清洁压裂液作用前后煤孔隙结构及分形特征研究

王昌伟,左少杰,彭首清,许治远,甘 瑞

(1.贵州大学 矿业学院,贵州 贵阳 550025;2.贵州大学 瓦斯灾害防治与煤层气开发研究所,贵州 贵阳 550025)

0 引言

我国煤层气资源丰富[1],埋深2 000 m以浅的储量为36.81万亿m3,仅次于俄罗斯和美国,居世界第三位[2]。但我国的煤层有着“三高一低”的特点,严重制约了煤层气的开采,必须对煤层进行人工增透,以达到提高煤层渗透性的目的。提高煤层气的开采率,有利于煤矿安全生产和能源结构的调整[3]。

随着水力压裂技术的广泛应用和日益成熟,研究者尝试将大量压裂液注入煤储层[4]。通过研究发现,压裂液与煤体之间的反应会改变煤孔隙的表面粗糙度,进而影响煤层气的开采效率[5]。目前已经开发出了多种压裂液[6],如水基压裂液、胍胶压裂液、泡沫压裂液以及近年来兴起的清洁压裂液。压裂液中的化学物质可能会与煤中的矿物或有机物质发生化学反应,从而增大孔隙体积并提高煤的孔隙度,这些反应机制最终会改变煤的孔隙结构,并影响煤层气产量。其中水基压裂液是煤储层增产中使用最广泛的压裂液类型,价格低廉,但是其对煤孔隙结构的促进作用有限[7-8];胍胶压裂液携砂能力强、滤失低,对煤孔隙的影响显著,但其对地层伤害较大[9];泡沫压裂液性能和效果良好,但价格昂贵[10];清洁压裂液具有不含聚合物、滤失小、摩阻低、支撑裂缝导流能力强等特点[11]。清洁压裂液对煤孔隙的影响较为显著,其能够侵入原生结构的煤岩,并与煤岩发生反应,从而增强孔隙的连通性[12]。不同的压裂液具有不同的化学成分、浓度水平和流变性能[13],影响煤孔隙结构的机理也不同。近年来,压裂液对甲烷脱附和扩散的影响研究[14-15]结果表明,经过压裂液处理后,甲烷脱附率和扩散率发生了显著变化。

目前部分学者开展了清洁压裂液对煤基质孔隙结构的影响研究,而少见采用孔隙-裂隙分析系统和气体吸附对清洁压裂液作用前后煤孔隙变化规律及其分形特征的研究。基于此,本文使用清洁压裂液对煤进行处理,从孔隙结构角度分析清洁压裂液对煤体孔隙结构发育的影响,分别通过扫描电子显微镜、孔隙-裂隙分析系统(PCAS)、氮气吸附和煤表面分形特征来表征煤表面的孔隙结构,旨在为清洁压裂液在煤层气开采中的应用提供参考。

1 样品制备及试验方法

1.1 煤样及试剂

煤样取自沈阳某煤矿,研磨至粒径为60～80目,对其进行工业分析,结果表明:煤样的水分(Mad)、灰分(Aad)、挥发分(Vdaf)、固定碳(FCad)分别为0.92%、6.78%、18.29%、82.26%。清洁压裂液的配比为0.8%CTAC(十六烷基三甲基氯化铵)+0.2%Nasal(水杨酸钠)+1%KCl[16],将煤样与清洁压裂液进行浸泡反应12 h,然后过滤,并将煤样在70 ℃下真空烘干48 h,放入干燥皿中备用。将原煤编为1号,将用清洁压裂液处理后的煤样编为2号。

1.2 扫描电镜试验

将测试煤样研磨成粒径为60～80目的粉末,并进行喷金处理,然后将煤样放在托盘上,保持试样表面稳定。采用美国FEI/INSPECT F50扫描电子显微镜(SEM)对煤样进行扫描,图像标尺为3 μm。利用PCAS对SEM图像进行分析,观测试样表面的孔隙结构和裂隙特征,并测量清洁压裂液处理前后的特征裂隙宽度。

1.3 氮气吸附试验

试验仪器为4站式全自动比表面积分析仪,型号为美国Micromeritics APSP2460。将1～2 g煤样在393.15 K的温度条件下真空脱气约8 h。设置氮气吸附试验条件为:吸附压力101.3 kPa、吸附温度77.35 K。经分析得到相对压力(气体压力P/饱和蒸汽压P0)和孔隙结构相关参数,采用BET理论模型计算孔隙比表面积,采用BJH理论模型计算孔隙体积。

2 结果与讨论

2.1 孔隙和裂纹分析结果

手动测量煤孔隙的效率和精度较低,为了提高孔隙和裂纹分析的准确性和效率,LIU等[17]开发了一种图像分析程序,用于定量识别和分析SEM图像中的孔隙和裂纹,即PCAS。根据试验要求,设置单位半径和最小分析面积分别为1像素和5像素。

2.1.1 孔隙定性描述

1号煤样为原煤,其表面含有多种矿物晶体颗粒,包括方解石、高岭石、石英等。这些晶体颗粒周围分布有煤屑,存在着肉眼看不见的微小孔隙。原煤表面较平整、光滑,孔隙数量较少,这些孔隙多是由地质运动和自然溶蚀形成的。1号煤样SEM图像和PCAS图像见图1。

图1 1号煤样SEM图像和PCAS图像

2号煤样表面的高岭石、方解石、石英等多种矿物晶体颗粒和煤屑较1号煤样少。与1号煤样对比,2号煤样孔隙数量更多,且表面有清晰的层状结构,从而导致煤样表面凹凸不平。由于清洁压裂液对煤的侵蚀作用,使得煤表面增加了许多圆孔状、三角状和不规则形状的孔隙,孔隙结构变得更加复杂,说明清洁压裂液能促进煤表面孔隙结构的发育。2号煤样SEM图像和PCAS图像见图2。

图2 2号煤样SEM图像和PCAS图像

2.1.2 孔隙定量描述

SEM图像中5个像素及以上的孔隙能被PCAS识别,通过分析得到相关孔隙结构参数(见表1)。形状因子是同一物体的周长与相同面积圆的周长之比,其常用于表征物体的形态特征。若形状因子的值为1,则对象为圆形。形状因子的值越小,物体边缘的复杂性越高[18]。

表1 测试煤样的基本信息

由表1可知,经过清洁压裂液处理后的煤样表面孔隙数量约为原煤的2.9倍、平均面积约为原煤的2.66倍、平均周长增加了23.06%、平均形状因子增加了30.91%、孔隙率是原煤的7.2倍。经清洁压裂液处理后,煤样孔隙数量、面积和周长均有所增加;随着形状因子的增大,煤样表面孔隙的复杂性降低,煤样的孔隙结构得到了较好的发育,并且提升了孔隙率。

2.2 基于氮气吸附/解吸的孔隙结构分析

2.2.1 吸附-脱附曲线特征

利用氮气吸附法测定样品孔隙结构参数。根据试验后各煤样的等温吸附数据,使用Origin软件绘制氮气吸附-脱附曲线(见图3)。由图3可知,经清洁压裂液处理后,煤样氮气吸附体积从1.503 6 mL/g增至2.825 5 mL/g,增加了1.321 9 mL/g,为原煤氮气吸附体积的1.88倍。

图3 氮气吸附-脱附曲线

吸附-脱附曲线中的形态变化能反映吸附质和吸附剂相互作用的过程,并据此分析吸附剂表面性质、孔隙分布特征等。由图3可知:两个煤样的吸附-脱附曲线形状基本一致;在P/P0<0.5时,吸附量缓慢增加,曲线上升趋势较缓,此时原煤中吸附与脱附曲线基本重合,表明此阶段主要为封闭孔;当P/P0≥0.5时,吸附量增幅变大,曲线快速上升,并出现明显的“滞后环”,表明在该阶段存在多种复合孔隙;经过清洁压裂液处理后“滞后环”变大,表明孔隙由圆柱形转为圆锥形,孔隙连通性增强(见图4)。

图4 滞回环及其对应的孔隙形状

2.2.2 孔径分布

图5为1号煤样和2号煤样的孔隙分布。

图5 煤样孔隙分布

由图5可知,经清洁压裂液处理后,煤样孔隙数量增多,孔隙总体积有所增加,而增加的孔隙半径小于10 nm。

2.3 孔隙结构的分形特征分析

分形维数是表征孔隙结构分形特征的重要参数[19]。为了描述清洁压裂液作用前后煤表面的整体粗糙度,考查清洁压裂液对煤体孔隙特征的改造效果,通过氮气吸附-解吸试验分析清洁压裂液处理过程中煤体孔隙结构的演化特征。分形Frenkel-Halsey-Hill(FHH)方法已被证明是表征多孔材料表面不规则性的最有效和最广泛的方法[20],其表达式为

lnV=Kln(ln(P0/P))+C,

(1)

式中:V表示平衡压力为P时所吸附的气体分子体积;P0表示气体饱和蒸气压,MPa;K表示分形参数,即曲线斜率;C为常数。

分形维数D与分形参数K的关系可以描述为

K=D-3。

(2)

以ln(ln(P0/P))为横坐标、lnV为纵坐标作图,并进行线性拟合,即可得到K,利用式(2)求得煤体分形维数D。

根据P/P0,煤体孔隙分形维数可分为两部分[21]:低压区(P/P0<0.5)和高压区(P/P0≥0.5),分别对应分形维数D1和D2,低压区孔隙以吸附孔为主,高压区孔隙以渗流孔为主。清洁压裂液处理前后的煤样孔隙分形维数见图6。由图6可知,经清洁压裂液处理后,D1从2.331增至2.845,增加了0.514,增幅为22.05%;D2从2.865减至1.756,减小了1.109,减幅为38.71%。分形特征较明显,孔隙结构复杂,其中吸附孔的表面分形维数增大,说明煤样微孔和小孔数量增加,孔隙结构更为复杂,分形维数也相应增大;而渗流孔表面分形维数减小,说明清洁压裂液使煤体渗流孔平整,非均质性减弱。清洁压裂液能够使吸附孔分形维数增大,渗流孔分形维数减小,表明经清洁压裂液作用后,煤体中吸附孔向渗流孔转换,内部结构更加简单,孔隙之间连通性增强。

图6 清洁压裂液处理前后的孔隙分形维数

3 结论

a.经清洁压裂液处理后,煤样的孔隙结构得到了较好的发育,并且提高了孔隙率。采用扫描电镜和孔隙-裂隙分析系统进行孔隙结构分析,发现经清洁压裂液处理后的煤样表面孔隙数量约为原煤的2.9倍、平均面积约为原煤的2.66倍、平均周长增加了23.06%、平均形状因子增加了30.91%。

b.经清洁压裂液处理后,煤样氮气吸附量增加,从1.503 6mL/g增至2.825 5 mL/g,煤样孔隙数量明显增多,孔容有较大提升,增加的孔隙半径小于10 nm,孔隙连通性增强。

c.清洁压裂液能够使吸附孔分形维数增大,渗流孔分形维数减小,表明经清洁压裂液作用后煤体中吸附孔向渗流孔转换,内部结构更加简单,孔隙之间的连通性增强。吸附孔分形维数从2.331增加至2.845,增幅为22.05%;渗流孔分形维数从2.865减小至1.756,减幅为38.71%。