开发模式和增产技术对煤层气采收率影响研究

巫修平 张 群

(中煤科工集团西安研究院，陕西 710054)

开发模式和增产技术对煤层气采收率影响研究

巫修平 张 群

(中煤科工集团西安研究院，陕西 710054)

本文综述了我国现有的开发模式及增产技术，根据资料分析不同开发模式的优缺点，同时在理论上讨论不同开发模式与增产技术之间相互结合对煤层气采收率的影响。其中，晋城矿区采用的采煤采气一体化开发模式，能有效地提高煤层气的采收率;地面直井压裂增产技术是最常用的一种煤层气地面抽采开发模式，同时提出新型的煤层气增产技术——CO2-ECBM。

开发模式 增产技术 煤层气采收率 采煤采气一体化

1 开发模式与采收率研究

1.1 煤矿区煤层气的开发

我国的煤矿区煤层气资源的开发可以追溯到20世纪50年代的煤矿瓦斯抽放。为解决煤矿瓦斯灾害问题，煤矿生产者开始在煤矿井下进行本煤层钻孔抽放瓦斯，取得了显著的效果。煤矿区煤层气资源的开采是借助煤炭开采工作面和巷道，通过煤矿井下抽放、煤矿采动区抽放、废弃矿井抽放等方法开采煤层气资源的一种煤层气开发模式。

目前，中国的煤矿区煤层气抽放技术在世界处于领先地位。同时，煤矿瓦斯抽放已由单一的本煤层抽放发展到本煤层抽放、邻近层抽放、采动区抽放和采空区抽放、围岩抽放等多对象抽放;抽放技术也已由单一的钻孔抽放发展到钻孔抽放、巷道抽放、地面垂直井抽放和混合抽放等。

煤、气一体化开采模式已经成为煤矿区煤层气开采的新模式，其主要思想是在煤层群的开采中，由于开采层的采动影响，其上部及下部的煤岩层中应力场得到释放，原岩应力平衡遭到破坏，引起煤岩层膨胀变形，原来在高地应力下封闭的裂隙系统重新开启，在采空区四周形成一个连通的采动裂隙发育区即应力场释放区，从而使得对应力尤为敏感的临近煤储层的渗透率得到大幅度地提高，使这些临近储层中的煤层气大量地向应力场释放区域运移，从而降低该区的瓦斯抽采难度。由于在整个采气过程中伴随着煤层的开采，所以，称之为煤、气一体化开采。这种开采方法的最大特点是:除第一次预采外，中、后期开采时，煤层始终处于卸压影响之中，将大幅度地提高煤层气的采收率。

这种开发模式，适合于煤层发育比较复杂，地表开发条件不好的，垂直钻井和水平钻井很难施工的矿区。晋城矿区在这方面已经有成功实施的实例。在2003年初，晋城煤业集团将寺河矿和成庄矿作为实验矿井，首先进行了采煤采气一体化模式的配套试验，随着采煤采气示范工程的建设，试验矿井建立了有序的抽采瓦斯衔接模式，抽采量不断增长，采收率也不断增长，同时矿井安全保障能力得到提升，从而不断的解放矿井生产潜能。

1.2 原始煤储层煤层气的开发

原始煤储层煤层气开发，即煤层气的地面抽采。其开发方式主要有地面垂直井、地面采动区井、丛式井、羽状水平井和U型等方式。而这些开发方式可以系统地划分成为直井开发方式和定向井开发方式两类。煤层气开发方式的合理选择是煤层气开发需要重点考虑的内容，也是煤层气勘探开发成功的关键。美国是煤层气开发最成功的国家，由于煤盆地构造简单和煤层渗透率高等特点，不同类型开发方式的气井的产能都普遍较高，且经济效益显著。我国煤盆地的地质条件和水文地质条件复杂，煤层渗透率低，煤层气开发难度大，对开发技术及工艺要求严格，这使煤层气开发方式的选择显得尤为重要。因此，结合我国目前的煤层气勘探开发现状，开展煤层气开发方式适应性研究，对诊断目前勘探开发过程中存在问题，有效指导今后的煤层气勘探开发作业具有重要意义。

(1)地面直井

煤层气勘探开发的地面直井方式包括地面垂直井和地面采动区井。地面垂直井方式是在地面打垂直井进入目标煤层，通过采取一系列增产强化措施抽采目标煤层的煤层气。地面垂直井方式是目前国内外煤层气勘探开发广泛应用的方式。受地质条件的影响，垂直井煤层气开发的完井方式不一致，目前主要的完井方式有射孔压裂完井、裸眼完井和洞穴完井等。而地面采动区井则由于种种原因未能在我国大范围的试验实施，因此有关地面采动区井的资料相对较少。

我国的煤层气勘探开发主要采用地面垂直井方式，采取压裂增产的强化措施，产量和采收率增大效果比较显著，近年来，地面垂直井数量大增。沁水盆地是我国煤层气勘探开发的最热点地区，煤层气开发效果好，已形成了潘庄、柿庄、樊庄、潘河和阳泉寺家庄等多个煤层气开发区，主要采用地面垂直井、套管完井作业方式进行煤层气开发，单井最高产量达到16000m3/d，平均产量为2000m3/d。在沁水南部还进行了裸眼完井试验，试验表明:在地质条件相似，实施的压裂改造效果基本一致的情况下，裸眼完井比套管完井的煤层气井产气效果好，但裸眼完井的煤层气井在排采过程中大都不同程度地出现煤层坍塌、堵塞筛管的情况，而且修井频率高。潘庄井田煤层发育、煤层埋深浅、气含量高、煤层气富集，而且现有煤层气勘探试验区离煤炭生产区较远，因此，比较适合于地面垂直井煤层气开发，前期的煤层气勘探试验也证实了这一点。

(2)定向煤层气井

定向煤层气井开发是近年来煤层气产业发展研究的新技术或引自石油天然气系统的技术，比较适合低渗透煤储层的煤层气开发。在定向煤层气井中，最常用到的就是多分支水平井。

煤层气多分支水平井，又称羽状水平井，是指一个或两个主水平井眼盘侧再侧钻出多个分支井，能够穿越更多的煤层割理裂缝系统，最大限度地沟通裂缝通道，增加泄气面积，使更多的气体进入主流道，提高单井产气量。多分支水平井相对于地面直井有以下六点优势:

①增加了煤层气产出的有效供给范围;

②提高了煤层气导流能力，分支井眼与煤层割理的相互交错，煤层割理与裂隙更畅通，提高了裂隙的导流能力;

③多分支水平井钻井完井方法避免了固井和水力压裂作业，减轻了对煤储层伤害;

④单井产气量高，煤层气采出程度高;

⑤提高了采收率，缩短了生产周期;

⑥减少了井场占地面积，增大了抽排面积，多分支水平井井场占地少是显而易见的，初步估计，与相同抽排面积的直井相比，多分支水平井将少2/3。

在以上六点优势中，最明显的就是提高了单井产气量和采收率，缩短了生产周期。目前，我国沁水盆地南部多分支水平井单井日产量达到6000～40000m3，比直井压裂方法单井产量提高5～10倍。在潘庄区块内，共布井251口，其中多分支水平井189口，直井62口，建设7亿m3年产能。据已实施多分支水平井的煤矿资料，多分支水平井前3年生产数据，按照100m分支间距布置多分支水平井，2～3年内煤层气采收率达到约40% ～50%，而达到此采收率的话，直井需要开采15～20年。据数值模拟预测，多分支水平井组排采3年时就可达到井间干扰作用，煤层气采收率达到40%以上，排采5年煤层气采收率达到55%以上，排采10年煤层气采收率达到75%。当煤层气采收率达到40%～50%时，只需3年左右，而直井需要开采15～20年。

1.3 煤层气不同开发模式的适应条件

煤层气开发方式受开发目的、所在地区的地形条件、地质条件以及资金等方面影响。在各种影响因素中，地质条件是内在因素，不同开发方式需要有不同的地质条件与之相适应。合理的开发方式不仅影响气井的产能，而且影响到项目的投资。

不同煤层气开发方式有着不同的开发技术和工艺，对地形、地质和投资等条件的适应性也不一致。在同一地区或相同的开发条件下，采用不同的煤层气开发方式，煤层气井的开发效果会差别很大。因此，研究煤层气不同开发方式适应的地形、地质和资金等条件，针对不同地区选择合理有效的开发方式，对煤层气开发至关重要。结合目前国内外煤层勘探开发的实践，根据煤层气不同开发方式的技术和工艺，对其适应条件进行分析，结果见表1。

表1 煤层气不同开发模式的适应条件

2 煤层气井增产技术与采收率研究

在煤层气开发的过程中，由于我国煤储层“三高一底”的基本特性，造成我国煤层气的采收率普遍较低。为了实现煤层气井的高产，各种增产技术相继被应用于煤层气的开发中来。目前最常见的增产技术包括煤储层压裂技术和注气增产技术。

2.1 煤储层压裂技术

煤储层压裂技术是目前煤层气开发普遍采用的增产措施。这是因为人工压裂形成的诱导裂缝降低或消除了煤层的近井眼伤害，强化了煤层中的天然裂隙网络，扩大了有效“井眼半径”和煤层气解吸渗流面积，加强了井眼稳定性，在井眼周围形成了有效的煤层气渗流通道。同时，压裂可使原始裂缝中一些不连通的裂缝得以连通，可使原来一些连通的缝隙变宽，改善储层导流能力，加速排采中压力的有效传递，有效地提高了煤层气的产能及煤层气的采收率。

压裂技术是煤层气开发过程中的关键技术。其重要性在于对产层进行改造，以提高生产层的产量。破裂压力和瞬时关井压力的设计是压裂措施中最关键的技术。破裂压力，即延伸一条已经存在的裂隙所需要的压力，又称为裂隙的延伸压力。破裂压力一般都高于闭合压力 (开启一条裂缝所需要的流体压力，该压力与垂直裂缝壁面的应力大小相等，方向相反，这一应力对应于原位应力中的最小主应力)。瞬时关井压力，即水力压裂停泵时刻的压力。然而，对于低渗煤储层来说，瞬时关井压力接近于闭合压力。

在压裂实施的过程中，主要的目的就是改造煤储层，即造缝，使其能够更有效地将煤储层的天然裂隙系统与井筒连通起来。同时又能避免井筒附近的地层伤害，广泛分配井筒附近的压降，减少煤粉的生成。因此，煤的力学性质在造缝过程中成为一个至关重要的因素，其决定了在压裂时易形成短而宽的复杂裂隙。常见的压裂裂缝有:(1)水平裂缝，在煤储层埋藏较浅，最小主应力为垂向应力时形成的;(2)“T”形裂缝，对于单一煤储层来所，压裂裂缝将局限于煤层内，能够形成顶部为水平裂缝，中下部为垂直裂缝的复杂裂缝系统;对于多层薄煤层，可形成一组垂直的压裂裂缝;(3)延伸到围岩中的裂缝，在对厚煤层压裂的后期，垂直裂缝将向围岩内延伸。

在煤层气完成钻井工作后，就要对煤储层进行压裂等增产措施。而在煤储层压裂后，通常需要注入颗粒支撑物作为支撑剂，如一定粒度的石英砂等，防止在地应力的作用下裂隙重新闭合。因此，在进行压裂设计时要考虑钻井、测井、完井、原地应力、压裂液、支撑剂等方面的资料，以求作出最佳设计。

目前，直井压裂是最常用到的一种增产方式，在煤层气开发的早期就已经被美国等国家广泛应用。在美国尤因他盆地，最初3口井压裂后排采一年多时间，单井日产气一般在1000m3左右，随后井组逐渐扩大到23口，连续排采4年以上，单井日产气量逐渐增加到5000m3以上，在大规模生产阶段，单井日产气超过2×104m3;在圣胡安盆地早期的开发试验也证实了相同的产气规律。目前我国的垂直井在钻井、完井过程中都会实施压裂增产措施，效果十分显著。例如，在山西沁水潘河矿区，中原油田成功对PH1-6井、PH1井实施N2泡沫加砂压裂施工。在压前气、水产量为0，压后排液5～7d后见气，PH1-6井日产气量为3000～4000m3/d，PH1井日产气量为2000～5800m3/d，增产效果十分显著。

2.2 注气增产技术

注气增产技术主要有两种方法:(1)注入CO2提高煤层气采收率的技术，称之为 CO2-ECBM;(2)注入N2降低CH4分压。其中，CO2-ECBM技术不仅可以显著的提高煤层气的采收率，而且还可以封存温室气体CO2来缓解环境压力。

CO2-ECBM技术的基本原理是煤层中CO2和CH4等气体之间竞争吸附强弱性能。CO2在煤孔隙内壁上的吸附能力大于CH4，注入后通过竞争吸附，CO2分子会取代CH4分子在煤孔隙内表面上的吸附位置，使CH4转变为游离态而产出。

作为提高煤层气采收率的一个手段，CO2-ECBM技术已经成为煤层气领域的研究热点之一。据估算，若采用这一技术，我国2000m以浅煤层强化注入CO2所能提高的煤层气产量为3.751×1012m3。在晋城无烟煤中进行了CO2和CH4的单组分和二元混合气体的等温吸附实验，结果显示，煤中总吸附量关系为纯CO2＞混合气体＞纯CH4，同时用CO2驱替煤中CH4可以获得较高的单位压降CH4解吸率和单位压降CO2吸附率，其中晋城煤层甲烷单位压降下的解吸率提高了150%。

中联煤层气有限责任公司于2002年至2006年在沁水盆地南部开展了CO2埋藏和提高煤层气采收率技术的试验研究。确定沁水盆地南部5口井进行了多井先导性试验，其中，1口为注入井，4口为生产井。试验结果发现，在注入CO2后，4口井的CH4产量明显增加 (表2)。

表2 多井试验模拟生产产量变化统计表

多井模拟结果表明，在沁南地区煤层气井注入CO2后，单井CH4产量明显增加。在CO2注入期内，平均产量是注入前产量的2.8～15倍，其采收率也相应的提高相同倍数。CO2突破时间为2.6～5.1年，说明煤层具有埋藏CO2的能力。本次试验共注入192.8t液态CO2，在注入后的重新生产初期CO2产出量累计约30～40t。这些气体一部分来自井筒游离气，一部分为解吸气。而大部分CO2气体被埋藏在煤层之中。

3 结论

本文着重研究了煤层气开发模式以及在开发过程中所采用的增产技术对煤层气采收率的影响，通过研究得出以下结论:

煤层气的开发模式在现阶段主要有煤矿区煤层气的开发 (井下抽采)和原始煤储层煤层气的开发 (地面开采)。不同的开发模式需要通过地形、地质条件及煤层发育程度的条件来选择实施。

(1)晋城矿区所采用的采煤采气一体化开发模式，除第一次预采外，中、后期开采时，煤层始终处于卸压影响之中，将大幅度地提高煤层气的采收率。

(2)目前，地面垂直井压裂增产技术是最常用的煤层气地面抽采开发模式。垂直井的产气量一般较低，但是地形、地质适应性较强，通过压裂改造煤储层，可以增加煤层气的采收率，达到较为理想的效果。而多分支水平井则是未来煤层气开发的重点模式，其适用于低渗透性的煤储层，井管与煤储层中的裂隙连通性较好，有利于煤层气的扩散和运移，增加煤层气的采收率，不过现阶段由于经济条件的约束和技术的不成熟，还未大范围的应用。

(3)CO2-ECBM是煤层气开发中新兴的增产技术，原理就是利用煤对CO2的吸附性远远强于对CH4吸附性的特征，通过竞争吸附将CH4从吸附态转换成游离态，从而使其大量的排出。同时也能大量的封存温室气体CO2，这种技术将成为未来发展的方向。

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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，工程师，主要从事煤层气勘探开发与瓦斯治理研究。

(责任编辑 刘 馨)