端压力，MPa； P0为 1 标准大气压，MPa；L 为煤心的长度，cm。 图 2 气测结构图 Fig.2 gas detection diagrams 3.2.2 测试数据与分析 煤心酸化处理前后渗透率测试结果如表 3 和图 3 所示。从中可以看出 a. 以碳酸盐类矿物为主的煤心经盐酸处理后， 气体渗透率均有极大提高。经酸化后煤心渗透率由 原来的 0.510-3 μm2左右提高到 3.010-3 μm2左 右。主要是因为酸液溶蚀了煤心裂隙中的碳酸盐， 沟通了孔裂隙通道，从而提高了渗透率。 表 3 煤心酸化处理前后渗透率 Table 3 The permeability of coal cores before and after acidification 渗透率 /10-3 μm2 煤心 编号 盐酸质 量分数 /％ 原始4 h 8 h 12 h 16 h20 h 1 6 0.551.2 1.8 2.7 2.32.2 2 10 0.481.6 2.4 2.8 2.62.6 3 14 0.622.3 3.8 4.7 3.83.6 4 18 0.411.6 2.1 3.4 2.62.5 图 3 不同浓度下煤心酸化前后渗透率对比 Fig.3 The permeability contrast of coal cores before and after acidification b. 同一反应时间下，随着盐酸质量分数增大， 煤心渗透率整体呈现逐渐增大趋势，质量分数为 18％的盐酸对煤心渗透率改善最好，质量分数为 10％～14％的盐酸处理后的煤心渗透率与质量分数 为 18％的盐酸处理煤心后的渗透率相差不大。 综合 煤自身性质和现场施工实际情况，质量分数为 10％～14％的盐酸用于现场酸化效果最合适。 c. 随着酸化处理时间增加，煤心渗透率均呈现 先增大后减小的趋势。在 12 h 时，煤心渗透率均提 高到最大。这是因为随着煤心酸浸泡时间增加，其 中的黏土矿物发生膨胀，造成煤心孔隙、裂隙通道 阻塞，从而降低了煤岩心渗透率，但因黏土含量相 对较少，且反应溶液中加有防止黏土膨胀的 KCl， 故其煤心渗透率降低的程度并不大。 3.3 煤心孔隙度测试实验 3.3.1 孔隙度测定 煤的孔隙度是指煤中孔隙体积与煤的总体积之 ChaoXing 第 2 期 刘炎杰等 提高煤储层渗透率的酸化实验 49 百分比， 一般所说煤的孔隙度均指煤的有效孔隙度。 而煤的有效孔隙度在数值上等于煤岩饱和吸水率的 数值［11-12］，本文通过测定煤心的饱和吸水率间接获 得煤心的有效孔隙度，计算吸水率 Wx公式如下 WxM2-M1/M1100％ （4） 式中 M1为煤样烘干后的质量，g；M2为煤样吸水 饱和后的质量，g。 3.3.2 测试数据与分析 用质量分数为 2％的 KCl 溶液采用浸泡法分别 测出 4 个煤心的初始孔隙度和酸化 20 h 后的孔隙度 （煤样称重前用滤纸将煤心表面水分擦干），测试结 果如表 4 所示。 表 4 酸化前后煤样孔隙度 Table 4 The porosity of coal cores before and after Acidification ％ 煤心编号 初始孔隙度 酸化后孔隙度 增加量 1 4.62 9.31 4.69 2 5.12 10.82 5.70 3 4.81 10.68 5.87 4 4.92 10.74 5.82 从表中数据看出，4 个煤心经酸化处理后孔隙 度均有明显提高。1-4 号煤样的孔隙度平均增加了 5.5％左右，这个结果与煤心气体渗透率测定结果一 致，即酸化后，煤心孔隙度整体均呈现增大趋势， 煤心孔隙度增加量随着酸液质量分数提高而增大， 经过质量分数为 10％～14％的盐酸处理后的煤心的 孔隙度增加量与经过质量分数为 18％的盐酸处理后 的孔隙度增加量相差不大。 4 结 论 a. 以碳酸盐类矿物为主的煤岩，经盐酸酸化后 煤粉溶蚀率、 气体渗透率及孔隙度均得到明显提高。 b. 随着盐酸质量分数的增加，煤心渗透率整体 呈现逐渐增大趋势。盐酸质量分数超过 14％之后煤 心渗透率相差不大。 c. 随着酸化时间的增加，煤心渗透率呈现先大 幅升高后略有降低的趋势。 利用酸化技术清除煤储层中矿物质对改善煤储 层渗透率有很大帮助。 对于不同类型的煤岩， 最佳反 应时间与酸液体系和质量分数需要进一步开展研究。 参考文献 ［1］ 叶建平. 中国煤层气资源［M］. 北京中国矿业大学出版社， 1998. ［2］ 段连秀， 王生维， 张明. 煤储层中裂隙充填物的特征及其研究 意义［J］. 煤田地质与勘探，1999，27 （3）33-35. 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