煤层气增产技术：吸附解吸规律与压裂液研究

2023-11-18 理论教育版权反馈

【摘要】：不过，我国的煤层氮气泡沫压裂技术还处于实验阶段，并没有全面实施。

最基本的煤层气开采方式就是通过抽取煤裂缝中大量的水，来降低整个储层压力从而诱使煤层气解吸出来。煤层通常被看成是一种异常的多孔介质，它由大量的低孔隙、低渗透率的同性质的矩阵系统组成，因为这样的原因，所以煤层中的甲烷气体很难大面积地扩散出来，一般采收率都很低，这样的方式只能开采出20%～60%的煤层气体。因此需要通过人工的方式改造煤层的裂缝，使这些裂缝可以最大限度地连通，形成一个通道，使煤层气像液体一样流出。经过改造后可以使煤层气的开采效率达到60%～80%。在煤层气开采技术方面主要有4种方法，即常规垂直压裂、采动区地面井、废弃矿井开发及井下瓦斯抽放。常规垂直压裂是目前应用最为广泛的开采技术。我国目前采用的煤层气压裂技术方法主要是在华北柳林等地区进行煤层气勘探开发的基础上，针对厚煤层以及煤层应力较顶、底板岩层低的特点总结出来的。由于煤层与普通油气藏的储层特点有较大的差别，煤岩带有孔隙和割理的双重介质，因而煤岩介质的微观结构和砂岩的结构差异较大，所以煤层压裂与普通的油气藏不同。我国中原油田钻井公司在山西成功完成了国内第一口多分支煤层气水平井DNP02井的施工，该井有1个主井眼，12个分支井眼。该井的施工是将水平钻井技术用于煤层气开发，为解决煤层抽放瓦斯的技术难题开辟了一条全新的路径。

煤层气产业的日益发展促进了开发技术的不断提高，目前已经形成了一些煤层气的增产技术，如多分枝羽状水平井、二氧化碳注入置换、氮气泡沫压裂、连续油管压裂等[44]，下面对主要的几种技术进行介绍。

1.4.1.1　多分支羽状水平井技术

定向羽状水平井是一种高效的煤层气开发方式。它是指通过定向井、多分支水平井技术，由地面垂直向下钻至造斜点后再以中、小曲率半径侧斜钻进，这样形成的是煤层气的主水平井，再从主井两侧不同位置水平侧钻分支井，这样形成的是羽毛状的多分支水平井。这种方式主要是使煤层中形成网状的通道，连通微孔隙和裂缝，提高储层的气、液相导流能力，降低煤层气和游离水的渗流阻力，提高气液的流动速度，从而提高煤层气的产量和采出程度；这种方式还可以减少对煤层的伤害，因为定向羽状水平钻井是集钻井、完井与增产措施于一体的，它可以避免固井和水力压裂作业，只要降低钻井液对煤层的伤害就可以了。

定向羽状水平钻井技术有一定的局限性，它所要求的设备成本非常高，而且在选择井位时，由于地表条件的复杂性，很难达到理想中的要求；再加上煤本身质地脆，水平井壁很容易坍塌，钻井过程中产生的煤粉也会堵塞运移通道，影响最终气体的产量。

1.4.1.2　气体注入驱替技术

向煤层中注入气体增产，主要是通过注入气体降低甲烷在煤孔隙中的分压，促进甲烷在煤中的解吸。目前煤层气井注入驱替主要有两种方式：一是注入氮气，二是注入二氧化碳。注入CO2后，它可以优先于甲烷吸附在煤的表面上，直接置换出甲烷，提高甲烷气体的采收率。注入氮气后，它是通过增加储层裂缝间的局部压力来促使甲烷的解吸。两者的机理都是增加煤层中气体流动的能量和气体的渗透率，置换出被煤吸附的甲烷气体。气体注入技术也存在开发成本高、装置庞大、产出气体浓度低、气体需要进一步提纯等方面的问题。(www.chuimin.cn)

除了直接注入气体外，目前国外又推出一种新的增产方法，就是将氮气与CO2作为混合气体与耐热的固氮酶相结合，注入煤层气井中[45，46]。这种固氮酶有很长时间的活性，而且比较稳定。因为固氮酶的存在，氮气被转变成氨水。其方程如下：

与氮气相比，氨水在煤表面的吸附能力更强。1分子的氮气可以生产2分子的氨水，从这个角度上来看，对增加煤层甲烷气的解吸，提高煤层气的采收率也是非常有利的。这个技术的可行性可以用选择性吸附理论和气体的热力学性质来证明，并且N2与CO2相比，来源易得且价格低廉，注入混合气体比单独注入CO2成本要低一些。

1.4.1.3　氮气泡沫压裂技术

氮气泡沫压裂技术是通过泵注液氮到地层中，与少量的压裂液混合，以此来代替常规的水基/油基压裂液，因为这种方式只有固体支撑剂和少量的压裂液进入地层，所以大大降低了对煤储层渗透性的伤害。氮气泡沫还可以在裂缝表面形成阻挡层，从而大大降低压裂液向地层滤失的速度，降低对煤储层的伤害。因为气体的膨胀作用，还可以加速返排。所以这种方式一般适用于低压、低渗透地层，特别是煤层。但是，由于氮气的密度较低，所以泡沫不是很致密，因此这种方式不适宜于渗透率高和天然裂缝发育的地层，因为很容易造成泡沫的大量滤失。

氮气泡沫压裂液应用于煤层气开发最成功的国家是加拿大，其次是美国。我国也曾经在辽河油田成功地实施了氮气泡沫压裂技术。不过，我国的煤层氮气泡沫压裂技术还处于实验阶段，并没有全面实施。另外，氮气泡沫压裂技术也存在成本高、施工困难、产出的气体需要分离等问题。

上述煤层气增产技术虽然都存在成本高、施工难度大等一系列问题，但极大地提高了煤层气的产气量，可以在经济成本预算和产出收益综合考虑的情况下，选择一种最适合的增产方式。

煤层气增产技术：吸附解吸规律与压裂液研究

相关推荐