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王東浩1，郭大立1，計勇1，張鵬飛1，韋書銘2
(1.西南石油大學，四川成都610500；2.新疆油田分公司勘探公司，新疆克拉瑪依834000)
摘要：煤層裂隙系統是煤層氣運移的主要通道，但其連通性差、滲透率低，因此需進行增產改造。文章介紹了煤層氣增產的水力壓裂、注氣驅替、多分支水平井、復合射孔壓裂、采煤采氣一體化、洞穴完井等幾項措施，并對這些煤層氣增產措施存在的問題進行了分析，指出了其技術研究的方向。
我國煤層氣資源豐富，發展煤層氣工業不僅可以減輕石油供給壓力、補充常規天然氣長遠資源量的不足，而且將有效改善煤礦生產安全條件，保護大氣環境。目前，制約我國煤層氣開發利用的瓶頸除投資不足、政策扶持力度不夠外，主要是針對性的基礎研究和技術創新不夠，缺乏適應于我國煤層氣及其儲層特點的重大技術，如資源預測與評價技術、鉆井技術、增產改造技術、排采技術、地面建設與監測技術等。而煤層氣增產改造技術是其中的核心和關鍵，也是國際煤層氣產業化所面臨的、亟待解決的重大科學問題。
1幾種煤層氣增產措施
當前，煤層氣增產措施主要包括水力壓裂、注氣驅替、多分支水平井、復合射孔壓裂、采煤采氣一體化、洞穴完井等。
1.1水力壓裂
水力壓裂是煤層氣增產的首選方法、也是主要措施，美國90%以上的煤層氣井是由水力壓裂改造的，我國產氣量在1000m3/d以上的煤層氣井幾乎都是通過水力壓裂改造而獲得的。水力壓裂主要是利用液體的傳壓作用，經地面設備將壓裂液在大排量條件下注入井內，壓開煤層裂縫，加入支撐劑，形成多條具有高導流能力的滲流帶，溝通煤層裂隙。最后通過煤層排水—降壓—解吸的過程，達到正常排氣的目的。目前，國內外煤層氣井的壓裂方法有凝膠壓裂、加砂水壓裂、不加砂水壓裂、泡沫壓裂等。
由于我國含煤地層一般都經歷了成煤后的強烈構造運動，煤層的原始結構往往遭到很大破壞，塑性大大增強，導致水力壓裂時，往往既不能進一步擴展原有的裂隙和割理，也不能產生新的較長的水力裂縫，而主要是在煤層發生塑性形變，使得一些煤層壓裂效果不理想。
壓裂液對煤層的傷害也是其增產效果不理想的重要原因。煤巖具有很強的吸附性，吸附壓裂液后會引起煤巖基質的膨脹及堵塞割理，從而降低割理孔隙度和滲透率及限制煤層氣的解吸，極大的影響了煤層氣的產出。研制低傷害高效壓裂液是當前亟待解決的關鍵問題，也是今后的發展趨勢。
1.2注氣驅替
注氣增產主要是通過向煤層中注入其他氣體，增加煤層中氣體流動的能量和氣體的相滲透率，促進甲烷在煤中的解吸。CO2、N2以及它們的混合氣體都可以用來提高煤層甲烷氣的采收率。
依據擴散滲流理論和多組分吸附平衡理論，注入CO2和N2提高煤層氣回收率的增產機理是不同的，效果也是不一樣的。煤對N2、CH4、CO2的吸附能力是依次增強的。向煤層注入CO2后，由于CO2的強吸附力，它與煤基質微孔隙中的CH4產生了競爭吸附，將原吸附在煤層中的CH4置換出來。由于煤對N2的吸附能力比其對CH4的吸附能力弱，N2是不能與CH4進行競爭吸附的，只能在等壓狀態下通過降低游離甲烷的分壓來影響其吸附等溫線，促使吸附CH4被置換出來。從而都達到了提高煤層氣采收率的目的。但研究表明，氣體在煤中的吸附能力越強，它對煤層形變、孔隙度和滲透率的影響也就越大。因此當CO2注入到煤層中，會產生煤基質膨脹、應力增大及滲透率降低現象；而N2的注入雖對煤層物性不產生負面影響，但N2自注入井至生產井的優先遷移方向是沿著主要滲透率方向，這無疑將降低區域驅氣效率。由于N2的成本低于CO2；同時煤層氣的后續凈化處理時N2較CO2易與CH4分離，相對而言N2優于CO2。
無論向煤層中注入CO2還是N2都存在著上述的弊端，影響了煤層氣的采收率，從而降低了注氣開采的經濟效益。
1.3多分支水平井
多分支水平井是在常規水平井和分支井的基礎上發展起來的，集鉆井、完井與增產措施于一體的新的鉆井技術，具有科技含量高、開發風險大、投資回報高等特點。其增產機理在于：主水平井眼兩側的多分支井眼在煤層形成相互連通的網絡，最大限度地溝通煤層裂隙和割理系統，極大地提高了煤層滲透率；同時大大降低了煤層裂隙內流體的流動阻力，加速煤層排水降壓和煤層氣的解吸運移，從而大幅度提高煤層氣產量且縮短煤層氣采氣時間，增加了煤層氣開發的經濟效益。
需要說明的是，并非任意煤層應用此項技術進行開采都能獲得極大的經濟效益，它因煤層物性而異。已有實踐證明：只有在各向異性明顯的煤層、煤層厚度較大且相對穩定的煤層或高煤階低滲透高強度和高含氣量煤層中，其開發效果比較理想。因此，開發之前對鉆井區域煤層地質特征的研究是十分重要的。
1.4復合射孔壓裂
復合射孔壓裂是我國近幾年興起的一項新的油層增產技術，其作用原理是把射孔技術與高能氣體壓裂技術融合在一起對地層進行復合作用，提高地層滲透導流能力，以達到實現增加油氣井產量的目的。借鑒石油工業中的此項技術，將其應用于煤層，實驗表明其效果良好。向煤層射孔后，能在近井地帶形成多條微裂隙，緊隨著的氣體壓裂將會在射孔形成的裂隙處生成裂縫并得以延伸，有利于溝通煤層的天然裂隙或割理，達到降壓解附，改善煤層滲透性，提高煤層氣產量的目的。
煤巖是易破碎的，在對煤層進行開采的過程由于煤巖表面的剪切與磨損作用，煤巖破碎產生大量的煤粉及大小不一的煤碎屑，由于它們是疏水性的，不易分散于水或壓裂液中，從而極易聚集起來，阻塞煤層裂縫，降低了煤層的滲透性。復合射孔壓裂的優點在于，其作用產生的介質是金屬粒子流與高壓高速氣體，能穿透煤粉與煤碎屑的堵塞，十分有效的疏通裂縫，從本質上提高了煤層的滲透性。雖然到目前為止，此項技術在我國煤層開發中還處于試驗階段，但它卻是煤層壓裂改造的有益嘗試，有較好的發展前景。
1.5采煤采氣一體化
采煤采氣一體化將煤層氣開發與煤炭開采緊密結合在一起，通過煤層開采引起的巖層移動，使其上部和下部的煤層和巖層產生變形或斷裂并出現卸壓，這種動態的應力釋放場為煤層氣產出提供了足夠的通道和驅動能量，這是其他增產措施無法比擬的，從而極大地提高了煤儲層的滲透性。此項技術工藝簡單、技術難度小；既降低了煤層氣生產成本又充分調動了煤層氣開發的積極性，且大大改善了煤礦安全生產條件，是一項值得倡導的增產技術；但同時它也要求煤層氣開采與煤炭開發相互協調、加強統一規劃，找到利益的平衡點。
滲透性大幅度的提高，致使采動影響區內地面井的單井產量很高，在短期內就可以采出氣藏內大部分的煤層氣資源，加快了資金回收速度，促進了煤層氣產業的發展；且無需采用壓裂等措施，對煤層傷害小；由于它對煤層的滲透率無要求，從而打破了煤層氣開發的局限性，擴大了煤層氣開采范圍；是提高煤層氣產量的有效途徑。
1.6洞穴完井
洞穴完井是在裸眼完井的基礎上發展起來的用于煤層改造的一種獨特完井技術。其方法是利用煤層的不穩定性，通過人工向井筒內高速注氣、水或氣水混合物，然后瞬間排放；或者是，在井中下入噴咀射流沖刷煤層，在井底形成物理洞穴，在洞穴外形成剪切破壞帶和張性破壞帶以及遠場干擾帶，使煤塊松動、破壞，使原始閉合的天然裂縫重新開啟，從而形成縱橫交錯的裂縫網絡，使近井處的滲透率大大提高，同時應力得到釋放，便于煤中吸附氣的解吸和擴散；其效果與沿已有劈理系統和誘發的裂縫產生張力、拉力和剪切破壞有關。
洞穴完井是一種極好的煤層改造方法，它能大幅度提高煤層氣井產量，在美國得到廣泛應用。但它開發風險大且僅適用于高滲易碎，特別是結構完整的煤層；而我國煤層低壓、低滲、低飽和、非均質性現象突出，此種改造措施在我國的應用受到了一定的限制，目前還沒有洞穴完井成功的報道。
2煤層氣增產措施的研究方向
2.1水力壓裂
水力壓裂今后仍是煤層氣增產的首選方法和主要措施。但我國成煤期后構造破壞嚴重，使得一些煤層壓裂后沒有取得預期效果，因此加強對煤層的客觀認識是十分必要的。為使壓裂效果更明顯，客觀認識煤層，揭示煤層基本特征，掌握煤層地質與工程參數的規律；形成煤層壓裂裂縫的診斷與評估技術體系，科學認識壓裂裂縫，研究適合于我國煤層氣及其儲層特點的低傷害高效壓裂液、支撐劑及配套技術和裝備，是其主要研究方向。
2.2注氣驅替
注氣驅替技術作為煤層氣增產的補充，主要用于深部煤層(2000m以上)。由于CO2的注入會對煤層產生的負面效應，而N2的注入又會降低區域驅氣效率，兩者都影響了注入增產法的效果，因此如何解決上述問題是研究注氣驅替技術的方向，也是該技術推廣和應用的關鍵。
2.3多分支水平井
多分支水平井是未來發展的一個趨勢，但受到多種因素的控制，最敏感的客觀控制因素是地層滲透率、目的層厚度等。能夠人為控制的主觀因素有：分支井眼數目、分支段長、分支井眼方向及這個分支水平井眼系統的控制面積。只有將二者有機結合并進行井身結構優化，才能發揮多分支水平井的效率。因此為保證煤層氣開發的經濟效益，除加強煤層地質研究外，還要大力發展多分支水平井數值模擬技術。
與常規直井相比，多分支水平井技術雖避免了固井、壓裂改造作業，在一定程度上減少了對煤層的傷害，但仍存在鉆井作業損害煤層的問題，為此在鉆井前必須制定嚴格合理的煤層保護措施和方案，鉆井時盡量采用清水、空氣等無污染鉆井液。低傷害鉆井技術是其今后發展的一個趨勢。
2.4復合射孔壓裂
復合射孔壓裂技術是一項新的壓裂改造措施，在煤層中能造出多條裂縫，更好地溝通天然裂縫，是煤層壓裂改造的有益嘗試，有較好的發展前景。為使其盡快應用于實際，應加強復合射孔壓裂設計、設備及加工工藝等方面的研究。
2.5采煤采氣一體化
采煤采氣一體化技術將是我國煤層氣開采的重要途徑，也是煤礦綠色開采技術的重要內容之一。采煤引起的巖層移動對煤層卸壓、甲烷運移起決定性作用，因此為使煤層氣開發更具經濟效益，需加強巖層移動與采動裂隙分布規律的理論研究。此外，卸壓后瓦斯在采動裂隙場中的滲流規律、巖層移動對瓦斯抽放鉆孔的破壞及其防護對策等方面還有待進一步研究。
2.6洞穴完井
洞穴完井雖是一種極好的煤層改造方法，但它施工工藝較復雜，作業周期較長，風險性較高，開發費用不可預測，且僅適用于高滲易碎煤層，導致其應用受到了很大的限制，而洞穴完井數值模擬技術可在一定程度上可降低開發風險，減少資金損失，是其今后研究的一個方向。此外，確立更好的巖石結構關系有助于洞穴完井技術的開發和利用，但目前我國對煤層力學特性的認識還不完善，有待進一步研究。
3結論
水力壓裂、注氣驅替、多分支水平井、復合射孔壓裂、采煤采氣一體化、洞穴完井是煤層氣增產的幾項措施。從今后的發展看，水力壓裂仍是煤層氣增產的首選方法和主要措施，注氣驅替主要用于深部煤層，采煤采氣一體化值得大力提倡。目前，我國現有的煤層氣增產技術主要是借鑒常規油氣和引進美國煤層氣增產技術發展起來的，針對性不強，且增產效果不夠理想，都有待進一步完善。為使煤層氣產業不斷發展和壯大，我國應加強煤層氣的基礎研究，堅持“消化吸收再創新”與“自主研發和原始創新”相結合的方針，并以自主研發和原始創新為主，研究出更適應于我國煤儲層特征的高效增產技術。
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