煤层气水力压裂工艺新进展

白云云，宋本凯

(榆林学院 化学与化工学院, 陕西榆林 719000)

煤层气作为一种高潜力洁净能源，拥有巨大的资源量，是补充和接替常规天然气资源最有前景和最现实的后备资源。为了加快我国煤层气产业的发展，国家和地方政府相继颁布和实施了《关于进一步加快煤层气(煤矿瓦斯)抽采利用的意见(国办发〔2013〕93号)》《煤层气(煤矿瓦斯)开发利用“十三五”规划》(能源局，〔2016〕334号)等一系列相关产业文件和政策。近30年来，煤层气增产技术取得了跨越式发展，如何将煤层伤害降至最低，并使产量最高是新一代压裂液和支撑剂体系发展的主要目标。美国的煤层气井压裂液发展经历了从水基压裂液到泡沫压裂的变化。我国的煤层气井因为渗透率性极低，大部分采用水基压裂液施工，并以活性水为主，少数井进行了线性胶和冻胶的试验。基于煤层气在我国能源结构中的重要性，本文总结分析了目前煤层气使用的压裂工艺和技术，旨在为煤层气的高效开采提供借鉴[1]。

1 煤层气压裂工艺影响因素

1.1 储层对压裂工艺影响

我国煤层气主要分布在沁水盆地、鄂尔多斯盆地东缘、淮南淮北、宁武等勘探区，这些储层具有较低的渗透率、压力、含气饱和度以及非均质性强的特点，开发难度较大，对技术开采要求苛刻。主要表现在天然裂缝和端割理发育，造成压裂液滤失情况严重，煤层颗粒对压裂液的阻力大，使压裂液不能更好的进入更深的储层中，从而使压裂液的作用效果下降；同时压裂液对储层的有较大的伤害，严重影响煤层气的采收率。

1.2 支撑剂和压裂液对压裂工艺的影响

随着煤层气、页岩气等非常规油气资源的逐步开发，如何提高裂缝的导流能力成为了煤层气压裂的关键。由于煤储层杨氏模量低、泊松比高和渗透率低等特点，使得压裂液和支撑剂的筛选比常规的砂岩地层更为困难，对低伤害压裂液和低密度支撑剂的研究亦成为了研究热点[2]。

2 煤层气压裂新工艺

2.1 低温气体辅助煤层气压裂

低温气体辅助煤层气压裂就是将液态的N2、CO2等气体注入煤层气储层中，通过冷冲击机理的作用使煤层中的煤岩形成更多的微小裂缝，煤岩因受冷收缩煤岩部分颗粒脱落从而起到支撑新裂缝作用，增加了煤层储层的孔隙度和渗透率。同时注入液态的N2、CO2等气体又能对煤层气起到驱替的作用，进一步提高了煤层气的采收率[3]。

2.2 径向井复合脉动水力压裂技术

径向井复合脉动水力压裂技术是利用高压导流径向孔眼进行适当的脉动水力压裂进行改造，从而在主井筒附近一定区域内尽可能地冲击和破碎煤层，形成导流效率高的通道与裂缝网络相结合的大范围降压增加渗透的区域。研究表明：该方法对获得一定程度的体积裂缝网有一定的帮助作用，可增强煤层泄压面积，降低了应力敏感性损伤和煤岩水力裂缝曲折度，有效的解除了近井地带的储层污染，对煤层气增产效果有明显的提升[4]。

2.3 “三低一大”压裂技术

该技术就是通过低的压裂压力沟通和低的注入排量扩张和连通天然裂缝系统，对煤层渗透率的伤害减小，从而能形成了使裂缝相互连接形成网络；随着压裂液用量的增加，所波及的天然裂缝体积范围会增大，那么压裂改造天然裂缝的体积也将进一步扩大。

2.4 连续油管环空加砂压裂技术

连续油管环空加砂压裂技术是在连续油管可携带工具进行多层压裂和下放迅速，压裂液经过环空内对体积压裂其能量转换为动能从喷嘴喷出破开煤层基础上，再配加环空加砂压裂将大直径的支撑剂输送至目的层的裂缝中的技术，从而达到为煤层降压促进解析的目的。该方法针对性强，可以对指定煤层进行压裂，施工时间不长、增缝性能强等特点[5]。

2.5 高能气体压裂技术

高能气体压裂技术改造煤气层作用机理是利用高能气体压裂装置可在煤气层产生大量高温、高压气体，再利用产生的气体压裂煤气层，使煤气储层中的裂缝体系向前延伸伸长形成更多的裂缝，使得更多的天然裂缝连通起来，使得煤气层泄气的拥有更好的裂缝通道，同时在较强的多脉冲震荡作用下，提高和改善了煤层基质孔隙之间的连通能力和渗透能力。通过产生网络裂缝、孔隙压力降低、升温热、脉冲震荡等作用，改善煤层气解吸环境降低了煤层气解吸压力，更加利于煤层气的解吸和泄出，达到提高产量的目的[6]。

此外，对于深层煤层气高温高压的储层特点，新研发了大排量压裂技术、低砂比压裂技术、脉冲加砂技术、复合支撑技术，使煤层中的气流流通更为畅通。

3 压裂液新进展

由于煤层中天然裂缝的发育，压裂液滤失严重，从而无法造成长缝。此外，煤岩中的粘土矿物与压裂液接触引起的水敏效应而膨胀、煤储层温度低、压力低的特性导致压裂液破胶返排更加困难、毛管力强引发的毛细管自吸现象等，均会引起储层渗透率降低，因此研究煤层气开发使用的压裂液要困难得多。近30年来，煤层气增产技术取得了跨越式发展，主要归功于新一代压裂液体系的发展[7-8]。

3.1 纳米压裂液

纳米压裂液是在压裂液中加入新型的纳米纤维，这种纤维具有良好的粘弹性能，并且它的黏度在高温环境下不容易改变，从而降低压裂液滤失增强压裂液性能的新型压裂液。这是因为纳米颗粒具有较高的比表面积，容易吸附在胶束表面，屏蔽了胶束之间的排斥作用，促使纳米颗粒和胶束形成了复杂的网状结构，从而改善VES压裂液在高温下粘度下降过快的问题[9]。

3.2 活性水压裂液

活性水压裂液是在清水里按一定要求加入适量的活性剂、防膨剂和助排剂等物质组成的压裂液。它因注入的液体是黏度非常低的清水，所以降低了对煤层气储层的伤害和污染，同时因为加入了助排剂使得在返排过程中只需要随地层水一同排出，不需要进行破胶即可返排。但是该压裂液在储层中存在较大的滤失量和对裂缝压裂的延伸不能够有效的控制的缺点[10]。

3.3 泡沫压裂液

泡沫压裂液分为两种，一种是向水中加入酸和甲醇反应成乳化液，另一种是油类和水混合而起泡的乳白色乳化液。它对于储层的增能有很大促进作用，同时具有较好的清洁裂缝能力和较低的滤失量。但它的黏度很高，在返排时候如果速度过快容易使煤层颗粒二次运移堵塞煤层孔隙，从而增大了操作难度。

近年来又出现以液态CO2、N2为介质的泡沫压裂液可以有效的减少对煤层的伤害，更加有效的提高了泡沫压裂液的压裂能力。

3.4 氮气压裂液

氮气压裂液是以液态的氮气作为压裂液而注入储层中。由于注入的是液态气体，所以可以避开由于注入液体而对储层造成的伤害。它可以配合水力压裂后使用，携密度非常低的支撑剂可以打通距井眼较远裂缝通道，并且不会出现残渣堵住通道。

3.5 增能流体压裂液

增能流体压裂液是以惰性气体或泡沫为成分组成的压裂液。它可以在内部的发生化学反应而升高温度，从而产生泡沫，进而可达到良好的破胶性能、携砂性能、降滤失性能、助排性能，它是改进的泡沫压裂液，并且更优于泡沫压裂液，耗费成本低。

3.6 混合压裂液

混合压裂液是结合前置液用清水再配合交联压裂液向储层注砂来进行对储层的压裂。混合压裂液具备了清水对储层伤害低、排量大和交联压裂液能够携带砂性能强造缝能力强的两个特点，从而可以保证在不伤害储层的情况下增加储层的裂缝以达到提高储层渗透率的目的。

4 支撑剂新进展

随着煤层气的开发和水平井的压裂增多，滑溜水体系在压裂中的应用越来越多，然而滑溜水的携砂性能差，对水力压裂用低密度支撑剂提出了更高的要求，低密度的支撑剂变得越来越受欢迎[11]。

4.1 空心球类支撑剂

空心球类撑剂是在制造支撑剂时利用一定的特殊材料及特殊工艺，将支撑剂内部做成中空结构，再利用表面覆膜等方式提高支撑剂强度，使得支撑剂的密度降低而更利于压裂液有效的携带，从而可以将支撑剂带入更深的地层，提升储层裂缝的导流能力。

4.2 多孔支撑剂

多孔支撑剂是经特殊工艺是支撑剂的内部呈现多孔隙结构，再向部分孔隙内添加低密度的基质材料提高强度，其它孔隙则填充些放蜡剂、破胶剂等其他物质，从而在减小支撑剂密度前提下又可以使支撑剂的强度不变甚至提高，增强其支撑作用和减少压裂对储层伤害的，进而提高更深储层裂缝的导流能力。

4.3 自悬浮支撑剂

自悬浮支撑剂是由表面可水化分子和支撑剂基体组成的新型支撑剂，它的特点使可以长时间悬浮在清水中，同时表面可水化分子能够在水中快速膨胀，从而能够增加裂缝宽度增强裂缝的导流能力[12]。

4.4 低密度材料支撑剂

低密度材料支撑剂是在石英砂或高品位铝矾土中添加一些玻璃珠、果核等低密度的物质材料，再向其表面覆一层增加强度的的膜而组成的支撑剂。它因具有低密度的特点，因此可以在压裂液中形成悬浮状态，这样利于压裂液携带进更深的地层中，同时在石英砂、铝矾土和表面的覆膜的共同作用下具有强大的抗压强度，从而对储层裂缝的导流能力有了良好的提升作用。目前贝克休斯公司的LiteProp，哈利伯顿公司的MonoProp，CarboCeramics公司的CARBOHYDROPROP，SaintGobain公司的VersaLite等都属于此类低密度材料支撑剂，有很好的应用。

5 结论

(1)由于煤储层天然裂缝和端割理发育、杨氏模量低、泊松比高、渗透率低和易引起污染等特点，使得压裂液和支撑剂的筛选比常规的砂岩地层更为困难。

(2)针对不同的煤储层，发展了低温气体辅助煤层气压裂、径向井复合脉动水力压裂技术、“三低一大”压裂技术、连续油管环空加砂压裂技术、高能气体压裂技术。

(3)为了达到将煤层伤害降至最低，并使产量最高的主要目标，发展了纳米压裂液、活性水压裂液、增能流体压裂液、空心球类支撑剂、多孔支撑剂、自悬浮等低密度支撑剂。