開發(fā)模式和增產(chǎn)技術(shù)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(fā)模式和增產(chǎn)技術(shù)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(xiàn)有的開發(fā)模式及增產(chǎn)技術(shù)，根據(jù)資料分析不同開發(fā)模式的優(yōu)缺點，同時在理論上討論不同開發(fā)模式與增產(chǎn)技術(shù)之間相互結(jié)合對煤層氣采收率的影響。其中，晉城礦區(qū)采用的采煤采氣一體化開發(fā)模式，能有效地提高煤層氣的采收率;地面直井壓裂增產(chǎn)技術(shù)是最常用的一種煤層氣地面抽采開發(fā)模式，同時提出新型的煤層氣增產(chǎn)技術(shù)——CO2-ECBM。

開發(fā)模式 增產(chǎn)技術(shù) 煤層氣采收率 采煤采氣一體化

1 開發(fā)模式與采收率研究

1.1 煤礦區(qū)煤層氣的開發(fā)

我國的煤礦區(qū)煤層氣資源的開發(fā)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(chǎn)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(qū)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(qū)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(fā)模式。

目前，中國的煤礦區(qū)煤層氣抽放技術(shù)在世界處于領(lǐng)先地位。同時，煤礦瓦斯抽放已由單一的本煤層抽放發(fā)展到本煤層抽放、鄰近層抽放、采動區(qū)抽放和采空區(qū)抽放、圍巖抽放等多對象抽放;抽放技術(shù)也已由單一的鉆孔抽放發(fā)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(jīng)成為煤礦區(qū)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(yīng)力場得到釋放，原巖應(yīng)力平衡遭到破壞，引起煤巖層膨脹變形，原來在高地應(yīng)力下封閉的裂隙系統(tǒng)重新開啟，在采空區(qū)四周形成一個連通的采動裂隙發(fā)育區(qū)即應(yīng)力場釋放區(qū)，從而使得對應(yīng)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(yīng)力場釋放區(qū)域運移，從而降低該區(qū)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(fā)模式，適合于煤層發(fā)育比較復雜，地表開發(fā)條件不好的，垂直鉆井和水平鉆井很難施工的礦區(qū)。晉城礦區(qū)在這方面已經(jīng)有成功實施的實例。在2003年初，晉城煤業(yè)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(shè)，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(chǎn)潛能。

1.2 原始煤儲層煤層氣的開發(fā)

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

(1)地面直井

煤層氣勘探開發(fā)的地面直井方式包括地面垂直井和地面采動區(qū)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(chǎn)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(nèi)外煤層氣勘探開發(fā)廣泛應(yīng)用的方式。受地質(zhì)條件的影響，垂直井煤層氣開發(fā)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(qū)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(guān)地面采動區(qū)井的資料相對較少。

我國的煤層氣勘探開發(fā)主要采用地面垂直井方式，采取壓裂增產(chǎn)的強化措施，產(chǎn)量和采收率增大效果比較顯著，近年來，地面垂直井數(shù)量大增。沁水盆地是我國煤層氣勘探開發(fā)的最熱點地區(qū)，煤層氣開發(fā)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(fā)區(qū)，主要采用地面垂直井、套管完井作業(yè)方式進行煤層氣開發(fā)，單井最高產(chǎn)量達到16000m3/d，平均產(chǎn)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(zhì)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(chǎn)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(xiàn)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(fā)育、煤層埋深淺、氣含量高、煤層氣富集，而且現(xiàn)有煤層氣勘探試驗區(qū)離煤炭生產(chǎn)區(qū)較遠，因此，比較適合于地面垂直井煤層氣開發(fā)，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(fā)是近年來煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究的新技術(shù)或引自石油天然氣系統(tǒng)的技術(shù)，比較適合低滲透煤儲層的煤層氣開發(fā)。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(cè)再側(cè)鉆出多個分支井，能夠穿越更多的煤層割理裂縫系統(tǒng)，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(chǎn)氣量。多分支水平井相對于地面直井有以下六點優(yōu)勢:

①增加了煤層氣產(chǎn)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(yè)，減輕了對煤儲層傷害;

④單井產(chǎn)氣量高，煤層氣采出程度高;

⑤提高了采收率，縮短了生產(chǎn)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(yōu)勢中，最明顯的就是提高了單井產(chǎn)氣量和采收率，縮短了生產(chǎn)周期。目前，我國沁水盆地南部多分支水平井單井日產(chǎn)量達到6000～40000m3，比直井壓裂方法單井產(chǎn)量提高5～10倍。在潘莊區(qū)塊內(nèi)，共布井251口，其中多分支水平井189口，直井62口，建設(shè)7億m3年產(chǎn)能。據(jù)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(chǎn)數(shù)據(jù)，按照100m分支間距布置多分支水平井，2～3年內(nèi)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(jù)數(shù)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(fā)模式的適應(yīng)條件

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

不同煤層氣開發(fā)方式有著不同的開發(fā)技術(shù)和工藝，對地形、地質(zhì)和投資等條件的適應(yīng)性也不一致。在同一地區(qū)或相同的開發(fā)條件下，采用不同的煤層氣開發(fā)方式，煤層氣井的開發(fā)效果會差別很大。因此，研究煤層氣不同開發(fā)方式適應(yīng)的地形、地質(zhì)和資金等條件，針對不同地區(qū)選擇合理有效的開發(fā)方式，對煤層氣開發(fā)至關(guān)重要。結(jié)合目前國內(nèi)外煤層勘探開發(fā)的實踐，根據(jù)煤層氣不同開發(fā)方式的技術(shù)和工藝，對其適應(yīng)條件進行分析，結(jié)果見表1。

表1 煤層氣不同開發(fā)模式的適應(yīng)條件

2 煤層氣井增產(chǎn)技術(shù)與采收率研究

在煤層氣開發(fā)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(xiàn)煤層氣井的高產(chǎn)，各種增產(chǎn)技術(shù)相繼被應(yīng)用于煤層氣的開發(fā)中來。目前最常見的增產(chǎn)技術(shù)包括煤儲層壓裂技術(shù)和注氣增產(chǎn)技術(shù)。

2.1 煤儲層壓裂技術(shù)

煤儲層壓裂技術(shù)是目前煤層氣開發(fā)普遍采用的增產(chǎn)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(wǎng)絡(luò)，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(wěn)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(chǎn)能及煤層氣的采收率。

壓裂技術(shù)是煤層氣開發(fā)過程中的關(guān)鍵技術(shù)。其重要性在于對產(chǎn)層進行改造，以提高生產(chǎn)層的產(chǎn)量。破裂壓力和瞬時關(guān)井壓力的設(shè)計是壓裂措施中最關(guān)鍵的技術(shù)。破裂壓力，即延伸一條已經(jīng)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(yīng)力大小相等，方向相反，這一應(yīng)力對應(yīng)于原位應(yīng)力中的最小主應(yīng)力)。瞬時關(guān)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(guān)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(tǒng)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(zhì)在造縫過程中成為一個至關(guān)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(yīng)力為垂向應(yīng)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(nèi)，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(tǒng);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(nèi)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(chǎn)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(yīng)力的作用下裂隙重新閉合。因此，在進行壓裂設(shè)計時要考慮鉆井、測井、完井、原地應(yīng)力、壓裂液、支撐劑等方面的資料，以求作出最佳設(shè)計。

目前，直井壓裂是最常用到的一種增產(chǎn)方式，在煤層氣開發(fā)的早期就已經(jīng)被美國等國家廣泛應(yīng)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(chǎn)氣一般在1000m3左右，隨后井組逐漸擴大到23口，連續(xù)排采4年以上，單井日產(chǎn)氣量逐漸增加到5000m3以上，在大規(guī)模生產(chǎn)階段，單井日產(chǎn)氣超過2×104m3;在圣胡安盆地早期的開發(fā)試驗也證實了相同的產(chǎn)氣規(guī)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(chǎn)措施，效果十分顯著。例如，在山西沁水潘河礦區(qū)，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(chǎn)量為0，壓后排液5～7d后見氣，PH1-6井日產(chǎn)氣量為3000～4000m3/d，PH1井日產(chǎn)氣量為2000～5800m3/d，增產(chǎn)效果十分顯著。

2.2 注氣增產(chǎn)技術(shù)

注氣增產(chǎn)技術(shù)主要有兩種方法:(1)注入CO2提高煤層氣采收率的技術(shù)，稱之為 CO2-ECBM;(2)注入N2降低CH4分壓。其中，CO2-ECBM技術(shù)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(huán)境壓力。

CO2-ECBM技術(shù)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(nèi)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(nèi)表面上的吸附位置，使CH4轉(zhuǎn)變?yōu)橛坞x態(tài)而產(chǎn)出。

作為提高煤層氣采收率的一個手段，CO2-ECBM技術(shù)已經(jīng)成為煤層氣領(lǐng)域的研究熱點之一。據(jù)估算，若采用這一技術(shù)，我國2000m以淺煤層強化注入CO2所能提高的煤層氣產(chǎn)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(jié)果顯示，煤中總吸附量關(guān)系為純CO2＞混合氣體＞純CH4，同時用CO2驅(qū)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(lián)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(shù)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(chǎn)井。試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在注入CO2后，4口井的CH4產(chǎn)量明顯增加 (表2)。

表2 多井試驗模擬生產(chǎn)產(chǎn)量變化統(tǒng)計表

多井模擬結(jié)果表明，在沁南地區(qū)煤層氣井注入CO2后，單井CH4產(chǎn)量明顯增加。在CO2注入期內(nèi)，平均產(chǎn)量是注入前產(chǎn)量的2.8～15倍，其采收率也相應(yīng)的提高相同倍數(shù)。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(tài)CO2，在注入后的重新生產(chǎn)初期CO2產(chǎn)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(jié)論

本文著重研究了煤層氣開發(fā)模式以及在開發(fā)過程中所采用的增產(chǎn)技術(shù)對煤層氣采收率的影響，通過研究得出以下結(jié)論:

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

(1)晉城礦區(qū)所采用的采煤采氣一體化開發(fā)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(chǎn)技術(shù)是最常用的煤層氣地面抽采開發(fā)模式。垂直井的產(chǎn)氣量一般較低，但是地形、地質(zhì)適應(yīng)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(fā)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(xiàn)階段由于經(jīng)濟條件的約束和技術(shù)的不成熟，還未大范圍的應(yīng)用。

(3)CO2-ECBM是煤層氣開發(fā)中新興的增產(chǎn)技術(shù)，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(tài)轉(zhuǎn)換成游離態(tài)，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(shù)將成為未來發(fā)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(fā)與瓦斯治理研究。

(責任編輯 劉 馨)