淺析煤層氣與常規天然氣儲層強化方式異同

李寶印（陜西新泰能源有限公司，西安 710000）

淺析煤層氣與常規天然氣儲層強化方式異同

李寶印
（陜西新泰能源有限公司，西安 710000）

本文從煤層氣與常規天然氣儲層特征異同的分析入手，對煤層氣與常規天然氣儲層強化方式進行分析、對比，利用已有常規天然氣儲層強化研究成果，結合儲層特征異同，提出不同類型煤層氣儲層適宜的儲層強化方式。

煤層氣； 常規天然氣； 儲層特征； 儲層強化

1　前言

我國非常規天然氣尤其是煤層氣資源分布廣泛且豐富，資料顯示，埋深在2000m以下的煤層氣資源儲量大約為3.45×1013m3，與常規天然氣儲量規模相當，位居世界第三位［1］。進行煤層氣的開采有減少煤礦瓦斯災害、提高資源利用效率以及改善大氣環境等三重效益，因此，煤層氣的開采利用日益得到重視。由于我國“三低”煤儲層條件，絕大多數煤層氣產區單井產量較低［2］，如何將常規天然氣開發的成熟技術應用于煤層氣開采中，采取合理的開發工藝、合適的增產改造措施，提高煤層氣井產量成為一個亟需解決的問題。

2　常規天然氣與煤層氣儲層特點

天然蘊藏于地層中的烴類和非烴類氣體的混合物，主要存在于油田氣、氣田氣、煤層氣、泥火山氣和生物生成氣中，稱為天然氣。勘探實踐發現的能夠用傳統的油氣生成理論解釋的天然氣，稱為常規天然氣，而以煤層氣、頁巖氣、致密砂巖氣等難以用傳統油氣生成理論解釋的天然氣統稱為非常規天然氣。常規天然氣與非常規天然氣儲層特點有所不同，本文主要介紹煤層氣與常規天然氣儲層特點的不同。

2.1成藏過程與富集機制不同

常規天然氣源于烴源巖，大多數經過運移聚集在儲集巖中，屬于“他生他儲”；而煤層氣源于煤層又賦存于煤層中，屬于“自生自儲”。

常規天然氣通過動態平衡控制氣藏聚集量，氣藏的形成是動態平衡的過程，供給和散失始終同時進行，只有當供給量大于散失量時，氣藏才能夠形成并保存；而煤層氣主要是由溫壓場控制含氣量。

常規天然氣氣勢控制天然氣的運聚方向，天然氣在運移過程中，主要受三種作用力共同控制：浮力、彈性力和毛細管力，由高氣勢區向低氣勢區聚集［3］；水勢控制著煤層氣的聚集部位，受水勢影響，向斜一般具有地層水的向心流動機制，為地下水低勢區，是煤層氣富集的場所，同時，受蓋層影響，向斜部位上覆地層有效厚度大，維持較高的地層壓力系統，有利于煤層氣保存。

2.2儲集特征與氣藏特征

常規天然氣主要以游離態存在于儲層孔隙中，儲層壓力大，滲透率較高，對應力不敏感，聚集量主要與孔隙空間的大小有關［3］；煤層氣以吸附形式賦存于煤孔隙內的表面上，聚集量與煤層的吸附性密切相關，儲層微孔和裂隙發育，滲透率較低，對應力敏感，儲層易受污染。具體見圖1所示。

圖1　常規天然氣與煤層氣儲集特征差異

常規天然氣儲層孔隙空間被游離氣所占據，存在少量束縛水；而煤層氣藏孔隙的空間主體被水占據，80%的氣體吸附在顆粒表面，含少量水溶氣。

常規天然氣含有明顯的含氣便捷，邊界內外含氣性是有無關系，氣藏具有統一的氣水界面，水主要以邊水和底水的形式存在［3］；而煤層中不同區域含氣量是多與少的關系，受孔隙水、斷層、運移等影響，煤層氣藏無統一的壓力系統，無氣水界面，水遍布增個煤層。

2.3儲層力學性質不同

常規天然氣儲層一般為均質儲層，煤儲層為非均質儲層，儲量評估困難。

常規天然氣儲層為砂巖、灰巖等，儲層抗壓、抗剪強度較大；而煤層抗壓強度、抗剪強度較小，儲層改造過程易對煤層造成傷害。

另外，由于礦山建設要求，煤層氣儲層強化方式不得對煤層頂底板造成較大損害，也不得或盡可能的減少井下金屬管材或工具的留置。

3　常規天然氣與煤層氣儲層強化方式

儲層特征不同，導致儲層強化的目的與特點不同，常規天然氣儲層滲透率相對較高，儲層改造的主要目的是消除鉆完井過程中產生的近井地帶傷害，提高或恢復近井地帶地層滲透率，并改善控制范圍內地層滲透率。而煤儲層滲透率較低，在消除近井地帶污染的基礎上，儲層改造的主要目的在于改善儲層滲透率，并采取措施加以維持。

3.1常規天然氣儲層強化

為實現消除鉆完井過程中產生的近井地帶傷害，提高或恢復儲層滲透率的目的，常規天然氣的儲層強化方式主要有：水力壓裂、酸洗、基質酸化、酸壓［4］。

水力壓裂：是利用地面高壓泵，通過井筒向儲層擠注具有較高粘度的壓裂液壓裂儲層，這時，繼續不停地向油層擠注壓裂液，裂縫就會繼續向儲層內部擴張。為了保持壓開的裂縫處于張開狀態，接著向油層擠入帶有支撐劑（通常石英砂）的攜砂液，攜砂液進入裂縫之后，一方面可以使裂縫繼續向前延伸，另一方面可以支撐已經壓開的裂縫，使其不致于閉合。再接著注入頂替液，將井筒的攜砂液全部頂替進入裂縫，用石英砂將裂縫支撐起來。最后，注入的高粘度壓裂液會自動降解排出井筒之外，在油層中留下一條或多條長、寬、高不等的裂縫，使油層與井筒之間建立起一條新的流體通道。壓裂之后，油氣井的產量一般會大幅度增長。

酸洗：將酸液注入預定井段，或通過靜置反應，或通過正反循環，清除井筒內的酸溶性結垢物，或疏通射孔孔眼，

基質酸化：使用高壓泵注入酸液，井底壓力大于地層壓力而小于地層破裂壓力，酸液沿地層孔隙作徑向流動，溶蝕孔隙及其中堵塞物質，從而解除近井地帶的污染，恢復或提高地層的滲透率，能在不增大水、氣產量的情況下增產。

酸洗：使用高壓泵注入酸液，施工壓力大于地層破裂壓力，在井底形成人工裂縫，酸液沿裂縫流動反應，不但可解除近井地帶污染，還可改變儲層流型，溝通深部氣藏，大幅提高油氣井產量。

3.2煤層氣儲層強化

煤層氣增產改造機理與常規油氣井的增產改造并無本質的區別，在完井方式和水力壓裂技術上充分借鑒了常規天然氣井的經驗，但由于煤層氣的賦存狀態、儲層特征、巖石力學性質不同于常規砂巖儲層，使得煤層氣裂縫擴展規律及增產機理不同于常規砂巖儲層。煤層氣儲層強化技術主要包括：清水壓裂技術、活性水加砂壓裂技術、氮氣泡沫壓裂技術、水平井分段壓裂技術、多分支水平井鉆完井技術、井下地面聯合抽采技術等。

針對部分滲透性較好、煤層結構完整的儲層，采用清水（不加砂）壓裂技術，成本僅為活性水加砂壓裂的一半，結合封隔球的使用，可打開多層煤層［5］。

煤層氣活性水加砂壓裂與常規天然氣施工工藝相同，均是通過射孔、注液來實現，不同的是注液量、加砂量、注入壓力較常規天然氣的少，注入方案需根據煤儲層情況、臨井情況進行調整。

氮氣泡沫壓裂技術主要應用于非常規天然氣儲層強化中，在壓裂施工過程中 ，通過液氮泵車使液氮經過地面三通與含發泡劑的水基壓裂液混合，形成一定質量的泡沫壓裂液，利用液氮和凍膠的混合液進行加砂壓裂施工。氮氣泡沫壓裂液粘度較高，具有較強的攜砂能力，可有效降低壓裂液在煤層中的濾失性，較常規活性水壓裂相比，見氣周期短。

水平井分段壓裂技術。由于煤層滲透率低，單井產氣量低，為最大限度的增加產氣量，應用水平井+分段壓裂技術開發煤層氣。水平井能夠增加有效井段的長度，而分段壓裂技術能夠在煤儲層中產生裂縫，最終井眼與裂縫溝通，最大限度的改善儲層滲透率。依據壓裂工藝的不同，水平井分段壓裂技術又可分為：多級滑套封隔器分段壓裂、裸眼水平井可膨脹封隔器分段壓裂、水平井水力噴砂分段壓裂、水平井多級可鉆式橋塞分段壓裂等，根據不同的條件，有不同的適應性，該技術在國內有所應用，井眼、地層適應性工作尚在進行，施工示意圖詳見圖2。

多分支水平井技術。嚴格說來，多分支水平井技術屬于鉆完井技術，該技術致力于最大限度的擴大鉆孔覆蓋面積，美國CDX公司開發的魚骨狀多分支水平井技術處于領先地位，具體見圖3。資料表明，魚骨狀分支井控制范圍可達0.5km2，羽狀水平井單井日產氣量為直井的3～7倍。與多分支水平井技術向結合，開發出了針對煤層氣井的玻璃鋼篩管、PE篩管完井技術等。

圖2　分段壓裂技術

圖3　多分支水平井技術

井下地面聯合抽采技術。煤層氣的開采除了滿足資源開發的目的外，還要滿足煤礦瓦斯抽采的作用。隨著煤礦井下近水平定向鉆進技術的發展，采用煤礦井下、地面聯合抽采成為現實，結合煤礦采掘計劃，在井下布置一組或多組近水平長鉆孔，同時，在地面周邊區域施工一口或多口排采直井，通過活性水加砂壓裂或清水壓裂，將水平井與排采直井通過裂縫溝通，從而有效降低煤層氣井開采成本，該技術在沁水盆地已進行試驗性應用。

4　不同強化方式儲層適應性

煤層氣開采的不同強化方式有其儲層適應性，針對不同的儲層，選用合適的儲層強化方式。根據現有資料分析，不同儲層強化方式的儲層適應性見表1。

表1　儲層強化方式的儲層適應性

不同煤儲層采用的儲層強化方式并不是一成不變，需要根據儲層情況進行具體確定，同時還應考慮經濟因素的影響。

5　結論

（1）煤儲層特性與常規天然氣儲層特性有所不同，儲層滲透性及物理力學性質的差異導致儲層強化方式有所不同。

（2）根據不同煤儲層特點，初步提出不同儲層強化方式適應的煤儲層類型，由于煤儲層屬性千差萬別，實施時需根據具體情況進行調整。

（3）與常規天然氣儲層相比，煤儲層屬于低壓低滲儲層，需要不斷摸索新的儲層改造工藝，盡可能改善煤層滲透性。

（4）煤層需要在井下進行開采，選擇儲層改造方式時，需要避免嚴重破壞煤層頂底板。

［1］中聯煤層氣有限公司.中國煤層氣勘探開發技術研究［M］.北京：石油工業出版社，2007.

［2］王有坤.貴州松河龍潭煤系非常規天然氣儲層強化機理與工藝［D］.徐州：中國礦業大學，2015.

［3］戴金星等.中國天然氣地質學［M］.北京：石油工業出版社，1992. ［4］何文淵.中國石油儲層改造技術的現狀與建議［J］.石油科技論壇，2013（02）：34-38.

［5］郭洋，楊勝來.煤層氣壓裂和排采技術應用現狀與進展［J］.天然氣與石油，2011，29（08）：62-64.

［6］張云鵬.煤層氣井液氮壓裂技術研究［D］.成都：西南石油大學，2015.

［7］胡艾國. 沁水盆地煤層泡沫壓裂液研究及性能分析評價［D］.成都：成都理工大學，2011.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.14.067

李寶印（1973-），男，滿族，新疆烏魯木齊人，本科。