清潔壓裂液作用前后煤孔隙結構及分形特征研究

王昌偉,左少杰,彭首清,許治遠,甘 瑞

(1.貴州大學 礦業學院,貴州 貴陽 550025;2.貴州大學 瓦斯災害防治與煤層氣開發研究所,貴州 貴陽 550025)

0 引言

我國煤層氣資源豐富[1],埋深2 000 m以淺的儲量為36.81萬億m3,僅次于俄羅斯和美國,居世界第三位[2]。但我國的煤層有著“三高一低”的特點,嚴重制約了煤層氣的開采,必須對煤層進行人工增透,以達到提高煤層滲透性的目的。提高煤層氣的開采率,有利于煤礦安全生產和能源結構的調整[3]。

隨著水力壓裂技術的廣泛應用和日益成熟,研究者嘗試將大量壓裂液注入煤儲層[4]。通過研究發現,壓裂液與煤體之間的反應會改變煤孔隙的表面粗糙度,進而影響煤層氣的開采效率[5]。目前已經開發出了多種壓裂液[6],如水基壓裂液、胍膠壓裂液、泡沫壓裂液以及近年來興起的清潔壓裂液。壓裂液中的化學物質可能會與煤中的礦物或有機物質發生化學反應,從而增大孔隙體積并提高煤的孔隙度,這些反應機制最終會改變煤的孔隙結構,并影響煤層氣產量。其中水基壓裂液是煤儲層增產中使用最廣泛的壓裂液類型,價格低廉,但是其對煤孔隙結構的促進作用有限[7-8];胍膠壓裂液攜砂能力強、濾失低,對煤孔隙的影響顯著,但其對地層傷害較大[9];泡沫壓裂液性能和效果良好,但價格昂貴[10];清潔壓裂液具有不含聚合物、濾失小、摩阻低、支撐裂縫導流能力強等特點[11]。清潔壓裂液對煤孔隙的影響較為顯著,其能夠侵入原生結構的煤巖,并與煤巖發生反應,從而增強孔隙的連通性[12]。不同的壓裂液具有不同的化學成分、濃度水平和流變性能[13],影響煤孔隙結構的機理也不同。近年來,壓裂液對甲烷脫附和擴散的影響研究[14-15]結果表明,經過壓裂液處理后,甲烷脫附率和擴散率發生了顯著變化。

目前部分學者開展了清潔壓裂液對煤基質孔隙結構的影響研究,而少見采用孔隙-裂隙分析系統和氣體吸附對清潔壓裂液作用前后煤孔隙變化規律及其分形特征的研究?；诖?本文使用清潔壓裂液對煤進行處理,從孔隙結構角度分析清潔壓裂液對煤體孔隙結構發育的影響,分別通過掃描電子顯微鏡、孔隙-裂隙分析系統(PCAS)、氮氣吸附和煤表面分形特征來表征煤表面的孔隙結構,旨在為清潔壓裂液在煤層氣開采中的應用提供參考。

1 樣品制備及試驗方法

1.1 煤樣及試劑

煤樣取自沈陽某煤礦,研磨至粒徑為60～80目,對其進行工業分析,結果表明:煤樣的水分(Mad)、灰分(Aad)、揮發分(Vdaf)、固定碳(FCad)分別為0.92%、6.78%、18.29%、82.26%。清潔壓裂液的配比為0.8%CTAC(十六烷基三甲基氯化銨)+0.2%Nasal(水楊酸鈉)+1%KCl[16],將煤樣與清潔壓裂液進行浸泡反應12 h,然后過濾,并將煤樣在70 ℃下真空烘干48 h,放入干燥皿中備用。將原煤編為1號,將用清潔壓裂液處理后的煤樣編為2號。

1.2 掃描電鏡試驗

將測試煤樣研磨成粒徑為60～80目的粉末,并進行噴金處理,然后將煤樣放在托盤上,保持試樣表面穩定。采用美國FEI/INSPECT F50掃描電子顯微鏡(SEM)對煤樣進行掃描,圖像標尺為3 μm。利用PCAS對SEM圖像進行分析,觀測試樣表面的孔隙結構和裂隙特征,并測量清潔壓裂液處理前后的特征裂隙寬度。

1.3 氮氣吸附試驗

試驗儀器為4站式全自動比表面積分析儀,型號為美國Micromeritics APSP2460。將1～2 g煤樣在393.15 K的溫度條件下真空脫氣約8 h。設置氮氣吸附試驗條件為:吸附壓力101.3 kPa、吸附溫度77.35 K。經分析得到相對壓力(氣體壓力P/飽和蒸汽壓P0)和孔隙結構相關參數,采用BET理論模型計算孔隙比表面積,采用BJH理論模型計算孔隙體積。

2 結果與討論

2.1 孔隙和裂紋分析結果

手動測量煤孔隙的效率和精度較低,為了提高孔隙和裂紋分析的準確性和效率,LIU等[17]開發了一種圖像分析程序,用于定量識別和分析SEM圖像中的孔隙和裂紋,即PCAS。根據試驗要求,設置單位半徑和最小分析面積分別為1像素和5像素。

2.1.1 孔隙定性描述

1號煤樣為原煤,其表面含有多種礦物晶體顆粒,包括方解石、高嶺石、石英等。這些晶體顆粒周圍分布有煤屑,存在著肉眼看不見的微小孔隙。原煤表面較平整、光滑,孔隙數量較少,這些孔隙多是由地質運動和自然溶蝕形成的。1號煤樣SEM圖像和PCAS圖像見圖1。

圖1 1號煤樣SEM圖像和PCAS圖像

2號煤樣表面的高嶺石、方解石、石英等多種礦物晶體顆粒和煤屑較1號煤樣少。與1號煤樣對比,2號煤樣孔隙數量更多,且表面有清晰的層狀結構,從而導致煤樣表面凹凸不平。由于清潔壓裂液對煤的侵蝕作用,使得煤表面增加了許多圓孔狀、三角狀和不規則形狀的孔隙,孔隙結構變得更加復雜,說明清潔壓裂液能促進煤表面孔隙結構的發育。2號煤樣SEM圖像和PCAS圖像見圖2。

圖2 2號煤樣SEM圖像和PCAS圖像

2.1.2 孔隙定量描述

SEM圖像中5個像素及以上的孔隙能被PCAS識別,通過分析得到相關孔隙結構參數(見表1)。形狀因子是同一物體的周長與相同面積圓的周長之比,其常用于表征物體的形態特征。若形狀因子的值為1,則對象為圓形。形狀因子的值越小,物體邊緣的復雜性越高[18]。

表1 測試煤樣的基本信息

由表1可知,經過清潔壓裂液處理后的煤樣表面孔隙數量約為原煤的2.9倍、平均面積約為原煤的2.66倍、平均周長增加了23.06%、平均形狀因子增加了30.91%、孔隙率是原煤的7.2倍。經清潔壓裂液處理后,煤樣孔隙數量、面積和周長均有所增加;隨著形狀因子的增大,煤樣表面孔隙的復雜性降低,煤樣的孔隙結構得到了較好的發育,并且提升了孔隙率。

2.2 基于氮氣吸附/解吸的孔隙結構分析

2.2.1 吸附-脫附曲線特征

利用氮氣吸附法測定樣品孔隙結構參數。根據試驗后各煤樣的等溫吸附數據,使用Origin軟件繪制氮氣吸附-脫附曲線(見圖3)。由圖3可知,經清潔壓裂液處理后,煤樣氮氣吸附體積從1.503 6 mL/g增至2.825 5 mL/g,增加了1.321 9 mL/g,為原煤氮氣吸附體積的1.88倍。

圖3 氮氣吸附-脫附曲線

吸附-脫附曲線中的形態變化能反映吸附質和吸附劑相互作用的過程,并據此分析吸附劑表面性質、孔隙分布特征等。由圖3可知:兩個煤樣的吸附-脫附曲線形狀基本一致;在P/P0<0.5時,吸附量緩慢增加,曲線上升趨勢較緩,此時原煤中吸附與脫附曲線基本重合,表明此階段主要為封閉孔;當P/P0≥0.5時,吸附量增幅變大,曲線快速上升,并出現明顯的“滯后環”,表明在該階段存在多種復合孔隙;經過清潔壓裂液處理后“滯后環”變大,表明孔隙由圓柱形轉為圓錐形,孔隙連通性增強(見圖4)。

圖4 滯回環及其對應的孔隙形狀

2.2.2 孔徑分布

圖5為1號煤樣和2號煤樣的孔隙分布。

圖5 煤樣孔隙分布

由圖5可知,經清潔壓裂液處理后,煤樣孔隙數量增多,孔隙總體積有所增加,而增加的孔隙半徑小于10 nm。

2.3 孔隙結構的分形特征分析

分形維數是表征孔隙結構分形特征的重要參數[19]。為了描述清潔壓裂液作用前后煤表面的整體粗糙度,考查清潔壓裂液對煤體孔隙特征的改造效果,通過氮氣吸附-解吸試驗分析清潔壓裂液處理過程中煤體孔隙結構的演化特征。分形Frenkel-Halsey-Hill(FHH)方法已被證明是表征多孔材料表面不規則性的最有效和最廣泛的方法[20],其表達式為

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

(1)

式中:V表示平衡壓力為P時所吸附的氣體分子體積;P0表示氣體飽和蒸氣壓,MPa;K表示分形參數,即曲線斜率;C為常數。

分形維數D與分形參數K的關系可以描述為

K=D-3。

(2)

以ln(ln(P0/P))為橫坐標、lnV為縱坐標作圖,并進行線性擬合,即可得到K,利用式(2)求得煤體分形維數D。

根據P/P0,煤體孔隙分形維數可分為兩部分[21]:低壓區(P/P0<0.5)和高壓區(P/P0≥0.5),分別對應分形維數D1和D2,低壓區孔隙以吸附孔為主,高壓區孔隙以滲流孔為主。清潔壓裂液處理前后的煤樣孔隙分形維數見圖6。由圖6可知,經清潔壓裂液處理后,D1從2.331增至2.845,增加了0.514,增幅為22.05%;D2從2.865減至1.756,減小了1.109,減幅為38.71%。分形特征較明顯,孔隙結構復雜,其中吸附孔的表面分形維數增大,說明煤樣微孔和小孔數量增加,孔隙結構更為復雜,分形維數也相應增大;而滲流孔表面分形維數減小,說明清潔壓裂液使煤體滲流孔平整,非均質性減弱。清潔壓裂液能夠使吸附孔分形維數增大,滲流孔分形維數減小,表明經清潔壓裂液作用后,煤體中吸附孔向滲流孔轉換,內部結構更加簡單,孔隙之間連通性增強。

圖6 清潔壓裂液處理前后的孔隙分形維數

3 結論

a.經清潔壓裂液處理后,煤樣的孔隙結構得到了較好的發育,并且提高了孔隙率。采用掃描電鏡和孔隙-裂隙分析系統進行孔隙結構分析,發現經清潔壓裂液處理后的煤樣表面孔隙數量約為原煤的2.9倍、平均面積約為原煤的2.66倍、平均周長增加了23.06%、平均形狀因子增加了30.91%。

b.經清潔壓裂液處理后,煤樣氮氣吸附量增加,從1.503 6mL/g增至2.825 5 mL/g,煤樣孔隙數量明顯增多,孔容有較大提升,增加的孔隙半徑小于10 nm,孔隙連通性增強。

c.清潔壓裂液能夠使吸附孔分形維數增大,滲流孔分形維數減小,表明經清潔壓裂液作用后煤體中吸附孔向滲流孔轉換,內部結構更加簡單,孔隙之間的連通性增強。吸附孔分形維數從2.331增加至2.845,增幅為22.05%;滲流孔分形維數從2.865減小至1.756,減幅為38.71%。