煤层气压裂技术研究
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煤层气压裂技术研究
刘光耀;赵涵;王博;石美;陈晓丽
【摘 要】Coalbed methane（CBM） is a kind of self-generating and self-preserving,unconventional natural gas which stores in the coal seams and
its surrounding rocks.Development and mining of coalbed methane can
not only relieve pressure on energy supply but also protect the
environment,and make sure the production safety,which are all of great
significance.Fracturing of CBM wells can connect bore and natural fracture
system together more effectively,avoid formation damage near the
wellbore,and increase the speed of drainage.This paper begins with the
definition,necessity of hydraulic fracture method,then introduces the
hydraulic fracture characteristic,and at last points out the existing
problems.%煤层气与常规天然气有较大差异,采用压裂施工可达到煤层气开发的理想效果。根据煤层气的特性,在施工中应注意压裂液、煤粉、压实性等因素所造成的伤害。
【期刊名称】《重庆科技学院学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2011(013)004
【总页数】3页(P85-86,103)
【关键词】水力压裂;煤层气;渗透率;储层
【作 者】刘光耀;赵涵;王博;石美;陈晓丽 【作者单位】西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室,成都610500;西南油气田分公司川中油气矿广安作业区,广安638500;西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室,成都610500;西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室,成都610500;西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室,成都610500
【正文语种】中 文
【中图分类】TE357
煤层气俗称煤层瓦斯气，以游离自由态、吸附态和溶解态三种状态赋存于煤层中，主要以吸附态吸附在煤的微孔隙壁表面上。近年来由于资源问题的日益严重[1]，开发煤层气的速度明显加快，同时在煤层气开发过程中也不断暴露出新的问题。
煤层气与常规天然气有很大的差异，主要表现为下面几点：
（1）储气机理不同。煤层气以吸附态吸附在煤的微孔隙壁表面上，而天然气是以游离态储集在其他岩石的孔隙中。
（2）产气机理不同。如图1所示，煤层气的产气机理是排水降压，当地层压力下降到解吸压力以下后形成解吸压降漏斗，在解吸压降漏斗内解吸→扩散→渗流→产气，煤层气几乎是在一个大气压力或以下生产的，因此只有解吸以后才能产气。天然气一开井就形成生产压差，只要生产压差大于启动压差就可以产气，因此天然气不解吸就可以生产。
（3）储集岩石物性不同。煤层气储集在煤系岩石的微孔隙壁面上，天然气储集在煤系岩石以外的沉积岩石的空隙中。
（4）开采的流体性质不同。煤层气是在低温低压条件下开采。浅层的天然气也是在低温低压条件下开采，其压力和温度都比煤层气高，而深层的天然气则是在高温高压条件下开采。 （5）驱替机理不同。煤层气的驱替机理是气驱水；天然气的驱替机理是水驱气。
（6）煤层割理中含有水。如果煤层气没有达到饱和或储层中压力在临界压力之上，就必须使其开始产水，即脱水，使压力降到临界压力下使其开始解吸。
由于煤层气的以上特性，所以想要达到理想的施工效果必须进行压裂施工。
煤层气进行压裂主要目的有以下几点[2]：
（1）更有效地将煤储层的天然裂缝系统与井筒连通起来；
（2）避免井筒附近的地层伤害；
（3）广泛分配井筒附近的压降，从而减少煤粉的生成；
（4）增加产能及加速脱水。
煤层气压裂的机理是通过高压驱动液流,将液流挤入煤层原有和压裂后出现的裂缝内,使这些裂缝变宽，变长,进而在煤中产生更多的次生裂缝和裂隙,以增加煤层的渗透率。
由于煤层与其他地层存在差异，因此在压裂施工时会与一般施工不同，主要表现如下：
（1）同一井孔揭露多煤层，各煤层间的距离可能极小，也可能极大。压裂时可将距离近的煤层合并处理，较远的分别单独处理。因此，在同一井孔要实施多次压裂。
（2）煤层微裂隙和割理十分发育，压裂液滤失严重，易出现砂堵，因此施工难度大。
（3）煤层井下模拟结果表明，压裂产生的裂缝比预料的更为复杂，可能出现水平裂缝与垂直裂缝构成的组合裂缝即T形裂缝，这给施工带来困难。
（4）凝胶对储层的伤害较严重。由于煤层气存在压力系数低、温度低、孔隙度低、渗透率低等特性，且储层具有特殊的组成、润湿吸附性和多孔介质体系，对压裂液的伤害敏感性反应较大。
（5）煤层的杨氏模量较常规的砂岩杨氏模量小，易形成较宽的水力裂缝，而煤层的闭合压力一般较低，近井筒处的支撑剂易返出。
（6）与天然气在常规地层中的储集不同，煤层甲烷在煤层中的储集主要依赖于吸附作用，而不依赖于是否有储集天然气的圈闭存在。要准确预测煤层气井产量并对压裂施工效果进行经济评价，必须进一步研究和改进现有的方法。
煤层压裂所需压力比其他常规储层所需压力高出许多，特别是压裂早期出现高压，最大处理压力梯度相当高。产生高处理压力的根源是：压裂漏失严重，使孔隙压力恢复；多级裂缝的产生；煤屑；煤的活化作用使得压裂液粘度提高。由于煤屑超前于压裂液，使得裂缝端部堵塞。因此，煤屑是压裂效果不好的主要原因。因此在对煤层气储层进行压裂施工的过程中应注意以上差异。
煤层压裂施工过程中不可避免地会造成伤害。
煤层是包括微孔隙基质及割理这类天然裂缝网络的双孔隙储层岩石。当割理与水力裂缝相交时，大量压裂液将进入割理。由于压裂液滤饼不一定能沿整个裂缝壁面形成，割理较容易被压裂流堵塞，割理堵塞造成的煤层渗透率伤害较砂岩地层严重。若煤层薄，割理孔隙度低而渗透率高，压裂液在煤层中侵入会更深，伤害的潜力将比预想的严重。
另外，煤层是一个具有很强吸附能力的介质。煤层是由连通性极好的大分子网络和互不连通的大分子通道所组成。因此煤层与砂岩不同，具有很高的吸附或吸收各类液体和气体的能力。煤层吸附液体的后果之一是造成煤层基质的膨胀，膨胀程度取决于液体的化学性质。煤层总的割理孔隙度仅为1%～2%，即使压裂液（破胶的或未经破胶的）发生吸附导致基质的膨胀极轻微，也会引起割理孔隙度及渗透率大幅度下降。又因煤对液体的吸附和所引起的基质膨胀完全不可逆，则通过降压去除吸附在煤层上的液体化学剂基本上不可能实现。吸附压裂液后会引起煤层孔隙的堵塞和基质的膨胀。因此煤与液体化学剂接触会对煤层渗透率及割理孔隙度造成严重的伤害。 此外，煤层是一个低温、低压储层，这给交联压裂液的破胶和返排带来极大困难。在国外挖开的煤层中，在煤层裂缝中发现了大量的压裂液残渣，这极大地影响了增产效果。目前国外提倡使用清水、泡沫压裂煤层，国内也开始大量使用清水代替交联压裂液，但相应的造缝效果会受到一定的影响。
由于煤层的疏松易碎性，在压裂作业时会由于煤层的破裂和压裂液的冲刷产生煤粉。煤粉极易聚集起来堵塞裂缝的端部，改变裂缝方向，使压裂施工压力增高。但是，在压裂中生成煤粉不可避免。目前的方法是在压裂液中加入化学药剂，使煤粉悬浮在压裂液中。
虽然水力压裂可以在煤层中产生裂缝，但支撑剂的嵌入，在裂缝的壁面附近形成了一个应力集中区。它的存在大幅度降低了裂缝附近煤层的渗透率。尽管通过压裂可以在煤层中形成较高渗流能力的裂缝通道，但在煤层基质与裂缝的之间通道受到阻碍。目前已经通过实验使用高能气体压裂技术，在煤层中瞬时产生高压，通过气体的推进形成裂缝，这种裂缝可以避免水力压裂的压实作用。
综上所述，煤层气压裂技术在我国还未成熟应用，在施工中要注意与常规地层的差异，还需要在不断积累的经验中完善压裂技术在煤层气开发中的应用。
【相关文献】
[1]宋岩，张新民，柳少波.中国煤层气基础研究和勘探开发技术新进展[J].天然气工业，2005，25(10):32-34．
[2]苏现波.煤层气地质学与勘探开发[M].北京:科学出版社，2001.
