蔣天皓，陳 波，宋峙潮，和鵬飛

（1.中國海洋石油有限公司，北京 100010；2.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452）

我國煤層氣資源豐富，勘查新增資源量超過50×108t 煤田3 處、探明地質(zhì)儲量超過億噸的油田2 處、超過500×108m3的天然氣田3 個。新探明石油地質(zhì)儲量8.77×108t，天然氣5 553.79×108m3，煤層氣3 025.36×108m3。隨著資源需求的增長及開采技術(shù)的提高，煤層氣的勘探和開發(fā)力度也日益加大。煤層氣主要成分為甲烷，它是一種自生自儲式的非常規(guī)天然氣，本身屬于高效無污染的清潔能源，具有巨大的開采價值。

我國的煤層氣研究始于20 世紀60 年代的華北石油局，自此我國學者展開了初步評價性的論證探索。20世紀90 年代，煤層氣的開發(fā)試點開始在我國部分煤井展開。2000 年左右，大型煤礦煤層氣的利用量已達到過去排放量的八成左右，到2005 年左右，煤層氣的年產(chǎn)量已達到了40×108m3，在我國的天然氣結(jié)構(gòu)中已占據(jù)了重要的一部分，推動了國內(nèi)能源結(jié)構(gòu)的改變。但相對煤層氣30×1012m3的地質(zhì)儲量，當前煤層氣井年產(chǎn)量還不足千分之一，所以需要根據(jù)國內(nèi)煤層地質(zhì)特征，結(jié)合國外煤層氣井開發(fā)的經(jīng)驗和方法，摸索出一套成熟的煤層氣勘探開發(fā)的方法[1，2]。

1 煤層地質(zhì)特征及開采難點分析

為了得到適用于煤層氣藏開發(fā)的技術(shù)手段，首先需要了解我國煤層的地質(zhì)特征以及開采難點。我國煤層氣產(chǎn)出的主要區(qū)塊為山西沁水盆地和滇東黔西區(qū)塊，分別代表了北方湖泊成煤體系和三角洲成煤體系[3]。雖然兩套煤系的無機物組分差異較大，但在煤層氣開采過程中，影響開采效果的主要因素為煤體結(jié)構(gòu)和有機質(zhì)組分，無機物組分在煤質(zhì)中含量較少，故以龍?zhí)断到M滇東黔西區(qū)塊煤層為例，進行地質(zhì)特征及開采難點分析。

1.1 地質(zhì)特征

本次實驗的煤樣來自云南省的曲靖市老廠區(qū)塊，該區(qū)塊地層最下部為茅口組，茅口組上部覆蓋龍?zhí)督M，該層組是本次實驗研究的主要樣品來源。龍?zhí)断瞪喜扛采w二疊系長興組，再上部覆蓋卡以頭組，再上部覆蓋飛仙關組及個舊組，該區(qū)塊煤系最上部覆蓋三疊系額火把沖組。本次煤樣屬于龍?zhí)督M煤系，樣品深度取自826.9～831.1 m，煤系儲層溫度在26.0～30.5 ℃，煤層厚度是5.2 m，地層壓力約為7.42 MPa，地層壓力梯度約為1.03 MPa/100m，接近常壓儲層。取樣煤層段平均楊氏模量為3.20 GPa，泊松比為0.46，最小水平主應力為12.30 MPa。

煤是一種大分子物質(zhì)，它的結(jié)構(gòu)是由若干微觀不同的小分子通過橋鍵連接而成，這些小分子結(jié)構(gòu)雖然不同但部分相似。其結(jié)構(gòu)模型主要有：（1）Given 模型；（2）Wiser 模型；（3）shinn 模型。

本次使用的巖心屬于高階煤，屬于煙煤品種。特性是它的芳香層片小，整個煤巖呈不規(guī)則狀態(tài)，層與層之間通過交聯(lián)鍵連接，具有含水量少的特征。含水量少指的是可流動水、束縛水及吸附在煤基質(zhì)表面上的水都很少。長興組、龍?zhí)督M和茅口組三段層組的煤巖無機物組分有所不同，但相比沁水盆地的煤層，都具有含水量少的特征。

1.2 開采難點分析

煤層與常規(guī)儲層在儲層物性上有顯著不同。煤層物性受構(gòu)造運動及壓實作用影響較大，頻繁的構(gòu)造運動會破壞原生結(jié)構(gòu)煤及碎裂煤的流動通道，導致煤層滲透率降低；強烈的壓實作用又會降低煤層孔隙度。我國含煤地層時代較老，煤層上方疊加了較厚的沉積，且成煤期后經(jīng)歷了很多地質(zhì)運動，因此普遍具有低孔低滲的特性。具體而言，在煤層氣開發(fā)過程中，具有以下難點：

（1）煤基質(zhì)對高分子聚合物的吸附能力很強，易造成氣相滲流能力降低，進而影響煤層氣井產(chǎn)量；（2）原生結(jié)構(gòu)煤多為塊狀，但煤質(zhì)較脆，易在水動力等外界因素的作用下，碎裂并形成煤粉顆粒；（3）煤層含水率較低，水相侵入煤層后，可能會影響甲烷的氣相滲透率；（4）煤儲層通常埋深較淺，地層溫度、壓力較低，可能存在儲層能量不足，煤層氣難以持續(xù)產(chǎn)出的問題。

2 增產(chǎn)技術(shù)研究

煤層氣不同于常規(guī)氣，煤層80%以上的甲烷都吸附在煤基質(zhì)微孔隙甚至納米孔隙中，吸附氣運移至井筒之前，首先要從煤基質(zhì)完成解吸成為游離氣，然后向煤層中孔隙及微裂縫中擴散，隨后滲流至煤層中的割理及大裂縫中，最后運移至井筒中。針對煤層的地質(zhì)特征及開采難點，目前形成了以水力壓裂+負壓抽排為核心的增產(chǎn)技術(shù)，該技術(shù)一方面提高了甲烷在煤層中的滲流能力，另一方面促進了吸附態(tài)甲烷向游離態(tài)轉(zhuǎn)化，是目前最主要的煤層開采手段。

壓裂液體系的種類和性能對壓裂增產(chǎn)效果有極其重要的影響，根據(jù)壓裂液種類區(qū)分壓裂增產(chǎn)技術(shù)的話，該技術(shù)主要有以下四類：活性水壓裂、聚合物壓裂、VES 壓裂和泡沫壓裂。

2.1 活性水壓裂

活性水的本質(zhì)就是含表面活性劑和KCl 的稀水溶液，具有較好的黏土穩(wěn)定作用和較低的管路摩阻，易于配制，價格低廉經(jīng)濟性能好，不會對儲層造成損害，較常見應用于沁水盆地煤層。但該種壓裂技術(shù)也具有如下缺點：其一是活性水黏度低，容易在煤層的孔隙裂縫中流失，煤系無機物的主要成分是黏土礦物，水相流失可能會導致黏土礦物膨脹或者發(fā)生水鎖；其二是活性水黏度低，攜巖屑能力差，水動力沖刷作用下產(chǎn)生的煤粉不易被活性水攜帶出來，如果發(fā)生煤粉團聚沉降，將會導致極其惡劣的影響。

2.2 聚合物壓裂

聚合物壓裂液中主要含有稠化劑、交聯(lián)劑、防膨劑、破膠劑等成分。聚合物壓裂增產(chǎn)技術(shù)相比活性水壓裂技術(shù)，該技術(shù)液相體系中由于含有大量高分子聚合物，且通過交聯(lián)劑形成了空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，故該技術(shù)的液相體系較難進入煤層割理裂縫中，且空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)更易懸浮支撐劑，對壓裂過程的支撐劑鋪置有相當有效的幫助。唐艷玲等[4]對交聯(lián)凍膠或線性膠壓裂液進行了研究，針對這類壓裂液的返排、破膠等性能進行了改進，相比傳統(tǒng)的胍膠壓裂液，對儲層的損害大大降低。

2.3 VES 壓裂

VES 又稱黏彈性表面活性劑，VES 壓裂主要以黏彈性表面活性劑為增黏劑。管保山等[5]研究發(fā)現(xiàn)，VES是通過流體黏度和排量來使支撐劑進行遠距離傳送的。李亭等[6]研發(fā)了一種新型清潔壓裂液，該種壓裂液的主要成分為小分子的表面活性劑，可以在溶劑中締合形成網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。VES 壓裂技術(shù)在煤層改造中也有少量應用，例如：中聯(lián)煤層公司在陜西某地區(qū)進行了3 口煤層氣井壓裂改造，壓裂改造技術(shù)使用的是VES 壓裂增產(chǎn)技術(shù)，壓裂后返排效果很好，支撐劑鋪置均勻，壓后產(chǎn)能有明顯提高，壓裂成功率很高。但由于其成本較高，在煤層氣中應用受限。

2.4 泡沫壓裂

在壓裂增產(chǎn)過程中，泡沫壓裂液對于儲層雖然有損害，但損害相對于水基壓裂液較小[7，8]。它以自己獨有的優(yōu)越性能，廣泛應用于煤層氣的開采過程中[9，10]。產(chǎn)生泡沫的起泡劑的起泡能力主要依賴于它溶解于溶劑時，它對表面張力的降低特性。當碳氫鏈長度增加到16 個碳原子時，它的溶解性將大大降低，但是與此同時它的許多性質(zhì)（發(fā)泡和洗滌）通過疏水劑和親水基之間的平衡得到改善和提高[11，12]。

用于壓裂的泡沫流體氣液比一般為7∶3，在美國、加拿大煤層氣增產(chǎn)改造施工中，泡沫壓裂工藝被廣泛應用，國內(nèi)對泡沫壓裂工藝研究起步較晚，但目前也在山西、吉林、大慶等地進行了現(xiàn)場施工作業(yè)，壓裂效果較好。

3 性能評價與分析

3.1 泡沫壓裂體系性能評價

3.1.1 煤巖在泡沫壓裂液中的分散性 分6 組制備起泡性能較好的泡沫壓裂液，包括：（1）0.5%a-烯烴磺酸鈉；（2）0.5%十二烷基硫酸鈉；（3）0.2%十二烷基苯磺酸鈉；（4）0.2%SDBS+0.2%AES；（5）1.5%正十六烷基硫酸鈉；（6）0.3%AES。將蒸餾水作為對照組，分別觀察煤巖在這6 組壓裂液中的分散特性。

經(jīng)過實驗可知：煤巖碎屑在蒸餾水中沒有分散性，在6 組表面活性劑溶液中有一定的分散性。其中，在正十六烷基硫酸鈉中的煤巖分散性最差，在3 min 左右才會逐漸向下分散[13]。

3.1.2 煤巖在泡沫壓裂液中的膨脹性 煤巖的煤分子屬于大分子物質(zhì)，黏土礦物在水中會吸水膨脹。從而導致煤巖的孔喉變小，滲透率變低。但是煤巖處于地下狀態(tài)時無法很好地觀察到它膨脹的特性，所以選取了100 目以上的滇東黔西煤粉進行了煤巖膨脹性實驗。由于煤巖在純煤油中沒有膨脹性，所以使用煤油作為標準對照組來評價各種表面活性劑溶液中的膨脹性質(zhì)。

稱取8 組0.5 g100 目以上煤粉放入離心管中，分別取5 mL 不同的起泡劑放入不同離心管中，同時選擇5 mL 蒸餾水和煤油作為對照組，將若干離心管內(nèi)液體與固相充分接觸后，在常溫常壓下放置2 h。對稱置于自平衡離心機，3 000 r/min 的轉(zhuǎn)速充分離心0.5 h。

煤粉防膨率計算公式如下：

式中：B-煤巖的防膨率（越低代表煤巖越容易在此表面活性劑中膨脹）；V2-煤粉在蒸餾水中的吸水體積；V1-煤粉在表面活性劑中的吸液體積；V0-煤粉在煤油中的吸油體積。

經(jīng)過充分離心之后，可以發(fā)現(xiàn)：該滇東黔西煤粉對不同表面活性劑的膨脹性大小為：1.5%正十六烷基硫酸鈉＞0.5%十二烷基硫酸鈉=0.3%AES＞0.5%a-烯烴磺酸鈉=0.2%SDBS+0.2%AES＞0.2%十二烷基苯磺酸鈉。

3.1.3 表面活性劑經(jīng)濟及降解性能 本文研究中使用的7 種單一表面活性劑的價格（見表1）。

表1 表面活性劑價格

在選擇表面活性劑時，不僅僅要考慮表面活性劑的起泡性能和對儲層的傷害性，也要考慮表面活性劑的經(jīng)濟效益。表面活性劑的價格影響著煤田的收入，避免使用昂貴的表面活性劑更有助于煤田創(chuàng)收。

可以發(fā)現(xiàn)，正十六烷基硫酸鈉的價格明顯比其他表面活性劑的價格更高，所以在后續(xù)的選擇中，對正十六烷基硫酸鈉的選擇應當更加謹慎。

3.2 綜合選擇評價

由于煤田不僅僅要追求產(chǎn)量，也要追求經(jīng)濟效益，可使用技術(shù)經(jīng)濟學的復利計算公式：F=P（1+i）n，其中：P-現(xiàn)在投入值；F-未來時點收獲值；n-年份；i-現(xiàn)在的利率，取4%?？梢园迅鞣N表面活性劑的價格看做煤田的投入值，用現(xiàn)金流量轉(zhuǎn)化為5 年后的收益值。

以各種配方的表面活性劑的起泡體積作為基準，結(jié)合表面活性劑在煤巖中的分散性和膨脹性，以及在自然環(huán)境中的降解性。經(jīng)過篩選后，可以給出一個綜合評價公式來評價在分散和膨脹實驗中所使用的6 種表面活性劑配方。

式中：E-綜合評價指數(shù)，越高代表表面活性劑越理想；V-泡沫體積指數(shù)（以泡沫體積的1%計數(shù)）；B-防膨率；D-降解指數(shù)；C-表面活性劑濃度；P-表面活性劑價格指數(shù)。

經(jīng)過比較后得出結(jié)論，泡沫壓裂液復配體系0.2%SDBS+0.2%AES 的綜合性能最佳，可以作為煤儲層改造工作液（見表2）。

表2 表面活性劑綜合評價

4 結(jié)論

針對煤層低孔低滲的地質(zhì)特征，本文分析了煤層氣藏的開采難點，提出了多種煤層氣增產(chǎn)方式，對現(xiàn)有壓裂增產(chǎn)改造技術(shù)進行了對比分析，研究了一種適用于煤層氣井增產(chǎn)改造的泡沫壓裂液體系，經(jīng)過性能評價與綜合選擇后，發(fā)現(xiàn)較適用于低孔低滲煤層氣藏改造。

（1）煤巖以有機組分為主，類型以半亮和半暗型煤為主，暗淡型煤次之。各煤層多為塊狀，局部呈碎粒狀、粉狀或鱗片狀（糜棱煤）。性脆，裂隙較發(fā)育，具參差狀、階梯狀、不平整狀斷口，易破碎成棱角塊狀。

（2）壓裂液體系的種類和性能對壓裂增產(chǎn)效果有極其重要的影響，泡沫壓裂液與凍膠、線性膠等聚合物壓裂液相比，具有能量高易返排、地層損害小等優(yōu)點；與活性水壓裂液相比，具有黏度高、儲層濾失小、攜砂能力強等優(yōu)點；與VES 清潔壓裂液相比，具有經(jīng)濟性能強、能量高易返排等優(yōu)點，較適合用于低孔低滲煤層氣藏的增產(chǎn)改造。

（3）煤層在開發(fā)過程中存在易吸附有機質(zhì)、易產(chǎn)生煤粉導致堵塞孔喉，儲層能量較低，含水率較低的特點，對煤層氣開采形成較大困擾，綜合考慮泡沫的煤粉分散性能、防膨性能、經(jīng)濟性能和降解性能后發(fā)現(xiàn)，泡沫壓裂液復配體系0.2%SDBS+0.2%AES 的綜合性能最佳，可以作為煤儲層改造工作液。