開發模式和增產技術對煤層氣采收率影響研究

巫修平 張 群

(中煤科工集團西安研究院，陜西 710054)

開發模式和增產技術對煤層氣采收率影響研究

巫修平 張 群

(中煤科工集團西安研究院，陜西 710054)

本文綜述了我國現有的開發模式及增產技術，根據資料分析不同開發模式的優缺點，同時在理論上討論不同開發模式與增產技術之間相互結合對煤層氣采收率的影響。其中，晉城礦區采用的采煤采氣一體化開發模式，能有效地提高煤層氣的采收率;地面直井壓裂增產技術是最常用的一種煤層氣地面抽采開發模式，同時提出新型的煤層氣增產技術——CO2-ECBM。

開發模式 增產技術 煤層氣采收率 采煤采氣一體化

1 開發模式與采收率研究

1.1 煤礦區煤層氣的開發

我國的煤礦區煤層氣資源的開發可以追溯到20世紀50年代的煤礦瓦斯抽放。為解決煤礦瓦斯災害問題，煤礦生產者開始在煤礦井下進行本煤層鉆孔抽放瓦斯，取得了顯著的效果。煤礦區煤層氣資源的開采是借助煤炭開采工作面和巷道，通過煤礦井下抽放、煤礦采動區抽放、廢棄礦井抽放等方法開采煤層氣資源的一種煤層氣開發模式。

目前，中國的煤礦區煤層氣抽放技術在世界處于領先地位。同時，煤礦瓦斯抽放已由單一的本煤層抽放發展到本煤層抽放、鄰近層抽放、采動區抽放和采空區抽放、圍巖抽放等多對象抽放;抽放技術也已由單一的鉆孔抽放發展到鉆孔抽放、巷道抽放、地面垂直井抽放和混合抽放等。

煤、氣一體化開采模式已經成為煤礦區煤層氣開采的新模式，其主要思想是在煤層群的開采中，由于開采層的采動影響，其上部及下部的煤巖層中應力場得到釋放，原巖應力平衡遭到破壞，引起煤巖層膨脹變形，原來在高地應力下封閉的裂隙系統重新開啟，在采空區四周形成一個連通的采動裂隙發育區即應力場釋放區，從而使得對應力尤為敏感的臨近煤儲層的滲透率得到大幅度地提高，使這些臨近儲層中的煤層氣大量地向應力場釋放區域運移，從而降低該區的瓦斯抽采難度。由于在整個采氣過程中伴隨著煤層的開采，所以，稱之為煤、氣一體化開采。這種開采方法的最大特點是:除第一次預采外，中、后期開采時，煤層始終處于卸壓影響之中，將大幅度地提高煤層氣的采收率。

這種開發模式，適合于煤層發育比較復雜，地表開發條件不好的，垂直鉆井和水平鉆井很難施工的礦區。晉城礦區在這方面已經有成功實施的實例。在2003年初，晉城煤業集團將寺河礦和成莊礦作為實驗礦井，首先進行了采煤采氣一體化模式的配套試驗，隨著采煤采氣示范工程的建設，試驗礦井建立了有序的抽采瓦斯銜接模式，抽采量不斷增長，采收率也不斷增長，同時礦井安全保障能力得到提升，從而不斷的解放礦井生產潛能。

1.2 原始煤儲層煤層氣的開發

原始煤儲層煤層氣開發，即煤層氣的地面抽采。其開發方式主要有地面垂直井、地面采動區井、叢式井、羽狀水平井和U型等方式。而這些開發方式可以系統地劃分成為直井開發方式和定向井開發方式兩類。煤層氣開發方式的合理選擇是煤層氣開發需要重點考慮的內容，也是煤層氣勘探開發成功的關鍵。美國是煤層氣開發最成功的國家，由于煤盆地構造簡單和煤層滲透率高等特點，不同類型開發方式的氣井的產能都普遍較高，且經濟效益顯著。我國煤盆地的地質條件和水文地質條件復雜，煤層滲透率低，煤層氣開發難度大，對開發技術及工藝要求嚴格，這使煤層氣開發方式的選擇顯得尤為重要。因此，結合我國目前的煤層氣勘探開發現狀，開展煤層氣開發方式適應性研究，對診斷目前勘探開發過程中存在問題，有效指導今后的煤層氣勘探開發作業具有重要意義。

(1)地面直井

煤層氣勘探開發的地面直井方式包括地面垂直井和地面采動區井。地面垂直井方式是在地面打垂直井進入目標煤層，通過采取一系列增產強化措施抽采目標煤層的煤層氣。地面垂直井方式是目前國內外煤層氣勘探開發廣泛應用的方式。受地質條件的影響，垂直井煤層氣開發的完井方式不一致，目前主要的完井方式有射孔壓裂完井、裸眼完井和洞穴完井等。而地面采動區井則由于種種原因未能在我國大范圍的試驗實施，因此有關地面采動區井的資料相對較少。

我國的煤層氣勘探開發主要采用地面垂直井方式，采取壓裂增產的強化措施，產量和采收率增大效果比較顯著，近年來，地面垂直井數量大增。沁水盆地是我國煤層氣勘探開發的最熱點地區，煤層氣開發效果好，已形成了潘莊、柿莊、樊莊、潘河和陽泉寺家莊等多個煤層氣開發區，主要采用地面垂直井、套管完井作業方式進行煤層氣開發，單井最高產量達到16000m3/d，平均產量為2000m3/d。在沁水南部還進行了裸眼完井試驗，試驗表明:在地質條件相似，實施的壓裂改造效果基本一致的情況下，裸眼完井比套管完井的煤層氣井產氣效果好，但裸眼完井的煤層氣井在排采過程中大都不同程度地出現煤層坍塌、堵塞篩管的情況，而且修井頻率高。潘莊井田煤層發育、煤層埋深淺、氣含量高、煤層氣富集，而且現有煤層氣勘探試驗區離煤炭生產區較遠，因此，比較適合于地面垂直井煤層氣開發，前期的煤層氣勘探試驗也證實了這一點。

(2)定向煤層氣井

定向煤層氣井開發是近年來煤層氣產業發展研究的新技術或引自石油天然氣系統的技術，比較適合低滲透煤儲層的煤層氣開發。在定向煤層氣井中，最常用到的就是多分支水平井。

煤層氣多分支水平井，又稱羽狀水平井，是指一個或兩個主水平井眼盤側再側鉆出多個分支井，能夠穿越更多的煤層割理裂縫系統，最大限度地溝通裂縫通道，增加泄氣面積，使更多的氣體進入主流道，提高單井產氣量。多分支水平井相對于地面直井有以下六點優勢:

①增加了煤層氣產出的有效供給范圍;

②提高了煤層氣導流能力，分支井眼與煤層割理的相互交錯，煤層割理與裂隙更暢通，提高了裂隙的導流能力;

③多分支水平井鉆井完井方法避免了固井和水力壓裂作業，減輕了對煤儲層傷害;

④單井產氣量高，煤層氣采出程度高;

⑤提高了采收率，縮短了生產周期;

⑥減少了井場占地面積，增大了抽排面積，多分支水平井井場占地少是顯而易見的，初步估計，與相同抽排面積的直井相比，多分支水平井將少2/3。

在以上六點優勢中，最明顯的就是提高了單井產氣量和采收率，縮短了生產周期。目前，我國沁水盆地南部多分支水平井單井日產量達到6000～40000m3，比直井壓裂方法單井產量提高5～10倍。在潘莊區塊內，共布井251口，其中多分支水平井189口，直井62口，建設7億m3年產能。據已實施多分支水平井的煤礦資料，多分支水平井前3年生產數據，按照100m分支間距布置多分支水平井，2～3年內煤層氣采收率達到約40% ～50%，而達到此采收率的話，直井需要開采15～20年。據數值模擬預測，多分支水平井組排采3年時就可達到井間干擾作用，煤層氣采收率達到40%以上，排采5年煤層氣采收率達到55%以上，排采10年煤層氣采收率達到75%。當煤層氣采收率達到40%～50%時，只需3年左右，而直井需要開采15～20年。

1.3 煤層氣不同開發模式的適應條件

煤層氣開發方式受開發目的、所在地區的地形條件、地質條件以及資金等方面影響。在各種影響因素中，地質條件是內在因素，不同開發方式需要有不同的地質條件與之相適應。合理的開發方式不僅影響氣井的產能，而且影響到項目的投資。

不同煤層氣開發方式有著不同的開發技術和工藝，對地形、地質和投資等條件的適應性也不一致。在同一地區或相同的開發條件下，采用不同的煤層氣開發方式，煤層氣井的開發效果會差別很大。因此，研究煤層氣不同開發方式適應的地形、地質和資金等條件，針對不同地區選擇合理有效的開發方式，對煤層氣開發至關重要。結合目前國內外煤層勘探開發的實踐，根據煤層氣不同開發方式的技術和工藝，對其適應條件進行分析，結果見表1。

表1 煤層氣不同開發模式的適應條件

2 煤層氣井增產技術與采收率研究

在煤層氣開發的過程中，由于我國煤儲層“三高一底”的基本特性，造成我國煤層氣的采收率普遍較低。為了實現煤層氣井的高產，各種增產技術相繼被應用于煤層氣的開發中來。目前最常見的增產技術包括煤儲層壓裂技術和注氣增產技術。

2.1 煤儲層壓裂技術

煤儲層壓裂技術是目前煤層氣開發普遍采用的增產措施。這是因為人工壓裂形成的誘導裂縫降低或消除了煤層的近井眼傷害，強化了煤層中的天然裂隙網絡，擴大了有效“井眼半徑”和煤層氣解吸滲流面積，加強了井眼穩定性，在井眼周圍形成了有效的煤層氣滲流通道。同時，壓裂可使原始裂縫中一些不連通的裂縫得以連通，可使原來一些連通的縫隙變寬，改善儲層導流能力，加速排采中壓力的有效傳遞，有效地提高了煤層氣的產能及煤層氣的采收率。

壓裂技術是煤層氣開發過程中的關鍵技術。其重要性在于對產層進行改造，以提高生產層的產量。破裂壓力和瞬時關井壓力的設計是壓裂措施中最關鍵的技術。破裂壓力，即延伸一條已經存在的裂隙所需要的壓力，又稱為裂隙的延伸壓力。破裂壓力一般都高于閉合壓力 (開啟一條裂縫所需要的流體壓力，該壓力與垂直裂縫壁面的應力大小相等，方向相反，這一應力對應于原位應力中的最小主應力)。瞬時關井壓力，即水力壓裂停泵時刻的壓力。然而，對于低滲煤儲層來說，瞬時關井壓力接近于閉合壓力。

在壓裂實施的過程中，主要的目的就是改造煤儲層，即造縫，使其能夠更有效地將煤儲層的天然裂隙系統與井筒連通起來。同時又能避免井筒附近的地層傷害，廣泛分配井筒附近的壓降，減少煤粉的生成。因此，煤的力學性質在造縫過程中成為一個至關重要的因素，其決定了在壓裂時易形成短而寬的復雜裂隙。常見的壓裂裂縫有:(1)水平裂縫，在煤儲層埋藏較淺，最小主應力為垂向應力時形成的;(2)“T”形裂縫，對于單一煤儲層來所，壓裂裂縫將局限于煤層內，能夠形成頂部為水平裂縫，中下部為垂直裂縫的復雜裂縫系統;對于多層薄煤層，可形成一組垂直的壓裂裂縫;(3)延伸到圍巖中的裂縫，在對厚煤層壓裂的后期，垂直裂縫將向圍巖內延伸。

在煤層氣完成鉆井工作后，就要對煤儲層進行壓裂等增產措施。而在煤儲層壓裂后，通常需要注入顆粒支撐物作為支撐劑，如一定粒度的石英砂等，防止在地應力的作用下裂隙重新閉合。因此，在進行壓裂設計時要考慮鉆井、測井、完井、原地應力、壓裂液、支撐劑等方面的資料，以求作出最佳設計。

目前，直井壓裂是最常用到的一種增產方式，在煤層氣開發的早期就已經被美國等國家廣泛應用。在美國尤因他盆地，最初3口井壓裂后排采一年多時間，單井日產氣一般在1000m3左右，隨后井組逐漸擴大到23口，連續排采4年以上，單井日產氣量逐漸增加到5000m3以上，在大規模生產階段，單井日產氣超過2×104m3;在圣胡安盆地早期的開發試驗也證實了相同的產氣規律。目前我國的垂直井在鉆井、完井過程中都會實施壓裂增產措施，效果十分顯著。例如，在山西沁水潘河礦區，中原油田成功對PH1-6井、PH1井實施N2泡沫加砂壓裂施工。在壓前氣、水產量為0，壓后排液5～7d后見氣，PH1-6井日產氣量為3000～4000m3/d，PH1井日產氣量為2000～5800m3/d，增產效果十分顯著。

2.2 注氣增產技術

注氣增產技術主要有兩種方法:(1)注入CO2提高煤層氣采收率的技術，稱之為 CO2-ECBM;(2)注入N2降低CH4分壓。其中，CO2-ECBM技術不僅可以顯著的提高煤層氣的采收率，而且還可以封存溫室氣體CO2來緩解環境壓力。

CO2-ECBM技術的基本原理是煤層中CO2和CH4等氣體之間競爭吸附強弱性能。CO2在煤孔隙內壁上的吸附能力大于CH4，注入后通過競爭吸附，CO2分子會取代CH4分子在煤孔隙內表面上的吸附位置，使CH4轉變為游離態而產出。

作為提高煤層氣采收率的一個手段，CO2-ECBM技術已經成為煤層氣領域的研究熱點之一。據估算，若采用這一技術，我國2000m以淺煤層強化注入CO2所能提高的煤層氣產量為3.751×1012m3。在晉城無煙煤中進行了CO2和CH4的單組分和二元混合氣體的等溫吸附實驗，結果顯示，煤中總吸附量關系為純CO2＞混合氣體＞純CH4，同時用CO2驅替煤中CH4可以獲得較高的單位壓降CH4解吸率和單位壓降CO2吸附率，其中晉城煤層甲烷單位壓降下的解吸率提高了150%。

中聯煤層氣有限責任公司于2002年至2006年在沁水盆地南部開展了CO2埋藏和提高煤層氣采收率技術的試驗研究。確定沁水盆地南部5口井進行了多井先導性試驗，其中，1口為注入井，4口為生產井。試驗結果發現，在注入CO2后，4口井的CH4產量明顯增加 (表2)。

表2 多井試驗模擬生產產量變化統計表

多井模擬結果表明，在沁南地區煤層氣井注入CO2后，單井CH4產量明顯增加。在CO2注入期內，平均產量是注入前產量的2.8～15倍，其采收率也相應的提高相同倍數。CO2突破時間為2.6～5.1年，說明煤層具有埋藏CO2的能力。本次試驗共注入192.8t液態CO2，在注入后的重新生產初期CO2產出量累計約30～40t。這些氣體一部分來自井筒游離氣，一部分為解吸氣。而大部分CO2氣體被埋藏在煤層之中。

3 結論

本文著重研究了煤層氣開發模式以及在開發過程中所采用的增產技術對煤層氣采收率的影響，通過研究得出以下結論:

煤層氣的開發模式在現階段主要有煤礦區煤層氣的開發 (井下抽采)和原始煤儲層煤層氣的開發 (地面開采)。不同的開發模式需要通過地形、地質條件及煤層發育程度的條件來選擇實施。

(1)晉城礦區所采用的采煤采氣一體化開發模式，除第一次預采外，中、后期開采時，煤層始終處于卸壓影響之中，將大幅度地提高煤層氣的采收率。

(2)目前，地面垂直井壓裂增產技術是最常用的煤層氣地面抽采開發模式。垂直井的產氣量一般較低，但是地形、地質適應性較強，通過壓裂改造煤儲層，可以增加煤層氣的采收率，達到較為理想的效果。而多分支水平井則是未來煤層氣開發的重點模式，其適用于低滲透性的煤儲層，井管與煤儲層中的裂隙連通性較好，有利于煤層氣的擴散和運移，增加煤層氣的采收率，不過現階段由于經濟條件的約束和技術的不成熟，還未大范圍的應用。

(3)CO2-ECBM是煤層氣開發中新興的增產技術，原理就是利用煤對CO2的吸附性遠遠強于對CH4吸附性的特征，通過競爭吸附將CH4從吸附態轉換成游離態，從而使其大量的排出。同時也能大量的封存溫室氣體CO2，這種技術將成為未來發展的方向。

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Study on Influence of Development Mode and Stimulation Technique on the Recovery of Coalbed Methane

WU Xiuping，ZHANG Qun
(Xi’an Research Institute of China Coal Technology and Engineering Group，Shaanxi 710054)

This paper reviews the current development patterns and stimulation techniques.According to the analysis of the advantages and disadvantages of different patterns，it discusses the effects of combining different development patterns and stimulation techniques on coalbed methane recovery from therotical aspects.It is concluded that the integration of coal mining and gas extraction can effectively improve the coalbed methane recovery in Jincheng mining area.Fracturing by vertical well is the most common coalbed methane development pattern，and the paperr puts forward a new stimulation technique—CO2-ECBM.

Development patterns;stimulation technique;coalbed methane recovery;integration of coal mining and gas extraction

巫修平，男，工程師，主要從事煤層氣勘探開發與瓦斯治理研究。

(責任編輯 劉 馨)