钻井液对煤中裂隙污染程度的定量评价与酸化解污研究

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钻井过程中泥浆钻井液会侵入煤层,造成煤层污染,严重影响煤层气的产出。酸化是解决钻井液污染的主要手段之一,煤中裂隙尺度不同,造成的污染伤害及解污效果也不同。前人所做的研究主要集中在污染及解污前、后宏观渗透率的变化。查明煤中不同尺度裂隙的污染程度及解污效果能为其机理解释奠定基础。本文以长平矿煤样为研究对象,借助光学显微镜、扫描电镜观测污染前、后不同尺度裂隙,应用Matlab编程构建不同尺度裂隙网络及渗流模型,定量评价了钻井液对煤中不同尺度裂隙的污染程度;利用分光光度计、酸碱中和滴定法分别测算了配置的钻井液与不同体系酸液(HF、HCl、CH3COOH、混合酸)在不同时间、浓度、温度条件下Si、Al元素含量和H+浓度变化,得出其反应动力学特征,初步揭示了酸液与钻井液的反应机理。考虑Si元素溶出规律、动力学控制因素、酸浓度与溶蚀率关系、酸配比与反应速率关系等,最终优选出酸化解污最优配方,并通过解污前、后渗透率变化对其效果进行了评价。结果表明:煤中裂隙尺度越大,越容易被污染;裂隙宽度污染程度高于裂隙长度。毫米级、微米级、纳米级裂隙平均污染率分别为95.91%、86.11%、54.95%;污染后毫米级渗透率贡献率降低,微米级和纳米级贡献率上升。含有HF的酸液Si元素溶出量较大,浓度不同,溶出量不同,超过10%浓度后溶出量差别不大;单一酸、多组分酸酸化反应均受扩散控制反应,温度变化对反应影响较小;与钻井液中固相颗粒反应的是HF分子,而非H+、F-、HF2-等型体,加入HCl时会促进反应,而CH3COOH会抑制反应。优选出的多组分酸酸液配方浓度比为HCl:HF:CH3COOH=3:9:4(X-1)或3:9:7(X-2)。当煤中微米级和纳米级裂隙较发育时,采用X-2酸化效果更好,几乎可恢复到原始渗透率,甚至还略有增加。当煤中毫米级裂隙占主导时,两者解污效果差异不明显。
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