煤层气作为近一二十年被人类开发利用的新型能源,其储量大、洁净的优势使得煤层气资源受人类青睐。但是由于煤层气储层气性差,导致煤层气开采困难,严重影响煤层气的抽采利用率。随着开采深度和强度的不断加大,开采困难的问题更加突出,如何将煤层气资源进行高效抽采,是目前急需解决的问题,酸化压裂能有效补充普通水力压裂的不足。 本文立足于表面活性剂协同复合酸化煤体孔裂隙结构损伤及其增透机制,利用实验室实验、理论分析等方法,从力学性质、煤样孔隙度及孔隙分布、煤样表面微观形态四个角度分析,研究了煤体微观孔隙损伤特征,揭示了复合酸化压裂煤岩微观孔隙结构损伤机理。随后,采用分形理论探究复合酸化作用下煤岩微观孔隙分形损伤规律,探究孔隙连通性的影响因素,同时研究微观孔隙的各阶段孔隙分布特征,进而理清酸化压裂破坏煤岩全过程特性。主要结论如下: 通过对复合酸化煤样进行力学实验,分析了复合酸化煤体力学损伤特征。研究得出:复合酸化压裂液能侵入煤岩内部的孔裂隙中,使得煤岩分子间的范德华力等分子间作用力削弱;复合酸化破坏煤样结构的同时使得煤样力学强度降低,表面活性剂协同复合酸化处理后的煤样强度较原煤样减小11.21%;同时,复合酸化煤体裂隙闭合应变增加了25.92%,屈服应变较小了5.38%,对煤体结构的损伤效果最大。 利用核磁共振和扫描电镜技术对复合酸化煤样孔隙结构特性进行了分析。结果表明:表面活性剂协同复合酸化煤样的孔隙度增加最大,断裂网络也变得越来越复杂,表征煤样中瓦斯扩散渠道和渗流通道增多,利于瓦斯运移。 通过分形维数理论对复合酸化煤样孔隙连通性进行表征。煤中矿物含量与渗流孔隙的分形维数Ds呈指数正相关,灰分相对含量与分形维数均呈线性正相关,挥发分相对含量与分形维数呈线性负相关,矿物颗粒平均尺寸与分形维数呈指数函数正相关。复合酸化煤体分形维数Dw和Ds值都减小,说明复合酸化作用改善了煤样孔隙连通性,有利于提高煤层气抽采效率。 通过接触角、表面张力结合核磁共振技术对复合酸化压裂液的液相滞留效应进行评价。研究得出,表明活性剂SDS的加入使得HCL/HF复合溶液脱离煤分子所需的可逆功减小了18.45J,从理论上看,这会降低压裂液脱离煤分子所需的能量。同时,表面活性剂协同酸化压裂液离心处理后的解除率达到88.52%,能大大降低压裂液在煤体中滞留现象,从而降低水锁效应,提高煤层气抽采效率。 基于上述研究成果进行了现场工业性试验,复合酸化压裂施工作业后,复合酸化压裂孔和导向孔的瓦斯抽采浓度高、流量大,衰减时间慢。经复合酸化压裂工艺应用,瓦斯抽采最高浓度提高了48%,明显提高煤层瓦斯抽采效果。