低滲透煤儲(chǔ)層煤層氣高效開采技術(shù)途徑研究

李友誼，靳小平

（山西藍(lán)焰煤層氣集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 晉城 048000）

作為一種優(yōu)質(zhì)的清潔能源，煤層氣具有很大的開發(fā)價(jià)值，但是其以吸附狀態(tài)存儲(chǔ)在煤層中，導(dǎo)致其開采并不容易，尤其是低滲透煤儲(chǔ)層煤層氣的開采面臨著很大的困難，嚴(yán)重制約了其開采效率和開采量，制約了煤層氣資源的開發(fā)[1]。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，我國擁有豐富的低滲透煤儲(chǔ)層煤層氣儲(chǔ)量，滲透率在（0.001～0.100）×10-3μm2，開采起來非常困難，這嚴(yán)重制約了我國煤層氣工業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展[2]。在這樣的背景下，低滲透煤儲(chǔ)層煤層氣的開發(fā)技術(shù)已經(jīng)成為研究人員的重要研究方向[3]。

1 低滲透煤儲(chǔ)層煤層氣開采概述

相關(guān)數(shù)據(jù)顯示,我國煤層氣大部分是難以開采的低滲透煤儲(chǔ)層煤層氣，嚴(yán)重制約了我國煤層氣的開采效率[4]。按照美國地面煤層氣開發(fā)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，最適合進(jìn)行煤層氣開采的煤田滲透率是（3～4）×10-3μm2，而且低于1×10-3μm2就很難開采。我國煤層的滲透率普遍比美國煤儲(chǔ)層低1～2個(gè)數(shù)量級(jí)，因此我國煤層氣開采面臨的困難比較大，低滲透性已經(jīng)成為制約我國煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要因素之一。

隨著我國煤層氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，許多研究人員對低滲透煤儲(chǔ)層煤層氣的開采進(jìn)行了大量的研究，也采取了大量的解決方案，如大力沖孔、水力割縫、大直徑密集鉆孔開采、擴(kuò)孔技術(shù)，雖取得一定的效果，卻不盡如人意，時(shí)至今日仍然沒有建立起真正高效的低滲透煤儲(chǔ)層煤層氣的抽放技術(shù)方案。不僅是我國，其他國家在這一問題上也沒有取得實(shí)質(zhì)性突破，所研發(fā)的技術(shù)基本都并不具備普遍性，只能夠在特定煤層中應(yīng)用[5]。

2 低滲透煤儲(chǔ)層煤層氣開采技術(shù)介紹

2.1 裸眼洞穴完井技術(shù)

裸眼洞穴完井技術(shù)這一煤層氣開采技術(shù)在沁水區(qū)塊取得了成功，這一技術(shù)的原理是通過使用特殊的井下工具使煤層出現(xiàn)坍塌，通過坍塌作用喝煤屑的不斷排除，使井下形成比井徑大得多的空腔。應(yīng)用裸眼完井技術(shù)需要煤層具有以下幾方面的條件，即含氣量、高超壓煤層、厚度等，其中單層煤層的厚度應(yīng)大于5 m，含氣量要超過15 m3/t滲透率要大于5×10-3μm2，同時(shí)上下圍巖的結(jié)構(gòu)要比較穩(wěn)定。在實(shí)際應(yīng)用過程中，需要將高壓空氣注入煤層中，使得井筒壓力要大于井筒周邊最小的地應(yīng)力，從而使其產(chǎn)生張性裂縫，在壓力被突然釋放后，使煤層剪切破壞，促使煤粉落到井筒之中。然后，利用周期循環(huán)的鉆井液將煤層微粒和水進(jìn)行同時(shí)反排，在每個(gè)周期結(jié)束后，將鉆具旋轉(zhuǎn)下放，然后利用泡沫來產(chǎn)生負(fù)壓，對目的層洞穴中的煤粉進(jìn)行清洗，直至井內(nèi)部只反出清水。洗井作業(yè)完成后，關(guān)閉閥門使系統(tǒng)完全封閉，對井內(nèi)部的壓力進(jìn)行檢測，記錄，然后開啟閘門來檢測產(chǎn)出氣體的流量，并開展點(diǎn)火試驗(yàn)，基于數(shù)據(jù)對排采參數(shù)進(jìn)行改進(jìn)。通過裸眼完井技術(shù)進(jìn)行煤層氣的開采，具有效果顯著的優(yōu)點(diǎn)，在完全排除地層水和井底煤屑之后，能夠大幅度增加煤氣產(chǎn)量。另外，這種完井方式還能夠提供良好的遠(yuǎn)期經(jīng)濟(jì)效益，具有較低的相對成本。這種技術(shù)的缺點(diǎn)在于，需要較長的施工周期，工藝也相對復(fù)雜，導(dǎo)致其相較于其他完井方式，風(fēng)險(xiǎn)較大。

裸眼洞穴完井技術(shù)主要步驟為：一是開鉆至穩(wěn)定基巖以下，然后下套管固井；二是開鉆至煤層頂部，然后下套管固井；三是開鉆開煤層至設(shè)計(jì)井深；四是對煤層進(jìn)行壓裂改造；五是用機(jī)械方式進(jìn)行洞穴改造，然后下入篩管，井身結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

2.2 直井水力壓裂工藝技術(shù)

直井水力壓裂技術(shù)的原理為，首先要通過地面高壓泵向地層中注入壓力液，所注入的壓力液的量要超過該地層的吸收能力，從而在井中形成高壓，當(dāng)這一壓力大于地應(yīng)力以及底層的張拉強(qiáng)度時(shí)，井底就會(huì)在外部壓力下產(chǎn)生裂縫。當(dāng)出現(xiàn)裂縫后，繼續(xù)注入含有支撐劑的壓裂液，就會(huì)使直井中的裂縫繼續(xù)延伸。之后關(guān)閉直井，此時(shí)支撐劑就會(huì)閉合在裂縫上，然后就會(huì)使井底附近地層內(nèi)形成一定尺寸的填砂裂縫，可以十分有效地將井筒與煤層天然裂隙溝通，提高了煤層至井筒的導(dǎo)流能力，擴(kuò)大了排水降壓范圍，從而有效地提高了煤層氣產(chǎn)量和采收率。

圖1 裸眼洞穴完井井身結(jié)構(gòu)簡圖

直井水力壓裂技術(shù)設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮因素很多，主要有：壓裂規(guī)模（水量、砂量）、射孔參數(shù)（孔密度、孔徑、相位角）、支撐劑參數(shù)（材質(zhì)、粒徑、磨圓度等）、施工排量、施工壓力、壓裂設(shè)備選型等。

2.3 多分支平井技術(shù)

常規(guī)直井開采技術(shù)無法擺脫“點(diǎn)”的局限性，實(shí)際上煤層氣的產(chǎn)出更要考慮“面”的影響。多分支平井正是基于這種“面”理念而提出的增加低滲透煤儲(chǔ)層煤層氣產(chǎn)量的一種技術(shù)，在實(shí)際應(yīng)用這一技術(shù)的過程中，人們會(huì)在主井的兩側(cè)增加多個(gè)井眼，這些多鉆的井眼會(huì)作為煤層氣的泄氣通道。這些分支的井筒能夠有效擴(kuò)展微裂縫，實(shí)現(xiàn)裂縫系統(tǒng)和微裂縫的聯(lián)通，使它們共同組成網(wǎng)狀的通道，這樣能夠有效降低煤層氣和游離水的阻力，從而有效提升裂縫中的氣液流動(dòng)速度，進(jìn)而促進(jìn)煤層氣產(chǎn)量的提升。

在煤層氣的開采過程中，地質(zhì)條件是不一樣，所能投入的成本也不相同，為了充分提高分支井的利用效率，通常會(huì)在一個(gè)井場朝對稱的幾個(gè)方向布設(shè)水平井眼，實(shí)現(xiàn)煤層在面上的同時(shí)開采。值得一提的是，多分支平井技術(shù)通常要求地質(zhì)構(gòu)造簡單、煤層傾角小、煤厚穩(wěn)定和煤結(jié)構(gòu)完整，否則會(huì)給多分支平井施工帶來很大難度和風(fēng)險(xiǎn)，這就局限了多分支平井技術(shù)的選址和部署。在實(shí)際運(yùn)用中，通常是直井技術(shù)和多分支平井技術(shù)相結(jié)合，以最大程度提高開發(fā)區(qū)塊的煤層氣采收率。

2.4 注氣增產(chǎn)技術(shù)

注氣增產(chǎn)技術(shù)通常應(yīng)用于滲透率大于1×10-3μm2，深埋在300～1500 m范圍內(nèi)的煤層氣開采，同時(shí)要求地層條件較好，具有單一的結(jié)構(gòu)，并且均質(zhì)性要好。注氣增產(chǎn)技術(shù)的原理是多元?dú)怏w之間存在相互的影響，同時(shí)煤對于不同氣體的吸附能力以及吸附速率并不相同，利用這一原理，能夠有效提高煤層甲烷氣體的產(chǎn)量。注氣增產(chǎn)技術(shù)有兩種方式，其一，可以向煤層中注入氮?dú)獾榷栊詺怏w，這樣能夠降低煤層中甲烷氣體的有效分壓，起到提高其產(chǎn)量的作用。其二，向煤層中注入二氧化碳，由于煤層對于二氧化碳的吸附能力和速率都大于甲烷，因此注入二氧化碳不僅能夠起到降低甲烷有效分壓的作用，還能夠通過競爭吸附的作用，將吸附在煤層中的甲烷釋放出來，從而進(jìn)一步提高甲烷氣體的產(chǎn)量。

3 低滲透煤層氣的注熱增產(chǎn)有效技術(shù)途徑

研究表明，溫度對于煤儲(chǔ)層的滲透率有著較大的影響。溫度會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力，通常情況下，這一熱應(yīng)力能夠使煤儲(chǔ)層出現(xiàn)形變，導(dǎo)致熱破裂現(xiàn)象，這樣就會(huì)造成大量新裂縫的出現(xiàn)，這會(huì)給煤層的滲透率造成較大的影響。另外，溫度還會(huì)影響煤儲(chǔ)層的氣體吸附，影響煤儲(chǔ)層的解吸平衡，從而改變其中煤層氣的吸附特征。同時(shí)，較高的溫度還能夠使煤儲(chǔ)層出現(xiàn)熱解的現(xiàn)象，這一現(xiàn)象也會(huì)一定程度上對于煤儲(chǔ)層的滲透率造成影響。

煤層氣開采的主要流程如下，第一步要進(jìn)行地面鉆井工作，當(dāng)鉆井施工到達(dá)煤儲(chǔ)層后，需要進(jìn)行固井和完井等工作。在進(jìn)行煤層氣的開采時(shí)，還需要通過鉆井來應(yīng)用壓裂液，使煤層出現(xiàn)壓裂，在完成壓裂操作后，煤層的裂縫會(huì)出現(xiàn)擴(kuò)展和延伸，并且增大滲透率，這樣能夠有效促進(jìn)煤層氣的排出。之后通過煤層氣井以及地面管線能夠?qū)馑旌衔锿瑫r(shí)排除，然后通過氣水分離器將煤層氣和水進(jìn)行分離，獲得的煤層氣會(huì)進(jìn)行壓縮處理，再通過輸氣管線進(jìn)行運(yùn)輸，而回收的壓裂液將會(huì)再次進(jìn)行應(yīng)用，循環(huán)進(jìn)行煤層氣的開采。通過對煤層氣開采過程進(jìn)行整體分析可知，煤儲(chǔ)層的滲透性對于煤層氣的產(chǎn)量具有非常大的影響，同時(shí)，大部分煤層氣井在排除氣、液體后，煤儲(chǔ)層中的裂縫也會(huì)閉合，因此需要及時(shí)將煤層氣進(jìn)行轉(zhuǎn)移，這樣才能夠保證其產(chǎn)量，減少不必要的損失。

注熱增產(chǎn)技術(shù)具體的施工方法如下：首先，要在地面建設(shè)一個(gè)高溫高壓的鍋爐，然后應(yīng)用其生產(chǎn)高溫高壓的蒸汽，并用其代替普通的壓裂液，利用其進(jìn)行煤儲(chǔ)層的壓裂，增大煤層的滲透率，達(dá)到增加煤層氣產(chǎn)量的目的。當(dāng)向煤儲(chǔ)層中注入高溫蒸汽后，溫度上升的同時(shí)，有效應(yīng)力也會(huì)不斷提高，二者會(huì)形成共同作用，促進(jìn)低滲透煤儲(chǔ)層中的裂縫進(jìn)行擴(kuò)展和延伸，從而使煤儲(chǔ)層內(nèi)部出現(xiàn)熱破裂的情況，這樣就會(huì)產(chǎn)生很多新的微小裂縫。隨著時(shí)間的不斷推移，這些新形成的微小裂縫會(huì)逐步擴(kuò)張，最終形成網(wǎng)絡(luò)裂縫結(jié)構(gòu)，這樣能夠有效提高低滲透煤儲(chǔ)層的孔隙率，促進(jìn)其滲透性的增加，這會(huì)給煤層氣提供更多的傳輸通道，提高煤層氣的產(chǎn)量。而且，溫度的升高還會(huì)影響原有的解析平衡，使大量煤層氣脫離煤表面，加之甲烷分子具有較強(qiáng)的活性，隨著能量的增加，相應(yīng)的解吸速度也會(huì)進(jìn)一步增加，并且會(huì)隨著形成的裂縫進(jìn)行擴(kuò)散，從而促進(jìn)煤層氣產(chǎn)量的增加。

4 結(jié)論

我國擁有非常豐富的煤層氣資源，但是大部分的滲透率比較低，導(dǎo)致煤層氣的開采比較困難。因此，在進(jìn)行低滲透煤儲(chǔ)層煤層氣的開采過程中，人們應(yīng)基于煤層的實(shí)際情況，選擇合理的開發(fā)技術(shù)來提升煤儲(chǔ)層滲透率和煤層氣的開采率，高效地開采煤層氣這一清潔能源，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。