多脈沖加載壓裂激勵作用下的煤層氣解吸研究

武進壯鞏芳軍

（1.西安石油大學石油工程學院，陜西 710065；2.中國石油天然氣集團公司油藏改造重點實驗室高能氣體壓裂分室，陜西 710065）

多脈沖加載壓裂激勵作用下的煤層氣解吸研究

武進壯1，2鞏芳軍1

（1.西安石油大學石油工程學院，陜西 710065；2.中國石油天然氣集團公司油藏改造重點實驗室高能氣體壓裂分室，陜西 710065）

針對煤層氣解吸的研究現狀及我國煤層氣儲層的特點，開展多脈沖加載壓裂激勵下的煤層氣解吸研究。研究表明：多脈沖加載壓裂技術可在煤儲層中形成縫網，使地應力得到松弛，降低了儲層壓力，促進煤層氣吸附與解吸的動態平衡向著解吸的方向進行；在壓裂藥爆燃過程中產生的大量熱量可使儲層溫度升高，加速吸附態的煤層氣分子的熱運動，增加其逃逸范德華分子力的束縛機率，促進煤層氣解吸；燃燒產物CO2分子可與CH4分子發生置換作用；應力波的彈性振蕩作用可解除裂隙間的堵塞物，降低毛細管作用，從而減小滲流阻力。

多脈沖壓裂 激勵 煤層氣 解吸 動態平衡

1 多脈沖加載壓裂技術研究

該技術的作用機理是以多種燃速復合壓裂藥優化組合匹配，結合特有的隔斷延時控制技術，通過其燃燒產生大量高溫、高壓氣體的連續有序釋放，形成多級高壓脈沖波（多個峰值壓力）（如圖1）。首先在射孔層段產生第一級高壓脈沖波，其壓力大于地層破裂壓力1.5～2.5倍，沿射孔通道進入地層，快速起裂壓開地層，形成3～5條裂縫；隨后的第二、三級高壓脈沖波連續補充能量，對地層再實施2～3次高壓沖擊波加載壓裂，繼續促使裂縫快速延伸，以進一步延伸地層裂縫，從而在地層形成較長的多裂縫網絡體系。通過對地層實施多次連續高壓脈沖波加載壓裂，使地層產生和形成多條較長的裂縫體系，提高了溝通天然裂縫的概率，擴大了泄油（氣）面積；其產生的大量熱量，經過與地層流體傳熱后，可以瞬間使煤層氣井溫度提高數百度，具有融化蠟質、改善地層孔隙度和滲透性的作用，達到改善地層、提高煤層氣井產量的目的。

圖1 多脈沖高能氣體加載壓裂p－t曲線

2 多脈沖加載壓裂激勵作用下的煤層氣解吸機理

2.1 爆燃條件下松弛地應力的降壓解吸

2.1.1 裂隙擴展中的能量釋放率準則

多脈沖加載壓裂藥在井筒中燃燒產生的能量遵從能量守恒定律，其在煤儲層中的裂紋擴展服從K.Palsniswamy提出的Ⅰ、Ⅱ混合型裂紋失穩擴展能量釋放率準則，該準則認為：

（1）裂紋沿最大能量釋放率Gmax的方向θ0開始擴展；

（2）裂紋擴展是由最大能量釋放率達到臨界值引起的。

裂紋擴展的能量釋放率為G，則當θ0滿足

時，其為裂紋擴展方向角。

對于Ⅰ、Ⅱ型復合裂紋問題，裂紋沿θ方向擴展的能量釋放率表述為：

式中

其中：E為彈性模量；μ為泊松比；KⅠ、KⅡ分別為Ⅰ、Ⅱ型裂紋擴展的強度因子；θ為裂紋擴展方向角。

對于Ⅰ、Ⅱ型復合裂紋，由能量釋放率準則及最大周向應力準則可知，裂紋擴展方向由（表示方向角θ在θ0方向上的切向應力及周向應力的變化率為零，即周向方向的應力達到臨界值，為最大能量釋放率方向）決定；裂紋擴展臨界條件由為Ⅰ型材料在θ0方向上的強度因子；KⅠc為純Ⅰ型裂紋擴展的臨界應力強度因子，稱為斷裂韌度）確定。

2.1.2 裂隙擴展下的降壓解吸作用

煤儲層中發育有大量內生裂隙，即相互垂直的面割理及端割理，其發育程度及方位受古構造應力場的控制，同時還伴隨著受現今地應力影響的外生裂隙。該裂隙可作為處于游離態煤層氣擴散的通道并且為多脈沖加載壓裂的應用從而促進其裂隙進一步擴展和貫通原來處于孤立狀態的裂隙系統提供了可能性。研究表明，煤基質表面的煤層氣吸附分為物理吸附和化學吸附，其中物理吸附為煤層氣分子與基質分子之間的范德華分子作用力而吸附于固體表面。化學吸附主要是化學鍵的作用吸附，其解吸需要翻越吸附質與吸附劑之間、化學鍵之間存在的能壘，比較困難。因此我們所要研究的解吸主要為以物理吸附方式存在的吸附型煤層氣。

在多脈沖壓裂藥爆燃壓裂解吸煤層氣的應用中，松弛地應力的降壓解吸是主要的物理解吸方式。壓裂藥的爆燃伴隨著大量能量的釋放，當爆燃的能量產生的應力足以達到裂紋的擴展臨界條件時，煤層氣井筒中的壓裂藥便會在其周圍形成不受地應力控制徑向的多裂縫體系。

裂隙的增加使煤儲層中原來各應力的平衡狀態被破壞，地應力得以松弛。當儲層壓力降至臨界解吸壓力時，煤層氣解脫分子間作用力的束縛力，開始發生解吸作用，氣體分子由吸附態轉變為游離態，解吸的游離態煤層氣分子在濃度差的作用下擴散至濃度較低的割理中。壓裂過程中產生的多裂縫貫通網絡系統具有良好的滲透性促進了煤層甲烷的有效解吸，煤基質由于甲烷分子解吸出來而發生收縮變形，使裂隙進一步張開，并向縱深發展，形成更大范圍、更良好的滲透性區域，改善煤層氣解吸－擴散－滲流的有利地層環境，從而有利于更深部、更多、更徹底的甲烷分子解吸。

2.2 熱效應下的升溫解吸作用

多脈沖壓裂藥的爆燃是伴隨有大量熱量釋放的過程。研究表明，燃燒區內燃燒產生的最高溫度接近2500℃，這將在井中和近井地帶引起相當大的溫度變化。井內急劇上升的溫度經燃氣通過套管及射孔炮眼將熱量傳遞給儲層后可使儲層溫度產生20～50℃的升高幅度。

在解吸與吸附動平衡態可逆過程中，從吸附態變為解吸狀態是一個吸熱的反應過程。儲層溫度的升高促使煤層氣分子的熱運動加劇，這增加了其逃逸范德華分子作用力的束縛而變為游離態的機率。同時，儲層溫度的升高可清除割理中的部分膠質的堵塞，使得煤層氣的滲流阻力減小，促進煤層氣的開采。

2.3 燃燒產物下的置換解吸作用

多脈沖壓裂藥的燃燒反應是高溫高速反應，其燃燒產物比較復雜，其燃燒產物的組成主要取決于火藥本身的成分。一般多脈沖壓裂中所用壓裂藥組分中都含有C、H、O、N等元素。其燃燒反應式可表示為：

煤層氣的置換解吸的本質是未被吸附的水分子或其他氣體分子為爭取達到動態平衡而置換了處于吸附態的甲烷分子的位置，從而使原呈吸附態的甲烷分子變為游離態。這符合于自然界的“優勝劣汰”的自然規律，為一類典型“競爭式”吸附類型。研究表明，煤對不同的氣體組分具有不同的親和力，單組分時，煤基質對CO2分子、CH4分子及N2分子親和能力及吸附量依次減弱。由以上分析可知，壓力藥爆燃產物CO2分子可與CH4分子產生置換，從而增強煤層氣的解吸過程。

2.4 彈性應力波的振蕩作用

多脈沖加載壓裂過程中伴隨有彈性應力波脈沖的作用。爆炸燃燒產生的應力波會使井筒中的液體產生振蕩及與其伴隨的壓力波的傳播、反射、疊加所造成的壓力脈沖對地層的水力沖擊作用，可以使儲層間堵塞的顆粒及其結合力產生松動或破壞，解除儲層堵塞，甚至可以克服裂隙間的毛細管效應，這有利于煤層氣的滲流過程。

3 現場應用實例

EH－03井是中聯煤層氣有限責任公司在云南某區塊組織施工的一口煤層氣井，根據EH－03井煤儲層地質設計方案，進行射孔及多脈沖壓裂施工方案設計，進行了現場試驗。施工目的煤層為宣威組7～21號煤層，完鉆井深670m，套管完井，人工井底656.08m。同類區塊主要地層壓力參數如下：儲層壓力3.13～4.06MPa，壓力梯度0.64～0.71MPa／m，破裂壓力12.33～14.14MPa，破裂壓力梯度0.02269～0.02828MPa／m，閉合壓力10.98～11.46MPa，滲透率0.020～0.056mD。為保證壓裂效果，施工過程中采用全封閉式壓裂，最大峰值壓力約為58MPa。多脈沖加載壓裂前該井進行了水力加砂壓裂，但效果不理想，單井最大日產量900m3，而且產量遞減非常快。分析主要原因是目的煤層含水性極弱且具有較強的吸水性，壓裂液返排率低，對煤儲層造成了傷害。實施多脈沖加載壓裂后，該井最大日產能得到有效的增加，單井日產量最高可達1500m3，且維持時間較長，衰減速率較慢。此次現場試驗為多脈沖加載壓裂技術用于煤層氣開采提供了可靠的現場依據。

［1］ 張曉逵，宋黨育.煤層氣解吸特征研究進展［J］.中國煤層氣，2009，6（5）：17－20.

［2］ 劉貽軍，婁建青.中國煤層氣儲層特征及開發技術探討［J］.天然氣工業，2004，24（1）：68－71.

（責任編輯 王一然）

Study of Coalbed Methane Desorption under the Incentive Function of Multiple Pulse Loading Fracturing

WU Jinzhuang1，2，GONG Fangjun1
（1.College of Petroleum Engineering，Xi’an Petroleum University，Shaanxi710065；2.Key Laboratory of China National Petroleum Corporation Reservoir Reconstruction，Shaanxi710065）

Aimed at the current research status of coalbed methane desorption and the characteristics of coalbed methane reservoir，the research on coalbed methane desorption under the incentive function of multiple pulse loading fracturing have been studied.The study shows that the technique ofmultiple pulses loading fracturing can form seam networks，relax the in-site pressure，reduce the reservoir pressure.Italso promotes the dynamic balance between coalbed methane adsorption and desorption to the direction of the later；The quantity of heat producing in the process of deflagration can increase the reservoir temperature，accelerate the thermalmotion of adsorption’s coalbedmethanemolecular and augment its chance to escape Van de Waalsmolecular force，the it promote the process of coalbed methane desorption.The CO2producing can occur replacement role with CH4molecular；The elastic oscillation effect ofwave can remove the fissure between plugs，reduce the capillary action，then it could reduce filtrational resistance.

Multiple pulses loading fracturing；incentive；coalbed methane；desorption；dynamic balance

國家自然科學基金項目（51274164）和中國石油天然氣集團公司科學研究與技術開發項目（2015D－5008－34）

武進壯，碩士研究生，主要研究方向為油氣田特種增產技術的開發。