低孔低渗煤层气藏增产技术研究与应用

蒋天皓，陈 波，宋峙潮，和鹏飞

（1.中国海洋石油有限公司，北京 100010；2.中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300452）

我国煤层气资源丰富，勘查新增资源量超过50×108t 煤田3 处、探明地质储量超过亿吨的油田2 处、超过500×108m3的天然气田3 个。新探明石油地质储量8.77×108t，天然气5 553.79×108m3，煤层气3 025.36×108m3。随着资源需求的增长及开采技术的提高，煤层气的勘探和开发力度也日益加大。煤层气主要成分为甲烷，它是一种自生自储式的非常规天然气，本身属于高效无污染的清洁能源，具有巨大的开采价值。

我国的煤层气研究始于20 世纪60 年代的华北石油局，自此我国学者展开了初步评价性的论证探索。20世纪90 年代，煤层气的开发试点开始在我国部分煤井展开。2000 年左右，大型煤矿煤层气的利用量已达到过去排放量的八成左右，到2005 年左右，煤层气的年产量已达到了40×108m3，在我国的天然气结构中已占据了重要的一部分，推动了国内能源结构的改变。但相对煤层气30×1012m3的地质储量，当前煤层气井年产量还不足千分之一，所以需要根据国内煤层地质特征，结合国外煤层气井开发的经验和方法，摸索出一套成熟的煤层气勘探开发的方法[1，2]。

1 煤层地质特征及开采难点分析

为了得到适用于煤层气藏开发的技术手段，首先需要了解我国煤层的地质特征以及开采难点。我国煤层气产出的主要区块为山西沁水盆地和滇东黔西区块，分别代表了北方湖泊成煤体系和三角洲成煤体系[3]。虽然两套煤系的无机物组分差异较大，但在煤层气开采过程中，影响开采效果的主要因素为煤体结构和有机质组分，无机物组分在煤质中含量较少，故以龙潭系组滇东黔西区块煤层为例，进行地质特征及开采难点分析。

1.1 地质特征

本次实验的煤样来自云南省的曲靖市老厂区块，该区块地层最下部为茅口组，茅口组上部覆盖龙潭组，该层组是本次实验研究的主要样品来源。龙潭系上部覆盖二叠系长兴组，再上部覆盖卡以头组，再上部覆盖飞仙关组及个旧组，该区块煤系最上部覆盖三叠系额火把冲组。本次煤样属于龙潭组煤系，样品深度取自826.9～831.1 m，煤系储层温度在26.0～30.5 ℃，煤层厚度是5.2 m，地层压力约为7.42 MPa，地层压力梯度约为1.03 MPa/100m，接近常压储层。取样煤层段平均杨氏模量为3.20 GPa，泊松比为0.46，最小水平主应力为12.30 MPa。

煤是一种大分子物质，它的结构是由若干微观不同的小分子通过桥键连接而成，这些小分子结构虽然不同但部分相似。其结构模型主要有：（1）Given 模型；（2）Wiser 模型；（3）shinn 模型。

本次使用的岩心属于高阶煤，属于烟煤品种。特性是它的芳香层片小，整个煤岩呈不规则状态，层与层之间通过交联键连接，具有含水量少的特征。含水量少指的是可流动水、束缚水及吸附在煤基质表面上的水都很少。长兴组、龙潭组和茅口组三段层组的煤岩无机物组分有所不同，但相比沁水盆地的煤层，都具有含水量少的特征。

1.2 开采难点分析

煤层与常规储层在储层物性上有显著不同。煤层物性受构造运动及压实作用影响较大，频繁的构造运动会破坏原生结构煤及碎裂煤的流动通道，导致煤层渗透率降低；强烈的压实作用又会降低煤层孔隙度。我国含煤地层时代较老，煤层上方叠加了较厚的沉积，且成煤期后经历了很多地质运动，因此普遍具有低孔低渗的特性。具体而言，在煤层气开发过程中，具有以下难点：

（1）煤基质对高分子聚合物的吸附能力很强，易造成气相渗流能力降低，进而影响煤层气井产量；（2）原生结构煤多为块状，但煤质较脆，易在水动力等外界因素的作用下，碎裂并形成煤粉颗粒；（3）煤层含水率较低，水相侵入煤层后，可能会影响甲烷的气相渗透率；（4）煤储层通常埋深较浅，地层温度、压力较低，可能存在储层能量不足，煤层气难以持续产出的问题。

2 增产技术研究

煤层气不同于常规气，煤层80%以上的甲烷都吸附在煤基质微孔隙甚至纳米孔隙中，吸附气运移至井筒之前，首先要从煤基质完成解吸成为游离气，然后向煤层中孔隙及微裂缝中扩散，随后渗流至煤层中的割理及大裂缝中，最后运移至井筒中。针对煤层的地质特征及开采难点，目前形成了以水力压裂+负压抽排为核心的增产技术，该技术一方面提高了甲烷在煤层中的渗流能力，另一方面促进了吸附态甲烷向游离态转化，是目前最主要的煤层开采手段。

压裂液体系的种类和性能对压裂增产效果有极其重要的影响，根据压裂液种类区分压裂增产技术的话，该技术主要有以下四类：活性水压裂、聚合物压裂、VES 压裂和泡沫压裂。

2.1 活性水压裂

活性水的本质就是含表面活性剂和KCl 的稀水溶液，具有较好的黏土稳定作用和较低的管路摩阻，易于配制，价格低廉经济性能好，不会对储层造成损害，较常见应用于沁水盆地煤层。但该种压裂技术也具有如下缺点：其一是活性水黏度低，容易在煤层的孔隙裂缝中流失，煤系无机物的主要成分是黏土矿物，水相流失可能会导致黏土矿物膨胀或者发生水锁；其二是活性水黏度低，携岩屑能力差，水动力冲刷作用下产生的煤粉不易被活性水携带出来，如果发生煤粉团聚沉降，将会导致极其恶劣的影响。

2.2 聚合物压裂

聚合物压裂液中主要含有稠化剂、交联剂、防膨剂、破胶剂等成分。聚合物压裂增产技术相比活性水压裂技术，该技术液相体系中由于含有大量高分子聚合物，且通过交联剂形成了空间网状结构，故该技术的液相体系较难进入煤层割理裂缝中，且空间网状结构更易悬浮支撑剂，对压裂过程的支撑剂铺置有相当有效的帮助。唐艳玲等[4]对交联冻胶或线性胶压裂液进行了研究，针对这类压裂液的返排、破胶等性能进行了改进，相比传统的胍胶压裂液，对储层的损害大大降低。

2.3 VES 压裂

VES 又称黏弹性表面活性剂，VES 压裂主要以黏弹性表面活性剂为增黏剂。管保山等[5]研究发现，VES是通过流体黏度和排量来使支撑剂进行远距离传送的。李亭等[6]研发了一种新型清洁压裂液，该种压裂液的主要成分为小分子的表面活性剂，可以在溶剂中缔合形成网络结构。VES 压裂技术在煤层改造中也有少量应用，例如：中联煤层公司在陕西某地区进行了3 口煤层气井压裂改造，压裂改造技术使用的是VES 压裂增产技术，压裂后返排效果很好，支撑剂铺置均匀，压后产能有明显提高，压裂成功率很高。但由于其成本较高，在煤层气中应用受限。

2.4 泡沫压裂

在压裂增产过程中，泡沫压裂液对于储层虽然有损害，但损害相对于水基压裂液较小[7，8]。它以自己独有的优越性能，广泛应用于煤层气的开采过程中[9，10]。产生泡沫的起泡剂的起泡能力主要依赖于它溶解于溶剂时，它对表面张力的降低特性。当碳氢链长度增加到16 个碳原子时，它的溶解性将大大降低，但是与此同时它的许多性质（发泡和洗涤）通过疏水剂和亲水基之间的平衡得到改善和提高[11，12]。

用于压裂的泡沫流体气液比一般为7∶3，在美国、加拿大煤层气增产改造施工中，泡沫压裂工艺被广泛应用，国内对泡沫压裂工艺研究起步较晚，但目前也在山西、吉林、大庆等地进行了现场施工作业，压裂效果较好。

3 性能评价与分析

3.1 泡沫压裂体系性能评价

3.1.1 煤岩在泡沫压裂液中的分散性 分6 组制备起泡性能较好的泡沫压裂液，包括：（1）0.5%a-烯烃磺酸钠；（2）0.5%十二烷基硫酸钠；（3）0.2%十二烷基苯磺酸钠；（4）0.2%SDBS+0.2%AES；（5）1.5%正十六烷基硫酸钠；（6）0.3%AES。将蒸馏水作为对照组，分别观察煤岩在这6 组压裂液中的分散特性。

经过实验可知：煤岩碎屑在蒸馏水中没有分散性，在6 组表面活性剂溶液中有一定的分散性。其中，在正十六烷基硫酸钠中的煤岩分散性最差，在3 min 左右才会逐渐向下分散[13]。

3.1.2 煤岩在泡沫压裂液中的膨胀性 煤岩的煤分子属于大分子物质，黏土矿物在水中会吸水膨胀。从而导致煤岩的孔喉变小，渗透率变低。但是煤岩处于地下状态时无法很好地观察到它膨胀的特性，所以选取了100 目以上的滇东黔西煤粉进行了煤岩膨胀性实验。由于煤岩在纯煤油中没有膨胀性，所以使用煤油作为标准对照组来评价各种表面活性剂溶液中的膨胀性质。

称取8 组0.5 g100 目以上煤粉放入离心管中，分别取5 mL 不同的起泡剂放入不同离心管中，同时选择5 mL 蒸馏水和煤油作为对照组，将若干离心管内液体与固相充分接触后，在常温常压下放置2 h。对称置于自平衡离心机，3 000 r/min 的转速充分离心0.5 h。

煤粉防膨率计算公式如下：

式中：B-煤岩的防膨率（越低代表煤岩越容易在此表面活性剂中膨胀）；V2-煤粉在蒸馏水中的吸水体积；V1-煤粉在表面活性剂中的吸液体积；V0-煤粉在煤油中的吸油体积。

经过充分离心之后，可以发现：该滇东黔西煤粉对不同表面活性剂的膨胀性大小为：1.5%正十六烷基硫酸钠＞0.5%十二烷基硫酸钠=0.3%AES＞0.5%a-烯烃磺酸钠=0.2%SDBS+0.2%AES＞0.2%十二烷基苯磺酸钠。

3.1.3 表面活性剂经济及降解性能 本文研究中使用的7 种单一表面活性剂的价格（见表1）。

表1 表面活性剂价格

在选择表面活性剂时，不仅仅要考虑表面活性剂的起泡性能和对储层的伤害性，也要考虑表面活性剂的经济效益。表面活性剂的价格影响着煤田的收入，避免使用昂贵的表面活性剂更有助于煤田创收。

可以发现，正十六烷基硫酸钠的价格明显比其他表面活性剂的价格更高，所以在后续的选择中，对正十六烷基硫酸钠的选择应当更加谨慎。

3.2 综合选择评价

由于煤田不仅仅要追求产量，也要追求经济效益，可使用技术经济学的复利计算公式：F=P（1+i）n，其中：P-现在投入值；F-未来时点收获值；n-年份；i-现在的利率，取4%。可以把各种表面活性剂的价格看做煤田的投入值，用现金流量转化为5 年后的收益值。

以各种配方的表面活性剂的起泡体积作为基准，结合表面活性剂在煤岩中的分散性和膨胀性，以及在自然环境中的降解性。经过筛选后，可以给出一个综合评价公式来评价在分散和膨胀实验中所使用的6 种表面活性剂配方。

式中：E-综合评价指数，越高代表表面活性剂越理想；V-泡沫体积指数（以泡沫体积的1%计数）；B-防膨率；D-降解指数；C-表面活性剂浓度；P-表面活性剂价格指数。

经过比较后得出结论，泡沫压裂液复配体系0.2%SDBS+0.2%AES 的综合性能最佳，可以作为煤储层改造工作液（见表2）。

表2 表面活性剂综合评价

4 结论

针对煤层低孔低渗的地质特征，本文分析了煤层气藏的开采难点，提出了多种煤层气增产方式，对现有压裂增产改造技术进行了对比分析，研究了一种适用于煤层气井增产改造的泡沫压裂液体系，经过性能评价与综合选择后，发现较适用于低孔低渗煤层气藏改造。

（1）煤岩以有机组分为主，类型以半亮和半暗型煤为主，暗淡型煤次之。各煤层多为块状，局部呈碎粒状、粉状或鳞片状（糜棱煤）。性脆，裂隙较发育，具参差状、阶梯状、不平整状断口，易破碎成棱角块状。

（2）压裂液体系的种类和性能对压裂增产效果有极其重要的影响，泡沫压裂液与冻胶、线性胶等聚合物压裂液相比，具有能量高易返排、地层损害小等优点；与活性水压裂液相比，具有黏度高、储层滤失小、携砂能力强等优点；与VES 清洁压裂液相比，具有经济性能强、能量高易返排等优点，较适合用于低孔低渗煤层气藏的增产改造。

（3）煤层在开发过程中存在易吸附有机质、易产生煤粉导致堵塞孔喉，储层能量较低，含水率较低的特点，对煤层气开采形成较大困扰，综合考虑泡沫的煤粉分散性能、防膨性能、经济性能和降解性能后发现，泡沫压裂液复配体系0.2%SDBS+0.2%AES 的综合性能最佳，可以作为煤储层改造工作液。