低滲透煤儲層煤層氣高效開采技術途徑研究

李友誼，靳小平

（山西藍焰煤層氣集團有限責任公司，山西 晉城 048000）

作為一種優質的清潔能源，煤層氣具有很大的開發價值，但是其以吸附狀態存儲在煤層中，導致其開采并不容易，尤其是低滲透煤儲層煤層氣的開采面臨著很大的困難，嚴重制約了其開采效率和開采量，制約了煤層氣資源的開發[1]。相關數據顯示，我國擁有豐富的低滲透煤儲層煤層氣儲量，滲透率在（0.001～0.100）×10-3μm2，開采起來非常困難，這嚴重制約了我國煤層氣工業的進一步發展[2]。在這樣的背景下，低滲透煤儲層煤層氣的開發技術已經成為研究人員的重要研究方向[3]。

1 低滲透煤儲層煤層氣開采概述

相關數據顯示,我國煤層氣大部分是難以開采的低滲透煤儲層煤層氣，嚴重制約了我國煤層氣的開采效率[4]。按照美國地面煤層氣開發的經驗數據，最適合進行煤層氣開采的煤田滲透率是（3～4）×10-3μm2，而且低于1×10-3μm2就很難開采。我國煤層的滲透率普遍比美國煤儲層低1～2個數量級，因此我國煤層氣開采面臨的困難比較大，低滲透性已經成為制約我國煤層氣產業發展的主要因素之一。

隨著我國煤層氣產業的發展，許多研究人員對低滲透煤儲層煤層氣的開采進行了大量的研究，也采取了大量的解決方案，如大力沖孔、水力割縫、大直徑密集鉆孔開采、擴孔技術，雖取得一定的效果，卻不盡如人意，時至今日仍然沒有建立起真正高效的低滲透煤儲層煤層氣的抽放技術方案。不僅是我國，其他國家在這一問題上也沒有取得實質性突破，所研發的技術基本都并不具備普遍性，只能夠在特定煤層中應用[5]。

2 低滲透煤儲層煤層氣開采技術介紹

2.1 裸眼洞穴完井技術

裸眼洞穴完井技術這一煤層氣開采技術在沁水區塊取得了成功，這一技術的原理是通過使用特殊的井下工具使煤層出現坍塌，通過坍塌作用喝煤屑的不斷排除，使井下形成比井徑大得多的空腔。應用裸眼完井技術需要煤層具有以下幾方面的條件，即含氣量、高超壓煤層、厚度等，其中單層煤層的厚度應大于5 m，含氣量要超過15 m3/t滲透率要大于5×10-3μm2，同時上下圍巖的結構要比較穩定。在實際應用過程中，需要將高壓空氣注入煤層中，使得井筒壓力要大于井筒周邊最小的地應力，從而使其產生張性裂縫，在壓力被突然釋放后，使煤層剪切破壞，促使煤粉落到井筒之中。然后，利用周期循環的鉆井液將煤層微粒和水進行同時反排，在每個周期結束后，將鉆具旋轉下放，然后利用泡沫來產生負壓，對目的層洞穴中的煤粉進行清洗，直至井內部只反出清水。洗井作業完成后，關閉閥門使系統完全封閉，對井內部的壓力進行檢測，記錄，然后開啟閘門來檢測產出氣體的流量，并開展點火試驗，基于數據對排采參數進行改進。通過裸眼完井技術進行煤層氣的開采，具有效果顯著的優點，在完全排除地層水和井底煤屑之后，能夠大幅度增加煤氣產量。另外，這種完井方式還能夠提供良好的遠期經濟效益，具有較低的相對成本。這種技術的缺點在于，需要較長的施工周期，工藝也相對復雜，導致其相較于其他完井方式，風險較大。

裸眼洞穴完井技術主要步驟為：一是開鉆至穩定基巖以下，然后下套管固井；二是開鉆至煤層頂部，然后下套管固井；三是開鉆開煤層至設計井深；四是對煤層進行壓裂改造；五是用機械方式進行洞穴改造，然后下入篩管，井身結構示意圖如圖1所示。

2.2 直井水力壓裂工藝技術

直井水力壓裂技術的原理為，首先要通過地面高壓泵向地層中注入壓力液，所注入的壓力液的量要超過該地層的吸收能力，從而在井中形成高壓，當這一壓力大于地應力以及底層的張拉強度時，井底就會在外部壓力下產生裂縫。當出現裂縫后，繼續注入含有支撐劑的壓裂液，就會使直井中的裂縫繼續延伸。之后關閉直井，此時支撐劑就會閉合在裂縫上，然后就會使井底附近地層內形成一定尺寸的填砂裂縫，可以十分有效地將井筒與煤層天然裂隙溝通，提高了煤層至井筒的導流能力，擴大了排水降壓范圍，從而有效地提高了煤層氣產量和采收率。

圖1 裸眼洞穴完井井身結構簡圖

直井水力壓裂技術設計時主要考慮因素很多，主要有：壓裂規模（水量、砂量）、射孔參數（孔密度、孔徑、相位角）、支撐劑參數（材質、粒徑、磨圓度等）、施工排量、施工壓力、壓裂設備選型等。

2.3 多分支平井技術

常規直井開采技術無法擺脫“點”的局限性，實際上煤層氣的產出更要考慮“面”的影響。多分支平井正是基于這種“面”理念而提出的增加低滲透煤儲層煤層氣產量的一種技術，在實際應用這一技術的過程中，人們會在主井的兩側增加多個井眼，這些多鉆的井眼會作為煤層氣的泄氣通道。這些分支的井筒能夠有效擴展微裂縫，實現裂縫系統和微裂縫的聯通，使它們共同組成網狀的通道，這樣能夠有效降低煤層氣和游離水的阻力，從而有效提升裂縫中的氣液流動速度，進而促進煤層氣產量的提升。

在煤層氣的開采過程中，地質條件是不一樣，所能投入的成本也不相同，為了充分提高分支井的利用效率，通常會在一個井場朝對稱的幾個方向布設水平井眼，實現煤層在面上的同時開采。值得一提的是，多分支平井技術通常要求地質構造簡單、煤層傾角小、煤厚穩定和煤結構完整，否則會給多分支平井施工帶來很大難度和風險，這就局限了多分支平井技術的選址和部署。在實際運用中，通常是直井技術和多分支平井技術相結合，以最大程度提高開發區塊的煤層氣采收率。

2.4 注氣增產技術

注氣增產技術通常應用于滲透率大于1×10-3μm2，深埋在300～1500 m范圍內的煤層氣開采，同時要求地層條件較好，具有單一的結構，并且均質性要好。注氣增產技術的原理是多元氣體之間存在相互的影響，同時煤對于不同氣體的吸附能力以及吸附速率并不相同，利用這一原理，能夠有效提高煤層甲烷氣體的產量。注氣增產技術有兩種方式，其一，可以向煤層中注入氮氣等惰性氣體，這樣能夠降低煤層中甲烷氣體的有效分壓，起到提高其產量的作用。其二，向煤層中注入二氧化碳，由于煤層對于二氧化碳的吸附能力和速率都大于甲烷，因此注入二氧化碳不僅能夠起到降低甲烷有效分壓的作用，還能夠通過競爭吸附的作用，將吸附在煤層中的甲烷釋放出來，從而進一步提高甲烷氣體的產量。

3 低滲透煤層氣的注熱增產有效技術途徑

研究表明，溫度對于煤儲層的滲透率有著較大的影響。溫度會產生熱應力，通常情況下，這一熱應力能夠使煤儲層出現形變，導致熱破裂現象，這樣就會造成大量新裂縫的出現，這會給煤層的滲透率造成較大的影響。另外，溫度還會影響煤儲層的氣體吸附，影響煤儲層的解吸平衡，從而改變其中煤層氣的吸附特征。同時，較高的溫度還能夠使煤儲層出現熱解的現象，這一現象也會一定程度上對于煤儲層的滲透率造成影響。

煤層氣開采的主要流程如下，第一步要進行地面鉆井工作，當鉆井施工到達煤儲層后，需要進行固井和完井等工作。在進行煤層氣的開采時，還需要通過鉆井來應用壓裂液，使煤層出現壓裂，在完成壓裂操作后，煤層的裂縫會出現擴展和延伸，并且增大滲透率，這樣能夠有效促進煤層氣的排出。之后通過煤層氣井以及地面管線能夠將氣水混合物同時排除，然后通過氣水分離器將煤層氣和水進行分離，獲得的煤層氣會進行壓縮處理，再通過輸氣管線進行運輸，而回收的壓裂液將會再次進行應用，循環進行煤層氣的開采。通過對煤層氣開采過程進行整體分析可知，煤儲層的滲透性對于煤層氣的產量具有非常大的影響，同時，大部分煤層氣井在排除氣、液體后，煤儲層中的裂縫也會閉合，因此需要及時將煤層氣進行轉移，這樣才能夠保證其產量，減少不必要的損失。

注熱增產技術具體的施工方法如下：首先，要在地面建設一個高溫高壓的鍋爐，然后應用其生產高溫高壓的蒸汽，并用其代替普通的壓裂液，利用其進行煤儲層的壓裂，增大煤層的滲透率，達到增加煤層氣產量的目的。當向煤儲層中注入高溫蒸汽后，溫度上升的同時，有效應力也會不斷提高，二者會形成共同作用，促進低滲透煤儲層中的裂縫進行擴展和延伸，從而使煤儲層內部出現熱破裂的情況，這樣就會產生很多新的微小裂縫。隨著時間的不斷推移，這些新形成的微小裂縫會逐步擴張，最終形成網絡裂縫結構，這樣能夠有效提高低滲透煤儲層的孔隙率，促進其滲透性的增加，這會給煤層氣提供更多的傳輸通道，提高煤層氣的產量。而且，溫度的升高還會影響原有的解析平衡，使大量煤層氣脫離煤表面，加之甲烷分子具有較強的活性，隨著能量的增加，相應的解吸速度也會進一步增加，并且會隨著形成的裂縫進行擴散，從而促進煤層氣產量的增加。

4 結論

我國擁有非常豐富的煤層氣資源，但是大部分的滲透率比較低，導致煤層氣的開采比較困難。因此，在進行低滲透煤儲層煤層氣的開采過程中，人們應基于煤層的實際情況，選擇合理的開發技術來提升煤儲層滲透率和煤層氣的開采率，高效地開采煤層氣這一清潔能源，提高企業的經濟效益。