酸化工艺的煤层增透新技术

张迎新， 杨 杰， 王鹏飞， 洪 涛， 孙海波

(1．黑龙江科技大学 安全工程学院，哈尔滨150022;2．黑龙江龙煤矿业控股集团有限责任公司 鸡西分公司，黑龙江 鸡西158100)

0 引 言

随着煤矿开采深度的增加，煤层的瓦斯含量、瓦斯压力逐渐增大，工作面发生煤与瓦斯突出的危险性随之加剧［1－6］。瓦斯预抽已经成为我国煤矿瓦斯治理的一项重要技术，煤层透气性系数的高低直接决定着抽采效果的好坏。理论及实验研究表明，随着矿井采深的增加以及地应力的增大，煤体的原生裂隙和孔隙度逐渐变小，煤层的透气性随之越来越差，因此传统的瓦斯预抽工艺效果变得不再理想。同时，我国煤层的透气性普遍偏低，比美国至少低2～3个数量级［7］。因此，亟须提高煤层的透气性以改善预抽瓦斯的效果，除了增加钻孔密度、延长抽采时间外，在技术上主要是依靠多种形式的煤层增透技术，使煤体裂隙密度和范围增大，提高煤层透气性，最终达到提高煤层瓦斯抽采效果的目的［8］。对于难以进行抽采的低透高瓦斯煤层，为提高瓦斯抽采效果，就必须通过各种手段使煤层卸压增透，沟通煤层内部的原生裂隙或产生新的裂隙。根据国内外实验研究情况，目前煤层增透的主要技术方法有水力压裂增透、高压水射流扩孔增透、水力割缝增透、深孔控制预裂爆破增透等［9－12］。

酸化工艺是应用在石油天然气领域的增产技术，有其特有的优点。笔者将以酸化工艺为基础，以平岗煤矿低透煤层为研究对象，探讨煤层增透创新技术。

1 矿井概况

平岗煤矿位于鸡西煤田南部含煤条带边缘，距鸡西火车站27 km。行政区隶属于鸡西市梨树区平岗矿区，位于鸡西煤盆地西南端，属于穆棱－平岗断裂构造单元的一部分。平岗煤矿东一上部采区14#右三面开采成子河组，14#煤层瓦斯压力取实测值p0=2.7 MPa，原始煤层的透气性系数也取实测值1.1 ×10－2m2/(MPa2·d)。该工作面瓦斯绝对涌出量为40.2 m3/min，经鉴定属于低透高瓦斯工作面。实验室鉴定该工作面煤样发现:煤样裂隙较为发育，但被方解石，白云岩等杂质填充，且煤样中所含的碳酸盐杂质的质量分数为20%，因此以该工作面煤层为研究对象。

2 酸化工艺增透机理

酸化工艺目前是应用在石油天然气领域的增产措施，分为基质酸化和酸化压裂两部分。基质酸化是指在低于地层破裂压力的条件下将配方酸液挤入地层，酸液腐蚀地层并沟通地层的原生裂隙，进而增大地层的透气性能。酸化压裂是指在高于地层破裂压力的条件下，将酸液压入地层，使地层在压力作用下产生裂缝，酸液继续刻蚀裂缝并沟通地层原生裂隙，进而增加地层的透气性。据研究发现，煤体本身含有很多原生裂隙，但基本上都被方解石、白云岩等碳酸盐类矿物质所填充，这是导致煤层低透气性的一个重要原因。因此，可以采用酸化工艺综合处理煤层，溶解煤体中含有的碳酸盐杂质，进而使煤体内部的原生裂隙重新疏通并形成新的裂缝，则煤体出现较为发达的通透网络结构。这种网络结构可以大大降低瓦斯在煤层中流动的阻力，进而使煤层的透气性大幅提高，改善瓦斯抽采效果。

其化学反应机理为

由以上化学式可以看出，当HCL 与方解石反应时，2 mol 的HCL 可以溶解1 mol 的方解石，生成1 mol的CO2;当HCL 与白云岩反应时，4 mol 的HCL可以溶解1 mol 的白云岩，生成2 mol 的CO2。由此，可以分别计算不同浓度的HCL 溶解方解石、白云岩能力XF、XB。

3 酸化煤层分析

煤层在酸化作用下产生的“三圈”即以钻孔为中心，在钻孔周围产生的钻孔卸压圈、酸化处理圈及未受影响圈，如图1 所示。在这“三圈”中，酸化处理圈的范围决定着瓦斯抽采钻孔的有效抽采半径，影响着钻孔布置等重要的瓦斯抽采参数，因此，以酸化处理圈为研究重点。文中将从以下两个方面分析酸化处理圈，研究酸在煤层中的影响范围，为创新煤层增透技术奠定基础。

图1 “三圈”示意Fig．1 “Three times”schematic diagram

3．1 基质酸化的影响范围

基质酸化在石油领域中主要用以改善碳酸盐地层的近井筒范围内的渗透率，但在煤层中的影响范围还未曾涉及。假设在4 m 厚的煤层中沿煤层倾向施工一个水平钻孔，孔长100 m，钻孔直径113 mm，向钻孔间断地注入酸液(目的是使酸液与煤层中的碳酸盐矿物质反应完全)，并使酸液完全充满于钻孔。由于酸液是从钻孔的初始注酸处流向终孔，且初始注酸处接触酸液的时间长于终孔，因此，整体来看酸化处理圈，受酸液腐蚀的范围类似半个椭圆体。为便于计算，将椭圆体简化为圆台状的模型，如图2所示，R 表示钻孔的初始注酸处的酸化圈半径，r 表示钻孔终孔处的酸化圈半径，l 表示钻孔注酸处到终孔的长度。

图2 钻孔酸化示意Fig．2 Borehole acidification schematic diagram

酸与岩石反应的消耗速率:

式中:ns——酸液消耗量，mol;

t——单位时间，min;

k0——煤层参考温度;

ΔE——活化能;

k——普通气体常数;

θ——绝对温度;

Tref——室温(25 ℃)下的反应速率常数;

vwall——岩体体表面反应速度;

m——反应阶段。

假设在钻孔注酸处的酸液浓度为c0，酸液消耗速率由式(1)计算出，v =10 mol/min。由于封孔段的影响，钻孔注酸处到终孔的距离为90 m，酸液注入速度为2 m3/min，考虑酸液的流失和阻力影响，到达终孔的速率为1.686 m3/min。因此，r/R 可以按照1.686/2 的比例参与圆台的体积运算。

式中:V——圆台体积，文中指酸液腐蚀煤体的体积，m3;

h——圆台高度，文中指钻孔注酸处到终孔的距离，m;

R'——圆台底面半径，文中指酸液在注酸处的腐蚀范围半径，m;

r'——圆台上底面半径，文中指酸液在终孔处的腐蚀范围半径，m。

用上面提到的r/R'的关系式代入圆台体积计算公式，可得

经计算可得

由式(2)可以解出酸液在注酸处的影响范围半径

也可以求出酸液在终孔处的影响范围半径r'。至此，基质酸化在煤层中的影响范围在不考虑煤层有断层、无炭柱等大型裂隙存在的情况下，可以由上述过程计算得知。

因实验条件所限，简化上述计算模型。在平岗煤矿所采的煤样为长方体，长40 cm，宽和高均是30 cm，用电钻在30 cm ×30 cm 的侧面向煤样中打直径为11.3 mm，长为20 cm 的钻孔，用注射器向钻孔中注入500 mL 质量分数为15%的HCL，待其充分反应后，再利用电钻在距钻孔分别为1、2、3、4、5、6、7 cm分别钻眼取煤屑，并将煤屑放于装有紫色石蕊试液的试管中观察石蕊是否变色。实验结果显示，除了在7 cm 处取得的煤屑外，其他的煤屑均使紫色石蕊试液变红。这表明，基质酸化处理煤样的影响范围在6～7 cm 之内。由式(3)计算酸液的影响范围R' =5.98 cm。这与实验的结果出现了一个可接受的误差。经分析，可能是实验室条件下煤样所承受的地应力基本为零，煤层产生一定的膨胀，煤体的孔隙度有所增加，酸液在煤层中流动阻力减小导致了酸液渗透范围的增加。由此可以验证该公式的推导过程正确可行。

利用式(3)预测，如果通过长100 m 的顺层钻孔向煤层注入100 m3质量分数为15%的HCL 酸化煤层，酸液的影响范围不超过钻孔周围1.87 m。考虑到重力对酸液在煤层中的分布及渗透影响，酸液对钻孔中心到煤层底板区域的影响范围略大于到煤层顶板区域的影响范围，但它是非常有限的，因此，基质酸化所起到的作用同在碳酸盐地层中的作用是相同的，并没有因为煤的加入而使其作用发生变化;它只能改善钻孔周围有限区域内的煤层透气性，不能大面积的改善煤层透气性，进而增大钻孔的有效抽采半径和瓦斯抽采效果的作用也非常有限。大量的成本投入却不能起到理想的作用，甚至造成得不偿失的结果，因此将从酸化压裂方面着手研究煤层增透技术。

3.2 酸化压裂的影响范围

由上述分析可知，基质酸化处理煤层时，酸液腐蚀煤层的有效半径小，不能有效解决煤层的低透气性问题，并且由于酸化压裂技术在煤炭领域内的应用尚处于在实验室研究阶段，因此，文中采用FracproPT2007 压裂模拟软件进行煤层的酸化压裂模拟，分析酸化压裂产生的裂缝的缝长、缝高和缝宽等因素，最终确定裂缝的导流能力，并利用地面钻井联合井下煤层钻孔抽采煤层瓦斯。

(1)地质条件的酸化压裂模拟

模拟在平岗煤矿的煤层中打压裂钻孔。首先采用YF230D 压裂液作为前置液进行小排量造缝，然后再注入质量分数为19.690 的SEX 28%的主压裂液进行酸化压裂，进一步扩大压裂范围。模拟发现:仅采用酸压技术来压裂煤层，可以产生长为105 m 的裂缝，但在停泵后由于压裂液压力降低，压裂产生的裂缝在地应力的作用下基本闭合，裂缝无导流能力。由于该矿煤体较软、酸液与煤层中的碳酸盐杂质反应，消耗了部分的碳酸盐，使煤体的承压能力进一步减弱遂导致压裂结束后裂缝闭合。

(2)压裂产生的裂缝如图3 所示。

图3 PT 模拟的裂缝形态Fig．3 PT simulation of fracture morphology

分析压裂结果可知，添加支撑剂的酸化压裂煤层能获得长101.56 m，宽0.608 cm，高7.28 m 的垂直裂缝，裂缝略微伸入煤层顶板。该裂缝具有良好的裂缝导流能力，证明了这种酸化压裂的方案效果较好。

由上述模拟可知，酸化压裂的影响圈可以达到101.56 m。在消耗同等质量的酸液时，煤层酸化压裂的影响范围是基质酸化的54.3 倍。在该区域圈内的煤层透气性系数会大幅度提高，煤层中的瓦斯在抽采负压的作用下可以通过裂缝进行流动，极大降低了瓦斯在煤体中的流动阻力，改变了瓦斯在煤层中的流动形式，能够有效提高瓦斯的抽采效果。

4 效果分析

实验室分析发现，煤样中的裂隙较为发育，但这些原生裂隙被碳酸盐矿物所填充，如方解石、白云岩等。由化学理论可知，这些碳酸盐矿物质可以与酸(HCL，CH3COOH 等)反应生成CO2气体和可溶于水的盐类，而煤不与酸反应，因此，可以利用酸化工艺对煤层进行处理以增大煤层的透气性。由于基质酸化处理煤层的范围有限，只能增加钻孔周围小部分空间内的煤层透气性，不能改变远离钻孔的煤层区域，因此，它只适合在抽采钻孔成孔后改善钻孔周围裂隙的通透性，降低瓦斯在钻孔中流动阻力;酸化压裂技术能使煤体产生裂缝，酸液可继续腐蚀裂缝进一步增加裂缝的导流瓦斯的能力，同时酸液在渗入煤体的过程中还可以腐蚀堵塞煤体原生裂隙的碳酸盐充填物进而沟通裂缝与原生裂隙，形成可以供瓦斯流动的连通的网络式结构，进而降低瓦斯在煤体中的流动阻力，达到增加煤层透气性的目的。另外，据相关文献可知，在同等温度压力条件下，煤体对CO2的吸附力比CH4的吸附力强数倍，煤层经酸化工艺处理，由酸与碳酸盐反应生成的CO2还能置换煤层中的CH4，增加煤体的瓦斯解吸速度，可在一定程度上增加瓦斯的抽采量。实验和模拟显示，利用酸化工艺解决煤层低透气性问题是可行的。

但是，由于酸化工艺是应用于石油天然气领域的增产措施，在煤层瓦斯增透中尚处在起步阶段，另外，酸化工艺中采用的酸为强酸，在使用过程中可能会对地下水造成污染，对环境产生不利影响。因此，酸化工艺在煤层增透技术中的应用还需要进行更为详细深刻的实验和研究才能正式应用在生产实际中。

5 结 论

(1)由实验和理论分析结果可知，基质酸化产生的酸化处理圈较小，使用100 m3质量分数为15%的HCL 处理钻孔后，酸化处理圈的范围也不超过以钻孔中心为圆心，半径为1.87 m 的圆，因此达不到煤层增透的效果，只适合改善抽采钻孔成孔后钻孔周围裂隙的通透性，以降低瓦斯在钻孔中流动阻力。

(2)由FracproPT2007 软件的模拟结果可知，在使用YF230D 前置液、添加支撑剂CarboProp20/40的酸化压裂后，酸化处理圈的范围可达101.56 m，是基质酸化处理圈的54.3 倍，并且能形成可以供瓦斯流动连通的网络式结构，进而降低瓦斯在煤体中的流动阻力，达到大面积增加煤层透气性的目的。

(3)文中的实验和理论分析为创新煤层增透技术奠定了一定基础。由于目前国内对采用酸化工艺解决煤层低透气性的研究还处在实验室研究的初级阶段，因此，该项技术作为一种新型的增透技术还需要更为详细和深入的研究才能在现场投入使用。

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