煤层气井增产技术
煤层气增产技术
收稿日期：2005-03-15作者简介：张亚蒲（1982-），女，中国科学院硕士研究生，主要从事煤层气的开发研究。
文章编号：1006-6535（2006）01-0095-04煤层气增产技术张亚蒲，杨正明，鲜保安（中国科学院渗流力学研究所，河北廊坊065007）摘要：介绍了国内外煤层气开采现状、增产措施以及我国煤层气储层的特点，指出我国煤层气资源虽然十分丰富，但其勘探与开发水平还不高；我国煤层气储层的特点，决定了我国开采煤层气的难度较大。
此外还分析了目前国内外煤层气增产的3项主要技术：水力压裂改造技术、煤中多元气体驱替技术和定向羽状水平钻井技术。
关键词：煤层气；开发趋势；增产措施；研究中图分类号：TE132.2文献标识码：A前言煤层气，也称煤层瓦斯，是自生自储在煤层中的一种非常规的天然气，以吸附和游离状态储存于煤层当中的。
研究表明［1］，煤层裂缝中的游离气不足总量的10%，煤层气主要吸附于煤层微孔隙的内表面。
因此，要开采煤层气就必须使其从煤层中解吸出来。
而只有当地层压力低于煤层的临界解吸压力时，煤层气才会得到释放。
目前开采煤层气一般采用抽排煤层中承压水的方法，降低煤层压力，使煤层中吸附的甲烷释放出来。
煤层气藏与常规油气藏的储层特点有较大区别。
煤层气藏具有以下特点：煤层的弹性模量比一般的砂岩或石灰岩储层低，一般小于一个数量级，而压缩系数高；气水共存；气藏压力低；气层易损害；天然裂缝发育。
1国内外煤层气开采现状1.1国外煤层气开采现状［2］20世纪60年代，美国通过地面钻孔的方式，第一次将煤层气作为资源开采。
最近十几年来，美国天然气研究协会（GRI ）和美国ICF 资源开发公司等单位根据煤层地质特点，改进了现代油气田钻井和压裂技术来开发煤层气，并开发了相应的计算机模拟软件，使煤层气开发技术逐渐完善，并迅速推广。
目前，美国已经有6个盆地开始大规模开采煤层气，分别位于亚拉巴马州的黑勇士盆地、科罗拉多州和新墨西哥州之间的圣胡安盆地、尤因塔、粉河、拉顿和阿巴拉契亚盆地。
第八章 煤层气增产技术
8
二 水力压裂
1. 煤层压裂的目的
–解除近井筒堵塞和污染； –改变了液体流动模式，部分或全部变径向流为线性 流，减少流动阻力； –形成一条高导流能力的支撑裂缝，沟通煤层天然割 理系统，加快排水－降压－产气速度； –压裂可更广泛的分配井孔附近的压降，降低煤粉产 量
9
二 水力压裂
2. 压裂过程
–
在地面采用高压大排量的泵，利用液体传压的原理，将具有一定粘度 的液体以大于煤层吸收能力的排量向井内注入，使井筒内的压力逐渐 提高。当压力增高到大于煤层破裂所需要的压力时，煤层就会形成一 条或几条水平或垂直裂缝。当继续注入液体时，裂缝也会向煤层深处 延伸与扩展，直到液体注入速度等于煤层渗透速度时，裂缝才会停止 延伸与扩展。如果地面停止注入夜体，煤层由于外来压力消失，又会 使裂缝闭合，为了防止停泵后裂缝闭合，在挤入的液体中加入支撑剂 （如石英砂、核桃壳等），使煤层中形成导流能力很强的添砂裂缝。
煤的力学性质
煤层 三分层 四分层 五分层 六分层 抗压强度(MPa) 自然 10.4 11.73 14.6 17.8 饱和水 7.91 7.91 12.3 8.41 冲击倾向(MPa) 自然 0.94 0.74 0.96 1.20 饱和水 1.08 1.28 1.09 1.25 自然 1 938.8 3 214 3 316 2 429 弹性模量(MPa) 饱和水 1 071.4 1 071.4 1 429 612.2 自然 0.25 0.30 0.28 0.30 泊松比 饱和水 0.35 0.28 0.35 0.40
15
二 水力压裂
（5）吸附润湿特性对增产效果的影响
接触角： 65.7 60.8
吸附润湿性差
16
二 水力压裂
煤层气储层特征及其对压裂技术的要求
煤层气固井技术及增产措施
06
煤层气固井技术及增产措 施的未来展望与建议
未来发展趋势预测
1 2 3
煤层气固井技术将不断升级
随着科技的不断进步，煤层气固井技术将不断升 级，采用更高效、更环保、更低成本的技术手段 ，提高煤层气开采效率。
智能化技术应用
未来煤层气固井技术将更加注重智能化技术的应 用，实现实时监测、自动化控制和远程管理，提 高生产效率和安全性。
高吸附性
煤层气储层具有高吸附性 ，对气体分子的吸附作用 较强。
裂隙发育
煤层中存在大量的裂隙， 这些裂隙对煤层气的流动 和开采具有重要影响。
煤层气固井技术的原理
保护煤层
固井技术的主要目的是在煤层上 形成一层水泥环，以保护煤层不 受外界环境的影响，同时防止气
体渗透。
防止裂隙沟通
通过在煤层之间形成水泥环，固井 技术可以防止上下煤层之间的裂隙 沟通，保持煤层的独立性。
提高气藏稳定性
固井技术可以增强煤层气的稳定性 ，防止气体在开采过程中过早解吸 。
煤层气固井技术的分类
全水泥固井
在煤层之间注入水泥，以完全隔 离上下煤层，防止气体渗透。
套管固井
在煤层之间插入套管，并在套管 与煤层之间注入水泥，以保持煤
层的独立性。
尾管固井
在煤层上方插入尾管，并在尾管 与煤层之间注入水泥，以防止气
02
技术适用性
除上述三种增产技术外，还有水力喷射增产技术、脉冲增产技术、地 热增产技术等多种煤层气增产技术。
不同的增产技术适用于不同的煤层条件和生产阶段，需要根据实际情 况选择合适的增产技术。
05
煤层气固井技术及增产措 施的应用实例
应用实例一：某地区煤层气开发项目
总结词
成功应用，增加煤层气产量，提高采收率。
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。
§5 煤层气井增产机理与技术
破裂微震监测成果图
监测井(FZ-005井)
N
监测井 (FZ-007井)
监测井 (FZ-001井)
FZ-005井15号煤层压裂裂缝 破裂微震监测成果图
监测井 (FZ-006井) N
压裂井 (FZ-005井)
监测井 (FZ-007井)
监测井 (FZ-001井)
FZ-005井3号煤层压裂裂缝
监测井 (FZ-006井) 压裂井 (FZ-005井)
裂缝方位 裂缝长度
破裂微震监测
大功率充电电位法
大功率充电电位监测技术基本原理 I 2r
UM =
M N N
A
B
r
技术关键： 正反向供电 大功率激发 提高信噪比 不测电位 而测环切向电位梯度
大功率充电电位监测方法要点
内圈半径40m；中圈80m；外圈 120m（误差小于1%） 各径向梯度测线间夹角为15° （误差小于10ˊ） 整个观测系统共计72个测点。
不仅要求压裂液应满足煤层的防膨、降滤、返排、降阻、携砂 等技术要求，以降低伤害程度；而且还要满足大排量、大规模压裂 施工，以达到形成较长裂缝，提高单井产量的目的。
水力压裂 美国煤层气压裂技术发展概况
（ 1） 美国煤层气井压裂技术发展概况一览表 1960 1970 1980 1990 压裂技术 炸药炸洞 高压水力压裂 大排量高压水力压裂 液氮泡沫压裂 液氮泡沫加砂压裂 CO2 加 砂 压 裂 （ 根 据 Michael D. Zuber 提 供 的 资 料 整 理 ）
洞穴完井的缺点：
事实上，煤层气洞穴完井开发技术仅仅在美国的圣胡安盆地取得了极 大的成功，且主要集中在所谓的“Fairway”区带（高渗富集区带）显示出 极好的增产效果，因此该方式具有较大的局限性。
煤层气水平井注氮增产改造技术
290CPCI 中国石油和化工石油工程技术煤层气水平井注氮增产改造技术王 靖 张 嫔（中石油煤层气有限责任公司韩城分公司 陕西韩城 715400）摘 要：对某煤矿低孔、低压、低含水饱和度、高变质程度的煤储层特点和筛管完井煤层气解吸困难情况，为了实现瓦斯治理与煤层气共同开发的需要，探索出一套煤层气水平井筛管完井下的注氮增产改造技术。
利用顶替排液、氮气驱替、憋井放喷3种氮气改造模式的不同特点，实施多次“注氮－憋压－放喷”作业，通过注氮改造可以清除近井污染，沟通煤层割理裂隙，改善井筒远处煤层渗透率，建立单相气体渗流通道，实现煤层气高效开发的目的。
关键词：煤层气 水平井 注氮增产 改造技术引言我国煤层气储存条件具有“三低一高”的特点。
针对“三低一高”的煤储层特点，必须经过煤储层改造才能获得有工业价值的产量。
近年来，国内外学者对煤对氮气的吸附理论、注入氮气驱替煤层气的作用机理、煤层气井氮气焖压、煤层气水力压裂氮气泡沫伴注等利用氮气进行煤储层改造的方法进行了研究，研究表明向煤层气井内注入氮气对提高煤层气采收率技术上是可行的。
鉴于此，某煤矿瓦斯治理与煤层气开发合作项目组在总结国内外研究资料的基础上，研究注入氮气进行顶替排液、氮气驱替、憋井放喷3种氮气改造模式作用机理，以期得到一套适合于七元煤矿区煤层气水平井筛管完井下的注氮增产改造技术。
1 煤层气水平井特点煤矿区煤层气的开发利用是保障煤炭这一主体能源安全生产和国家能源安全的重要措施，按照“先采气，后采煤”的原则，通过先采气进行瓦斯治理，降低采煤风险。
煤层气水平井特点主要包含以下几点：第一，井身的结构比较简单，施工难度比较小。
水平井的主井通常情况下都是没有分支的，水平井钻具是沿着目标煤层朝着垂直井的方位前进，一般平面摆动相对较小。
钻进时采用能控制导向的组合钻具沿着煤层下倾的方向近水平的钻进，技术要领是整套系列的钻具在井内弯曲的角度与幅度变化比较小，井眼的轨迹比较容易控制，钻井的效率和成井率比较高，综合成本整体上不是很高。
煤层气固井技术及增产措施
施，如压裂、酸化等，有效提高了储层渗透性和产能。
参数优化与调整
02
通过数值模拟和现场试验，对增产措施的施工参数进行了优化
和调整，实现了最佳增产效果。
经济效益评估
03
对增产措施的经济效益进行了综合评估，包括投资回报率、产
能提升幅度等，证明了增产措施的有效性和可行性。
实践经验分享与启示
重视地质研究
深入开展煤层气藏地质研究，准确刻画储层特征和产能潜力，为 固井技术和增产措施的选择提供依据。
这些结合应用不仅能够提高煤层气的产能，还有助于降低开发成本，为煤层气产业的可持续 发展提供有力支持。
05
案例分析与实践经验分享
案例一：某煤层气田固井技术成功应用
1 2 3
固井技术选择
针对该煤层气田的地质特点和开发需求，选择了 适宜的固井技术，有效封隔了煤层气层，防止了 气层间的窜流。
固井材料优化
性能和耐久性提出更高要求。
高压气窜
煤层气井生产过程中，高压气体 可能导致水泥环破坏，引发气窜
事故，严重影响生产安全。
环保要求
传统固井技术使用大量水泥浆等 材料，对环境造成一定压力。开 发环保型固井技术是未来趋势。
固井技术发展趋势
高性能固化材料
研发具有优异耐温、耐压、耐 腐蚀性能的新型固化材料，提
高固井质量和耐久性。
确保生产安全
固井技术是确保煤层气井完整性和稳定性的关键，能够防止井壁坍 塌、地层流体窜流等安全事故，保障生产过程的顺利进行。
保护煤层气藏
合适的固井技术和增产措施能够减少对煤层气藏的破坏，最大限度地 保护储层，延长气田寿命。
展望
智能化技术应用
环保与可持续发展
多学科联合攻关
探讨煤层气低产井低产原因及增产改造技术
探讨煤层气低产井低产原因及增产改造技术朱家伟1，2胡海洋2易旺2(1.贵州省煤田地质局一四二队; 2.贵州省煤层气页岩气工程技术研究中心 贵州贵阳 550081)摘要：我国许多地区煤层气开采都形成了一定规模，从实际开发情况来看，部分区域煤气层开发井受各项因素影响产量较低，这会影响煤层气开发。
对于这一现象，要查明原因，采取合理措施处理，提高产量，为煤层气低产井后期改造提供支持。
基于此，该文对煤层气低产井低产原因及增产改造技术进行了探讨，提高单井产量与经济效益意义重大，必须加强对相关内容的分析。
关键词:煤层气 钻井储层 低产井 增产改造中图分类号: TD84文献标识码：A 文章编号：1672-3791(2023)17-0183-04Discussion on the Causes of Low Production and theStimulation and Transformation Technology of theLow-production Wells of Coalbed MethaneZHU Jiawei1,2HU Haiyang2YI Wang2(1.Team 142, Guizhou Coalfield Geologic Bureau; 2. Guizhou Coalbed Gas Shale Gas Engineering TechnologyResearch Center,Guiyang, Guizhou Province, 550081 China)Abstract: The coalbed methane exploitation in many regions of China has formed a certain scale. From the actual development situation, the development wells in some regions are affected by various factors and the production is low, which will affect the development of coalbed methane. For this phenomenon, it is necessary to find out the reasons, take reasonable measures to deal with it, and improve the production, so as to provide support for the later transformation of the coalbed methane low-production wells. This paper discusses the causes of low production of low production wells of coalbed methane and the technology of stimulation and transformation. It is of great significance to improve the production and economic benefits of single wells. It is necessary to strengthen the analysis of relevant contents.Key Words: Coalbed methane; Drilling reservoir; Low production wells; Stimulation and transformation我国具有丰富的煤层气，但是从探明的情况来看，煤储层具有低渗、低压、低孔等特点，单井产量低。
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煤层气井增产技术
1、裸眼扩径 2、洞穴完井 3、水力压裂
Fracced CBM Well
Pumping Unit Blower
Coal Mine Methane (Gob Wells)
13-3/8" Casing
13-3/8" Casing
12-1/4' Open Hole
No. 4 Coal Seam No. 3 Coal Seam
煤层气开发 理论与技术
吸附速率 ( × 10 - 5 g 2 /s)
0.2
0.15
Ê ¨gÊ ÊÊÊÊ ü
0.1
0.05
0 0 100 200 300 400 500 600
±ÊÊ Ê ¨secÊ Ê
吸附润湿性 较差
4 水力压裂
煤层气开发 理论与技术
煤层气储层特征及其对增产改造技术的要求
(1) 低压、低渗 — 必须压裂，且要有一定的规模、减少伤害 (2) 天然裂隙发育 — 要求大排量 (3) 低模量、低强度（脆、软，易破碎）、非弹性体特征显著 (4) 吸附能力极强 — 慎防有机添加剂，以免造成严重的吸附伤害 (5) 膨胀性、水化性 — 防膨胀
中国石油大学（北京）煤层气研究中心
13
4 水力压裂
影响增产效果的地质因素分析
地质因素: (1) 煤层的孔渗类型与煤层气产出机理 (2) 煤层的岩石力学性质对压裂效果的影响 (3) 煤层渗透能力 (4) 煤层滤失性的压力敏感特征
煤层气开发 理论与技术
(5) 水化膨胀敏感性
(6) 吸附润湿特性
4 水力压裂
4 水力压裂
压力敏感性滤失特征 对增产效果的影响
滤饼 支撑裂缝 压缩带 储层
煤层气开发 理论与技术
套管
水泥环
煤层气压裂压裂液伤害分带示意图
• 随着压裂裂缝的延伸，人工裂缝沟通了更多的天然裂隙而加大了滤失条件 • 压裂施工压力升高—天然裂隙内流体压力升高—裂隙扩张—滤失加大 • 但由于煤层本身的低渗和可塑性，在导致裂隙扩张的同时却形成了“压缩带”
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3 洞穴完井
煤层气开发 理论与技术
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3 洞穴完井
煤层气开发 理论与技术
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4 水力压裂
煤层气开发 理论与技术
水力压裂
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低一个 数量级
，华东水力学院等合编 *摘 自 《 岩 石 力 学 》
4 水力压裂
煤层渗透能力 对增产效果的影响
煤层气开发 理论与技术
• 高渗煤层压裂往往受施工排量的限制而形成短而宽裂缝
• 低渗煤层则不然，会形成窄而长的裂缝。
• 高渗煤层需要较宽裂缝，以提高压裂裂缝的导流能力，提高产量； • 而低渗产层则需要形成更长裂缝，以增加线流面积提高产量。
煤层气开发 理论与技术
表 3-5 本次实验煤样与常规砂岩、页岩的力学参数对比
岩性 本次实 验煤样 砂岩 页岩 抗 张 强 度 （ MPa ） 1.0 3.9 ～ 11.77 1.96 ～ 3.9 杨 氏 模 量 （ MPa ） 2947 16642 ～ 47622 12503 ～ 41179 泊松比 0.29 0.1 ～ 0.52 0.09 ～ 0.35
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3 洞穴完井
煤层气开发 理论与技术
洞穴完井技术
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3 洞穴完井
洞穴完井技术
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3 洞穴完井
洞穴完井技术
煤层气开发 理论与技术
4 水力压裂
水化膨胀敏感性 对增产效果的影响
表 3-6 自来水与寺河煤矿 3 号煤层煤样膨胀实验结果
时 间 （ min ） 膨 胀 量 (mm) 实验 1 实验 2 实验 3
0.2
煤层气开发 理论与技术
30 0.100 0.107 0.107
60 0.132 0.125 0.121
120 0.157 0.146 0.143
孔隙结构、煤层气赋存与产出 对增产效果的影响
压力减小 吸附态 溶解态 压力增大 游离态
煤层气开发 理论与技术
4 水力压裂
煤层的岩石力学性质 对增产效果的影响
（1） 煤层的岩石力学性质制约着压裂裂缝的 形成、扩展及形态 （2） 煤层及顶底板岩石力学性质差异控制着——压裂裂缝的高度及 “T”形裂缝的形成
150 0.161 0.154 0.157
180 0.161 0.157 0.164
240 0.161 0.157 0.164
270 0.161 0.157 0.164
300 0.161 0.157 0.164
0.15
膨胀量（mm）
0.1
0.05
0 0 50 100 150 200 250 300 350
《煤层气开发与开采》
煤层气开发 理论与技术
煤层气井增产技术
张遂安 教授
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中国石油大学（北京）煤层气研究中心
1
煤层气开发 理论与技术
煤层气井增产技术
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概述 裸眼完井 洞穴完井 水力压裂 煤层压裂效果诊断
2
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1 概述
煤层气开发 理论与技术
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4
2 裸眼完井
裸眼扩径
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美国粉河盆地 （特高渗） 中国石油大学（北京）煤层气研究中心
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3 洞穴完井
煤层气开发 理论与技术
洞穴完井
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3 洞穴完井
煤层气开发 理论与技术
洞穴完井技术
时间（min）
图 3-5
自来水与寺河煤矿 3 号煤层煤样膨胀曲线
4 水力压裂
吸附润湿特性 对增产效果的影响
表 3-7 寺河煤矿 3 煤煤样吸附润湿性实验结果
时 间 (s) 吸附 量 (g) 1 2 1 0.147 0.101 1 2 100 0.160 0.156 200 0.162 0.164 1.356 1.325 300 0.164 0.168 400 0.165 0.169 接触角 （ °） 500 0.166 0.169 1 2 550 0.166 0.170 65.7 60.8 600 0.164 0.170
5-1/2" Production Casing with Formation Packer Shoe
Rathole
Longwall Mining Equipment
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3
JAF01741.CDR
2 裸眼完井
煤层气开发 理论与技术
裸眼扩径
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