中國煤層氣地面井開采儲層改造技術現狀與展望

楊長鑫 楊兆中 李小剛 賀宇廷 易良平

“油氣藏地質及開發工程”國家重點實驗室·西南石油大學

0 引言

目前，中國天然氣對外依存度超過40%，預計2035 年天然氣消費量將達到 6 000×108m3[1]，屆時天然氣對外依存度將超過50%。加大對煤層氣的勘探開發力度對縮小中國天然氣需求缺口，保障能源安全具有重大意義。中國埋深2 000 m以淺煤層氣資源量為30.05×108m3，主要分布于鄂爾多斯盆地東緣、沁水盆地南部、滇東黔西川南以及準噶爾盆地南部等地區[2-3]。截至2020年底，全國煤層氣累計鉆井21 217口，其中直井19 540口、水平井1 677口，投產井12 880口[4]。國家自然資源部2021年公布數據顯示，全國煤層氣累計探明地質儲量 7 259.11×108m3，煤層氣地面井產氣量為57.67×108m3[5]。中國煤層氣勘探開發仍然存在資源探明率低、單井平均產氣量低等難題[6-7]。建立與中國煤層氣地質特點相適應的勘探開發技術體系，是解決這些問題的必由之路，儲層改造技術是該體系的重要部分。鑒于此，筆者論述煤層氣地面井開采儲層改造技術的發展現狀與發展趨勢，以期為中國煤層氣儲層改造技術攻關提供有益的參考。

1 儲層改造技術現狀

中國煤層氣地面開發經歷了前期探索階段、試驗開發階段和商業開發階段（圖1），這一過程具有以下特點：①煤層氣勘探開發從高階煤—低階煤，由淺層邁向深層；②技術體系，從激勵增滲（通過儲層激勵構建高速滲流通道）強化采氣，到采煤采氣一體化；③產業發展方面，建立了沁水盆地南部（沁南）和鄂爾多斯東部（鄂東）兩大煤層氣商業化開發中心。

圖1 中國煤層氣不同開發階段下地面井產氣量和重要節點圖

水力壓裂、注CO2驅替、電脈沖可控沖擊波致裂等儲層改造技術在中國煤層開發過程中發揮了重要的作用（圖1）。根據目前的技術成熟度和應用廣泛性，中國煤層氣地面井儲層改造技術可分為主體應用技術、試驗應用技術、潛在發展技術三大類。下面從解決關鍵科學問題、推動技術進步的角度，闡述三大類技術的發展現狀。

1.1 主體應用技術

1.1.1 地應力—壓裂縫演化特征與壓裂工藝創新

厘清儲層中地應力和壓裂縫擴展規律，是壓裂工藝優化設計和壓裂后效果評價的基礎。孟召平等[8]基于水力壓裂試驗，分析了煤層地應力與儲層埋深之間的關系。葉建平等[9]研究了多條壓裂縫在儲層中產生的誘導應力分布規律，提出深煤層井組水力波及壓裂技術，在沁水盆地柿莊北地區得到了有效的應用。針對煤層縱向上多薄互層疊置的特點，楊兆中等[10]以煤層壓力梯度和滲透率為指標建立了煤層壓裂分層方法。中石油發展了頂板間接壓裂技術，在鄂爾多斯盆地韓城地區成功應用[11]。劉英君等[12]建立了煤層氣滲流—應力耦合的四維地應力演化模型，用以指導煤層氣井重復壓裂選井。黃旭超等[13-14]借助真三軸水力壓裂試驗系統，對裂縫復雜延伸與多裂縫競爭擴展等科學問題進行了深入研究，并通過數值模擬方法建立了復雜煤層多裂縫擴展模型[15-17]，繪制了壓裂泵注參數優化圖版。

1.1.2 支撐劑輸運—導流規律與加砂工藝優化

支撐劑縫內鋪置規律和受壓變形特征直接影響壓后裂縫的導流能力。李小剛等[18]利用室內大型可視化物理模擬裝置研究分支裂縫內支撐劑運輸特征，提出了通過調整攜砂液、支撐劑和泵注排量改善支撐劑鋪置效果的建議，部分技術理念已在煤層氣井重復壓裂中得到驗證[19]。在壓裂縫導流能力評價方面，支撐劑嵌入[20]和煤粉運移[21]是研究的熱點。車星祥等[22]分析了不同閉合壓力下陶料、石英砂、覆膜砂等3種支撐劑在煤巖中的嵌入特征，并將嵌入影響下巖樣表面破碎過程分為彈性變形、微破裂、局部破裂以及破裂面連通4個階段。蔣金龍[21]研究了煤粉在壓裂支撐裂縫內的微觀運移機理并提出了降低煤粉對導流能力傷害的技術對策。劉巖等[23]分析了煤粉運移對導流能力的影響特征及傷害機理，提出尾追大料徑支撐劑排出煤粉以提升導流能力的建議。

1.1.3 壓裂曲線反演方法與造縫工藝調整

已有煤礦巷道觀察發現，地面井的壓裂縫并非簡單的對稱雙翼裂縫。因此，以對稱雙翼縫假設為基礎的Nolte-Smith裂縫反演方法需被改進。趙運祥等[24]通過引入凈上覆壓力分析方法對Nolte-Smith雙對數曲線分析方法進行修正，對煤層氣井壓裂縫形態進行反演。莊登登等[25]研究了壓裂施工曲線變化與儲層污染程度之間的聯系。頁巖氣壓裂施工曲線反演的最新進展[26]可為煤層氣井壓裂曲線反演提供參考。張萬春等[27]基于壓裂縫反演理論分析了煤層氣井重復壓裂裂縫形態與壓裂效果，提出通過階梯升排量多級壓裂或縫內暫堵轉向壓裂等方式形成高效增產的狹長裂縫，為柿莊南部地區煤層氣重復壓裂施工設計優化提供了參考。

1.1.4 外來流體—煤巖作用機理與儲層改造技術升級

1.1.4.1 水力壓裂相關研究

基于室內儲層損害機理研究，綜合考慮攜砂、返排、環保、成本等因素，中國發展了以活性水壓裂液為主，交聯凍膠壓裂液、泡沫壓裂液、清潔壓裂液為輔的煤層壓裂液體系[28]。韓金軒等[29]探究了柿莊北部深煤層壓裂傷害機理并評價了不同類型壓裂液的傷害性。延川南煤層氣田2口深煤層氣井開展了N2泡沫重復壓裂試驗，壓裂后平均單井日產氣量超過1 000 m3[30]。基于對煤層損害機理的新認識，高煤階煤層氣的疏導壓裂技術被廣泛應用，改造后氣井平均產氣量超 2 000 m3/d[31]。

1.1.4.2 酸化相關研究

趙博等[32]通過實驗發現煤巖中的裂隙發育程度與礦物組成特征是影響酸化增滲效果的主要因素。Li等[33]分析了酸化處理后煤巖的孔滲性質與力學強度變化。李曙光等[34]分析認為深層煤層酸化壓裂改造效果主要受到酸壓施工因素的影響。鄂爾多斯盆地韓城區塊通過酸化解堵工藝[35]進行老井挖潛，中能煤礦開展了脈動式壓裂酸化試驗[36]，效果明顯優于傳統水力壓裂技術。

1.1.4.3 注氣驅替相關研究

2004年，國內首次開展了注CO2驅替煤層甲烷現場探索試驗[37]，并于2006年進行了注壓縮空氣驅替煤層甲烷現場試驗。近年來，國內學者聚焦多元競爭吸附機理、驅替置換規律、煤巖孔滲變化研究[38-39]，有效推動了注氣驅替技術的工程應用，開展了注氣促抽技術現場試驗[40]，并發展了前置CO2增能助解吸壓裂技術[41]，已在滇東煤層氣井進行了初步試驗。

1.2 試驗應用技術

1.2.1 復雜脈沖應力波破巖規律與脈沖工藝參數優化

2010年，中國首次提出電脈沖增透以增產煤層氣的構想[42-44]。經過十多年發展，電脈沖增透技術基礎研究與現場試驗均有所突破。盧紅奇等[45]與馬帥旗[46]分別以混凝土和原煤作為巖樣，研究高壓脈沖放電作用下裂隙萌生及擴展規律。Yan等[47]發現煤巖孔滲改善主要源于宏觀與介觀孔隙數目增加以及大量微裂縫形成。周曉亭等[48]通過高聚能重復脈沖波物理模擬試驗，將煤樣破壞過程分為微裂隙生成、裂隙網絡強化及煤巖解體破壞3個階段。技術應用方面，沁水盆地進行了高聚能電脈沖技術現場試驗，試驗后煤層的液體流動和氣體解吸能力明顯改善[43]。鄂爾多斯盆地延川南區塊煤層氣井開展了可控脈沖解堵增透技術試驗，作業后氣井產能明顯恢復[44]。

1.2.2 微生物—煤生化反應機理與礦場先導性試驗

微生物分解技術通過生物化學作用將固態煤轉化為生物甲烷，并改善煤巖孔隙結構，從而突破了常規儲層改造技術僅能改造流動通道的局限。中國煤層氣微生物技術起步較晚，基礎研究聚焦甲烷產出與煤巖增滲兩個方面，應用試驗僅有少量報道。郭紅玉等[49]驗證了微生物分解煤轉化生物甲烷的可行性，趙娜等[50]發現微生物與煤反應產物主要為H2、CO2與CH4。魏國琴等[51]發現可通過外源刺激物來提升微生物分解煤與生成甲烷的效率。蘇現波等[52]基于原位厭氧發酵裝置實驗證明了超臨界CO2對甲烷生成的促進作用。現場試驗方面，山西晉城煤層氣井鄭1-312開展了微生物增產現場試驗，作業后平均產氣量由 16.81 m3/d 上升至 75.13 m3/d[53]，沁水盆地鄭莊區塊部分低產井開展了微生物解堵先導性試驗[54]。

1.3 潛在發展技術

1.3.1 微波加熱儲層多物理場演化規律與加熱模式

微波加熱能促進煤巖中氣體分子運動與孔隙中水分蒸發，促使微裂隙形成與發育，從而增大滲流通道，提升煤巖的滲透性能[55]。Lan等[56]通過掃描電鏡觀察微波加熱后煤巖孔隙結構變化，認為微波加熱致裂煤巖機理主要包括煤巖基質脫水收縮、煤顆料與巖石礦物剝離以及煤巖顆料內部開裂。Hong等[57]基于COMSOL數值仿真模擬平臺分析了不同微波功率、微波頻率及巖樣位置下煤巖中溫度場分布情況，Su等[58]研究了微波定向加熱條件下煤巖中的溫度場分布情況，二者認為存在使煤巖溫度最大化的最優微波加熱頻率。楊新樂等[59]對比分析常規連續加熱與脈動循環加熱下儲層溫度場與滲流場的演化規律，提出了脈動微波循環加熱方式。

1.3.2 微波加熱CH4解吸滲流規律與工藝參數優化

實驗結果表明[60]，在微波輻射條件下煤巖中解吸的甲烷總量是煤巖自然解吸甲烷總量的1.91～3.92倍。Wang等[61]發現，微波加熱相較于普通傳導加熱更能有效促進CH4解吸，解吸效率與微波加熱功率呈正相關；張永利等[62]的研究結果表明，煤體升溫快慢與加熱范圍很大程度上受微波功率的影響。Lu等[63]的實驗結果表明，微波加熱能增大微孔與中孔的體積，并減少煤巖基質表面CH4的吸附點位以促進CH4解吸。現階段室內理論研究已初步揭示微波加熱下CH4解吸效果與煤巖孔滲變化規律，但因缺乏井下關鍵設備，以致微波加熱技術尚處在室內研究階段，未見井下試驗報道。

2 儲層改造技術展望

經過多年攻堅克難，中國的煤層氣勘探開發取得重要突破，逐漸由高階煤向低階煤、淺層向深層發展[64-67]。從資源探明率和年產量規模看，中國煤層氣勘探開發仍處于成長期，需繼續攻關以下科學問題并解決技術難題，進一步提高儲層改造效果，促進單井產量大幅提升。

2.1 主體應用技術

2.1.1 需要攻關的科學問題

1）非均勻地應力場中復雜裂縫三維擴展規律。現有水力壓裂力學理論模型未能充分考慮煤層結構的復雜性，大多假設地應力場均勻分布，無法模擬割理、裂隙以及隔層影響下“千層餅形”“T字形”“工字形”等三維復雜裂縫擴展過程[68]（圖2），難以揭示支撐劑輸運與裂縫擴展兩個物理現象的相互作用機理。

圖2 煤層壓裂后三維復雜裂縫擴展過程縱向剖面圖

2）儲層壓裂增滲與CH4解吸、擴散傳質協同機制。水力壓裂通過形成人工裂縫提升儲層滲透性，降低滲流阻力，而煤層氣產出機理主要為“解吸—擴散—滲流”三元串聯機制[6]或“解吸—滲流”二元串聯機制[70]。壓裂改造增滲機理與煤層氣產出機理不完全匹配，通過傳統水力壓裂技術難以對CH4解吸與擴散過程進行有效激勵。

3）多元流質復合致裂煤巖機理。現有水力壓裂技術主要以活性水通過液壓作用致裂煤巖，由于水基壓裂液易產生儲層損害并消耗大量淡水資源，而高能氣體壓裂、液態CO2壓裂等壓裂工藝實施過程中存在競爭吸附、基質變形、氣液相變等多個物理過程，需深入研究原地環境下不同流體對煤巖的復合致裂機理。

4）煤層跨尺度多元氣體滲流規律。現有煤層注氣驅替研究多集中于微觀尺度的多元氣體競爭吸附與孔隙結構變化等方面，無法直接給出實際工程中混合氣體組分、注氣體積及注氣時間等關鍵工藝參數，需在室內研究基礎上分析工程尺度下注氣驅替過程中多元氣體滲流規律，指導實際工程應用。

5）有機巖溶蝕與溶解機理。現有酸化、酸壓研究主要集中于碳酸鹽巖與砂巖，未能充分考慮煤巖有機巖石特點，限制了技術的應用范圍，需深入開展煤巖溶蝕機理研究。

2.1.2 需要解決的技術難題

2.1.2.1 煤層復雜裂縫擴展模擬與壓裂參數優化技術

深入分析不同煤階儲層的地質特征差異，構建包括應力場、滲流場、溫度場等多場耦合裂縫起裂擴展模型，形成煤層壓裂跨尺度全三維復雜起裂擴展可視化模擬軟件，并以單井產能為目標構建壓裂參數優化設計方法，綜合提升煤層壓裂改造的效果。

2.1.2.2 有效增滲與強化解吸的復合儲層改造技術

水力壓裂技術的主要優勢是通過儲層激勵構建高速滲流通道，為貼合煤層氣產出機理，需通過注氣驅替或微波加熱等技術對煤層氣的解吸與擴散過程進行有效激勵，形成復合儲層改造技術，優化多種儲層改造技術的組合方式，實現煤層氣“解吸—擴散—滲流”全過程激勵。

2.1.2.3 綠色環保的無水/少水壓裂技術

深入研究并完善以超臨界CO2壓裂技術為代表的無水/少水壓裂技術，降低煤層氣儲層改造中對水資源需求和對儲層的污染損害，通過競爭吸附、驅替置換提高煤層氣采收率。

2.1.2.4 采集、注入及監測一體化智能注氣驅替技術

基于選井選層標準、儲層損害機理以及多元氣體滲流規律，利用互聯網、大數據及人工智能等數字信息化技術，建立煤層氣井全生命周期注氣驅替智能化決策管理平臺，使用自動化機械裝置對工業廢氣、溫室氣體進行采集，以最大產出為目標自動調控與優化注氣方案，并通過智能化監測手段對氣體進行實時監測，實現智能化注氣驅替改造與開發。

2.1.2.5 高效溶蝕煤巖的工作液體系

充分考慮煤巖組成的特殊性，將溶蝕反應對象由常規無機礦物拓寬至有機質礦物，厘清無機礦物與有機質礦物在酸蝕溶解機理的差異，研發煤巖中有機質礦物進行有效溶蝕的化學體系。

2.2 試驗應用技術

2.2.1 需要攻關的科學問題

2.2.1.1 復雜巖體中電脈沖應力波傳播機理

煤巖中力學性質非均勻分布狀態增加了電脈沖應力波在儲層中傳播的復雜性，需在精準刻畫煤層地質結構的基礎上，深入分析原地環境下電脈沖應力波傳播規律。

2.2.1.2 電脈沖應力波致裂煤巖多場耦合機制

電脈沖應力波對煤巖致裂是波場—應力場—滲流場耦合過程，但應力波在儲層中的波及范圍一般小于儲層需要改造的范圍，難以對遠井筒區域進行有效激勵并形成宏觀滲流通道。因此需要探索多場耦合下的煤巖致裂與裂縫傳播主控因素，為工藝革新提供基礎依據。

2.2.1.3 煤層原地環境下微生物代謝繁殖與固態煤分解規律

目前對微生物分解技術的研究主要在室內展開，然而室內培養環境與實際儲層環境存在差異，篩選得到的微生物在現場試驗中改造增產效果甚微，需進一步開展煤層原位復雜條件下微生物代謝繁殖規律研究，揭示不同種類微生物分解煤并生成CH4的關鍵控制因素，明確最佳的溫度、壓力、pH值、生物酶等條件。

2.2.2 需要解決的技術難題

2.2.2.1 煤層遠距離定向電脈沖增透改造技術

在掌握脈沖應力波在復雜煤層中傳播規律的基礎上，評價電脈沖增透技術的儲層增滲效果與改造范圍，論證長距離深部改造的可行性，加快深部煤層定向電脈沖增透改造配套工具研制，實現在直井、水平井中對煤層氣地質甜點進行有效改造。

2.2.2.2 煤層高效增滲的復合電脈沖增透技術

針對電脈沖增透后裂縫無有效支撐以及單一技術儲層改造效果低等問題，可結合多種儲層改造技術的優勢形成復合電脈沖增透技術。例如，使用水力壓裂在煤層中構建沿水平最大主應力方向的主裂縫，再通過電脈沖增透技術產生與主縫相交的分支縫，形成具有一定導流能力的裂縫網絡，進而實現對深部儲層的更大范圍改造。

2.2.2.3 高效產出甲烷的微生物菌種篩選與培育技術

開展各類煤層微生物分解技術適應性評價，建立微生物菌種匹配庫，利用基因工程方法培養高效降解煤的產甲烷微生物，提高耐溫性、耐壓性以及新陳代謝速度以適用不同環境下的煤層，實現煤層氣資源的清潔高效利用。

2.3 潛在發展技術

2.3.1 需要攻關的科學問題

2.3.1.1 原地環境下煤巖微波加熱解吸—致裂—滲流規律

室內構建微波加熱環境與實際煤層中微波加熱情況存在較大差異，需深入研究煤層原位微波加熱下的解吸—致裂—滲流規律，分析煤巖孔隙結構變化，優化加熱功率、加熱時間等關鍵技術參數。

2.3.1.2 不同介質中微波傳播與損耗機理

現有技術下實現微波加熱煤層，需在地面將微波能量傳遞至地下儲層，或將微波發射裝置工具安裝在井下對煤層直接加熱。筆者設計了井下微波加熱儲層的工藝模式（圖3），但關鍵的井下微波裝置仍未突破，現可行方案是將微波由地面傳遞至儲層。因微波加熱效率受吸波介質屬性影響，加熱過程存在能量損耗，需對微波在不同介質中的傳遞規律進行研究，論證微波傳輸、加熱的可行性。

圖3 井下微波加熱改造煤層的工藝模式圖

2.3.2 需要解決的技術難題

2.3.2.1 煤層微波加熱改造評價標準

基于不同煤巖在原地環境下微波加熱孔滲變化與CH4解吸特征，明確符合煤層氣有效開發的微波加熱溫度、頻率及時間等關鍵工藝參數，并根據現階段技術條件，評價微波加熱技術對煤層氣儲層改造的可行性與經濟性，建立微波加熱技術的選井選層標準，完善煤層微波加熱改造技術體系。

2.3.2.2 井下煤層微波高效加熱裝備

充分考慮井下煤層地質環境的特殊性與復雜性，加快落實煤層微波加熱工藝標準，攻克工業化微波加熱裝置、高效傳導工具安全下井等技術關隘。

3 結論

1）通過攻關煤層壓裂裂縫擴展、支撐劑運移、電脈沖破巖、微生物生化反應、微波加熱煤巖等現象背后的科學問題，推動了儲層改造技術進步，形成了主體應用技術、試驗應用技術與潛在發展技術接續發展的局面，為中國煤層氣規模化開發提供了重要技術支撐。

2）為夯實煤層氣儲層改造技術發展的理論基礎，需持續攻關液壓致裂、電脈沖致裂、微波致裂等不同破巖方式下的煤巖裂縫擴展規律，壓裂液、酸液、微生物、CO2、N2等不同外來介質對煤巖的作用機理，儲層改造后煤層氣傳質與產出機理等科學問題。

3）單一技術進步基礎上的融合發展是煤層氣地面開采儲層改造技術的發展趨勢，完善水力壓裂優化設計與準確評價方法，加大脈沖增透技術試驗，打通微波裝備入井等技術堵點，研發適合不同煤層特點的儲層改造技術“組合拳”。