李勇胡海濤王延斌韓文龍吳翔吳鵬劉度

1. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院,北京 100083；2. 中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司,北京 100011

我國(guó)在沁水盆地南部、鄂爾多斯盆地東緣等地區(qū)已實(shí)現(xiàn)了煤層氣工業(yè)化開(kāi)發(fā),但是很大一部分煤層氣井產(chǎn)量較低,制約了氣田產(chǎn)能提升和產(chǎn)業(yè)發(fā)展[1]。當(dāng)前國(guó)內(nèi)已有煤層氣鉆井18 000 余口,很多直井平均產(chǎn)能在1 000 m3/d 以下,沒(méi)有達(dá)到經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量[2-3]。針對(duì)煤層氣井低產(chǎn)、低效問(wèn)題,很多學(xué)者從地質(zhì)、工程和排采等方面進(jìn)行了剖析,提出了煤層氣開(kāi)發(fā)工程技術(shù)適應(yīng)性問(wèn)題及解決思路[4]。除了部分煤層氣井所處地區(qū)地質(zhì)和資源條件較差外,相當(dāng)數(shù)量的煤層氣井存在鉆井施工過(guò)程污染、壓裂改造不徹底、排采管控不連續(xù)等儲(chǔ)層傷害問(wèn)題[5]。如何將煤層氣低效井進(jìn)行系統(tǒng)改造、提高單井產(chǎn)氣量,是煤層氣開(kāi)發(fā)近期和未來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間工作的重點(diǎn)。

煤層氣低效井不僅包括首次改造失利的井,也包括因?yàn)閮?chǔ)層污染、排采間斷等造成產(chǎn)氣量下降或者未達(dá)產(chǎn)的井。低效井的界定因不同地區(qū)施工和開(kāi)發(fā)成本、產(chǎn)氣量時(shí)間長(zhǎng)短而存在差異,可以綜合考慮投產(chǎn)時(shí)間、動(dòng)液面高度和產(chǎn)氣量3 個(gè)參數(shù)建立聯(lián)合約束的判別指標(biāo)[6]。

煤層氣井二次改造是指當(dāng)煤層氣井低產(chǎn)、低效時(shí),在地質(zhì)、儲(chǔ)層、工程和排采分析基礎(chǔ)上,通過(guò)工程和工藝技術(shù)改造儲(chǔ)層、改善排采,使氣井達(dá)到或接近正常產(chǎn)能并實(shí)現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn)的舉措。煤層氣井二次改造涵蓋三個(gè)方面:一是氣井控制范圍內(nèi)煤層的改造和優(yōu)化,以提高滲透性和導(dǎo)流能力；二是氣井自身故障的處理和改進(jìn),保證排采設(shè)備的良好運(yùn)行；三是改變?cè)信挪珊烷_(kāi)發(fā)措施,優(yōu)化氣井排采管控和開(kāi)發(fā)方式,旨在提高氣井產(chǎn)氣量和資源采收率。

煤層本身具有復(fù)雜煤體結(jié)構(gòu),力學(xué)強(qiáng)度和彈性模量低、泊松比高,儲(chǔ)層改造本身具有不確定性[7-8]。針對(duì)初次改造后煤層氣井產(chǎn)能效果不佳,現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中采取了二次改造增產(chǎn)措施,包括煤層二次壓裂、間接壓裂頂板、氮?dú)庹饎?dòng)解堵、酸洗解堵等方法[9]。在低效井治理過(guò)程中,煤層氣賦存的構(gòu)造和沉積背景是可改造性的基礎(chǔ),初次儲(chǔ)層改造和排采管控效果決定了二次改造施工的可行性和技術(shù)選擇。針對(duì)不同的地質(zhì)、工程和排采條件,選擇合適的二次改造工藝技術(shù)決定了氣井后續(xù)開(kāi)發(fā)效果。本文在重新梳理煤層氣井低產(chǎn)原因的基礎(chǔ)上,分析總結(jié)已有的二次改造技術(shù),剖析不同地質(zhì)和工程背景下二次改造技術(shù)選擇,以期為煤層氣井單井產(chǎn)能提升提供技術(shù)支持。

1 煤層氣井低產(chǎn)原因

當(dāng)前國(guó)內(nèi)煤層氣井低產(chǎn)、低效的原因,主要有:①煤儲(chǔ)層地質(zhì)條件差,包括構(gòu)造復(fù)雜、斷裂發(fā)育、構(gòu)造煤發(fā)育、含氣量和滲透率低等因素；②儲(chǔ)層改造方式不適應(yīng),包括鉆井和固井等過(guò)程造成的煤層傷害、壓裂裂縫單一且擴(kuò)展范圍有限、壓裂液污染等；③開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)不科學(xué),包括井網(wǎng)部署針對(duì)性差、井型和井距不適應(yīng)、排采管控不合理等[10-12]。

上述因素中單一或多種綜合作用,均可造成儲(chǔ)層改造范圍小、導(dǎo)流能力差、儲(chǔ)層污染及煤粉堵塞等問(wèn)題,影響開(kāi)發(fā)效果[13]。可見(jiàn),在煤層氣井改造中,應(yīng)當(dāng)綜合考慮地質(zhì)、工程和排采各方面因素,既要保證地質(zhì)條件和工程施工措施的一體化,也要保證排采和開(kāi)發(fā)方式的適用性(圖1)。

圖1 煤層氣井產(chǎn)能影響因素Fig.1 Influencing factors of coalbed methane well production

1.1 地質(zhì)儲(chǔ)層條件

煤層厚度、孔隙度、滲透率、儲(chǔ)層壓力、煤體結(jié)構(gòu)和含氣量等地質(zhì)因素都會(huì)影響煤層氣的產(chǎn)能[14]。國(guó)內(nèi)大部分煤層具有煤體結(jié)構(gòu)復(fù)雜、滲透率低、儲(chǔ)層普遍低壓、欠飽和的特點(diǎn),這些因素直接影響排水降壓效果和氣水滲流產(chǎn)出[15-17]。其中,煤體結(jié)構(gòu)是影響儲(chǔ)層物性和儲(chǔ)層可改造性的重要因素,其又受控于區(qū)域構(gòu)造背景和煤巖本身性質(zhì),是影響初次和二次改造的關(guān)鍵參數(shù)。以樊莊區(qū)塊為例,雖然該區(qū)含氣量較高,但東部及北部地區(qū)大多數(shù)煤層氣井為低產(chǎn)井。研究發(fā)現(xiàn),該區(qū)地質(zhì)儲(chǔ)層具有埋深大、斷裂構(gòu)造聚集且發(fā)育、水動(dòng)力活躍等特點(diǎn)。例如,HG60-1 井受附近高角度斷層影響,投產(chǎn)后產(chǎn)水量大且無(wú)自然產(chǎn)能；HY7-4 井煤層埋深較大且物性差,雖然含氣量高但日產(chǎn)氣量低,僅為200 m3/d[18]。

1.2 工程施工改造

工程施工過(guò)程中諸多因素會(huì)造成儲(chǔ)層污染和傷害,影響開(kāi)發(fā)效果。鉆井過(guò)程中井徑擴(kuò)大和鉆井液滲入會(huì)引起儲(chǔ)層傷害,影響氣體解吸。如果儲(chǔ)層改造方式與地質(zhì)特性不適應(yīng),開(kāi)發(fā)效果提升就不明顯,甚至?xí)斐蓺饩彤a(chǎn)[19]。煤層氣儲(chǔ)層本身壓裂難度大,難點(diǎn)主要包括:①低壓低滲條件下裂縫長(zhǎng)度如何拓展；②低楊氏模量和高泊松比松軟煤層如何保證支撐效果；③低地層壓力系數(shù)條件下如何控制壓裂液返排；④敏感性煤儲(chǔ)層如何避免壓裂液傷害；⑤碎裂煤、碎粒煤等構(gòu)造煤的壓裂效果如何保證[20]。除此之外,壓裂過(guò)程會(huì)使煤骨架進(jìn)一步壓縮,增加了壓裂液和地層水產(chǎn)出難度,影響排水降壓效果。同時(shí),在煤層氣井工程施工中,施工偏差、壓裂低效、井筒堵塞等也是造成氣井低產(chǎn)的重要因素。韓城區(qū)塊中XB-18-1 井最大日產(chǎn)氣量?jī)H有505 m3/d,且日產(chǎn)水量極高,最高可達(dá)47 m3/d,而與其位于同一井臺(tái)的XB-18 井高產(chǎn)氣,經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn),XB-18-1 井低產(chǎn)是由于固井質(zhì)量不合格,造成了管外竄槽。因工程施工造成的煤層氣井低產(chǎn),應(yīng)及時(shí)排查并修復(fù)以減小損失[21]。

1.3 井網(wǎng)設(shè)計(jì)和排采控制

煤層氣井排采的核心是保證井網(wǎng)協(xié)調(diào)穩(wěn)定降壓,以促使區(qū)域內(nèi)煤層氣有效解吸產(chǎn)出[22-23]。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中,設(shè)備故障、管控不當(dāng)?shù)纫蛩貢?huì)造成動(dòng)液面降低過(guò)快、流壓突變、排采不連續(xù)以及煤粉堵塞、水鎖等現(xiàn)象,在產(chǎn)氣曲線上表現(xiàn)為長(zhǎng)期低產(chǎn)、峰值跳躍、衰減速度快[24]。除此之外,排采造成氣井低產(chǎn)的原因還包括井網(wǎng)協(xié)同降壓程度低、裂縫閉合、壓差不足。因此,煤層氣井排采需要在排水期有效疏通因壓裂形成的煤粉堵塞,并且在有效時(shí)間內(nèi)盡快見(jiàn)氣,形成經(jīng)濟(jì)產(chǎn)能。

除了單井管控之外,合理的井網(wǎng)井距設(shè)計(jì)也是影響氣井開(kāi)發(fā)效果的重要因素。井距大小決定了資源動(dòng)用程度,井距偏小會(huì)造成經(jīng)濟(jì)浪費(fèi),井距偏大會(huì)使井間干擾不能有效疊加。地質(zhì)因素中的儲(chǔ)層厚度、埋深和煤體結(jié)構(gòu)等也是影響井網(wǎng)設(shè)計(jì)的因素。當(dāng)煤體結(jié)構(gòu)破碎時(shí),井間壓降難以協(xié)同,影響氣體產(chǎn)出[25]。柿莊南區(qū)塊SZ-1 井與SZ-2 井物性條件大致相同,但SZ-1 井日產(chǎn)氣量為528 m3/d,僅為SZ-2井一半。研究發(fā)現(xiàn),SZ-1 井壓裂時(shí)溝通了頂?shù)装搴畬?且SZ-1 井排采速率過(guò)快,短時(shí)間內(nèi)井底流壓起伏較大,高速流體向井筒運(yùn)移時(shí)攜帶了大量煤粉而造成裂縫堵塞,降低了儲(chǔ)層滲透率,影響了氣井生產(chǎn)[26]。

2 二次改造技術(shù)進(jìn)展

為提高煤層氣井產(chǎn)氣量,煤層氣產(chǎn)業(yè)界采取了多種儲(chǔ)層改造技術(shù)?？紤]不同技術(shù)的持續(xù)改進(jìn)和完善,這里僅介紹已經(jīng)應(yīng)用于二次改造和潛在可應(yīng)用于二次改造的技術(shù)(表1)。

2.1 二次水力壓裂

二次壓裂是在煤儲(chǔ)層初次壓裂基礎(chǔ)上,使老裂縫得到有效延伸或造出新裂縫,建立井筒與煤層有效通道。按工藝方式和目的不同,二次壓裂可分為撐開(kāi)并延伸原有裂縫、在原有裂縫基礎(chǔ)上轉(zhuǎn)向延伸裂縫和壓裂產(chǎn)生新裂縫3 種類型。二次壓裂是當(dāng)前最為普遍的二次改造措施,在樊莊、鄭莊[27]和淮北[28]等區(qū)塊開(kāi)展了實(shí)踐應(yīng)用。

二次壓裂的首要工作是壓裂井和壓裂層段的選取。確定選取標(biāo)準(zhǔn)需要綜合考慮多種因素:①地質(zhì)因素,包括煤巖物性、煤體結(jié)構(gòu)、地應(yīng)力等；②初次壓裂效果,包括液量、前置液比例、平均砂比和最大排量等；③氣井開(kāi)發(fā)歷史和當(dāng)前產(chǎn)氣產(chǎn)水情況。在具體設(shè)計(jì)二次壓裂施工方案工作中,應(yīng)按照“壓裂層位優(yōu)選→加砂工藝優(yōu)化→壓裂液體系優(yōu)化→支撐劑組合優(yōu)化→返排工藝優(yōu)化”流程進(jìn)行。

2.1.1 關(guān)鍵參數(shù)指標(biāo)

二次改造的關(guān)鍵在于裂縫的延展和轉(zhuǎn)向、裂縫高度控制和支撐劑嵌入,受煤巖脆性指數(shù)、裂縫發(fā)育程度、抗張拉強(qiáng)度和水平應(yīng)力差等因素影響。其中,水平應(yīng)力差直接影響二次裂縫擴(kuò)展效果(圖2)[29]。以沁水盆地柿莊南區(qū)塊為例,當(dāng)水平壓力差小于2 MPa時(shí),天然裂縫影響大,轉(zhuǎn)向縫隨機(jī)擴(kuò)展,不易控制；當(dāng)水平壓力差處于4 ～6 MPa 時(shí),轉(zhuǎn)向縫垂直于一次壓裂裂縫并延伸至邊界,轉(zhuǎn)向半徑大；壓力差大于8 MPa時(shí),對(duì)裂縫擴(kuò)展限制較大且易形成水平縫,難以轉(zhuǎn)向成功。暫堵劑濃度的選擇也是儲(chǔ)層二次壓裂需要考慮的因素之一。暫堵劑濃度較低會(huì)導(dǎo)致封堵裂縫效果差,裂縫無(wú)法有效延伸且轉(zhuǎn)向半徑??；暫堵劑濃度高,裂縫會(huì)延伸至邊界且轉(zhuǎn)向半徑大。在二次壓裂中適當(dāng)提高支撐劑用量,有利于復(fù)雜縫網(wǎng)形成[30]。此外,提高排量可促進(jìn)水力裂縫的擴(kuò)展,進(jìn)一步溝通層理或天然裂縫,形成復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)。

圖2 不同水平壓力差二次壓裂裂縫延展對(duì)比Fig.2 Fracture extension comparison after secondary fracturing with different horizontal pressures

2.1.2 二次壓裂前后評(píng)價(jià)

二次壓裂的低產(chǎn)井需要滿足的條件,包括井位遠(yuǎn)離斷層、煤層處于中等水平應(yīng)力差(4 ～6 MPa)以及綜合地質(zhì)、儲(chǔ)層因素評(píng)價(jià)可改造性較好。以柿莊南區(qū)塊SN-562D4、SN02-2D 和SN-169 井為例,其一次壓裂及二次壓裂后的產(chǎn)能曲線、壓裂裂縫如表2 和圖3 所示。其中,SN-562D4 和SN02-2D 井二次壓裂后分別產(chǎn)生了狹長(zhǎng)縫和高短縫且增產(chǎn)效果好,壓后日產(chǎn)氣量分別為888 m3/d 和2 448 m3/d；而SN-169 井二次壓裂后,裂縫壓穿高濾失層,導(dǎo)致壓裂效果差,未能實(shí)現(xiàn)有效改造。

圖3 柿莊南區(qū)塊SN-562D4、SN02-2D、SN-169 井產(chǎn)能曲線Fig.3 Production capacity curves of Well SN-562D4,SN02-2D and SN-169 in Shizhuangnan Block

表2 不同裂縫形態(tài)產(chǎn)能評(píng)價(jià)Tab.2 Productivity evaluation under different fracture morphologies

2.2 二次無(wú)水壓裂技術(shù)

無(wú)水壓裂技術(shù)是利用N2或CO2等氣體替代水對(duì)煤層進(jìn)行壓裂。目前,常見(jiàn)的無(wú)水壓裂包括N2壓裂、CO2液體相變壓裂和低溫液氮增產(chǎn)等。

N2壓裂是以高壓壓縮后的N2作為壓裂介質(zhì),在達(dá)到設(shè)定壓力后瞬間釋放N2對(duì)目的層位進(jìn)行沖擊并注入大量N2,改善煤層原有裂縫系統(tǒng)并返排煤粉等物質(zhì),疏通流體運(yùn)移通道以提高滲透率,從而提高單井產(chǎn)氣量[圖4(a)]。對(duì)晉城3 號(hào)煤層(干煤)的DQJD-01 和DQJD-02 井進(jìn)行N2震動(dòng)壓裂解堵試驗(yàn),壓裂影響半徑在140 m 左右,氣井產(chǎn)能提高且排采周期縮短[31]。

液態(tài)CO2相變壓裂技術(shù)[圖4(b)]是將CO2置于儲(chǔ)存管中,運(yùn)用化學(xué)方法對(duì)液態(tài)CO2加熱,使其在極短時(shí)間內(nèi)由液態(tài)轉(zhuǎn)化為氣態(tài)。在此過(guò)程中CO2體積迅速膨脹,當(dāng)儲(chǔ)存管的壓力超過(guò)承受極限后,切割板斷裂,高壓CO2注入釋放管,產(chǎn)生的能量作用于煤體,形成新裂縫,從而對(duì)儲(chǔ)層進(jìn)行二次改造。液體CO2相變壓裂技術(shù)目前已在我國(guó)多個(gè)地方得到了應(yīng)用,使用該技術(shù)后產(chǎn)氣量提高了2 ～5 倍[32-33]。

低溫液氮增產(chǎn)技術(shù)是指將低溫液氮注入煤層后,液氮的氣化和低溫效應(yīng)使煤體破裂形成裂縫,從而提高煤層滲透率[圖4(c)]。在平頂山十三礦的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)表明,該技術(shù)使單井日產(chǎn)氣量有明顯提高,在構(gòu)造煤發(fā)育地區(qū)實(shí)現(xiàn)了連續(xù)穩(wěn)產(chǎn)的目標(biāo)[34]。該方法優(yōu)勢(shì)是節(jié)約水并且不會(huì)對(duì)地下水造成污染,但目前保持液氮低溫狀態(tài)的設(shè)備和方法不夠完善,成本也高于水力壓裂。另外,由于液氮黏度較低無(wú)法攜帶支撐劑,形成裂縫相比于水力壓裂裂縫閉合速度較快。

圖4 二次無(wú)水壓裂技術(shù)原理Fig.4 Principle of anhydrous fracturing technologies

2.3 間接壓裂技術(shù)

間接壓裂是指對(duì)煤層鄰近層或頂板進(jìn)行射孔壓裂,使新生成裂縫與煤層原有裂縫溝通,提高煤層附近巖性界面和頂板裂縫半長(zhǎng),控制煤粉排出,使煤層水通過(guò)裂縫進(jìn)入井筒從而實(shí)現(xiàn)降壓以提高產(chǎn)氣量[35]。該技術(shù)施工壓力低,施工較簡(jiǎn)單,可降低煤粉產(chǎn)出量,有效降低了壓裂對(duì)煤層的傷害。在阜新地區(qū)運(yùn)用該方法后,產(chǎn)氣井的連續(xù)產(chǎn)氣時(shí)間提前且產(chǎn)氣量相比之前有所提高[36]。該技術(shù)適用于薄煤層,對(duì)于提高裂縫規(guī)模有較好效果。在煤層較厚地區(qū),壓裂比較復(fù)雜,間接壓裂效果差。以韓城區(qū)塊為例,對(duì)該區(qū)120 余口井運(yùn)用間接壓裂后,單井平均增產(chǎn)近1 000 m3/d。該區(qū)5 號(hào)煤層頂板為11 m厚砂巖,產(chǎn)氣較好。以該區(qū)H1井為例,運(yùn)用238 m3前置液、357 m3攜砂液、8 m3頂替液,采取間接壓裂技術(shù)射開(kāi)頂板1.2 m 砂巖增產(chǎn),穩(wěn)定產(chǎn)氣量在4 000 m3/d 以上,是鄰井產(chǎn)氣量的4 倍。

2.4 微生物增透技術(shù)

微生物增透技術(shù)是指向煤層中注入甲烷菌等微生物及其所需營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),通過(guò)微生物降解煤中小分子物質(zhì)來(lái)提高煤層滲透率和產(chǎn)氣量的技術(shù)[37]。對(duì)義馬千秋煤礦、大同永定煤礦和柳林沙曲煤礦長(zhǎng)焰煤、氣煤和焦煤進(jìn)行微生物增透實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn),煤樣裂縫數(shù)量增加,改善了孔隙結(jié)構(gòu),提高了滲透性,有利于CH4解吸[38]。運(yùn)用該技術(shù)需要內(nèi)/外源微生物具備降解煤巖產(chǎn)生CH4的能力。

但該技術(shù)目前還存在許多問(wèn)題需要解決,主要有:①對(duì)生物降解煤產(chǎn)生CH4的機(jī)理認(rèn)識(shí)還不足,現(xiàn)階段研究多處于實(shí)驗(yàn)室模擬研究階段,現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)較少；②不同地質(zhì)溫度壓力條件下合適的微生物選擇存在難度；③煤層微生物的繁殖環(huán)境需進(jìn)一步研究和優(yōu)化；④微生物難以降解高階煤；⑤微生物法見(jiàn)效時(shí)間長(zhǎng),短期內(nèi)難以提高產(chǎn)量。

2.5 酸化增透和泡沫酸洗

酸化增透技術(shù)在石油、天然氣、頁(yè)巖氣等領(lǐng)域作為一種有效的增產(chǎn)措施而被廣泛應(yīng)用。該技術(shù)主要通過(guò)向煤層中添加化學(xué)試劑,使之與煤層發(fā)生反應(yīng)以改變物性特征,從而提高煤層滲透性[39]。在陜西中能煤礦的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),該技術(shù)增加了CH4的擴(kuò)散通道,酸化后產(chǎn)生的CO2也促進(jìn)了CH4的解吸,提高了采收率[40]。該技術(shù)可應(yīng)用于高應(yīng)力、高非均質(zhì)性和低滲透性儲(chǔ)層,但也存在諸多缺點(diǎn):①煤層中所含酸蝕礦物質(zhì)少,酸化作用對(duì)煤層改造效果??；②對(duì)地下水存在潛在污染；③造成管道和泵腐蝕；④不適用于礦物含量低的煤層。

泡沫酸洗技術(shù)是在常規(guī)酸化的酸液中加入起泡劑和穩(wěn)泡劑[41]再注入儲(chǔ)層,使酸液與儲(chǔ)層巖石發(fā)生反應(yīng),達(dá)到解堵和提高滲透率目的,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)層的改造[42]。四川盆地筠連地區(qū)煤儲(chǔ)層呈現(xiàn)弱速敏、弱水敏、弱鹽敏性和強(qiáng)應(yīng)力敏感性,在充分考慮壓裂液與地層水配伍性的基礎(chǔ)上,對(duì)該區(qū)33口井實(shí)施酸洗,目前有效井有20 口,約1年的時(shí)間里累計(jì)增產(chǎn)氣量達(dá)5.49 Mm3[43]。

2.6 洗井、動(dòng)壓調(diào)節(jié)、負(fù)壓抽采和井網(wǎng)改造

針對(duì)煤層氣開(kāi)發(fā)中煤粉沉降等低產(chǎn)原因,可以采用洗井洗泵等增產(chǎn)方式。洗井是將洗井液注入井筒,將堵塞井筒的物質(zhì)攜帶到地面,從而增加井筒導(dǎo)流能力的過(guò)程。洗井一般包括機(jī)械洗井和化學(xué)藥劑洗井。其中,機(jī)械洗井又分為清水洗井、氣舉洗井、活塞洗井和沖砂洗井等；化學(xué)藥劑洗井包括酸洗井、焦磷酸鈉洗井和液態(tài)二氧化碳洗井等[44]。在洗井過(guò)程中要減少洗井液的侵入,維持井底流壓穩(wěn)定以減少對(duì)煤儲(chǔ)層的損害。對(duì)焦作地區(qū)ZM-1 井組進(jìn)行洗井后,地層滲透率明顯提高,其中ZM-1-V 井滲透率是洗井前的8 倍[45]。在煤層氣井開(kāi)采時(shí),泵筒中吸入煤粉引起卡泵導(dǎo)致采收率降低時(shí),可以通過(guò)洗泵減少卡泵事故發(fā)生,保證排采連續(xù)性。洗泵具體操作是:將原井的抽油桿柱和柱塞提出,下入空心抽油桿后將井口密封,通過(guò)向新下入的空心抽油桿中注入高速高壓的流體,實(shí)現(xiàn)沖洗泵筒內(nèi)固定閥和油管內(nèi)壁,將煤粉攜帶出地面[46]。

動(dòng)壓調(diào)節(jié)是在單井管控中控制合理的生產(chǎn)壓差,以期實(shí)現(xiàn)氣井穩(wěn)產(chǎn)[2]。隨著煤層氣井運(yùn)行,地下儲(chǔ)層動(dòng)力下降、壓差不足,會(huì)造成煤層氣井產(chǎn)氣量下降,降低采收率。此時(shí)需要針對(duì)性采取動(dòng)壓調(diào)節(jié)、負(fù)壓抽采和井網(wǎng)改造等措施,以提高產(chǎn)氣效果。

負(fù)壓排采技術(shù)是通過(guò)在地面井口安裝負(fù)壓設(shè)備,進(jìn)一步降低套管壓力、增大煤層與井筒內(nèi)生產(chǎn)壓差,達(dá)到氣井增產(chǎn)目的。煤層氣井廢棄壓力一般為0.2 MPa,使用負(fù)壓增產(chǎn),能夠使廢棄壓力大大降低。

井網(wǎng)設(shè)計(jì)需要考慮煤層埋深、厚度、孔隙率、滲透率和頂?shù)装逦镄缘鹊刭|(zhì)條件,根據(jù)不同井網(wǎng)類型適用條件選取最合適的井網(wǎng)[47]。一般情況下,各方向滲透性差異小的開(kāi)發(fā)區(qū),可采用矩形井網(wǎng)；各方向滲透性差異較大的開(kāi)發(fā)區(qū),可采用菱形井網(wǎng),并且沿著主滲透和垂直主滲透兩個(gè)方向布井[48]。煤巖面割理方向壓力傳播速度快,水力壓裂裂縫一般沿面割理方向延伸,滲透率較高,在井網(wǎng)部署或者水平井鉆井時(shí)應(yīng)充分考慮[49-50]。

2.7 其他改造增產(chǎn)技術(shù)

針對(duì)煤層氣儲(chǔ)層改造,深孔爆破、水力噴射、等離子脈沖、聲波增透、微波輻射、電壓裂及氧化劑解堵等技術(shù)也被探索,在實(shí)驗(yàn)室或者現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展了應(yīng)用實(shí)驗(yàn),相關(guān)技術(shù)也可以被應(yīng)用到煤層氣井的二次改造。

深孔爆破是指在鉆孔作業(yè)的深孔處裝入炸藥對(duì)煤層進(jìn)行爆破,破壞煤體并釋放鉆孔周圍應(yīng)力,從而提高儲(chǔ)層滲透率。對(duì)靜水壓力狀態(tài)埋深800 m、厚30 m 的煤層進(jìn)行爆破增透的數(shù)值模擬,發(fā)現(xiàn)單孔最大增透半徑為3.5 m,且控制孔尺寸越大,煤層中產(chǎn)生裂縫面積也越大[51]。

等離子脈沖技術(shù)應(yīng)用于沁水盆地寺河區(qū)塊兩口低效井進(jìn)行增產(chǎn)試驗(yàn),兩口井產(chǎn)能增加明顯,穩(wěn)產(chǎn)時(shí)間較長(zhǎng),證明了該技術(shù)可行性[52]。

水力噴射是在埋藏淺、機(jī)械強(qiáng)度低的低滲煤儲(chǔ)層直井或水平井中,將流體加壓后經(jīng)噴嘴在裂縫中高速射出,由于速度越快周圍壓力越低,使得縫內(nèi)壓力升高,驅(qū)動(dòng)裂縫延展[圖5(a)][53-54]。

聲波增透技術(shù)是指在干燥或低含水的煤層中通過(guò)大功率聲波輻射使煤層與聲波發(fā)生共振,通過(guò)交替改變煤體的壓應(yīng)力與拉應(yīng)力、伸長(zhǎng)和壓縮形變來(lái)提高儲(chǔ)層滲透率的技術(shù)[圖5(b)][55]。對(duì)重慶南桐和天府煤礦的貧煤煤樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn),通過(guò)聲波機(jī)械振動(dòng)和熱效應(yīng),使發(fā)現(xiàn)煤體溫度增加了12 ℃,減弱了甲烷吸附能力,增強(qiáng)了煤體滲透性,使解吸量增加了20% 以上[56]。

微波輻射技術(shù)是指利用煤中顯微組分和礦物組成存在多樣性和差異性,通過(guò)高功率微波輻射在煤層內(nèi)部形成一定溫度梯度、產(chǎn)生熱誘導(dǎo)應(yīng)力,促使煤層破裂而提高儲(chǔ)層滲透率[圖5(c)]。對(duì)阜新地區(qū)海州礦區(qū)煤樣進(jìn)行微波輻射實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,煤樣滲透率隨輻射時(shí)間增長(zhǎng)而增大。但是,井下微波加熱的實(shí)現(xiàn),有很多工程問(wèn)題需要解決。

高壓電壓裂可分為電液壓裂和電壓裂2 種。電液壓裂中煤是被壓縮應(yīng)力所破碎,而電壓裂主要是通過(guò)拉張應(yīng)力實(shí)現(xiàn)的[圖5(d)][57-58]。煤的抗拉強(qiáng)度通常僅為其抗壓強(qiáng)度的4% ～5%[59-60],因此電壓裂所需能量遠(yuǎn)小于電液壓裂所需能量,但是電壓裂單次壓裂范圍小,裂縫延伸方向無(wú)法控制。電液壓裂是在飽含水的地層中釋放高聚能電脈沖,在液電效應(yīng)作用下將高功率能量轉(zhuǎn)換為沖擊波來(lái)改造儲(chǔ)層[圖5(e)]。對(duì)沁水盆地寺河3 號(hào)煤層電液壓裂試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),電壓越高,形成的裂縫越寬、分布范圍越大且越復(fù)雜[61-62]。

圖5 二次改造增產(chǎn)技術(shù)原理Fig.5 Principle of secondary enhancing production technologies

氧化劑對(duì)煤的孔隙結(jié)構(gòu)具有一定的改造作用。目前,煤層中常用的氧化劑有二氧化氯和硫酸銨,二者對(duì)煤層解堵均有較好效果。前人對(duì)不同煤階煤樣運(yùn)用上述氧化劑進(jìn)行預(yù)處理,運(yùn)用壓汞法對(duì)處理后煤樣孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)各煤階煤樣孔隙度均有不同程度增大,煤階越低,孔隙度增加程度越大[63]。此外,氧化劑還會(huì)與煤的部分側(cè)鏈和官能團(tuán)反應(yīng),對(duì)煤儲(chǔ)層產(chǎn)生氧化刻蝕,降低煤的總比表面積及對(duì)甲烷的吸附能力,可促進(jìn)煤層氣的解吸運(yùn)移[64]。

3 二次改造技術(shù)綜合應(yīng)用分析

二次改造按照工藝技術(shù)類別可劃分為物理法、化學(xué)法、生物法和其他方法(表1)。

不同改造技術(shù)措施適用的儲(chǔ)層地質(zhì)條件和開(kāi)發(fā)井田均有不同。同時(shí),選擇儲(chǔ)層改造技術(shù)方法還應(yīng)綜合考慮煤層氣井低產(chǎn)的具體原因。

二次水力壓裂和頂板壓裂技術(shù)應(yīng)用較為廣泛,在韓城煤層氣田取得了很好效果[35]。二次水力壓裂的實(shí)施需要煤體結(jié)構(gòu)以原生結(jié)構(gòu)和碎裂煤為主,可以促進(jìn)初次裂縫的繼續(xù)擴(kuò)張和次生裂縫的轉(zhuǎn)向和生成。該技術(shù)在松軟煤層中難以實(shí)施,同時(shí)必須考慮初次裂縫擴(kuò)張情況、地應(yīng)力分布和黏土礦物的水化膨脹等影響。頂板間接壓裂技術(shù)主要面向頂板穩(wěn)定的煤層,且在地質(zhì)歷史中煤層具有較高的生氣能力,直接砂巖頂板之上存在較好的泥頁(yè)巖等蓋層。頂板間接壓裂技術(shù)施工相對(duì)簡(jiǎn)單,可以避免煤粉和儲(chǔ)層傷害,考慮深部煤層氣開(kāi)發(fā)難度和煤系氣協(xié)調(diào)綜合開(kāi)發(fā),是未來(lái)重要的應(yīng)用方向。但是該技術(shù)在厚煤層發(fā)育區(qū)和構(gòu)造復(fù)雜區(qū)難以系統(tǒng)實(shí)施。

等離子脈沖、聲波、深孔爆破、電液壓裂、電壓裂和微波輻射等技術(shù),當(dāng)前主要以室內(nèi)研究為主,僅在個(gè)別地區(qū)開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。這些技術(shù)雖無(wú)須重新鉆井,但應(yīng)用困難。首先是儀器下井難度大,需要設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)可以安全下井且有效應(yīng)用的設(shè)備；其次是井下實(shí)施應(yīng)用的效果、范圍有待進(jìn)一步揭示,如何保證改造效果在井筒周邊有效擴(kuò)展。同時(shí),不同技術(shù)對(duì)煤層條件要求有差異。聲波法一般應(yīng)用于干燥或低含水的煤層,而電液壓裂和微波輻射技術(shù)則要求煤層含水或飽含水[62]。水力噴射技術(shù)是應(yīng)用高壓射流的水力破巖作用,解決近井地帶堵塞等問(wèn)題,在低機(jī)械強(qiáng)度煤層中更利于裂縫延展,但是需要考慮高壓流體的泄露問(wèn)題。

CO2和N2壓裂技術(shù)已經(jīng)開(kāi)展了大量的室內(nèi)實(shí)驗(yàn),同時(shí)在沁水盆地等開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。這些技術(shù)要求煤層封蓋條件良好,在一定程度上能促進(jìn)CH4的解吸[33]。在具體應(yīng)用中,需要考慮氣體的狀態(tài)變化,如CO2在超臨界狀態(tài)下如何保證其有效穩(wěn)定注入,是需要解決的難題。酸化增透和泡沫酸化等技術(shù)適用于具有一定礦物含量的煤層中,可以有效提高滲透性,但是需要考慮管柱抗腐蝕程度、流體在地層中的濾失以及防治地層污染[42]。微生物增透技術(shù)在近年有諸多研究,需要考慮地下條件有合適的微生物繁殖環(huán)境,且煤層可以被有效降解。

氣井改造措施中的洗井、洗泵、動(dòng)壓條件和負(fù)壓抽采技術(shù)均需要在井壁穩(wěn)定的煤層氣井中實(shí)施,同時(shí)要求煤層原始含氣量較高,在氣井改造后有足夠的氣體可以連續(xù)生產(chǎn)。但是,在具體施工中需要考慮修井過(guò)程中的儲(chǔ)層敏感性、防治水敏等儲(chǔ)層傷害。井網(wǎng)改造是煤層氣井田有效整體改造的措施,但是需要煤層展布穩(wěn)定,才能在井網(wǎng)開(kāi)發(fā)條件下達(dá)到有效區(qū)域降壓[23,47]。

不同區(qū)塊煤層氣井低產(chǎn)原因存在較大差別,因此在二次改造中應(yīng)選擇適宜的改造技術(shù)。本文選擇鄭莊、柿莊和筠連三個(gè)地區(qū)的煤層氣開(kāi)發(fā)和二次改造措施進(jìn)行分析,揭示不同改造方式的適用性。

3.1 鄭莊區(qū)塊

沁水盆地鄭莊區(qū)塊大多數(shù)煤層氣老井一次改造后普遍存在低產(chǎn)現(xiàn)象,部分是由于煤層氣井位于斷層、陷落柱附近等地質(zhì)因素造成。針對(duì)不同地質(zhì)條件,可采取不同的二次改造措施(表3):

表3 不同地質(zhì)條件二次改造技術(shù)選擇Tab.3 Technical selection of secondary reconstruction under different geological conditions

(1) 對(duì)以原生結(jié)構(gòu)煤為主的構(gòu)造平緩區(qū),采用中、大規(guī)模為主的二次壓裂及分段加砂壓裂。

(2) 對(duì)裂隙發(fā)育的斷層發(fā)育區(qū),采取暫堵轉(zhuǎn)向體積壓裂、前置液加砂塞的改造措施。

(3) 對(duì)煤體結(jié)構(gòu)破碎的褶皺發(fā)育區(qū),采用頂板間接壓裂的方法。

鄭莊地產(chǎn)區(qū)優(yōu)選二次壓裂180 口井,目前已實(shí)施二次改造的井有30 口,平均單井日增氣1 000 m3/d。以ZN2-02 井為例,該井前期由于排采管控差造成地層氣鎖,在實(shí)施二次壓裂改造后,產(chǎn)氣量穩(wěn)步提升,最終在2 000 m3/d 左右實(shí)現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn)[65](圖6)。

圖6 ZN2-02 井排采曲線Fig.6 Production curves for well ZN2-02

3.2 柿莊區(qū)塊

柿莊區(qū)塊煤層氣井低產(chǎn)原因包括鉆井污染、壓裂參數(shù)不合理、煤粉堵塞及儲(chǔ)層敏感等[66]。

對(duì)鉆井污染導(dǎo)致的井筒堵塞、導(dǎo)流能力降低的氣井,采取了酸化增透技術(shù)。對(duì)比發(fā)現(xiàn),采用3%HCl+3% HF+3% CH3COOH 配比的酸液能比較充分地解除井筒污染。

對(duì)于由于壓裂參數(shù)不合理導(dǎo)致的低產(chǎn),需要分類討論。當(dāng)儲(chǔ)層煤質(zhì)為硬煤,采取二次水力壓裂改造以增產(chǎn)；若儲(chǔ)層煤質(zhì)為軟煤,則可采取頂?shù)装彘g接壓裂技術(shù),通過(guò)減少煤層內(nèi)部橫向運(yùn)移距離,提高導(dǎo)流能力來(lái)實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)。

對(duì)由于煤粉堵塞或應(yīng)力敏感的低產(chǎn)井,則采取調(diào)整泵掛深度、控制裂縫轉(zhuǎn)向、沖洗泵、加速泵的沖次以及注入液氮等方法,實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)。

以研究區(qū)SN-4 井為例,該井初期的液面降低速率達(dá)24.4 m/d,過(guò)快的降液速率造成降壓速率過(guò)快,導(dǎo)致壓敏效應(yīng),且煤粉等物質(zhì)堆積在近井地帶,致使孔滲性變差,產(chǎn)氣量?jī)H為580 m3/d。將排水階段的動(dòng)液面下降速率控制在10 m/d 以內(nèi),產(chǎn)氣初期的動(dòng)液面降幅控制在2 m/d 以內(nèi),減緩降壓速率后該井在1 600 m3/d 時(shí)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn)[67]。

3.3 筠連地區(qū)

筠連地區(qū)煤層氣井低產(chǎn)的原因,一方面是壓裂過(guò)程中老井受到影響,產(chǎn)氣量迅速下降且恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)；另一方面是排采制度不合理,造成了水鎖或煤粉堵塞、降低了滲透率(圖7)。通過(guò)二次壓裂、酸洗解堵以及震蕩解堵等措施對(duì)部分低產(chǎn)井進(jìn)行增產(chǎn)改造后,產(chǎn)氣量明顯增加[73]。但是,這些增產(chǎn)措施也在一定程度上造成壓裂竄井和儲(chǔ)層傷害等問(wèn)題。

圖7 針對(duì)部分工程排采原因的二次改造技術(shù)優(yōu)選Flg.7 Selection of secondary reconstruction technology for the reasons of engineering and drainage

以YSL306-2 井為例,該井產(chǎn)氣量非正常下降,4 個(gè)月內(nèi)產(chǎn)氣量由800 m3/d 下降至不到100 m3/d,且產(chǎn)水量較小。研究發(fā)現(xiàn),該井因放氣過(guò)快導(dǎo)致煤粉運(yùn)移至煤層附近,造成堵塞。據(jù)此,采用震蕩解堵的措施后,該井產(chǎn)能明顯上升,在700 m3/d 左右實(shí)現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn)(圖8)。

圖8 YSL306-2 井排采曲線Fig.8 Production curves for well YSL306-2

4 結(jié) 論

(1) 我國(guó)煤層氣井低效原因涉及地質(zhì)、工程和排采等方面,主要體現(xiàn)為地質(zhì)條件差、儲(chǔ)層改造方式不符合煤層特性、工程施工造成儲(chǔ)層傷害、井網(wǎng)部署不合理、井型和井距適應(yīng)性差、排采管控不科學(xué)等。

(2) 二次改造工藝技術(shù)按類別可分為物理法、化學(xué)法、微生物法和其他方法。不同方法的優(yōu)勢(shì)和適用煤層不同。目前,物理法中的二次水力壓裂、間接壓裂和無(wú)水壓裂技術(shù)以及化學(xué)法中的酸化和泡沫酸化技術(shù)運(yùn)用較為廣泛。

(3) 低效井治理過(guò)程中,煤層氣賦存構(gòu)造和儲(chǔ)層特征是可改造的基礎(chǔ)。初次儲(chǔ)層改造和排采管控效果決定了二次改造施工可行性和技術(shù)選擇。針對(duì)不同地質(zhì)背景,應(yīng)結(jié)合煤體結(jié)構(gòu)等因素,綜合選擇二次壓裂、頂板壓裂等技術(shù)；針對(duì)不同工程技術(shù)和排采原因造成的低產(chǎn),選擇二次壓裂、酸洗解堵以及震蕩解堵等方法,以達(dá)到增產(chǎn)效果。