多脉冲加载压裂激励作用下的煤层气解吸研究

武进壮巩芳军

（1.西安石油大学石油工程学院，陕西 710065；2.中国石油天然气集团公司油藏改造重点实验室高能气体压裂分室，陕西 710065）

多脉冲加载压裂激励作用下的煤层气解吸研究

武进壮1，2巩芳军1

（1.西安石油大学石油工程学院，陕西 710065；2.中国石油天然气集团公司油藏改造重点实验室高能气体压裂分室，陕西 710065）

针对煤层气解吸的研究现状及我国煤层气储层的特点，开展多脉冲加载压裂激励下的煤层气解吸研究。研究表明：多脉冲加载压裂技术可在煤储层中形成缝网，使地应力得到松弛，降低了储层压力，促进煤层气吸附与解吸的动态平衡向着解吸的方向进行；在压裂药爆燃过程中产生的大量热量可使储层温度升高，加速吸附态的煤层气分子的热运动，增加其逃逸范德华分子力的束缚机率，促进煤层气解吸；燃烧产物CO2分子可与CH4分子发生置换作用；应力波的弹性振荡作用可解除裂隙间的堵塞物，降低毛细管作用，从而减小渗流阻力。

多脉冲压裂 激励 煤层气 解吸 动态平衡

1 多脉冲加载压裂技术研究

该技术的作用机理是以多种燃速复合压裂药优化组合匹配，结合特有的隔断延时控制技术，通过其燃烧产生大量高温、高压气体的连续有序释放，形成多级高压脉冲波（多个峰值压力）（如图1）。首先在射孔层段产生第一级高压脉冲波，其压力大于地层破裂压力1.5～2.5倍，沿射孔通道进入地层，快速起裂压开地层，形成3～5条裂缝；随后的第二、三级高压脉冲波连续补充能量，对地层再实施2～3次高压冲击波加载压裂，继续促使裂缝快速延伸，以进一步延伸地层裂缝，从而在地层形成较长的多裂缝网络体系。通过对地层实施多次连续高压脉冲波加载压裂，使地层产生和形成多条较长的裂缝体系，提高了沟通天然裂缝的概率，扩大了泄油（气）面积；其产生的大量热量，经过与地层流体传热后，可以瞬间使煤层气井温度提高数百度，具有融化蜡质、改善地层孔隙度和渗透性的作用，达到改善地层、提高煤层气井产量的目的。

图1 多脉冲高能气体加载压裂p－t曲线

2 多脉冲加载压裂激励作用下的煤层气解吸机理

2.1 爆燃条件下松弛地应力的降压解吸

2.1.1 裂隙扩展中的能量释放率准则

多脉冲加载压裂药在井筒中燃烧产生的能量遵从能量守恒定律，其在煤储层中的裂纹扩展服从K.Palsniswamy提出的Ⅰ、Ⅱ混合型裂纹失稳扩展能量释放率准则，该准则认为：

（1）裂纹沿最大能量释放率Gmax的方向θ0开始扩展；

（2）裂纹扩展是由最大能量释放率达到临界值引起的。

裂纹扩展的能量释放率为G，则当θ0满足

时，其为裂纹扩展方向角。

对于Ⅰ、Ⅱ型复合裂纹问题，裂纹沿θ方向扩展的能量释放率表述为：

式中

其中：E为弹性模量；μ为泊松比；KⅠ、KⅡ分别为Ⅰ、Ⅱ型裂纹扩展的强度因子；θ为裂纹扩展方向角。

对于Ⅰ、Ⅱ型复合裂纹，由能量释放率准则及最大周向应力准则可知，裂纹扩展方向由（表示方向角θ在θ0方向上的切向应力及周向应力的变化率为零，即周向方向的应力达到临界值，为最大能量释放率方向）决定；裂纹扩展临界条件由为Ⅰ型材料在θ0方向上的强度因子；KⅠc为纯Ⅰ型裂纹扩展的临界应力强度因子，称为断裂韧度）确定。

2.1.2 裂隙扩展下的降压解吸作用

煤储层中发育有大量内生裂隙，即相互垂直的面割理及端割理，其发育程度及方位受古构造应力场的控制，同时还伴随着受现今地应力影响的外生裂隙。该裂隙可作为处于游离态煤层气扩散的通道并且为多脉冲加载压裂的应用从而促进其裂隙进一步扩展和贯通原来处于孤立状态的裂隙系统提供了可能性。研究表明，煤基质表面的煤层气吸附分为物理吸附和化学吸附，其中物理吸附为煤层气分子与基质分子之间的范德华分子作用力而吸附于固体表面。化学吸附主要是化学键的作用吸附，其解吸需要翻越吸附质与吸附剂之间、化学键之间存在的能垒，比较困难。因此我们所要研究的解吸主要为以物理吸附方式存在的吸附型煤层气。

在多脉冲压裂药爆燃压裂解吸煤层气的应用中，松弛地应力的降压解吸是主要的物理解吸方式。压裂药的爆燃伴随着大量能量的释放，当爆燃的能量产生的应力足以达到裂纹的扩展临界条件时，煤层气井筒中的压裂药便会在其周围形成不受地应力控制径向的多裂缝体系。

裂隙的增加使煤储层中原来各应力的平衡状态被破坏，地应力得以松弛。当储层压力降至临界解吸压力时，煤层气解脱分子间作用力的束缚力，开始发生解吸作用，气体分子由吸附态转变为游离态，解吸的游离态煤层气分子在浓度差的作用下扩散至浓度较低的割理中。压裂过程中产生的多裂缝贯通网络系统具有良好的渗透性促进了煤层甲烷的有效解吸，煤基质由于甲烷分子解吸出来而发生收缩变形，使裂隙进一步张开，并向纵深发展，形成更大范围、更良好的渗透性区域，改善煤层气解吸－扩散－渗流的有利地层环境，从而有利于更深部、更多、更彻底的甲烷分子解吸。

2.2 热效应下的升温解吸作用

多脉冲压裂药的爆燃是伴随有大量热量释放的过程。研究表明，燃烧区内燃烧产生的最高温度接近2500℃，这将在井中和近井地带引起相当大的温度变化。井内急剧上升的温度经燃气通过套管及射孔炮眼将热量传递给储层后可使储层温度产生20～50℃的升高幅度。

在解吸与吸附动平衡态可逆过程中，从吸附态变为解吸状态是一个吸热的反应过程。储层温度的升高促使煤层气分子的热运动加剧，这增加了其逃逸范德华分子作用力的束缚而变为游离态的机率。同时，储层温度的升高可清除割理中的部分胶质的堵塞，使得煤层气的渗流阻力减小，促进煤层气的开采。

2.3 燃烧产物下的置换解吸作用

多脉冲压裂药的燃烧反应是高温高速反应，其燃烧产物比较复杂，其燃烧产物的组成主要取决于火药本身的成分。一般多脉冲压裂中所用压裂药组分中都含有C、H、O、N等元素。其燃烧反应式可表示为：

煤层气的置换解吸的本质是未被吸附的水分子或其他气体分子为争取达到动态平衡而置换了处于吸附态的甲烷分子的位置，从而使原呈吸附态的甲烷分子变为游离态。这符合于自然界的“优胜劣汰”的自然规律，为一类典型“竞争式”吸附类型。研究表明，煤对不同的气体组分具有不同的亲和力，单组分时，煤基质对CO2分子、CH4分子及N2分子亲和能力及吸附量依次减弱。由以上分析可知，压力药爆燃产物CO2分子可与CH4分子产生置换，从而增强煤层气的解吸过程。

2.4 弹性应力波的振荡作用

多脉冲加载压裂过程中伴随有弹性应力波脉冲的作用。爆炸燃烧产生的应力波会使井筒中的液体产生振荡及与其伴随的压力波的传播、反射、叠加所造成的压力脉冲对地层的水力冲击作用，可以使储层间堵塞的颗粒及其结合力产生松动或破坏，解除储层堵塞，甚至可以克服裂隙间的毛细管效应，这有利于煤层气的渗流过程。

3 现场应用实例

EH－03井是中联煤层气有限责任公司在云南某区块组织施工的一口煤层气井，根据EH－03井煤储层地质设计方案，进行射孔及多脉冲压裂施工方案设计，进行了现场试验。施工目的煤层为宣威组7～21号煤层，完钻井深670m，套管完井，人工井底656.08m。同类区块主要地层压力参数如下：储层压力3.13～4.06MPa，压力梯度0.64～0.71MPa／m，破裂压力12.33～14.14MPa，破裂压力梯度0.02269～0.02828MPa／m，闭合压力10.98～11.46MPa，渗透率0.020～0.056mD。为保证压裂效果，施工过程中采用全封闭式压裂，最大峰值压力约为58MPa。多脉冲加载压裂前该井进行了水力加砂压裂，但效果不理想，单井最大日产量900m3，而且产量递减非常快。分析主要原因是目的煤层含水性极弱且具有较强的吸水性，压裂液返排率低，对煤储层造成了伤害。实施多脉冲加载压裂后，该井最大日产能得到有效的增加，单井日产量最高可达1500m3，且维持时间较长，衰减速率较慢。此次现场试验为多脉冲加载压裂技术用于煤层气开采提供了可靠的现场依据。

［1］ 张晓逵，宋党育.煤层气解吸特征研究进展［J］.中国煤层气，2009，6（5）：17－20.

［2］ 刘贻军，娄建青.中国煤层气储层特征及开发技术探讨［J］.天然气工业，2004，24（1）：68－71.

（责任编辑 王一然）

Study of Coalbed Methane Desorption under the Incentive Function of Multiple Pulse Loading Fracturing

WU Jinzhuang1，2，GONG Fangjun1
（1.College of Petroleum Engineering，Xi’an Petroleum University，Shaanxi710065；2.Key Laboratory of China National Petroleum Corporation Reservoir Reconstruction，Shaanxi710065）

Aimed at the current research status of coalbed methane desorption and the characteristics of coalbed methane reservoir，the research on coalbed methane desorption under the incentive function of multiple pulse loading fracturing have been studied.The study shows that the technique ofmultiple pulses loading fracturing can form seam networks，relax the in-site pressure，reduce the reservoir pressure.Italso promotes the dynamic balance between coalbed methane adsorption and desorption to the direction of the later；The quantity of heat producing in the process of deflagration can increase the reservoir temperature，accelerate the thermalmotion of adsorption’s coalbedmethanemolecular and augment its chance to escape Van de Waalsmolecular force，the it promote the process of coalbed methane desorption.The CO2producing can occur replacement role with CH4molecular；The elastic oscillation effect ofwave can remove the fissure between plugs，reduce the capillary action，then it could reduce filtrational resistance.

Multiple pulses loading fracturing；incentive；coalbed methane；desorption；dynamic balance

国家自然科学基金项目（51274164）和中国石油天然气集团公司科学研究与技术开发项目（2015D－5008－34）

武进壮，硕士研究生，主要研究方向为油气田特种增产技术的开发。