地面井卸壓的煤層氣開發(fā)新模式

李 瑞 盧義玉 葛兆龍 夏彬偉 孫晗森 鐘棟梁 周 雷 周軍平 柳先鋒

1.煤礦災(zāi)害動力學(xué)與控制國家重點實驗室·重慶大學(xué) 2.復(fù)雜煤氣層瓦斯抽采國家地方聯(lián)合工程實驗室·重慶大學(xué) 3. 重慶大學(xué)資源與安全學(xué)院 4. 中海油研究總院有限責(zé)任公司

0 引言

煤層氣單井產(chǎn)量低已成為制約我國煤層氣產(chǎn)業(yè)持續(xù)快速發(fā)展的關(guān)鍵因素[1]。究其原因，主要是我國煤層氣開發(fā)技術(shù)體系尚不能充分適應(yīng)我國煤層氣儲層地質(zhì)條件[2-4]。

相比美國、加拿大、澳大利亞等成功實現(xiàn)煤層氣商業(yè)開發(fā)的國家而言，我國含煤地層經(jīng)歷多期構(gòu)造運動后地質(zhì)條件更為復(fù)雜，滲透率普遍較低，地層破碎嚴重，難采資源分布廣、占比高[5-7]。因此，我國煤層氣開采在客觀上面臨更大挑戰(zhàn)[8]。國內(nèi)外最初的煤層氣抽采模式源于煤礦瓦斯抽采，即在煤礦井下對本煤層以及鄰近層瓦斯進行抽采，降低瓦斯含量和瓦斯壓力，保障煤礦生產(chǎn)安全。隨著20世紀美國地面煤層氣開發(fā)的迅速發(fā)展，我國借鑒美國地面井“排水降壓采氣”模式，即通過在煤層內(nèi)構(gòu)建裂縫通道，增加煤層滲透率，并通過排水來降低煤層壓力進行煤層氣開發(fā)，形成了以鉆井、壓裂、排采為核心工藝流程的開發(fā)技術(shù)體系[8-19]。現(xiàn)如今“排水降壓采氣”仍是我國煤層氣地面開發(fā)的主要模式。為確保采煤過程安全高效，“十一五”以來，我國發(fā)展形成了煤層氣與煤炭協(xié)調(diào)開發(fā)模式，通過協(xié)調(diào)煤層氣抽采和煤炭開采在時間和空間上的關(guān)系，并充分利用煤礦采動卸壓效應(yīng)，采用井上下聯(lián)合抽采的方式對煤層氣進行抽采[20]。在國家科技重大專項支持下，煤層氣與煤炭協(xié)調(diào)開發(fā)模式使我國煤礦區(qū)煤層氣的開發(fā)取得重大成效，表明該模式對煤礦區(qū)煤層氣儲層具有很好的適應(yīng)性[21-23]。

就地面煤層氣開發(fā)而言，無論是地面井排水降壓開發(fā)模式還是煤層氣與煤炭協(xié)調(diào)開發(fā)模式都取得了顯著成效，煤層氣抽采量逐年提高。針對中淺層、高階煤、原生結(jié)構(gòu)煤的煤層氣開發(fā)，我國已經(jīng)形成了較為成熟的技術(shù)體系。截至目前，我國已經(jīng)建成了沁水盆地及鄂爾多斯盆地東緣兩大煤層氣產(chǎn)業(yè)化基地。然而，地面井排水降壓對于復(fù)雜難采煤層氣儲層存在著降壓效率低，降壓范圍小等難題。煤層氣與煤炭協(xié)調(diào)開發(fā)模式則受限于煤礦區(qū)。這種局面導(dǎo)致我國目前煤層氣井平均單井日產(chǎn)量仍然很低（若不計源外煤系氣產(chǎn)量，平均單井日產(chǎn)量不足1 000 m3），嚴重制約著我國煤層氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。由此，僅靠適應(yīng)少數(shù)地區(qū)煤層氣儲層地質(zhì)條件的開發(fā)模式還遠不足以支撐我國煤層氣大產(chǎn)業(yè)的建設(shè)，必須發(fā)展能夠適應(yīng)復(fù)雜、廣泛地質(zhì)條件的煤層氣開發(fā)模式和相應(yīng)技術(shù)體系[24-27]。

筆者研究了我國煤層氣開發(fā)的地質(zhì)制約因素，基于改變地應(yīng)力誘導(dǎo)儲層壓降原理，綜合地面煤層氣開發(fā)方式與礦井下瓦斯（煤層氣）抽采方式，提出了地面井卸壓的煤層氣開發(fā)模式，分析了不同煤層氣開發(fā)模式的地質(zhì)適應(yīng)性，提出了地面井卸壓的關(guān)鍵理論與技術(shù)，以及基于不同地質(zhì)條件的煤層氣開發(fā)模式布局。旨在為提高煤層氣儲層壓降效率、增加煤層氣單井產(chǎn)量提供理論支撐，助力我國煤層氣產(chǎn)業(yè)大發(fā)展。

1 制約我國煤層氣開發(fā)的主要地質(zhì)因素

相比常規(guī)油氣儲層與頁巖氣儲層而言，煤層氣賦存狀態(tài)特殊，煤層物性及構(gòu)造條件更加復(fù)雜多變。這是導(dǎo)致目前我國煤層氣產(chǎn)業(yè)面臨技術(shù)瓶頸的主要因素。從煤層氣運移過程角度分析我國煤層氣開發(fā)普遍性制約因素和不同地區(qū)特殊的地質(zhì)制約因素，有助于為探索適應(yīng)煤層氣儲層地質(zhì)條件的開發(fā)方式，為提高煤層氣單井產(chǎn)量提供重要依據(jù)。

1.1 普遍性因素

1.1.1 賦存狀態(tài)

煤巖具有很強的吸附能力，煤層中80%以上的煤層氣以吸附態(tài)儲存于煤基質(zhì)孔隙中。因此，在煤層氣開發(fā)過程中需要首先使吸附態(tài)的煤層氣解吸成為游離態(tài)，才能產(chǎn)出至井筒。此外，我國煤層氣儲層多為欠飽和儲層，煤層含氣飽和度低，一般介于20%～91%之間。此表明，煤儲層壓力需要從原始儲層壓力降低到臨界解吸壓力之下，煤層甲烷氣才能發(fā)生解吸。煤層氣解吸吸附實驗表明煤層氣解吸是緩慢而長期的過程，且煤巖含氣量的變化速率是由慢到快的[26]。這在客觀上決定了通過物理方法開發(fā)煤層氣需要充分進行降壓才能獲得高產(chǎn)。

1.1.2 通道特征

煤層氣解吸成為游離態(tài)后，需經(jīng)基質(zhì)孔隙、微裂隙及宏觀裂隙網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)才能運移至井筒。因此，煤儲層當中的運移通道對于煤層氣的順利產(chǎn)出至關(guān)重要。相比于常規(guī)油氣儲層中的碳酸鹽巖和砂巖而言，煤巖力學(xué)強度低，應(yīng)力敏感性強，極易破碎，在煤層氣開發(fā)過程中鉆孔及人工改造裂縫極易坍塌和堵塞，制約煤層氣的順利產(chǎn)出[27-29]。此外，煤層當中發(fā)育原生煤粉且鉆井壓裂改造過程中極易產(chǎn)生次生煤粉[29]，煤粉進入煤儲層導(dǎo)流裂縫通道后極易引起裂縫通道的滲透性傷害，甚至堵塞裂縫通道，對煤層氣的運移產(chǎn)生極大的影響。

我國煤層構(gòu)造地質(zhì)條件復(fù)雜，構(gòu)造作用下，煤體結(jié)構(gòu)極易發(fā)生破壞。我國構(gòu)造煤廣泛分布于構(gòu)造變形強烈地區(qū)（如貴州、云南、四川、湖南、江西上二疊統(tǒng)煤層）、構(gòu)造應(yīng)力集中地區(qū)（如安徽、河南石炭系、二疊系，東北遼寧、黑龍江下白堊統(tǒng)煤層），和煤層埋藏深度大的地區(qū)（如山西石炭系、二疊系，西北的新疆侏羅系等埋深超過800 m的煤層[30-31]）。對于構(gòu)造變形嚴重的碎粒煤以及糜棱煤，盡管裂隙數(shù)量較多，但連通性極差，煤層氣在其中運移難度大。客觀條件決定了必須在煤層內(nèi)構(gòu)建廣域的流動通道才能促進煤層氣的高效產(chǎn)出。

1.1.3 動力條件

動力是影響煤層氣在裂縫通道內(nèi)運移速率的重要因素，對煤層氣開發(fā)至關(guān)重要。煤層氣在裂縫通道內(nèi)運移的直接動力是流體壓力差，即流體壓差決定煤層氣運移的動力。我國煤層氣儲層壓力整體偏小，尤其是淺層煤層以欠壓為主，例如山西沁水盆地煤層壓力梯度介于3.8～8.8 kPa/m，原始儲層壓力介于2.71～6.25 MPa。煤層壓力是儲層能量的表現(xiàn)，較低的儲層壓力表明煤層氣運移動力弱，煤層氣井生產(chǎn)緩慢。

煤層為裂縫型儲層，煤層當中的裂隙系統(tǒng)溝通頂?shù)装搴畬踊虺涮顗毫岩汉螅姑簩恿严毒哂休^高的含水飽和度。此外，煤層微孔結(jié)構(gòu)發(fā)育，孔喉半徑小，因此，煤層氣在孔裂隙系統(tǒng)內(nèi)運移過程中必須克服毛細管阻力才能運移至井筒。煤層微裂隙及內(nèi)生裂隙系統(tǒng)內(nèi)較高的束縛水飽和度，以及較強的水鎖效應(yīng)限制了煤層氣的運移和產(chǎn)出，不利于煤層氣井高產(chǎn)。這在客觀上決定必須增強儲層內(nèi)流體壓力差，改善孔喉或流體界面特征才能提高煤層氣運移速率。

1.2 差異性因素

我國含煤層系分布廣泛且往往經(jīng)歷多期構(gòu)造運動作用，這就造成我國煤層地質(zhì)條件復(fù)雜多變，不同地區(qū)煤層產(chǎn)狀、煤層氣賦存條件、煤體結(jié)構(gòu)及變質(zhì)程度等條件差異顯著[32]。在煤層氣賦存、通道及動力條件等不利因素的前提下疊加不同地區(qū)煤層氣儲層特殊的地質(zhì)條件，將進一步影響煤層氣的解吸[33-35]、運移和產(chǎn)出，對煤層氣的地面開發(fā)產(chǎn)生深遠影響。我國的煤層氣分布范圍廣，但就目前我國的煤層氣發(fā)展形勢來看，我國僅在沁水盆地南部以及鄂爾多斯東緣兩大產(chǎn)業(yè)化基地實現(xiàn)了煤層氣的規(guī)模化商業(yè)開發(fā)。中淺層、高煤階、高含氣量、原生結(jié)構(gòu)煤的煤層氣開發(fā)技術(shù)已相對較為成熟，煤層氣平均單井日產(chǎn)氣量超過2 000 m3。而對于其他如構(gòu)造煤、多層疊置煤、深部煤層、煤系氣地層等地質(zhì)條件的煤層氣則面臨較大挑戰(zhàn)，至今未能形成有效的開發(fā)技術(shù)。此外，利用煤礦采動卸壓效應(yīng)，煤礦區(qū)煤層氣的開發(fā)也取得了良好的開發(fā)效果，但對非煤礦區(qū)煤層氣的開發(fā)則不具備采動卸壓條件。

綜上所述，我國煤層氣儲層地質(zhì)條件的普遍特征，疊加不同地區(qū)煤層氣儲層地質(zhì)條件的差異特性，在客觀上制約了煤層氣的解吸運移行為，成為我國煤層氣開發(fā)的地質(zhì)制約因素，如表1所示。對于特定地區(qū)煤層氣開發(fā)技術(shù)的突破則可能依賴適應(yīng)特定地質(zhì)條件的開發(fā)模式取得突破，但就全國復(fù)雜多變的煤層氣地質(zhì)條件而言，當前的開發(fā)技術(shù)體系還遠遠無法滿足我國煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需求。必須針對普遍性地質(zhì)因素發(fā)展適應(yīng)更廣泛地質(zhì)條件的開發(fā)模式才能有望實現(xiàn)我國的煤層氣高產(chǎn)量、大產(chǎn)業(yè)目標。

表1 中國煤層氣井低產(chǎn)主要地質(zhì)制約因素統(tǒng)計表

2 當前我國煤層氣主要開發(fā)模式

2.1 原位煤層地面井排水降壓開發(fā)模式

在地面井排水降壓開發(fā)模式下，我國已經(jīng)發(fā)展形成了較為成熟的鉆完井—壓裂—排采的煤層氣開發(fā)技術(shù)體系。經(jīng)過多年的理論和技術(shù)攻關(guān)，我國的鉆完井、壓裂改造技術(shù)已經(jīng)取得了長足發(fā)展，煤層氣排采工作制度也不斷精細化、定量化和智能化[33-37]。然而，對于地面井排水降壓模式開發(fā)煤層氣卻面臨以下主要問題：

1）鉆井和壓裂技術(shù)適用于原生結(jié)構(gòu)煤以及碎裂煤這類煤體結(jié)構(gòu)較為完好的煤層，而對于碎粒煤與糜棱煤這類松軟破碎煤層，由于裂隙發(fā)育，壓裂過程中存在壓裂液濾失量大，支撐劑嵌入嚴重等問題[38]，難以構(gòu)建流體導(dǎo)流裂縫通道，壓裂增產(chǎn)效果較差。

2）煤層受壓裂液沖刷極易破碎變形，削弱壓裂液能量，導(dǎo)致煤層壓裂裂縫展布規(guī)模較小，壓裂主干裂縫單一，難以形成壓裂縫網(wǎng)，煤層改造范圍小[39]。因此，排采過程中儲層壓降范圍不僅無法有效擴展且單一的壓裂裂縫更容易發(fā)生煤粉堵塞和支撐劑嵌入造成滲透性傷害。

3）水力壓裂是增壓過程，而煤層力學(xué)強度低，塑性強，壓裂過程中，壓裂液會使煤體發(fā)生變形，在裂縫兩側(cè)煤層形成應(yīng)力集中區(qū)，導(dǎo)致遠端煤巖滲透性下降[40]。

4）排水采氣適用于對含水煤層氣藏的開發(fā)，對于不含水煤層氣藏，則無法通過排水來降低煤層壓力，儲層流體壓力很難下降到其臨界解吸壓力以下，難以進行高效開采[2]。

2.2 煤礦區(qū)煤層氣與煤炭協(xié)調(diào)開發(fā)模式

通過協(xié)調(diào)煤層氣抽采和煤炭開采在時間和空間上的關(guān)系，將煤礦區(qū)劃分為規(guī)劃區(qū)、準備區(qū)、生產(chǎn)區(qū)以及采空區(qū)，按照先采氣、后采煤的原則，采用井上下聯(lián)合抽采方式，提高煤層氣抽采效率。在煤炭生產(chǎn)規(guī)劃區(qū)和準備區(qū)進行地面煤層氣抽采，不僅可以將煤層氣作為非常規(guī)天然氣資源進行抽采利用，還可以縮減礦井瓦斯（煤層氣）預(yù)抽的時間。在煤炭生產(chǎn)區(qū)和采空區(qū)進行煤層氣開發(fā)的最大優(yōu)勢，在于可以充分利用煤炭生產(chǎn)采動卸壓效應(yīng)，顯著增加煤層滲透率，提高儲層壓降傳遞效率和煤層氣開發(fā)效果[41]。我國先后發(fā)展形成了具有鮮明區(qū)域特色的“晉城”“兩淮”“松藻”及“貴州”等模式[20,42]。然而，煤礦區(qū)煤層氣與煤炭協(xié)調(diào)開發(fā)模式也存在以下主要問題：

1）受煤礦區(qū)分布及開發(fā)深度限制。盡管我國煤礦數(shù)量眾多，且該模式下的煤層氣開發(fā)受地質(zhì)條件影響較弱，但該模式下煤層氣開發(fā)仍只能在煤礦區(qū)應(yīng)用，且煤礦開采深度最大僅1 500 m，因此非煤礦區(qū)煤層氣及埋深超過1 500 m的煤層無法采用該模式進行地面煤層氣開發(fā)。

2）煤層氣單井產(chǎn)量與抽采效果存在矛盾。煤礦區(qū)煤層氣的抽采主要目的為降低瓦斯含量和瓦斯壓力，消除煤礦瓦斯危險，保障煤礦安全生產(chǎn)。因此，即使煤礦區(qū)煤層氣抽采取得了較好的抽采效果，但煤層氣單井產(chǎn)量并不高。這在一定程度上不利于我國地面煤層氣井產(chǎn)氣量的增長。

3 原位煤層地面井卸壓的煤層氣開發(fā)模式研究

3.1 排水采氣誘導(dǎo)儲層壓降

煤層壓力指作用于煤孔隙—裂隙空間上的流體壓力，故又稱為孔隙流體壓力，相當于常規(guī)油氣儲層中的油層壓力或氣層壓力[43]。通常認為煤層氣排采過程中，通過不斷排水才能使儲層壓力降低，煤儲層壓降過程中壓力的基本傳遞方式包括水傳遞和氣傳遞。煤層氣排采過程中，隨著地層水的產(chǎn)出，儲層流體壓力逐步降低，當儲層壓力降低至臨界解吸壓力之后，吸附態(tài)的煤層氣解吸成為游離態(tài)并在濃度差及壓差作用下沿孔裂隙系統(tǒng)運移至地表。同時，煤層氣的產(chǎn)出進一步誘導(dǎo)儲層流體壓力的降低，從而使煤層不斷解吸并產(chǎn)出煤層氣。

3.2 改變應(yīng)力狀態(tài)誘導(dǎo)儲層壓降

基于煤層切割卸壓原理，通過工程手段使地應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，誘導(dǎo)煤巖層發(fā)生移動變形，擴大煤層孔裂隙容積（圖1），進而促進儲層壓力下降。改變應(yīng)力誘導(dǎo)儲層壓降傳遞方式的優(yōu)勢在于不僅顯著增加流動通道數(shù)量和張開度，提高了壓降效率，而且由于煤層應(yīng)力狀態(tài)的改變，有效降低了導(dǎo)流裂隙系統(tǒng)的有效應(yīng)力，避免了煤層氣運移過程中的儲層傷害，擴大了流體運移速率。煤礦井下區(qū)域瓦斯防治中保護層開采等防治措施，以及水力割縫、水力沖孔等局部瓦斯防治措施正是通過改變地應(yīng)力狀態(tài)，增加煤層滲透性來達到消除煤礦瓦斯危險和快速抽采瓦斯的目的[44-46]。

綜上所述，基于改變應(yīng)力誘導(dǎo)儲層壓降理論，綜合地面非常規(guī)天然氣鉆井開發(fā)工藝以及煤礦井下煤層卸壓增透實踐，提出地面井卸壓的煤層氣開發(fā)模式。該模式通過地面實施定向鉆井工程并沿鉆孔切割構(gòu)建卸壓空間（如水力縫槽、水力洞穴）來改變地應(yīng)力狀態(tài)，引發(fā)巖層向卸壓空間移動，增加儲層滲透率和孔隙度（圖2），提高煤層氣儲層壓降傳遞效率，促進煤層氣的解吸、運移與產(chǎn)出。卸壓空間以及卸壓范圍的大小可依據(jù)開發(fā)過程中煤層埋深、厚度、產(chǎn)狀、物性條件、地應(yīng)力狀態(tài)等地質(zhì)條件綜合設(shè)計確定。該模式充分發(fā)揮了礦井煤層卸壓增透與地面定向鉆井優(yōu)勢，相比于原位煤層地面井排水采氣降壓開發(fā)煤層氣模式而言提升了壓降效率，相比于煤礦區(qū)煤層氣與煤炭協(xié)調(diào)開發(fā)模式而言擴大了應(yīng)用范圍，有助于提升我國煤層氣開發(fā)技術(shù)的地質(zhì)適應(yīng)性。

圖2 切割縫槽誘導(dǎo)儲層壓降過程示意圖

4 理論與技術(shù)探討

地面井卸壓的煤層氣開發(fā)模式通過地面井構(gòu)建卸壓空間，有效釋放地應(yīng)力，誘導(dǎo)儲層高效壓降，突破了傳統(tǒng)地面井排水降壓的開發(fā)模式和以水力壓裂為核心的增產(chǎn)增滲技術(shù)。該模式不局限于煤礦區(qū)煤層氣抽采，具有廣泛的地質(zhì)適應(yīng)性。此外，該開發(fā)模式使得我國從鉆、壓、排工藝流程的技術(shù)體系發(fā)展成為鉆、壓/切/割、排采的多工藝流程開發(fā)技術(shù)體系。

4.1 關(guān)鍵理論

1）改變應(yīng)力誘導(dǎo)儲層壓降傳遞機理。煤層卸壓高效開發(fā)煤層氣方法盡管借鑒了礦井瓦斯（煤層氣）增透中的卸壓理念，但卻又完全不同于礦井瓦斯抽采。因此，首先需要深入分析通過改變應(yīng)力誘導(dǎo)儲層壓降傳遞的機理，揭示改變應(yīng)力后儲層微觀與宏觀動態(tài)變化及其對煤層壓降傳遞的影響。構(gòu)建改變應(yīng)力誘導(dǎo)儲層壓降的本構(gòu)方程及量化模型。

2）卸壓煤層煤層氣的解吸、運移和產(chǎn)出規(guī)律。研究卸壓條件下煤層氣在煤基質(zhì)孔隙中的解吸，在孔裂隙系統(tǒng)中運移以及在井筒中產(chǎn)出規(guī)律。此外，卸壓空間的切割過程中，將產(chǎn)生大量的固相顆粒，因此，有必要對卸壓空間內(nèi)固相顆粒的產(chǎn)生、運移及分布規(guī)律進行深入研究。

3）卸壓空間配置與煤層氣產(chǎn)能關(guān)系。卸壓空間的創(chuàng)造對于誘導(dǎo)儲層壓力的傳遞以及煤層氣的運移具有至關(guān)重要的作用。對于沿定向井切割創(chuàng)造卸壓空間而言，定向井的布置，縫槽的長、寬、高，以及煤層頂板切割或煤層內(nèi)切割會對儲層壓降效果產(chǎn)生不同的影響[47-49]。此外，卸壓空間配置與煤層氣井產(chǎn)能關(guān)系對煤層氣開發(fā)具有深刻現(xiàn)實意義。

4.2 開發(fā)方式展望

卸壓空間的構(gòu)建是實現(xiàn)煤層卸壓的關(guān)鍵，地面井卸壓的煤層氣開發(fā)模式通過在地面實施定向鉆井，并沿鉆孔通過高壓水射流等技術(shù)切割形成卸壓空間，具體來講既可以沿定向井分段切割卸壓也可以連續(xù)切割噴射形成大直徑定向井卸壓。

4.2.1 定向井分段切割卸壓開發(fā)煤層氣

定向井切割卸壓開發(fā)煤層氣工藝流程主要包括地面定向鉆井和分段水力射流切割兩個過程。通過地面井工廠化作業(yè)，在不同方位實施多分支定向井并沿定向鉆孔分段實施高壓水射流切割，盡可能擴大煤層卸壓范圍，提高煤層氣采收率。根據(jù)定向井的類型，可將定向井設(shè)計為叢式井、多分支水平井、L型井等[47-49]（圖3）。對卸壓空間（縫槽、孔洞）的長度、寬度、高度、角度、間距等空間配置參數(shù)以及卸壓范圍依據(jù)地層的應(yīng)力狀態(tài)、地質(zhì)構(gòu)造、巖層物理性質(zhì)等地質(zhì)與工況條件進行測算和設(shè)計[50]。對于松軟破碎煤層，為了提高鉆井井眼穩(wěn)定性，可將鉆孔軌跡布置在煤層頂板，并向煤層定向切割造卸壓空間。該開發(fā)方式能夠節(jié)約地面用地成本和鉆井成本，適應(yīng)復(fù)雜地表條件。由于地面煤層氣開發(fā)是在原位煤層條件下開展的，其應(yīng)力條件、儲層壓力條件、作業(yè)條件以及工藝手段完全不同于礦井下瓦斯抽采。因此，為了保障切割后煤層導(dǎo)流效果，該開發(fā)模式則需要對儲層原生裂縫發(fā)育走向及巖石力學(xué)性質(zhì)進行充分分析，并且克服定向切割技術(shù)挑戰(zhàn)，以便對卸壓空間走向、間距、寬度、形態(tài)等參數(shù)布置進行精細規(guī)劃和控制。

圖3 定向井分段切割卸壓的煤層氣開發(fā)方式圖

4.2.2 大直徑定向井卸壓聯(lián)合垂直井開發(fā)煤層氣

定向井卸壓垂直井抽采是充分利用卸壓與排水對降低儲層壓力的疊加效應(yīng)，聯(lián)合降壓與分井排采的方式進行高效開發(fā)煤層氣。通過在地面一定距離平行實施直徑數(shù)米的定向井，相當于在煤層當中建立采煤巷道，利用大直徑定向井創(chuàng)造的大型卸壓空間，對井筒周圍數(shù)十到數(shù)百米煤層進行卸壓。同時，平行定向井之間鉆進垂直井對煤層氣進行排采（圖4）。垂直井的數(shù)量和間距依據(jù)目標地區(qū)定向井和垂直井的降壓區(qū)大小確定。由于該開發(fā)方式需要在定向井中切割數(shù)米直徑的圓柱形卸壓空間，因此，水力切割過程必然產(chǎn)生大量固相顆粒，因此需要克服大量切割及固相顆粒返排的關(guān)鍵技術(shù)。該開發(fā)方式適應(yīng)于地表鉆井條件良好，煤層厚度較大的煤層氣開發(fā)。

無論是在定向井分段切割卸壓還是大直徑定向井卸壓的煤層氣開發(fā)方式中，高壓水射流技術(shù)均是實現(xiàn)煤層卸壓的關(guān)鍵技術(shù)。我國煤礦井下瓦斯（煤層氣）抽采增透實踐過程中，已經(jīng)發(fā)展了十分成熟的自激振蕩及高壓磨料水射流割縫、水力沖孔、徑向水力噴射等高壓水射流技術(shù)[51-53]，已經(jīng)成功研發(fā)了多功能割縫裝置、高壓密封鉆桿、高壓密封輸水器等高壓水射流增透關(guān)鍵裝備，在重慶、貴州、四川、河南等多地煤礦中取得了良好的卸壓增透應(yīng)用效果[54-55]。高壓水射流技術(shù)已經(jīng)具備了良好的技術(shù)與裝備基礎(chǔ)，礦井下高壓水射流關(guān)鍵技術(shù)與裝備為地面井卸壓的煤層氣開發(fā)模式的快速推廣應(yīng)用奠定了重要基礎(chǔ)。

圖4 定向井卸壓垂直井抽采的煤層氣開發(fā)方式圖

4.3 地質(zhì)適應(yīng)性

通過構(gòu)建卸壓空間，改變應(yīng)力狀態(tài)誘導(dǎo)儲層壓降，提高了儲層壓降傳遞效率，在賦存方面可以強化煤層氣的解吸，提高煤層氣的解吸速率。同時應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，誘導(dǎo)煤巖層發(fā)生移動變形，不僅顯著增加流動通道數(shù)量和張開度，提高儲層滲透率。此外，煤體的膨脹變形還能夠擴大煤層孔裂隙容積（圖1），降低煤層氣在基質(zhì)孔隙及微裂隙運移的毛細管阻力，從而提高煤層氣的運移動力，促進煤層氣產(chǎn)出。

礦井水力化增透技術(shù)實踐表明，無論原生結(jié)構(gòu)煤和碎裂煤（硬煤）還是碎粒煤和糜棱煤（軟煤），均能夠通過高壓水射流措施進行卸壓增透改造。因此，相比水力壓裂技術(shù)而言，水射流技術(shù)對不同煤體結(jié)構(gòu)煤層的適應(yīng)程度更高。此外，由于水射流切割創(chuàng)造卸壓空間是地應(yīng)力釋放的過程，因此，避免了水力壓裂過程中應(yīng)力向煤層深部傳遞形成應(yīng)力集中而引起遠端煤層滲透性傷害。隨著我國對深部煤層氣勘探開發(fā)力度的逐漸增大，深部煤層氣開發(fā)已經(jīng)成為我國煤層氣開發(fā)的重要方向。深部煤層一般具有地應(yīng)力高、有效應(yīng)力大、滲透率低的特點[56]，煤層氣產(chǎn)出過程中隨著儲層壓力的降低，有效應(yīng)力對儲層滲透性的傷害相比淺部煤層更大。對于深部煤層而言通過創(chuàng)造卸壓空間釋放地應(yīng)力，能夠顯著降低有效應(yīng)力對煤層滲透性的傷害。我國煤礦開采的最大深度不足1 500 m，因此，對于埋深超過1 500 m的深部煤層，可通過地面井卸壓提高煤層氣的開發(fā)效率。

綜上所述，地面井卸壓的煤層氣開發(fā)模式在賦存狀態(tài)、通道及動力方面均有利于煤層氣的運移產(chǎn)出，且具有較為普遍的地質(zhì)適應(yīng)性。當然，在實際過程中，還需要結(jié)合具體的煤層氣賦存特征、地應(yīng)力狀態(tài)及煤層物性條件，針對性發(fā)揮地面井煤層卸壓的優(yōu)勢及適應(yīng)性。

5 我國煤層氣開發(fā)模式探討

盡管地面井卸壓的煤層氣開發(fā)模式具有廣泛的地質(zhì)適應(yīng)性，但鑒于當前的煤層氣開發(fā)模式已經(jīng)在特定地區(qū)發(fā)揮了很好的應(yīng)用效果，因此可以在此基礎(chǔ)上不斷完善現(xiàn)有開發(fā)模式下的技術(shù)體系，進一步降低開發(fā)成本，提高開發(fā)效益。在該原則框架下，針對不同煤層氣開發(fā)模式與適應(yīng)的地質(zhì)條件，提出了不同煤層氣儲層地質(zhì)特性的煤層氣開發(fā)模式，如表2所示。對于淺部原生結(jié)構(gòu)煤、碎裂煤、含水煤層，以及煤礦區(qū)（生產(chǎn)區(qū)和采空區(qū)）煤層氣的抽采可對現(xiàn)有地質(zhì)適應(yīng)程度高的開發(fā)模式進行優(yōu)化創(chuàng)新，進一步提高煤層氣抽采效果。而對于深部煤層氣儲層以及淺部煤層中的構(gòu)造軟煤及不含水煤層則應(yīng)該大力發(fā)展地面井卸壓的煤層氣開發(fā)模式。鑒于深部與淺部煤層并無統(tǒng)一臨界轉(zhuǎn)換深度，不同地區(qū)臨界轉(zhuǎn)換深度可能不同，因此，表2不對淺部與深部煤層的埋深臨界值做定量限制。

表2 基于不同煤層氣儲層地質(zhì)特性的煤層氣開發(fā)模式表

6 結(jié)論

1）我國煤層氣儲層地質(zhì)條件的普遍特性疊加不同地區(qū)煤層氣儲層地質(zhì)條件的差異特性，在客觀上成為我國煤層氣開發(fā)的主要地質(zhì)制約因素。

2）提出了地面井卸壓的煤層氣開發(fā)模式，該模式基于煤層切割卸壓原理，通過地面定向井工程，沿煤層鉆孔構(gòu)建卸壓空間，有效改變地應(yīng)力狀態(tài)，誘導(dǎo)巖層移動，增加儲層滲透性，提高煤層氣壓降效率，促進煤層氣的解吸、運移和產(chǎn)出。

3）改變應(yīng)力誘導(dǎo)煤層壓降傳遞機理，卸壓促進煤層氣的解吸、運移和產(chǎn)出，卸壓空間配置與煤層氣產(chǎn)能關(guān)系是地面井卸壓的煤層氣開發(fā)模式的關(guān)鍵理論。地面井卸壓的煤層氣開發(fā)模式可應(yīng)用于定向井分段切割卸壓以及大直徑定向井卸壓垂直井抽采方式開發(fā)煤層氣。

4）對于淺部原生結(jié)構(gòu)煤、碎裂煤、含水煤層，以及煤礦區(qū)（生產(chǎn)區(qū)和采空區(qū)）煤層氣的開發(fā)可對現(xiàn)有的煤層氣開發(fā)模式進行優(yōu)化創(chuàng)新，進一步提高煤層氣抽采效果。對于深部煤層氣儲層以及淺部構(gòu)造軟煤和不含水煤層則應(yīng)該大力發(fā)展地面井卸壓的煤層氣開發(fā)模式。