中国煤层气地面井开采储层改造技术现状与展望

杨长鑫 杨兆中 李小刚 贺宇廷 易良平

“油气藏地质及开发工程”国家重点实验室·西南石油大学

0 引言

目前，中国天然气对外依存度超过40%，预计2035 年天然气消费量将达到 6 000×108m3[1]，届时天然气对外依存度将超过50%。加大对煤层气的勘探开发力度对缩小中国天然气需求缺口，保障能源安全具有重大意义。中国埋深2 000 m以浅煤层气资源量为30.05×108m3，主要分布于鄂尔多斯盆地东缘、沁水盆地南部、滇东黔西川南以及准噶尔盆地南部等地区[2-3]。截至2020年底，全国煤层气累计钻井21 217口，其中直井19 540口、水平井1 677口，投产井12 880口[4]。国家自然资源部2021年公布数据显示，全国煤层气累计探明地质储量 7 259.11×108m3，煤层气地面井产气量为57.67×108m3[5]。中国煤层气勘探开发仍然存在资源探明率低、单井平均产气量低等难题[6-7]。建立与中国煤层气地质特点相适应的勘探开发技术体系，是解决这些问题的必由之路，储层改造技术是该体系的重要部分。鉴于此，笔者论述煤层气地面井开采储层改造技术的发展现状与发展趋势，以期为中国煤层气储层改造技术攻关提供有益的参考。

1 储层改造技术现状

中国煤层气地面开发经历了前期探索阶段、试验开发阶段和商业开发阶段（图1），这一过程具有以下特点：①煤层气勘探开发从高阶煤—低阶煤，由浅层迈向深层；②技术体系，从激励增渗（通过储层激励构建高速渗流通道）强化采气，到采煤采气一体化；③产业发展方面，建立了沁水盆地南部（沁南）和鄂尔多斯东部（鄂东）两大煤层气商业化开发中心。

图1 中国煤层气不同开发阶段下地面井产气量和重要节点图

水力压裂、注CO2驱替、电脉冲可控冲击波致裂等储层改造技术在中国煤层开发过程中发挥了重要的作用（图1）。根据目前的技术成熟度和应用广泛性，中国煤层气地面井储层改造技术可分为主体应用技术、试验应用技术、潜在发展技术三大类。下面从解决关键科学问题、推动技术进步的角度，阐述三大类技术的发展现状。

1.1 主体应用技术

1.1.1 地应力—压裂缝演化特征与压裂工艺创新

厘清储层中地应力和压裂缝扩展规律，是压裂工艺优化设计和压裂后效果评价的基础。孟召平等[8]基于水力压裂试验，分析了煤层地应力与储层埋深之间的关系。叶建平等[9]研究了多条压裂缝在储层中产生的诱导应力分布规律，提出深煤层井组水力波及压裂技术，在沁水盆地柿庄北地区得到了有效的应用。针对煤层纵向上多薄互层叠置的特点，杨兆中等[10]以煤层压力梯度和渗透率为指标建立了煤层压裂分层方法。中石油发展了顶板间接压裂技术，在鄂尔多斯盆地韩城地区成功应用[11]。刘英君等[12]建立了煤层气渗流—应力耦合的四维地应力演化模型，用以指导煤层气井重复压裂选井。黄旭超等[13-14]借助真三轴水力压裂试验系统，对裂缝复杂延伸与多裂缝竞争扩展等科学问题进行了深入研究，并通过数值模拟方法建立了复杂煤层多裂缝扩展模型[15-17]，绘制了压裂泵注参数优化图版。

1.1.2 支撑剂输运—导流规律与加砂工艺优化

支撑剂缝内铺置规律和受压变形特征直接影响压后裂缝的导流能力。李小刚等[18]利用室内大型可视化物理模拟装置研究分支裂缝内支撑剂运输特征，提出了通过调整携砂液、支撑剂和泵注排量改善支撑剂铺置效果的建议，部分技术理念已在煤层气井重复压裂中得到验证[19]。在压裂缝导流能力评价方面，支撑剂嵌入[20]和煤粉运移[21]是研究的热点。车星祥等[22]分析了不同闭合压力下陶料、石英砂、覆膜砂等3种支撑剂在煤岩中的嵌入特征，并将嵌入影响下岩样表面破碎过程分为弹性变形、微破裂、局部破裂以及破裂面连通4个阶段。蒋金龙[21]研究了煤粉在压裂支撑裂缝内的微观运移机理并提出了降低煤粉对导流能力伤害的技术对策。刘岩等[23]分析了煤粉运移对导流能力的影响特征及伤害机理，提出尾追大料径支撑剂排出煤粉以提升导流能力的建议。

1.1.3 压裂曲线反演方法与造缝工艺调整

已有煤矿巷道观察发现，地面井的压裂缝并非简单的对称双翼裂缝。因此，以对称双翼缝假设为基础的Nolte-Smith裂缝反演方法需被改进。赵运祥等[24]通过引入净上覆压力分析方法对Nolte-Smith双对数曲线分析方法进行修正，对煤层气井压裂缝形态进行反演。庄登登等[25]研究了压裂施工曲线变化与储层污染程度之间的联系。页岩气压裂施工曲线反演的最新进展[26]可为煤层气井压裂曲线反演提供参考。张万春等[27]基于压裂缝反演理论分析了煤层气井重复压裂裂缝形态与压裂效果，提出通过阶梯升排量多级压裂或缝内暂堵转向压裂等方式形成高效增产的狭长裂缝，为柿庄南部地区煤层气重复压裂施工设计优化提供了参考。

1.1.4 外来流体—煤岩作用机理与储层改造技术升级

1.1.4.1 水力压裂相关研究

基于室内储层损害机理研究，综合考虑携砂、返排、环保、成本等因素，中国发展了以活性水压裂液为主，交联冻胶压裂液、泡沫压裂液、清洁压裂液为辅的煤层压裂液体系[28]。韩金轩等[29]探究了柿庄北部深煤层压裂伤害机理并评价了不同类型压裂液的伤害性。延川南煤层气田2口深煤层气井开展了N2泡沫重复压裂试验，压裂后平均单井日产气量超过1 000 m3[30]。基于对煤层损害机理的新认识，高煤阶煤层气的疏导压裂技术被广泛应用，改造后气井平均产气量超 2 000 m3/d[31]。

1.1.4.2 酸化相关研究

赵博等[32]通过实验发现煤岩中的裂隙发育程度与矿物组成特征是影响酸化增渗效果的主要因素。Li等[33]分析了酸化处理后煤岩的孔渗性质与力学强度变化。李曙光等[34]分析认为深层煤层酸化压裂改造效果主要受到酸压施工因素的影响。鄂尔多斯盆地韩城区块通过酸化解堵工艺[35]进行老井挖潜，中能煤矿开展了脉动式压裂酸化试验[36]，效果明显优于传统水力压裂技术。

1.1.4.3 注气驱替相关研究

2004年，国内首次开展了注CO2驱替煤层甲烷现场探索试验[37]，并于2006年进行了注压缩空气驱替煤层甲烷现场试验。近年来，国内学者聚焦多元竞争吸附机理、驱替置换规律、煤岩孔渗变化研究[38-39]，有效推动了注气驱替技术的工程应用，开展了注气促抽技术现场试验[40]，并发展了前置CO2增能助解吸压裂技术[41]，已在滇东煤层气井进行了初步试验。

1.2 试验应用技术

1.2.1 复杂脉冲应力波破岩规律与脉冲工艺参数优化

2010年，中国首次提出电脉冲增透以增产煤层气的构想[42-44]。经过十多年发展，电脉冲增透技术基础研究与现场试验均有所突破。卢红奇等[45]与马帅旗[46]分别以混凝土和原煤作为岩样，研究高压脉冲放电作用下裂隙萌生及扩展规律。Yan等[47]发现煤岩孔渗改善主要源于宏观与介观孔隙数目增加以及大量微裂缝形成。周晓亭等[48]通过高聚能重复脉冲波物理模拟试验，将煤样破坏过程分为微裂隙生成、裂隙网络强化及煤岩解体破坏3个阶段。技术应用方面，沁水盆地进行了高聚能电脉冲技术现场试验，试验后煤层的液体流动和气体解吸能力明显改善[43]。鄂尔多斯盆地延川南区块煤层气井开展了可控脉冲解堵增透技术试验，作业后气井产能明显恢复[44]。

1.2.2 微生物—煤生化反应机理与矿场先导性试验

微生物分解技术通过生物化学作用将固态煤转化为生物甲烷，并改善煤岩孔隙结构，从而突破了常规储层改造技术仅能改造流动通道的局限。中国煤层气微生物技术起步较晚，基础研究聚焦甲烷产出与煤岩增渗两个方面，应用试验仅有少量报道。郭红玉等[49]验证了微生物分解煤转化生物甲烷的可行性，赵娜等[50]发现微生物与煤反应产物主要为H2、CO2与CH4。魏国琴等[51]发现可通过外源刺激物来提升微生物分解煤与生成甲烷的效率。苏现波等[52]基于原位厌氧发酵装置实验证明了超临界CO2对甲烷生成的促进作用。现场试验方面，山西晋城煤层气井郑1-312开展了微生物增产现场试验，作业后平均产气量由 16.81 m3/d 上升至 75.13 m3/d[53]，沁水盆地郑庄区块部分低产井开展了微生物解堵先导性试验[54]。

1.3 潜在发展技术

1.3.1 微波加热储层多物理场演化规律与加热模式

微波加热能促进煤岩中气体分子运动与孔隙中水分蒸发，促使微裂隙形成与发育，从而增大渗流通道，提升煤岩的渗透性能[55]。Lan等[56]通过扫描电镜观察微波加热后煤岩孔隙结构变化，认为微波加热致裂煤岩机理主要包括煤岩基质脱水收缩、煤颗料与岩石矿物剥离以及煤岩颗料内部开裂。Hong等[57]基于COMSOL数值仿真模拟平台分析了不同微波功率、微波频率及岩样位置下煤岩中温度场分布情况，Su等[58]研究了微波定向加热条件下煤岩中的温度场分布情况，二者认为存在使煤岩温度最大化的最优微波加热频率。杨新乐等[59]对比分析常规连续加热与脉动循环加热下储层温度场与渗流场的演化规律，提出了脉动微波循环加热方式。

1.3.2 微波加热CH4解吸渗流规律与工艺参数优化

实验结果表明[60]，在微波辐射条件下煤岩中解吸的甲烷总量是煤岩自然解吸甲烷总量的1.91～3.92倍。Wang等[61]发现，微波加热相较于普通传导加热更能有效促进CH4解吸，解吸效率与微波加热功率呈正相关；张永利等[62]的研究结果表明，煤体升温快慢与加热范围很大程度上受微波功率的影响。Lu等[63]的实验结果表明，微波加热能增大微孔与中孔的体积，并减少煤岩基质表面CH4的吸附点位以促进CH4解吸。现阶段室内理论研究已初步揭示微波加热下CH4解吸效果与煤岩孔渗变化规律，但因缺乏井下关键设备，以致微波加热技术尚处在室内研究阶段，未见井下试验报道。

2 储层改造技术展望

经过多年攻坚克难，中国的煤层气勘探开发取得重要突破，逐渐由高阶煤向低阶煤、浅层向深层发展[64-67]。从资源探明率和年产量规模看，中国煤层气勘探开发仍处于成长期，需继续攻关以下科学问题并解决技术难题，进一步提高储层改造效果，促进单井产量大幅提升。

2.1 主体应用技术

2.1.1 需要攻关的科学问题

1）非均匀地应力场中复杂裂缝三维扩展规律。现有水力压裂力学理论模型未能充分考虑煤层结构的复杂性，大多假设地应力场均匀分布，无法模拟割理、裂隙以及隔层影响下“千层饼形”“T字形”“工字形”等三维复杂裂缝扩展过程[68]（图2），难以揭示支撑剂输运与裂缝扩展两个物理现象的相互作用机理。

图2 煤层压裂后三维复杂裂缝扩展过程纵向剖面图

2）储层压裂增渗与CH4解吸、扩散传质协同机制。水力压裂通过形成人工裂缝提升储层渗透性，降低渗流阻力，而煤层气产出机理主要为“解吸—扩散—渗流”三元串联机制[6]或“解吸—渗流”二元串联机制[70]。压裂改造增渗机理与煤层气产出机理不完全匹配，通过传统水力压裂技术难以对CH4解吸与扩散过程进行有效激励。

3）多元流质复合致裂煤岩机理。现有水力压裂技术主要以活性水通过液压作用致裂煤岩，由于水基压裂液易产生储层损害并消耗大量淡水资源，而高能气体压裂、液态CO2压裂等压裂工艺实施过程中存在竞争吸附、基质变形、气液相变等多个物理过程，需深入研究原地环境下不同流体对煤岩的复合致裂机理。

4）煤层跨尺度多元气体渗流规律。现有煤层注气驱替研究多集中于微观尺度的多元气体竞争吸附与孔隙结构变化等方面，无法直接给出实际工程中混合气体组分、注气体积及注气时间等关键工艺参数，需在室内研究基础上分析工程尺度下注气驱替过程中多元气体渗流规律，指导实际工程应用。

5）有机岩溶蚀与溶解机理。现有酸化、酸压研究主要集中于碳酸盐岩与砂岩，未能充分考虑煤岩有机岩石特点，限制了技术的应用范围，需深入开展煤岩溶蚀机理研究。

2.1.2 需要解决的技术难题

2.1.2.1 煤层复杂裂缝扩展模拟与压裂参数优化技术

深入分析不同煤阶储层的地质特征差异，构建包括应力场、渗流场、温度场等多场耦合裂缝起裂扩展模型，形成煤层压裂跨尺度全三维复杂起裂扩展可视化模拟软件，并以单井产能为目标构建压裂参数优化设计方法，综合提升煤层压裂改造的效果。

2.1.2.2 有效增渗与强化解吸的复合储层改造技术

水力压裂技术的主要优势是通过储层激励构建高速渗流通道，为贴合煤层气产出机理，需通过注气驱替或微波加热等技术对煤层气的解吸与扩散过程进行有效激励，形成复合储层改造技术，优化多种储层改造技术的组合方式，实现煤层气“解吸—扩散—渗流”全过程激励。

2.1.2.3 绿色环保的无水/少水压裂技术

深入研究并完善以超临界CO2压裂技术为代表的无水/少水压裂技术，降低煤层气储层改造中对水资源需求和对储层的污染损害，通过竞争吸附、驱替置换提高煤层气采收率。

2.1.2.4 采集、注入及监测一体化智能注气驱替技术

基于选井选层标准、储层损害机理以及多元气体渗流规律，利用互联网、大数据及人工智能等数字信息化技术，建立煤层气井全生命周期注气驱替智能化决策管理平台，使用自动化机械装置对工业废气、温室气体进行采集，以最大产出为目标自动调控与优化注气方案，并通过智能化监测手段对气体进行实时监测，实现智能化注气驱替改造与开发。

2.1.2.5 高效溶蚀煤岩的工作液体系

充分考虑煤岩组成的特殊性，将溶蚀反应对象由常规无机矿物拓宽至有机质矿物，厘清无机矿物与有机质矿物在酸蚀溶解机理的差异，研发煤岩中有机质矿物进行有效溶蚀的化学体系。

2.2 试验应用技术

2.2.1 需要攻关的科学问题

2.2.1.1 复杂岩体中电脉冲应力波传播机理

煤岩中力学性质非均匀分布状态增加了电脉冲应力波在储层中传播的复杂性，需在精准刻画煤层地质结构的基础上，深入分析原地环境下电脉冲应力波传播规律。

2.2.1.2 电脉冲应力波致裂煤岩多场耦合机制

电脉冲应力波对煤岩致裂是波场—应力场—渗流场耦合过程，但应力波在储层中的波及范围一般小于储层需要改造的范围，难以对远井筒区域进行有效激励并形成宏观渗流通道。因此需要探索多场耦合下的煤岩致裂与裂缝传播主控因素，为工艺革新提供基础依据。

2.2.1.3 煤层原地环境下微生物代谢繁殖与固态煤分解规律

目前对微生物分解技术的研究主要在室内展开，然而室内培养环境与实际储层环境存在差异，筛选得到的微生物在现场试验中改造增产效果甚微，需进一步开展煤层原位复杂条件下微生物代谢繁殖规律研究，揭示不同种类微生物分解煤并生成CH4的关键控制因素，明确最佳的温度、压力、pH值、生物酶等条件。

2.2.2 需要解决的技术难题

2.2.2.1 煤层远距离定向电脉冲增透改造技术

在掌握脉冲应力波在复杂煤层中传播规律的基础上，评价电脉冲增透技术的储层增渗效果与改造范围，论证长距离深部改造的可行性，加快深部煤层定向电脉冲增透改造配套工具研制，实现在直井、水平井中对煤层气地质甜点进行有效改造。

2.2.2.2 煤层高效增渗的复合电脉冲增透技术

针对电脉冲增透后裂缝无有效支撑以及单一技术储层改造效果低等问题，可结合多种储层改造技术的优势形成复合电脉冲增透技术。例如，使用水力压裂在煤层中构建沿水平最大主应力方向的主裂缝，再通过电脉冲增透技术产生与主缝相交的分支缝，形成具有一定导流能力的裂缝网络，进而实现对深部储层的更大范围改造。

2.2.2.3 高效产出甲烷的微生物菌种筛选与培育技术

开展各类煤层微生物分解技术适应性评价，建立微生物菌种匹配库，利用基因工程方法培养高效降解煤的产甲烷微生物，提高耐温性、耐压性以及新陈代谢速度以适用不同环境下的煤层，实现煤层气资源的清洁高效利用。

2.3 潜在发展技术

2.3.1 需要攻关的科学问题

2.3.1.1 原地环境下煤岩微波加热解吸—致裂—渗流规律

室内构建微波加热环境与实际煤层中微波加热情况存在较大差异，需深入研究煤层原位微波加热下的解吸—致裂—渗流规律，分析煤岩孔隙结构变化，优化加热功率、加热时间等关键技术参数。

2.3.1.2 不同介质中微波传播与损耗机理

现有技术下实现微波加热煤层，需在地面将微波能量传递至地下储层，或将微波发射装置工具安装在井下对煤层直接加热。笔者设计了井下微波加热储层的工艺模式（图3），但关键的井下微波装置仍未突破，现可行方案是将微波由地面传递至储层。因微波加热效率受吸波介质属性影响，加热过程存在能量损耗，需对微波在不同介质中的传递规律进行研究，论证微波传输、加热的可行性。

图3 井下微波加热改造煤层的工艺模式图

2.3.2 需要解决的技术难题

2.3.2.1 煤层微波加热改造评价标准

基于不同煤岩在原地环境下微波加热孔渗变化与CH4解吸特征，明确符合煤层气有效开发的微波加热温度、频率及时间等关键工艺参数，并根据现阶段技术条件，评价微波加热技术对煤层气储层改造的可行性与经济性，建立微波加热技术的选井选层标准，完善煤层微波加热改造技术体系。

2.3.2.2 井下煤层微波高效加热装备

充分考虑井下煤层地质环境的特殊性与复杂性，加快落实煤层微波加热工艺标准，攻克工业化微波加热装置、高效传导工具安全下井等技术关隘。

3 结论

1）通过攻关煤层压裂裂缝扩展、支撑剂运移、电脉冲破岩、微生物生化反应、微波加热煤岩等现象背后的科学问题，推动了储层改造技术进步，形成了主体应用技术、试验应用技术与潜在发展技术接续发展的局面，为中国煤层气规模化开发提供了重要技术支撑。

2）为夯实煤层气储层改造技术发展的理论基础，需持续攻关液压致裂、电脉冲致裂、微波致裂等不同破岩方式下的煤岩裂缝扩展规律，压裂液、酸液、微生物、CO2、N2等不同外来介质对煤岩的作用机理，储层改造后煤层气传质与产出机理等科学问题。

3）单一技术进步基础上的融合发展是煤层气地面开采储层改造技术的发展趋势，完善水力压裂优化设计与准确评价方法，加大脉冲增透技术试验，打通微波装备入井等技术堵点，研发适合不同煤层特点的储层改造技术“组合拳”。