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王東浩1，郭大立1，計(jì)勇1，張鵬飛1，韋書銘2
(1.西南石油大學(xué)，四川成都610500；2.新疆油田分公司勘探公司，新疆克拉瑪依834000)
摘要：煤層裂隙系統(tǒng)是煤層氣運(yùn)移的主要通道，但其連通性差、滲透率低，因此需進(jìn)行增產(chǎn)改造。文章介紹了煤層氣增產(chǎn)的水力壓裂、注氣驅(qū)替、多分支水平井、復(fù)合射孔壓裂、采煤采氣一體化、洞穴完井等幾項(xiàng)措施，并對這些煤層氣增產(chǎn)措施存在的問題進(jìn)行了分析，指出了其技術(shù)研究的方向。
我國煤層氣資源豐富，發(fā)展煤層氣工業(yè)不僅可以減輕石油供給壓力、補(bǔ)充常規(guī)天然氣長遠(yuǎn)資源量的不足，而且將有效改善煤礦生產(chǎn)安全條件，保護(hù)大氣環(huán)境。目前，制約我國煤層氣開發(fā)利用的瓶頸除投資不足、政策扶持力度不夠外，主要是針對性的基礎(chǔ)研究和技術(shù)創(chuàng)新不夠，缺乏適應(yīng)于我國煤層氣及其儲層特點(diǎn)的重大技術(shù)，如資源預(yù)測與評價(jià)技術(shù)、鉆井技術(shù)、增產(chǎn)改造技術(shù)、排采技術(shù)、地面建設(shè)與監(jiān)測技術(shù)等。而煤層氣增產(chǎn)改造技術(shù)是其中的核心和關(guān)鍵，也是國際煤層氣產(chǎn)業(yè)化所面臨的、亟待解決的重大科學(xué)問題。
1幾種煤層氣增產(chǎn)措施
當(dāng)前，煤層氣增產(chǎn)措施主要包括水力壓裂、注氣驅(qū)替、多分支水平井、復(fù)合射孔壓裂、采煤采氣一體化、洞穴完井等。
1.1水力壓裂
水力壓裂是煤層氣增產(chǎn)的首選方法、也是主要措施，美國90%以上的煤層氣井是由水力壓裂改造的，我國產(chǎn)氣量在1000m3/d以上的煤層氣井幾乎都是通過水力壓裂改造而獲得的。水力壓裂主要是利用液體的傳壓作用，經(jīng)地面設(shè)備將壓裂液在大排量條件下注入井內(nèi)，壓開煤層裂縫，加入支撐劑，形成多條具有高導(dǎo)流能力的滲流帶，溝通煤層裂隙。最后通過煤層排水—降壓—解吸的過程，達(dá)到正常排氣的目的。目前，國內(nèi)外煤層氣井的壓裂方法有凝膠壓裂、加砂水壓裂、不加砂水壓裂、泡沫壓裂等。
由于我國含煤地層一般都經(jīng)歷了成煤后的強(qiáng)烈構(gòu)造運(yùn)動，煤層的原始結(jié)構(gòu)往往遭到很大破壞，塑性大大增強(qiáng)，導(dǎo)致水力壓裂時，往往既不能進(jìn)一步擴(kuò)展原有的裂隙和割理，也不能產(chǎn)生新的較長的水力裂縫，而主要是在煤層發(fā)生塑性形變，使得一些煤層壓裂效果不理想。
壓裂液對煤層的傷害也是其增產(chǎn)效果不理想的重要原因。煤巖具有很強(qiáng)的吸附性，吸附壓裂液后會引起煤巖基質(zhì)的膨脹及堵塞割理，從而降低割理孔隙度和滲透率及限制煤層氣的解吸，極大的影響了煤層氣的產(chǎn)出。研制低傷害高效壓裂液是當(dāng)前亟待解決的關(guān)鍵問題，也是今后的發(fā)展趨勢。
1.2注氣驅(qū)替
注氣增產(chǎn)主要是通過向煤層中注入其他氣體，增加煤層中氣體流動的能量和氣體的相滲透率，促進(jìn)甲烷在煤中的解吸。CO2、N2以及它們的混合氣體都可以用來提高煤層甲烷氣的采收率。
依據(jù)擴(kuò)散滲流理論和多組分吸附平衡理論，注入CO2和N2提高煤層氣回收率的增產(chǎn)機(jī)理是不同的，效果也是不一樣的。煤對N2、CH4、CO2的吸附能力是依次增強(qiáng)的。向煤層注入CO2后，由于CO2的強(qiáng)吸附力，它與煤基質(zhì)微孔隙中的CH4產(chǎn)生了競爭吸附，將原吸附在煤層中的CH4置換出來。由于煤對N2的吸附能力比其對CH4的吸附能力弱，N2是不能與CH4進(jìn)行競爭吸附的，只能在等壓狀態(tài)下通過降低游離甲烷的分壓來影響其吸附等溫線，促使吸附CH4被置換出來。從而都達(dá)到了提高煤層氣采收率的目的。但研究表明，氣體在煤中的吸附能力越強(qiáng)，它對煤層形變、孔隙度和滲透率的影響也就越大。因此當(dāng)CO2注入到煤層中，會產(chǎn)生煤基質(zhì)膨脹、應(yīng)力增大及滲透率降低現(xiàn)象；而N2的注入雖對煤層物性不產(chǎn)生負(fù)面影響，但N2自注入井至生產(chǎn)井的優(yōu)先遷移方向是沿著主要滲透率方向，這無疑將降低區(qū)域驅(qū)氣效率。由于N2的成本低于CO2；同時煤層氣的后續(xù)凈化處理時N2較CO2易與CH4分離，相對而言N2優(yōu)于CO2。
無論向煤層中注入CO2還是N2都存在著上述的弊端，影響了煤層氣的采收率，從而降低了注氣開采的經(jīng)濟(jì)效益。
1.3多分支水平井
多分支水平井是在常規(guī)水平井和分支井的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，集鉆井、完井與增產(chǎn)措施于一體的新的鉆井技術(shù)，具有科技含量高、開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)大、投資回報(bào)高等特點(diǎn)。其增產(chǎn)機(jī)理在于：主水平井眼兩側(cè)的多分支井眼在煤層形成相互連通的網(wǎng)絡(luò)，最大限度地溝通煤層裂隙和割理系統(tǒng)，極大地提高了煤層滲透率；同時大大降低了煤層裂隙內(nèi)流體的流動阻力，加速煤層排水降壓和煤層氣的解吸運(yùn)移，從而大幅度提高煤層氣產(chǎn)量且縮短煤層氣采氣時間，增加了煤層氣開發(fā)的經(jīng)濟(jì)效益。
需要說明的是，并非任意煤層應(yīng)用此項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行開采都能獲得極大的經(jīng)濟(jì)效益，它因煤層物性而異。已有實(shí)踐證明：只有在各向異性明顯的煤層、煤層厚度較大且相對穩(wěn)定的煤層或高煤階低滲透高強(qiáng)度和高含氣量煤層中，其開發(fā)效果比較理想。因此，開發(fā)之前對鉆井區(qū)域煤層地質(zhì)特征的研究是十分重要的。
1.4復(fù)合射孔壓裂
復(fù)合射孔壓裂是我國近幾年興起的一項(xiàng)新的油層增產(chǎn)技術(shù)，其作用原理是把射孔技術(shù)與高能氣體壓裂技術(shù)融合在一起對地層進(jìn)行復(fù)合作用，提高地層滲透導(dǎo)流能力，以達(dá)到實(shí)現(xiàn)增加油氣井產(chǎn)量的目的。借鑒石油工業(yè)中的此項(xiàng)技術(shù)，將其應(yīng)用于煤層，實(shí)驗(yàn)表明其效果良好。向煤層射孔后，能在近井地帶形成多條微裂隙，緊隨著的氣體壓裂將會在射孔形成的裂隙處生成裂縫并得以延伸，有利于溝通煤層的天然裂隙或割理，達(dá)到降壓解附，改善煤層滲透性，提高煤層氣產(chǎn)量的目的。
煤巖是易破碎的，在對煤層進(jìn)行開采的過程由于煤巖表面的剪切與磨損作用，煤巖破碎產(chǎn)生大量的煤粉及大小不一的煤碎屑，由于它們是疏水性的，不易分散于水或壓裂液中，從而極易聚集起來，阻塞煤層裂縫，降低了煤層的滲透性。復(fù)合射孔壓裂的優(yōu)點(diǎn)在于，其作用產(chǎn)生的介質(zhì)是金屬粒子流與高壓高速氣體，能穿透煤粉與煤碎屑的堵塞，十分有效的疏通裂縫，從本質(zhì)上提高了煤層的滲透性。雖然到目前為止，此項(xiàng)技術(shù)在我國煤層開發(fā)中還處于試驗(yàn)階段，但它卻是煤層壓裂改造的有益嘗試，有較好的發(fā)展前景。
1.5采煤采氣一體化
采煤采氣一體化將煤層氣開發(fā)與煤炭開采緊密結(jié)合在一起，通過煤層開采引起的巖層移動，使其上部和下部的煤層和巖層產(chǎn)生變形或斷裂并出現(xiàn)卸壓，這種動態(tài)的應(yīng)力釋放場為煤層氣產(chǎn)出提供了足夠的通道和驅(qū)動能量，這是其他增產(chǎn)措施無法比擬的，從而極大地提高了煤儲層的滲透性。此項(xiàng)技術(shù)工藝簡單、技術(shù)難度小；既降低了煤層氣生產(chǎn)成本又充分調(diào)動了煤層氣開發(fā)的積極性，且大大改善了煤礦安全生產(chǎn)條件，是一項(xiàng)值得倡導(dǎo)的增產(chǎn)技術(shù)；但同時它也要求煤層氣開采與煤炭開發(fā)相互協(xié)調(diào)、加強(qiáng)統(tǒng)一規(guī)劃，找到利益的平衡點(diǎn)。
滲透性大幅度的提高，致使采動影響區(qū)內(nèi)地面井的單井產(chǎn)量很高，在短期內(nèi)就可以采出氣藏內(nèi)大部分的煤層氣資源，加快了資金回收速度，促進(jìn)了煤層氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展；且無需采用壓裂等措施，對煤層傷害小；由于它對煤層的滲透率無要求，從而打破了煤層氣開發(fā)的局限性，擴(kuò)大了煤層氣開采范圍；是提高煤層氣產(chǎn)量的有效途徑。
1.6洞穴完井
洞穴完井是在裸眼完井的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的用于煤層改造的一種獨(dú)特完井技術(shù)。其方法是利用煤層的不穩(wěn)定性，通過人工向井筒內(nèi)高速注氣、水或氣水混合物，然后瞬間排放；或者是，在井中下入噴咀射流沖刷煤層，在井底形成物理洞穴，在洞穴外形成剪切破壞帶和張性破壞帶以及遠(yuǎn)場干擾帶，使煤塊松動、破壞，使原始閉合的天然裂縫重新開啟，從而形成縱橫交錯的裂縫網(wǎng)絡(luò)，使近井處的滲透率大大提高，同時應(yīng)力得到釋放，便于煤中吸附氣的解吸和擴(kuò)散；其效果與沿已有劈理系統(tǒng)和誘發(fā)的裂縫產(chǎn)生張力、拉力和剪切破壞有關(guān)。
洞穴完井是一種極好的煤層改造方法，它能大幅度提高煤層氣井產(chǎn)量，在美國得到廣泛應(yīng)用。但它開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)大且僅適用于高滲易碎，特別是結(jié)構(gòu)完整的煤層；而我國煤層低壓、低滲、低飽和、非均質(zhì)性現(xiàn)象突出，此種改造措施在我國的應(yīng)用受到了一定的限制，目前還沒有洞穴完井成功的報(bào)道。
2煤層氣增產(chǎn)措施的研究方向
2.1水力壓裂
水力壓裂今后仍是煤層氣增產(chǎn)的首選方法和主要措施。但我國成煤期后構(gòu)造破壞嚴(yán)重，使得一些煤層壓裂后沒有取得預(yù)期效果，因此加強(qiáng)對煤層的客觀認(rèn)識是十分必要的。為使壓裂效果更明顯，客觀認(rèn)識煤層，揭示煤層基本特征，掌握煤層地質(zhì)與工程參數(shù)的規(guī)律；形成煤層壓裂裂縫的診斷與評估技術(shù)體系，科學(xué)認(rèn)識壓裂裂縫，研究適合于我國煤層氣及其儲層特點(diǎn)的低傷害高效壓裂液、支撐劑及配套技術(shù)和裝備，是其主要研究方向。
2.2注氣驅(qū)替
注氣驅(qū)替技術(shù)作為煤層氣增產(chǎn)的補(bǔ)充，主要用于深部煤層(2000m以上)。由于CO2的注入會對煤層產(chǎn)生的負(fù)面效應(yīng)，而N2的注入又會降低區(qū)域驅(qū)氣效率，兩者都影響了注入增產(chǎn)法的效果，因此如何解決上述問題是研究注氣驅(qū)替技術(shù)的方向，也是該技術(shù)推廣和應(yīng)用的關(guān)鍵。
2.3多分支水平井
多分支水平井是未來發(fā)展的一個趨勢，但受到多種因素的控制，最敏感的客觀控制因素是地層滲透率、目的層厚度等。能夠人為控制的主觀因素有：分支井眼數(shù)目、分支段長、分支井眼方向及這個分支水平井眼系統(tǒng)的控制面積。只有將二者有機(jī)結(jié)合并進(jìn)行井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化，才能發(fā)揮多分支水平井的效率。因此為保證煤層氣開發(fā)的經(jīng)濟(jì)效益，除加強(qiáng)煤層地質(zhì)研究外，還要大力發(fā)展多分支水平井?dāng)?shù)值模擬技術(shù)。
與常規(guī)直井相比，多分支水平井技術(shù)雖避免了固井、壓裂改造作業(yè)，在一定程度上減少了對煤層的傷害，但仍存在鉆井作業(yè)損害煤層的問題，為此在鉆井前必須制定嚴(yán)格合理的煤層保護(hù)措施和方案，鉆井時盡量采用清水、空氣等無污染鉆井液。低傷害鉆井技術(shù)是其今后發(fā)展的一個趨勢。
2.4復(fù)合射孔壓裂
復(fù)合射孔壓裂技術(shù)是一項(xiàng)新的壓裂改造措施，在煤層中能造出多條裂縫，更好地溝通天然裂縫，是煤層壓裂改造的有益嘗試，有較好的發(fā)展前景。為使其盡快應(yīng)用于實(shí)際，應(yīng)加強(qiáng)復(fù)合射孔壓裂設(shè)計(jì)、設(shè)備及加工工藝等方面的研究。
2.5采煤采氣一體化
采煤采氣一體化技術(shù)將是我國煤層氣開采的重要途徑，也是煤礦綠色開采技術(shù)的重要內(nèi)容之一。采煤引起的巖層移動對煤層卸壓、甲烷運(yùn)移起決定性作用，因此為使煤層氣開發(fā)更具經(jīng)濟(jì)效益，需加強(qiáng)巖層移動與采動裂隙分布規(guī)律的理論研究。此外，卸壓后瓦斯在采動裂隙場中的滲流規(guī)律、巖層移動對瓦斯抽放鉆孔的破壞及其防護(hù)對策等方面還有待進(jìn)一步研究。
2.6洞穴完井
洞穴完井雖是一種極好的煤層改造方法，但它施工工藝較復(fù)雜，作業(yè)周期較長，風(fēng)險(xiǎn)性較高，開發(fā)費(fèi)用不可預(yù)測，且僅適用于高滲易碎煤層，導(dǎo)致其應(yīng)用受到了很大的限制，而洞穴完井?dāng)?shù)值模擬技術(shù)可在一定程度上可降低開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，減少資金損失，是其今后研究的一個方向。此外，確立更好的巖石結(jié)構(gòu)關(guān)系有助于洞穴完井技術(shù)的開發(fā)和利用，但目前我國對煤層力學(xué)特性的認(rèn)識還不完善，有待進(jìn)一步研究。
3結(jié)論
水力壓裂、注氣驅(qū)替、多分支水平井、復(fù)合射孔壓裂、采煤采氣一體化、洞穴完井是煤層氣增產(chǎn)的幾項(xiàng)措施。從今后的發(fā)展看，水力壓裂仍是煤層氣增產(chǎn)的首選方法和主要措施，注氣驅(qū)替主要用于深部煤層，采煤采氣一體化值得大力提倡。目前，我國現(xiàn)有的煤層氣增產(chǎn)技術(shù)主要是借鑒常規(guī)油氣和引進(jìn)美國煤層氣增產(chǎn)技術(shù)發(fā)展起來的，針對性不強(qiáng)，且增產(chǎn)效果不夠理想，都有待進(jìn)一步完善。為使煤層氣產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展和壯大，我國應(yīng)加強(qiáng)煤層氣的基礎(chǔ)研究，堅(jiān)持“消化吸收再創(chuàng)新”與“自主研發(fā)和原始創(chuàng)新”相結(jié)合的方針，并以自主研發(fā)和原始創(chuàng)新為主，研究出更適應(yīng)于我國煤儲層特征的高效增產(chǎn)技術(shù)。
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