煤层气增产技术现状及发展趋势

煤层气增产技术现状及发展趋势

【摘要】我国煤层普遍存在低压、低渗、低吸附气饱和度的特性,煤层气单井产量低、经济效益比较差, 为获得经济产量就必须对煤层实施增产措施。常用的增产措施主要有水力压裂、注气增产、羽状水平井技术。本文主要调研煤层气增产技术的机理及研究现状，并分析其存在的问题，展望发展趋势。

【关键词】煤层气；增产；水力压裂；注气；羽状水平井

煤层气主要以吸附状态在承压水作用下储集于煤层中,只有通过大量排出煤层水,将煤层压力大面积整体降至临界解吸压力以下,气体分子才能从煤基质表面大量解吸出来,进入割理、裂隙,最后进入井筒形成气流产出[1]。我国煤层普遍存在低压、低渗、低吸附气饱和度的特性,煤层气单井产量低、经济效益比较差, 为获得经济产量就必须对煤层实施增产措施。

1.增产技术现状

1.1压裂

目前煤层气的压裂开采的关键在于压裂液的选择。目前常用的压裂液有3种：①水基压裂液，水基压裂液主要是线型胶和交联胶。优点：携砂能力强、滤失低、相对造缝长等优点，能相对大幅度提高产气量，缩短排水期，提前高产峰期。缺点：在煤层中返排难、对煤层污染严重。②清洁压裂液：采用阳离子季馁盐与水杨酸钠复配制备粘弹性体系。优点：不产生滤饼，破胶后没有固相残渣。缺点：吸附伤害及地层粘土的膨胀伤害煤层。③活性水压裂液：主要成分是清水。优点：对煤层污染相对较轻，返排时间不受限制，甚至可以在排水采气时随地层水一同采出。缺点：携砂能力相对较差，滤失大[2]。活性水，清洁压裂液,线性胶对煤层的伤害程度比例大致为1∶3∶6。

所以水力压裂（活性水）是煤层气增产的首选方法。美国90%以上的煤层气井是由水力压裂改造的，我国产气量在1000m3/d以上的煤层气井几乎都是通过水力压裂改造而获得的。

1.2注气

目前常用注入气体有CO2、N2以及两者的混合气体（烟道气）。

CO2驱替机理：研究表明，煤对CO2、CH4和N2的吸附能力大小为CO2>CH4>N2，大致比例关系为4:2:1，具体大小与煤阶等因素有关。由于煤对CO2的吸附能力比CH4强，所以CO2注入煤层后，会与煤基质微孔中的CH4发生竞争吸附，从而将原来吸附在煤层中的CH4置换出来。另一方面，注入CO2驱替煤层气过程中，煤层总压力基本保持不变，注入的CO2的分压不断增大，CH4的分压不断降低，注入气体不断被吸附，CH4不断解吸并渗流到生产井底，

产出煤层气。CO2作为驱替气的缺点：a、降低煤层渗透率。这主要是由于煤层对CO2的吸附能力强于对CH4的吸附能力，CO2的吸附量远远大于CH4的吸附量因此，基质膨胀，割理裂隙减小，导致渗透率降低。渗透率大约可以降低2个数量级。b、目前CO2提纯设备的产能小、成本高，大规模纯CO2气源难以保证。

N2驱替机理：N2使煤层渗透率增加主要是由于煤层对N2的吸附能力弱于CH4，所以N2置换CH4（主要靠减小CH4分压）后煤层会收缩，渗透率会提高。N2驱替的缺点：由于N2的吸附能力比CH4弱，所以不能有效的置换出CH4，虽然渗透率增大了，但是解析的甲烷较少。

混合气体驱替机理：a、发挥CO2的竞争吸附能力。b、发挥N2的增渗作用。加拿大Albert省Fenn Big Valley实验区做了混合气体的单井注入试验（约10年时间）。分别试验了注入纯CO2(100%C02)、烟道气(87%N2,13%CO2)和富含CO2的烟道气(53%N2，47%CO2)[4]。

注入纯CO2，渗透率由3.56md变为0.98md；注入烟道气渗透率由0.98md 变为23.7md；注入富含CO2的烟道气,渗透率由1.18md变为18.8md。

1.3羽状水平井

该技术由美国CDX国际公司开发，世界上第一口煤层气羽状分支水平井专利技术在美国落基山应用[5]：当时距井口约100m且与主井眼在同一剖面上设计一口垂直井，并与主水平井眼在煤层内贯通，下入割缝衬管，保持井眼打开，用于排水降压采气；目前羽状水平井技术已经在阿巴拉契亚、俄克拉荷马州和伊利诺斯州开始使用。这种技术也可以在一个井场朝四个方向钻四口羽状分支水平井和四口直井。羽状水平井打井时，各分支全部裸眼完井,生产时煤层气从各分支和主支排采进入直井段再到达地面。因此与直井相比，它不用固井和压裂，减少了对煤层的污染。羽状水平井的主要增产机理：a、增大解析波及面积；b、沟通更多割理和裂隙才c、降低区域内流体的流动阻力d、控制泄流面积增大[6]。

2.问题及发展趋势

2.1压裂主要问题是

储层伤害，压裂液滤失严重；未来发展方向是：研发新型清洁压裂液，深入研究煤层破裂机理。

2.2注气增产的主要问题是

增产机理需深入研究，气源不足；未来发展方向是：加强理论研究与现场试验，寻找气源。

2.3羽状水平井的主要问题是

发展时间较短，排采规律认识不清，且钻井成本昂贵，容易发生堵塞；未来发展方向是：加强增产机理，和产量模拟研究及降低钻井成本。

3.结论

（1）目前国外提倡使用清水、泡沫压裂煤层，国内也开始大量使用清水代替交联压裂液，但相应的造缝效果会受到一定的影响。

（2）由于我国煤田的低渗特点，非常适合采用富含N2混合气体驱替技术，而且混合气体直接采用烟道气、工业废气、空气或者它们的混合气体，提纯浓度要求低或者不用提纯，大幅度降低气源成本。

（3）羽状水平井能够很大程度提高单井产量，但是易发生堵塞，选择地质较适合的煤层，可减少堵塞。

（4）我国煤层气资源丰富，但分布分散，储层条件差，具有低压、低渗、低吸附气饱和度的特性。未来的发展方向是以上两种或两种以上的复合增产技术的混合使用。

【参考文献】

［１］Zuber M D.Production characteristics and reservoir analysis of coal bed methane reservoirs[J].Coal Geology,1998,38:27-45．

［２］王东浩．煤层气压裂裂缝模拟研究[D].成都，西南石油大学,2009:10-11．

［３］王国强．清洁压裂液在煤层气井压裂中的应用[J].天然气工业,2006,26(11):104-106．

［４］方志明．混合气体驱替煤层气技术的机理及试验研究[D].北京，中国科学院，2009:31-33．

［５］鲜保安,高德利．煤层气定向羽状水平井开采机理与应用分析[J].天然气工业, 2005;25(1): 114~116．

［６］杨永乐．低渗透煤层煤层气增产机理的研究[D].辽宁，辽宁工程技术大学，2009:66-67．