探讨分析低渗透中高煤阶致密煤层气开发技术瓶颈与对策

徐 耀 孙 涛 李传亮

(1．河南省煤层开发利用有限公司，河南 450016；2. 西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室，四川 610500)

探讨分析低渗透中高煤阶致密煤层气开发技术瓶颈与对策

徐 耀1孙 涛1李传亮2

(1．河南省煤层开发利用有限公司，河南 450016；2. 西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室，四川 610500)

低渗透中高煤阶致密煤层气开发目前处在井数增多但产量增加不多且很大一部分井未达到工业气流的状态，遇到了“储层含气量高，而开发出气量小甚至不出气”的技术瓶颈。本文综合国内外地面煤层气开发和煤矿井下瓦斯治理的经验以及解吸理论，从煤储层的化学结构着手，借助Kozeny方程深入分析导致目前低渗透中高煤阶致密煤层气开发瓶颈的原因，结合解吸机理的新认知提出了相关开发对策。

低渗透 中高煤阶 煤层气 瓶颈 对策

1 概述

上个世纪在美国黒勇士、圣胡安两大盆地煤层气地面开发成功的鼓舞下，国际上许多国家纷纷开展了本国的煤层气开采试验，主要在高渗透的低煤阶盆地获得了成功，比如美国的粉河、尤因塔、拉顿等盆地，加拿大的阿尔伯塔等盆地，澳大利亚的苏拉特等盆地，在渗透好的中高煤阶煤储层也有开发成功的盆地，如美国的阿巴拉契盆地，但是低渗透(渗透率小于0.1mD)的中高煤阶致密煤储层世界各地区的开发均是失败的，主要表现为煤储层含气量高，单井产量低，低于基本的工业标准，或初产较高，但迅速降低至无开采价值，这已成为低渗透中高煤阶煤层气开发的瓶颈。中国鄂尔多斯盆地部分地区及河南等地区低渗透中高煤阶储层的地面开发情况和世界情况基本一致，均未能获得大规模的工业气流。

井下抽放低渗透中高煤阶瓦斯，其解吸条件比地面抽排解吸条件优越得多，仍然面对同样的一个问题：煤内有气却不容易解吸出来。井下治理瓦斯是通过底板或顶板抽放巷道内以1孔/m2的孔密进行钻孔穿透煤层抽放，其解吸缓慢长达半年甚至一年之久，才符合煤矿瓦斯抽采标准。

实验室内将井下取的低渗透中高煤阶块煤样放在常温常压环境下解吸也非常缓慢，甚至数月后仍只解吸出少量气，同一煤样在实验室研磨成粉末进行真空解吸，其解吸速度快，吨煤解吸气量是自然条件下解吸气量的3～10倍，证明煤样里是含大量吸附气的。常规地面抽采其经过储层改造后的解吸条件是远远达不到井下瓦斯抽放与煤样自然解吸的条件，如要进行地面抽采，需要进行深入的分析打破地面抽采技术瓶颈，找到解决开发低渗透中高煤阶煤层气的对策。

2 煤储层的物性分析

煤储层的本质属性决定了其煤层气的开发模式。面对低渗透中高煤阶煤储层开发的瓶颈，要更大幅度的提高煤层气效益，至此我们要解决问题必须回到原点—吸附气的解吸上(储层有气为什么不容易出来)，重新审视评判“甲烷在哪儿的问题”，也就是说煤层气目前所处的环境和状态的问题，是吸附在煤基质中，基质的物性是怎么样，基质的孔隙是多大，基质的储存能力是多大，煤骨架基质孔隙对甲烷的束缚能力有多大，甲烷的吸附能力是多大，甲烷解吸逃逸能力又有多大，甲烷解吸逃逸所需的活化能是多大？有哪些来源的问题。解决了在哪儿的问题，才能结合其客观物性条件进行分析，找出具有针对性的策略和工艺打开煤层气的通道连到基质孔隙中，给被吸附的甲烷足够的活化能从煤基质孔隙中解吸逃逸出来。

图1 低煤阶孔隙型储层

图2 高煤阶裂缝型储层

3 低渗透中高阶致密煤层气开发现况与分析

从煤的化学结构可知其为一个非常巨大复杂的三维空间碳芳香格架分子结构，以致煤基质孔隙的微小与复杂，甲烷则吸附在这些基质微小而复杂孔隙内，在目前我们所进行的储层改造主要是进行常规压裂，增透煤储层，通过排水降压力求降低煤储层内的压力，让吸附的甲烷解吸，并克服由于受基质中微小孔隙中的水锁、气锁以及微孔毛管力所构成合力的阻力，使煤层内的吸附气最终得以开发到地面，进行开发利用。目前国内已经打了数千口井开采低渗中高煤阶煤层气，很多井未达到工业气流，至此，我们通过甲烷的吸附量与常规改造后的解吸量关系，分析目前开发低渗中高煤阶煤层的瓶颈。

煤岩的比表面与孔渗参数的关系满足Kozeny方程。煤岩的孔隙度取10%，有效解吸渗透率取1mD(有效解吸渗透率指的是能够使得基质中吸附气解吸的最小渗透率)，可计算的煤岩的有效解吸比表面为3600cm2/cm3，也就是360000m2/m3，即1m3煤岩中有360000m2的有效解吸孔隙面积。甲烷分子的大小是0.4nm，甲烷分子的横截面积大约为0.1256nm2，也就是0.1256×10-18m2。认为煤岩能够得到有效解吸的孔隙的内表面完全被吸附甲烷分子所覆盖，则有效解吸渗透率为1mD的1m3煤岩的极限解吸数量为2.87×1024个，1mol气体的分子数量为6.02×1023个，因此，有效解吸渗透率为1mD的1m3煤岩的解吸甲烷最大量为4.76mol。1mol甲烷气体的标准体积为22.4L，也就是0.0224m3。因此，在有效解吸渗透率为1mD时，1m3煤岩中的最大的甲烷解吸量为0.11m3。假设煤层厚为10m，井控半径为150m，那么一口井在有效解吸渗透率为1mD时，在这口井生命期内他能解吸的最大量为75348.84m3。同样可以计算出有效解吸渗透率为0.1mD时，在这口井生命期内他能解吸出的最大气量为238273.94m3；有效解吸渗透率为0.01mD时，在这口井生命期内他能解吸出的最大气量为753488.37m3。按照2元/m3的价格输入管道，其收入见表1，井的成本如表2。如果一口直井其收益为280万元，那么这口井的解吸寿命总产量需要达到140万m3的气才能收回成本，通过计算只有将储层进行改造使其解吸渗透率降低到0.0029mD时，才能完成目标。

表1 煤层气开发经济收益表

表2 煤层气开发经济成本表

从以上分析结合国内外各区块低渗透中高煤阶开发煤层气井的相关数据可以看出，计算分析的解吸寿命总产量与目前大部分中高阶致密煤储层开发煤层气的产量是相符的，证明以上理论计算数据具有真实性、可靠性。同时说明目前储层改造后的解吸仅仅在部分得到有效改造的通道内解吸，低于有效渗透率的基质中所吸附的大部分煤层气是没有得到解吸开发的。就目前的开发方式是不足以将低渗透中高煤阶煤层气开发出来的，主要原因是煤层气通道并没有打开，储层改造不彻底，不能够建立足够有效的通道让煤层气解吸运移出来，煤层气的大部分吸附在煤基质中，而煤基质的孔隙非常小，在这样的没有得到有效改造，由于水锁、气锁、毛管力等解吸阻力因素，导致煤基质存在大量的气，但是得不到有效的降压，使得无法解吸出来，即使有小部分能够解吸，但是由于基质孔隙太小，其不足以克服解吸运移阻力，在没有足够有效的解吸渗透率条件下，吸附气是不能运移出来。

目前开发低渗透中高煤阶煤层气大部分还是利用压裂手段进行储层改造，其改造后产量的收益与成本是不对等，可以看出按照现在的开发方式和技术手段进行开发低渗透中高煤阶煤层气，打的井越多造成的损失越大。因此需要对目前的开发技术进行综合评判分析，找出适合开发低渗透中高煤阶煤层气的技术。

4 低渗透中高煤阶致密煤层气开发解决思路

借鉴防止煤层瓦斯突出的理论与技术研究成果及页岩气有效开发技术，有可能在现有技术的基础上形成将现在煤层气单井产量成倍增加的原理和方法。低渗透中高煤阶煤层气开发遇到的问题，突出表现在储层内存在大量气，而解吸开发出气很困难。通过前一节的分析可以看出，开发低渗透中高煤阶煤层气的关键，一是建立地面至煤层基质中的有效的甲烷解吸逃逸通道，二是增加被吸附气体的活化能，降低基质有效解吸渗透率，使被吸附的甲烷在微小的基质孔隙内克服各种阻力逃逸出去。

充分利用煤层的天然割理裂隙，并提高常规储层改造技术，使其尽可能大的建立地面与煤层基质中的孔隙通道。如利用水平井分段压裂、水平分支井等。

寻找到合适的催化剂，增加吸附气体的分子的活化能，减小基质中微孔隙的解吸阻力，使其更多的解吸，克服基质中微孔隙的解吸运移阻力逃逸出原始环境到达井筒。如某种气体或者液体作为压裂液，进行压裂施工达到煤基质中，充分解放常规压裂无法改造的基质内的甲烷吸附气，从而将基质中煤层气开发出来。

靠采空区的作用和煤的弹塑性，对煤储层应力分布改变，从而改变储层的物性环境，促进煤层气的解吸，也就是对采空区的加以利用进行地面煤层气抽采。如目前突出矿井煤层群开采所采取的开采保护层措施，合理选择开采保护层，对被保护层进行卸压抽放，效果十分明显。

分析储层周围环境，通过储层附近渗透层裂隙煤层气的开发，增加煤储层和邻近层的气体压力差，诱使煤储层内的气体顺着原来进入邻近渗透层的通道进行运移，促使煤储层降压解吸，达到从邻近渗透层煤层气的开发达到间接开发煤层气。

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(责任编辑 韩甲业)

Discussion on Bottlenecks and Countermeasures of Low-permeability Medium-High Coal Rank Tight CBM Development Technology

XU Yao1, SUN Tao1, LI Chuanliang2

(1. Henan CBM Development and Utilization Co., Ltd., Henan 450016;2.State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploration of Southwest Petroleum University, Sichuan 610500)

The wells developing low-permeability medium-high coal rank tight CBM development are increasing while the output increases little. Besides, most of wells fail to reach the status of industrial gas flow, and meet the technological bottleneck of “high gas content in reservoir but little or no output”. This paper, based on domestic and foreign experiences in ground CBM development and underground gas treatment as well as desorption theory, starts from chemical structure of coal reservoir, uses Kozeny equation to deeply analyze the causes of development bottleneck and proposes relevant countermeasures for development combining the new cognition of desorption mechanism.

Low-permeability; medium-high coal rank; CBM; bottlenecks; countermeasures

徐耀，男，工程师，长期从事煤矿瓦斯治理和煤层勘探开发技术工作。