低渗透煤层分段压裂酸化协同增透技术研究

《ACS Omega》：Research on Synergistic Permeability Enhancement Technology of Staged Fracturing Acidification in Low-Permeability Coal Reservoirs

　　

为了解决富含碳酸盐煤层渗透率低的问题，研究人员基于水力压裂理论和酸溶解机理，提出了一种分段压裂酸化处理与物理-化学协同增透相结合的新方法。系统的酸化实验确定了针对三元煤矿储层的优化多元酸配方。采用压汞法（Mercury intrusion porosimetry, MIP）和X射线荧光光谱（X-ray Fluorescence spectroscopy, XRF）系统表征了酸诱导的煤层矿物组成和孔隙结构特征的变化。利用多相多场真三轴测试系统进行了不同方法下的渗透率测量，阐明了增产处理对煤层渗透率演化的影响。现场实施表明，分段压裂酸化使煤层气抽采浓度提高了1.62倍和4.32倍，纯量分别比水力压裂和常规钻孔提高了1.58倍和5.09倍。分段压裂酸化协同增透措施通过促进裂缝-孔隙网络发育、改善结构连通性和优化甲烷运移途径，优于单独的水力压裂或酸化。

**论文解读：低渗透煤层分段压裂酸化协同增透技术研究**

**研究背景与问题**
中国煤层气资源丰富，但受限于微孔隙结构、低渗透性和强吸附特性等地质条件，年产量仅占探明储量的3.6%，开发效率低下。现有增透技术如水力压裂、水力冲孔等虽在部分场景有效，但存在作用范围受限、水锁效应等问题，且化学驱动型微观孔隙-裂缝网络增强策略研究不足，物理-化学协同增透技术尚属空白。针对富含碳酸盐矿物的低渗透煤层，研究人员提出了一种分段压裂酸化协同增透技术，旨在通过物理（水力压裂扩展裂缝）与化学（酸溶解矿物）双重机制改善孔隙-裂缝连通性，提升煤层气抽采效率。该论文发表在《ACS Omega》。

**关键技术与方法**
研究人员以山西三元煤矿4302工作面3号煤层的低挥发分烟煤为样本（深度约380 m，厚度7.25 m，碳酸盐含量20.4~31.7%，黏土矿物43.5~50.3%），采用以下主要方法：
1. **多元酸配方优化实验**：通过不同质量分数（2~12 wt%）的醋酸（CH₃COOH）与氢氟酸（HF）组合，测定煤粉在25°C下4~24 h的溶解率，筛选最优配方。
2. **矿物组成与孔隙结构表征**：利用X射线荧光光谱（XRF）分析酸化前后矿物成分变化；采用压汞法（MIP）测量孔隙体积分布（微孔、过渡孔、中孔、大孔）。
3. **渗透率测试**：使用多相多场真三轴测试系统，在原始状态、水力压裂后及酸压裂后条件下，测量煤样（φ=50×100 mm，含预制钻孔）的渗透率，分析不同加载应力（轴向/围压1~4 MPa）下的渗透率演化规律。
4. **现场工业试验**：在4302工作面运输巷道布置3组方案（常规钻孔、水力压裂、分段压裂酸化），监测抽采浓度和纯量。

**研究结果**
**3.1 酸液体系对协同增透的影响**
通过溶解率实验，7种酸配方中，配方⑤（4 wt% CH₃COOH + 8 wt% HF + 2 wt% KCl）在24 h内达到最高溶解率7.612%，优于单组分醋酸（5.911%）和氢氟酸（6.428%），被确定为三元煤矿最优复合酸体系。

**3.2 酸化前后矿物组分与孔隙结构变化规律**
XRF分析显示，酸化后钙型矿物降幅最大（75.76%），其次为镁型（69.23%）、铝型（68.83%）和硅型（61.09%），表明酸溶解矿物有效。MIP数据表明，酸化后总孔隙体积增加18.79%，中孔（100~1000 nm）和大孔（>1000 nm）体积分别增加22.18%和35.51%，证实酸化优先扩大中孔和大孔结构。

**3.3 酸化前后渗透率变化规律**
5组煤样在原始渗透率、水力压裂后、酸压裂后的渗透率测试显示：酸压裂后渗透率提升倍数（8.927~29.730）均高于单纯水力压裂（2.685~22.978）。例如，SY1煤样水力压裂后渗透率提升22.978倍，酸压裂后提升29.730倍，表明酸压裂协同效应优于单一方法。

**3.4 分段压裂酸化协同增透效果**
现场试验中，分段压裂酸化总注液1128 m3，起裂压力21.2 MPa，最高泵压25.2 MPa，持续280 min。抽采监测显示：分段压裂酸化钻孔平均抽采浓度28.23%，是水力压裂钻孔的1.62倍和常规钻孔的4.32倍；纯量（100 m钻孔抽采速率）达0.968 m³/(min·hm)^-1，分别比水力压裂和常规钻孔提高1.58倍和5.09倍。早期抽采浓度受压裂液抑制，随流体排出和酸溶解作用增强而逐步上升。

**讨论与结论**
讨论部分指出，分段压裂酸化技术通过物理（裂缝扩展）与化学（矿物溶解）协同作用，显著提升了裂缝网络连通性和基质孔隙结构，尤其增强了中孔和大孔体积，从而优化甲烷运移路径。但当前缺乏定量描述酸化溶解与裂缝扩展相互作用的过程-结构关系框架，未来需结合实时裂缝监测与空间分辨率矿物溶解数据建立数学模型。
研究结论如下：本研究通过酸溶解实验确定三元煤矿最优多元酸配方为4 wt%醋酸、8 wt%氢氟酸和2 wt%氯化钾。通过矿物组成与孔隙结构表征，提出针对富含碳酸盐和硅酸盐矿物的分段压裂酸化增透策略，该协同方法显著改善结构连通性，促进甲烷扩散和运移。现场数据表明，分段压裂酸化在瓦斯浓度和纯甲烷产量上分别比常规水力压裂提高1.62倍和1.58倍。