淺析煤層氣與常規(guī)天然氣儲(chǔ)層強(qiáng)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(guī)天然氣儲(chǔ)層強(qiáng)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(guī)天然氣儲(chǔ)層特征異同的分析入手，對(duì)煤層氣與常規(guī)天然氣儲(chǔ)層強(qiáng)化方式進(jìn)行分析、對(duì)比，利用已有常規(guī)天然氣儲(chǔ)層強(qiáng)化研究成果，結(jié)合儲(chǔ)層特征異同，提出不同類型煤層氣儲(chǔ)層適宜的儲(chǔ)層強(qiáng)化方式。

煤層氣； 常規(guī)天然氣； 儲(chǔ)層特征； 儲(chǔ)層強(qiáng)化

1　前言

我國(guó)非常規(guī)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(chǔ)量大約為3.45×1013m3，與常規(guī)天然氣儲(chǔ)量規(guī)模相當(dāng)，位居世界第三位［1］。進(jìn)行煤層氣的開(kāi)采有減少煤礦瓦斯災(zāi)害、提高資源利用效率以及改善大氣環(huán)境等三重效益，因此，煤層氣的開(kāi)采利用日益得到重視。由于我國(guó)“三低”煤儲(chǔ)層條件，絕大多數(shù)煤層氣產(chǎn)區(qū)單井產(chǎn)量較低［2］，如何將常規(guī)天然氣開(kāi)發(fā)的成熟技術(shù)應(yīng)用于煤層氣開(kāi)采中，采取合理的開(kāi)發(fā)工藝、合適的增產(chǎn)改造措施，提高煤層氣井產(chǎn)量成為一個(gè)亟需解決的問(wèn)題。

2　常規(guī)天然氣與煤層氣儲(chǔ)層特點(diǎn)

天然蘊(yùn)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(shí)踐發(fā)現(xiàn)的能夠用傳統(tǒng)的油氣生成理論解釋的天然氣，稱為常規(guī)天然氣，而以煤層氣、頁(yè)巖氣、致密砂巖氣等難以用傳統(tǒng)油氣生成理論解釋的天然氣統(tǒng)稱為非常規(guī)天然氣。常規(guī)天然氣與非常規(guī)天然氣儲(chǔ)層特點(diǎn)有所不同，本文主要介紹煤層氣與常規(guī)天然氣儲(chǔ)層特點(diǎn)的不同。

2.1成藏過(guò)程與富集機(jī)制不同

常規(guī)天然氣源于烴源巖，大多數(shù)經(jīng)過(guò)運(yùn)移聚集在儲(chǔ)集巖中，屬于“他生他儲(chǔ)”；而煤層氣源于煤層又賦存于煤層中，屬于“自生自儲(chǔ)”。

常規(guī)天然氣通過(guò)動(dòng)態(tài)平衡控制氣藏聚集量，氣藏的形成是動(dòng)態(tài)平衡的過(guò)程，供給和散失始終同時(shí)進(jìn)行，只有當(dāng)供給量大于散失量時(shí)，氣藏才能夠形成并保存；而煤層氣主要是由溫壓場(chǎng)控制含氣量。

常規(guī)天然氣氣勢(shì)控制天然氣的運(yùn)聚方向，天然氣在運(yùn)移過(guò)程中，主要受三種作用力共同控制：浮力、彈性力和毛細(xì)管力，由高氣勢(shì)區(qū)向低氣勢(shì)區(qū)聚集［3］；水勢(shì)控制著煤層氣的聚集部位，受水勢(shì)影響，向斜一般具有地層水的向心流動(dòng)機(jī)制，為地下水低勢(shì)區(qū)，是煤層氣富集的場(chǎng)所，同時(shí)，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(tǒng)，有利于煤層氣保存。

2.2儲(chǔ)集特征與氣藏特征

常規(guī)天然氣主要以游離態(tài)存在于儲(chǔ)層孔隙中，儲(chǔ)層壓力大，滲透率較高，對(duì)應(yīng)力不敏感，聚集量主要與孔隙空間的大小有關(guān)［3］；煤層氣以吸附形式賦存于煤孔隙內(nèi)的表面上，聚集量與煤層的吸附性密切相關(guān)，儲(chǔ)層微孔和裂隙發(fā)育，滲透率較低，對(duì)應(yīng)力敏感，儲(chǔ)層易受污染。具體見(jiàn)圖1所示。

圖1　常規(guī)天然氣與煤層氣儲(chǔ)集特征差異

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

常規(guī)天然氣含有明顯的含氣便捷，邊界內(nèi)外含氣性是有無(wú)關(guān)系，氣藏具有統(tǒng)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(qū)域含氣量是多與少的關(guān)系，受孔隙水、斷層、運(yùn)移等影響，煤層氣藏?zé)o統(tǒng)一的壓力系統(tǒng)，無(wú)氣水界面，水遍布增個(gè)煤層。

2.3儲(chǔ)層力學(xué)性質(zhì)不同

常規(guī)天然氣儲(chǔ)層一般為均質(zhì)儲(chǔ)層，煤儲(chǔ)層為非均質(zhì)儲(chǔ)層，儲(chǔ)量評(píng)估困難。

常規(guī)天然氣儲(chǔ)層為砂巖、灰?guī)r等，儲(chǔ)層抗壓、抗剪強(qiáng)度較大；而煤層抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度較小，儲(chǔ)層改造過(guò)程易對(duì)煤層造成傷害。

另外，由于礦山建設(shè)要求，煤層氣儲(chǔ)層強(qiáng)化方式不得對(duì)煤層頂?shù)装逶斐奢^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(guī)天然氣與煤層氣儲(chǔ)層強(qiáng)化方式

儲(chǔ)層特征不同，導(dǎo)致儲(chǔ)層強(qiáng)化的目的與特點(diǎn)不同，常規(guī)天然氣儲(chǔ)層滲透率相對(duì)較高，儲(chǔ)層改造的主要目的是消除鉆完井過(guò)程中產(chǎn)生的近井地帶傷害，提高或恢復(fù)近井地帶地層滲透率，并改善控制范圍內(nèi)地層滲透率。而煤儲(chǔ)層滲透率較低，在消除近井地帶污染的基礎(chǔ)上，儲(chǔ)層改造的主要目的在于改善儲(chǔ)層滲透率，并采取措施加以維持。

3.1常規(guī)天然氣儲(chǔ)層強(qiáng)化

為實(shí)現(xiàn)消除鉆完井過(guò)程中產(chǎn)生的近井地帶傷害，提高或恢復(fù)儲(chǔ)層滲透率的目的，常規(guī)天然氣的儲(chǔ)層強(qiáng)化方式主要有：水力壓裂、酸洗、基質(zhì)酸化、酸壓［4］。

水力壓裂：是利用地面高壓泵，通過(guò)井筒向儲(chǔ)層擠注具有較高粘度的壓裂液壓裂儲(chǔ)層，這時(shí)，繼續(xù)不停地向油層擠注壓裂液，裂縫就會(huì)繼續(xù)向儲(chǔ)層內(nèi)部擴(kuò)張。為了保持壓開(kāi)的裂縫處于張開(kāi)狀態(tài)，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(jìn)入裂縫之后，一方面可以使裂縫繼續(xù)向前延伸，另一方面可以支撐已經(jīng)壓開(kāi)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(jìn)入裂縫，用石英砂將裂縫支撐起來(lái)。最后，注入的高粘度壓裂液會(huì)自動(dòng)降解排出井筒之外，在油層中留下一條或多條長(zhǎng)、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(chǎn)量一般會(huì)大幅度增長(zhǎng)。

酸洗：將酸液注入預(yù)定井段，或通過(guò)靜置反應(yīng)，或通過(guò)正反循環(huán)，清除井筒內(nèi)的酸溶性結(jié)垢物，或疏通射孔孔眼，

基質(zhì)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(dòng)，溶蝕孔隙及其中堵塞物質(zhì)，從而解除近井地帶的污染，恢復(fù)或提高地層的滲透率，能在不增大水、氣產(chǎn)量的情況下增產(chǎn)。

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(dòng)反應(yīng)，不但可解除近井地帶污染，還可改變儲(chǔ)層流型，溝通深部氣藏，大幅提高油氣井產(chǎn)量。

3.2煤層氣儲(chǔ)層強(qiáng)化

煤層氣增產(chǎn)改造機(jī)理與常規(guī)油氣井的增產(chǎn)改造并無(wú)本質(zhì)的區(qū)別，在完井方式和水力壓裂技術(shù)上充分借鑒了常規(guī)天然氣井的經(jīng)驗(yàn)，但由于煤層氣的賦存狀態(tài)、儲(chǔ)層特征、巖石力學(xué)性質(zhì)不同于常規(guī)砂巖儲(chǔ)層，使得煤層氣裂縫擴(kuò)展規(guī)律及增產(chǎn)機(jī)理不同于常規(guī)砂巖儲(chǔ)層。煤層氣儲(chǔ)層強(qiáng)化技術(shù)主要包括：清水壓裂技術(shù)、活性水加砂壓裂技術(shù)、氮?dú)馀菽瓑毫鸭夹g(shù)、水平井分段壓裂技術(shù)、多分支水平井鉆完井技術(shù)、井下地面聯(lián)合抽采技術(shù)等。

針對(duì)部分滲透性較好、煤層結(jié)構(gòu)完整的儲(chǔ)層，采用清水（不加砂）壓裂技術(shù)，成本僅為活性水加砂壓裂的一半，結(jié)合封隔球的使用，可打開(kāi)多層煤層［5］。

煤層氣活性水加砂壓裂與常規(guī)天然氣施工工藝相同，均是通過(guò)射孔、注液來(lái)實(shí)現(xiàn)，不同的是注液量、加砂量、注入壓力較常規(guī)天然氣的少，注入方案需根據(jù)煤儲(chǔ)層情況、臨井情況進(jìn)行調(diào)整。

氮?dú)馀菽瓑毫鸭夹g(shù)主要應(yīng)用于非常規(guī)天然氣儲(chǔ)層強(qiáng)化中，在壓裂施工過(guò)程中 ，通過(guò)液氮泵車使液氮經(jīng)過(guò)地面三通與含發(fā)泡劑的水基壓裂液混合，形成一定質(zhì)量的泡沫壓裂液，利用液氮和凍膠的混合液進(jìn)行加砂壓裂施工。氮?dú)馀菽瓑毫岩赫扯容^高，具有較強(qiáng)的攜砂能力，可有效降低壓裂液在煤層中的濾失性，較常規(guī)活性水壓裂相比，見(jiàn)氣周期短。

水平井分段壓裂技術(shù)。由于煤層滲透率低，單井產(chǎn)氣量低，為最大限度的增加產(chǎn)氣量，應(yīng)用水平井+分段壓裂技術(shù)開(kāi)發(fā)煤層氣。水平井能夠增加有效井段的長(zhǎng)度，而分段壓裂技術(shù)能夠在煤儲(chǔ)層中產(chǎn)生裂縫，最終井眼與裂縫溝通，最大限度的改善儲(chǔ)層滲透率。依據(jù)壓裂工藝的不同，水平井分段壓裂技術(shù)又可分為：多級(jí)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(jí)可鉆式橋塞分段壓裂等，根據(jù)不同的條件，有不同的適應(yīng)性，該技術(shù)在國(guó)內(nèi)有所應(yīng)用，井眼、地層適應(yīng)性工作尚在進(jìn)行，施工示意圖詳見(jiàn)圖2。

多分支水平井技術(shù)。嚴(yán)格說(shuō)來(lái)，多分支水平井技術(shù)屬于鉆完井技術(shù)，該技術(shù)致力于最大限度的擴(kuò)大鉆孔覆蓋面積，美國(guó)CDX公司開(kāi)發(fā)的魚骨狀多分支水平井技術(shù)處于領(lǐng)先地位，具體見(jiàn)圖3。資料表明，魚骨狀分支井控制范圍可達(dá)0.5km2，羽狀水平井單井日產(chǎn)氣量為直井的3～7倍。與多分支水平井技術(shù)向結(jié)合，開(kāi)發(fā)出了針對(duì)煤層氣井的玻璃鋼篩管、PE篩管完井技術(shù)等。

圖2　分段壓裂技術(shù)

圖3　多分支水平井技術(shù)

井下地面聯(lián)合抽采技術(shù)。煤層氣的開(kāi)采除了滿足資源開(kāi)發(fā)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(jìn)技術(shù)的發(fā)展，采用煤礦井下、地面聯(lián)合抽采成為現(xiàn)實(shí)，結(jié)合煤礦采掘計(jì)劃，在井下布置一組或多組近水平長(zhǎng)鉆孔，同時(shí)，在地面周邊區(qū)域施工一口或多口排采直井，通過(guò)活性水加砂壓裂或清水壓裂，將水平井與排采直井通過(guò)裂縫溝通，從而有效降低煤層氣井開(kāi)采成本，該技術(shù)在沁水盆地已進(jìn)行試驗(yàn)性應(yīng)用。

4　不同強(qiáng)化方式儲(chǔ)層適應(yīng)性

煤層氣開(kāi)采的不同強(qiáng)化方式有其儲(chǔ)層適應(yīng)性，針對(duì)不同的儲(chǔ)層，選用合適的儲(chǔ)層強(qiáng)化方式。根據(jù)現(xiàn)有資料分析，不同儲(chǔ)層強(qiáng)化方式的儲(chǔ)層適應(yīng)性見(jiàn)表1。

表1　儲(chǔ)層強(qiáng)化方式的儲(chǔ)層適應(yīng)性

不同煤儲(chǔ)層采用的儲(chǔ)層強(qiáng)化方式并不是一成不變，需要根據(jù)儲(chǔ)層情況進(jìn)行具體確定，同時(shí)還應(yīng)考慮經(jīng)濟(jì)因素的影響。

5　結(jié)論

（1）煤儲(chǔ)層特性與常規(guī)天然氣儲(chǔ)層特性有所不同，儲(chǔ)層滲透性及物理力學(xué)性質(zhì)的差異導(dǎo)致儲(chǔ)層強(qiáng)化方式有所不同。

（2）根據(jù)不同煤儲(chǔ)層特點(diǎn)，初步提出不同儲(chǔ)層強(qiáng)化方式適應(yīng)的煤儲(chǔ)層類型，由于煤儲(chǔ)層屬性千差萬(wàn)別，實(shí)施時(shí)需根據(jù)具體情況進(jìn)行調(diào)整。

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

（4）煤層需要在井下進(jìn)行開(kāi)采，選擇儲(chǔ)層改造方式時(shí)，需要避免嚴(yán)重破壞煤層頂?shù)装濉?/p>

［1］中聯(lián)煤層氣有限公司.中國(guó)煤層氣勘探開(kāi)發(fā)技術(shù)研究［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2007.

［2］王有坤.貴州松河龍?zhí)睹合捣浅Ｒ?guī)天然氣儲(chǔ)層強(qiáng)化機(jī)理與工藝［D］.徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，2015.

［3］戴金星等.中國(guó)天然氣地質(zhì)學(xué)［M］.北京：石油工業(yè)出版社，1992. ［4］何文淵.中國(guó)石油儲(chǔ)層改造技術(shù)的現(xiàn)狀與建議［J］.石油科技論壇，2013（02）：34-38.

［5］郭洋，楊勝來(lái).煤層氣壓裂和排采技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀與進(jìn)展［J］.天然氣與石油，2011，29（08）：62-64.

［6］張?jiān)迄i.煤層氣井液氮壓裂技術(shù)研究［D］.成都：西南石油大學(xué)，2015.

［7］胡艾國(guó). 沁水盆地煤層泡沫壓裂液研究及性能分析評(píng)價(jià)［D］.成都：成都理工大學(xué)，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。