提高我国煤层气采收率的主要技术分析

第４卷第２期２００７年４月中国煤层气Ｃ卸吖ＡＣＯＡＩ正ＩＥＤｈ任：ｍ＾ＮＥＶ０１．４Ｎｏ．２Ａｐｒ．２００７提高我国煤层笺采收率的主要技术分析饶孟余１，２张遂安１商昌盛２（１．中国石油大学石油与天然气工程学院，北京１０２２４９；２．奥瑞安能源国际有限公司，北京１０００８０）摘要：文章分析了影响我国煤层气采收率的主要因素，认为低渗透、低储层压力和低饱和度等煤层气地质特征以及常规开发技术是影响我国煤层气采收率的瓶颈。

指出改造“虚拟产层”，采煤、采气一体化开发以及应用多分支水平井钻井技术，是提高我国煤层气采收率和实现我国煤层气地面开发商业化切实有效的途径。

关键词：煤层气采收率储层激励多分支水平井ＡｎａｌｙｓｉｓｏｎＫｅｙＴｅｃｈｎｉｑｕｅｓｔｏＩｍｐｒｏｖｅＣＢＭＲｅｃｏｖｅｒｙｉｎＣｈｉｎａＲａｏＭｅｎｇｙｕｌ，一．ＺｈａｎｇＳｕｉａｎｌａｎｄＳｈａｎｇＣｈａｎｇｓｈｅｎ９２（１．ＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＰｅｔｒｏｌｅｕｍ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０２２４９；２．ＯｒｉｏｎＥｎｅｒｇｙＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＩｎｃ．，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８０）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＫｅｙｆａｃｔｏｒｓａｆｆｅｃｔｉｎｇＣＢＭｒｅｃｏｖｅｒｙｉｎＣｈｉｎａａｌｅａｎａｌｙｚｅｄｉｎｔｈｅｐａｐｅｒ．Ｔｈｅ‘ｂｏｔｔｌｅ－ｎｅｃｋ’ｉｓｓｕｅｓｒｅ—ｇ锄ａｉｎｇｌｏｗＣＢＭｒｅｃｏｖｅｒｙａｌｅｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄｔｏｂｅＣＢＭｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｆｅａｍｒｅｓｓｕｃｈａｓｐｏｏｒｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ．１０ｗｒＩｅｓｅｒ—ｖｏｉｒｐｒｅｓｓｕｒｅ，ｌｏｗｓａｔｕｒａｔｉｏｎａｎｄｒｅｇｕｌａｒｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ．ＢａｓｅｄｏｎａｎａｌｙｓｉｓｏｎｍａｊｏｒｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓａｎｄｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｏｕｔｐｕｔｇｒｏｗｔｈａｉｍｉｎｇａｔｉｎｃｒｅａｓｉｎｇＣＢＭｒｅｃｏｖｅｒｙ，ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｏｆ‘ｄｕｍｍｙｌａｙｅｒ’，ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｄｅ－ｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｇａｓ＆ｃｏａｌａｎｄｅｍｐｌｏｙｍｅｎｔｏｆｍｕｌｔｉ—ｂｒａｎｃｈｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｗｅｌｌｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ踟ｆｅｅｆｆｅｃｔｉｖｅｗａｙｓｔｏｉｎ・ｃｒｅａｓｅＣＢＭｒｅｃｏｖｅｒｙａｎｄａｃｈｉｅｖｅｃｏｍｍｅｒｃｉａｌｓｕｒｆａｃｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆＣＢＭｉｎＣｈｉｎａ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｃｏａｌｂｅｄｍｅｔｈａｎｅ；ｒｅｃｏｖｅｒｙｒａｔｅ；ｒｅｓｅｒｖｏｉｒｅｘｃｉｔｅｍｅｎｔ；ｍｕｌｔｉ—ｂｒａｎｃｈｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｗｅｌｌ１影响我国煤层气采收率的主要因素煤层气在采出过程中首先从煤中解吸并以煤层的孔、裂隙系统作为运移通道，因此煤层气地质特征控制着煤层气采收率，主要包括渗透率、储层压力和含气饱和度等。

与美国相比，我国的煤储层渗透率要低３—４个数量级，低渗无法形成以抽采井为半径的大范围的解吸一扩散一渗流圈。

可能造成煤层气产量过早低于经济产量，导致开发停止，从而使煤层气采收率降低（图１）。

煤储层压力对煤层气含量、气体赋存状态起着重要作用。

不仅如此，储层压力也是水和气体从煤中裂隙流向井筒的能量，当降低煤储层压力，煤孔隙中吸附的气体开始解吸，向裂隙方向扩散，在压力差作用下从裂隙向井筒流动。

煤层气开采就是根据这一原理，通过排水降低储层压力而达到采气的目的。

我国煤储层绝大部分压力偏低，低压一方面表现为没有足够的吸附动力，煤体吸附的气体少；另一方面使得煤层气开采时气流驱动能力不足，产出速率低。

含气饱和度方面，低饱和是温度、压力、围岩条件、煤的等温吸附性质等综合作用的结果。

在废作者简介饶孟余，男，１９６７年生，博士，长期从事油气地质学及煤层气开发方面的研究工作。

　万方数据第２期提高我国煤层气采收率的主要技术分析１３图１渗透率对产气量的敏感性模拟曲线【１］弃压力相同的条件下，压力高的饱和煤层比低压欠饱和的煤层可以解吸更多的气体，如果煤层气藏压力过低，欠饱和严重，气体解吸量就会很少甚至不能解吸。

低饱和煤层也是制约我国煤层气采收率的瓶颈问题之一。

另外，常规开发技术也是影响煤层气采收率的重要因素之一。

常规煤层气开发技术主要以井筒所在“点”为考察对象，以有限的井筒影响范围为假想目标来设计钻井和完井程序以及储层激励措施。

而实际上煤层气的产出更需要以“面”为单位，综合考虑整个气藏范围内流体动力场、地应力场、地热场以及流体化学场的互动影响，特别是当以井筒点为中心的储层激励措施不足以引导“四场”互动从而改善气藏本身的地质缺陷时，常规技术在开发煤层气藏上的作用就非常有限【２］２。

２提高我国煤层气采收率的主要技术与常规天然气储层相比，煤层气储层具有低压、低渗和低饱和的特点，开采难度相对较大。

煤层气主要以吸附气为主，煤层气的产出是一个复杂的解吸一扩散一渗流过程，其核心是压力要素的转变和能量源汇的定向传导。

可以通过储层激励技术和改善开发技术条件来获得煤层气采收率的提高。

储层激励技术就是人为地对煤层气储层物理性质和地质环境给予干涉和积极导向来实现煤层气采收率的提高，它主要包括以增加储层导流能力等为目的的水力压裂技术和以增加气藏饱和度及加快解吸速度为目的注气技术。

改善开发技术条件在这里主要是指以增大压力传导范围、提高导流能力为目的的多分支水平井钻井技术，以及充分利用煤矿区应力释放场的采煤、采气一体化开发技术。

２．１储层激励措施２．１．１水力压裂技术水力压裂技术是提高煤层气采收率的重要途径之一。

煤层经过压裂其内部能出现众多且延伸较远的裂缝，从而在排水降压时，在井筒周围压力降低的范围增大，煤层受降压影响产生气体解吸的表面面积增大，保证了气体能迅速并相对持久地泄放，其产量较压裂前可增加５～２０倍，在美国该项技术应用效果非常显著。

我国借鉴了美国开采煤层气的成功经验，也尝试了利用水力压裂技术来提高煤储层的渗透性，实践证明，在一些煤层中效果并不理想。

原因在于煤层本身结构使其力学强度远远小于其它沉积岩层，是煤系地层中最软和最易遭受破坏的层位，在构造运动中受到的影响也最严重，而中国的煤系地层恰恰是成煤期后构造破坏严重，塑变性大大增强，煤的骨架强度降低、疏松易碎，使煤中的裂隙（割理）被压缩、扭曲、变形以致不复存在。

构造煤因其呈粉状、糜棱状，裂隙已不复存在，仅有的颗粒孑Ｌ隙也被更细的粉煤所充填，从而极大地降低了煤层的渗透性ｂＪ。

与美国的煤系地层有很大的差异，中国煤储层的渗透率比美国要低３。

４个数量级。

水力压裂作用于这类煤层时，往往既不能对原有的裂隙或割理作进一步扩展，也不能产生新的破裂或裂缝，而主要是使煤层发生塑性形变，无法达到如美国煤层所产生的效果。

而且在水力压裂过程中压裂液中含有的聚合物、表面活性剂、杀菌剂和减阻剂等对煤层渗透率的伤害也是相当的严重，这在很大程度上抵消了水力压裂的作业效果。

由此看来，利用水力压裂技术提高煤层气的采收率对我国绝大部分煤储层来说难以获得理想效果。

２．１．２虚拟产层新思路完全塑性的流体在受压时是不会产生破裂的，它的泊松比为Ｏ．５，而高脆性材料的泊松比接近于零，可压裂性能好。

一般沉积岩层的？白松比多在０．２—０．３，而煤的泊松比在０．３。

０．５，这说明煤的塑性极强，发生形变的能力大大超过煤系地层的其它岩层，与其它岩层相比其可压裂性要小得多。

而且中国的煤层气地质条件决定了中国煤层的渗透性和可压裂性是同时变差的，压裂后的煤层中裂缝延伸的距离是有限的，进行排采时，实际上只是抽采了井筒附近的煤层气，因此，给煤层进行水力压裂　万方数据１４中国煤层气第２期制造排气通道，收效甚微。

从常规油气开采的实例来看，水力压裂对各种非煤层岩体的压裂效果都很显著，因此，在煤层压裂效果很差的情况下，我们可以改变排气通道，把排气通道放在煤层的顶板或底板，也就是把煤层的顶板或底板看作“虚拟产层”，来改善煤层气的开采效果，从而达到提高煤层气的采收率的目的。

其基本方法是对煤层及其围岩同时进行压裂改造，由于围岩的可压裂性强，压裂后围岩中裂隙在横向和纵向上延伸更远更深，煤储层中的气体除了井筒周围的气体可以通过压裂的煤层进入井筒，远离井筒的煤层气主要通过煤层与围岩的接触面处泄放流入围岩，然后再Ｊ顷围岩被压裂的裂隙通道流到井中被抽采引３。

与其同时，我们还可以同时采用其它常规完井技术来提高煤层围岩透气性的措施，比如酸化技术等。

“虚拟产层”开发煤层气主要优点：①围岩经过压裂改造后可以产生大量的延伸更远的各种规模的裂缝与裂隙，通过这些裂隙和裂缝，井筒处排水产生的压降可以传递的更远，不仅井筒周围的煤层气达到排采抽采，而且距离井筒较远处的气体也将达到抽采。

②减小了对脆弱煤层渗透率的伤害。

③规避了煤层的高塑性和低渗透性对开采煤层气带来的不利影响。

煤层中的气体从围岩接触面进入围岩裂隙通道比它顺煤层到井筒的距离要小得多，因此，煤层气抽采过程中的运移阻力肯定小得多。

由上述分析，可以得出“虚拟产层”开发煤层气，不仅产量要比常规水力压裂的煤层高得多，而且产量也会得到长久的维持。

２．１．３注气增产技术注气增产就是向煤储层注入Ｎ２、ｃ０２、烟道气等气体来增加气藏饱和度和加快气体解吸速度，其实质是向煤层注入能量，改变压力传导特性和增大或保持扩散速率不变，从而达到提高单井产量和回收率的目的【４｜。

依据扩散渗流理论和多组分吸附平衡理论，注入ｃ０２和Ｎ２提高煤层气回收率的增产机理是不同的，效果也是不一样的。

这是因为不同气体分子与煤之间作用力的差异，导致煤对不同气体组分的吸附能力有所不同。

这种作用力与相同压力下各种吸附质的沸点有关，沸点越高，被吸附的能力越强，从ｃＱ，ｃＨ４到Ｎ２，其被吸附能力依次降低（表１）。

煤分子与气体分子之间的作用力包括德拜诱导力和Ｌｏｎｄｏｎ色散力，由此形成吸引势，即吸附势阱深度Ｅａ。

吸附势阱深度与煤层中气体分子极化率和电离势有表１ＣＱ。

ＣＨ４和№的吸附能力与其物理化学参数的关系关，极化率和电离势越大，诱导力和色散力越大，势阱越深，ｃ０２，ｃＨ４和Ｎ２的极化率和电离势依次降低，吸附势阱也依次降低。

另外由热力学原理可知，不同气体分子在相同条件下热运动的剧烈程不同，一般可用平均自由度入来表示：Ａ：２Ｐ肛～［－…－－－８ＲＭＴ式中：∥——气体的动力粘度，Ｐａ／ｓ；Ｐ——气体的压力，ＭＰａ；Ｍ一气体的分子量，ｇ／ｍｏｌ；尺——气体的摩尔常数；卜绝对温度，Ｋ。

显然，温度越高，粘度越大，压力越低，气体分子量Ｍ越小，气体分子的无规则热运动越剧烈，其动能也就越高，吸附气体获得能量发生脱附的可能性也就越大，表现为吸附性越弱。

处于吸附状态的气体只有获得至少Ｅａ的能量才能跃出吸附势阱成为自由气体。

ｃ０２、ＣＨ４和Ｎ２在相同条件下其热运动剧烈程度依次增强，即发生脱附的可能性依次增强，反映了吸附性依次减弱。