一种通过围岩开采煤层气的方案.pdf

摘 要 常规的煤层气开采需要对煤层进行水力 压裂以增加其透 气性而提 高产量，但中国煤层具有 低透气性和强塑性特点，压裂效果并不理想。文章 提出首先应用水 力压裂等方法改造煤层 围岩的透气 性，使围岩能传递井中产生的压降 ，煤层因而可在 与围岩接触面处解吸 出所吸附的煤层气，并经 围岩 作为通道流入井中。由于围岩的可压裂性远高于煤 层，因此此方案较常规方法更加可取。 1 对煤层应用水力压裂法的效果分析 从我国煤层气发展现状来看，影响中国煤层气 开采的主要技术障碍是多数地区煤层的低透气性 【 1 ]中国矿业大学 资源与环境科学学院，2 2 1 0 0 8 江苏省徐州市 5 4 中国煤层气第 l 期l 9 9 6 年 6 月 这使得通过地面钻井开采时，只能抽取到井旁周 近距 离煤 层中的煤层气 ，在开采初期往往还能出臻 较高的产气量 ，但一旦钻孔附近煤层中的气体排展， 』 l ．车 _ 处的 体 f E 火 }、 屯 lJ 毕 f ， ；壹f戈 衰竭。 导致不久后产量急剧下降， 失去了经济意义． 提高煤层气产量的主要途径是采用水力压裂技 术 ．在美国，经压裂后的煤层 ．其 内部能出现众多 且延伸很远的裂缝 ．使得在井中抽气时井孑 L 周围出 现大面积的压力下降．煤层受降压影响产生气体解 吸的表面面积增大 ，保证 了煤层气能迅速并相对持 久地泄放，其产量较压裂前增加 5 2 0倍，其效果 是非常显著的 。 水力压裂作用于煤层的主要机理 ，在于使高压 驱动水流挤 入煤 中原有的和压裂后 出现 的裂缝内， 扩宽并伸展这些裂缝 ，进而在煤中产生更多的次生 裂缝与裂隙，从而增加了煤层的透气性。因此，水 力压裂的效果取决于煤 层的内生裂隙系统的发育程 度和煤层在高压情 况下产生次生裂隙的能力。 近年来 ，参考美国煤层气开采的经验，在中国 也应用了水力压裂方法来提高煤层的透气性 ，但总 的来看效果并不理想。这是由于煤层的本身结构使 其力学强度远远小于其它沉积岩层，是煤系地层中 的最软和最易遭受破坏的层位，在构造运动中往往 受到最严重的影响，而中国的含煤地层一般都经历 了成煤后的强烈构造运动 ，煤层的 内生裂隙系统往 往遭到很大破坏 ，塑变性大大增强 ，成为低渗透性 的高延性结构 ，与美国有很大的差别 ，透气性 比美 国的煤层要低 2 3个数量级。 水力压裂作用于这类 煤层时，往往既不能对原有的裂隙或割理作进一步 的扩展，也不能产生新的破裂或裂缝，而主要是在 煤层发生塑性形变 ，无法达到如美国煤层所产生的 效果。 煤层及其它岩 层的脆塑性和可压裂性 可以简单 地甩泊松比来衡量，泊松比所反映的是岩石在单轴 受力情况下横向与纵向应变之比，完全塑性的流体 在受压时，其纵 向应变完全转化为横 向应变 ，不会 产生破裂， 它的泊松比为0 ． 5 ， 而高脆性的材料 如 玻璃或岩浆岩的泊松比接近于零，这表明它在受 压时， 将纵向的应变转换为横向应变的 比率极小， 脆 性强，可压裂性能好 。因此 ，岩石的塑性与其可压 裂性或脆性是相反的 ，它的泊松 比能反映其脆塑性 或可压裂性。从表 1 的数据可见，一般沉积岩石的 泊松比多在 0 ． 2 ～0 ． 3 之向， 而煤的泊松比在 0 ． 3 0 ． 5 之间 ， 这表 明煤 层的塑性极强， 在高压下发生形 变的能力大大超过其它岩层 ，而越是含气量高的煤 维普资讯 表 1 煤层及沉积岩的物性参数 层泊松比越大 ，这导致了它与其它沉积岩层之间的 可压裂性有很大区别 。 2 新的煤层气开采方案 煤层气的开采技术源于常规的油气开采方法， 常规的油气一般储集在砂岩或石灰岩中，储集层具 有良好的渗透性 ，而且也容易被压裂 ，只要打开钻 井井壁，油气就能顺利地流入井中，储集层本身就 能作为良好的油气排放通道，此外采用压裂、酸化 和井问压力驱动等技术还能进一步提高储集层的排 放能力 。而煤层气的储集情况却与之不同，煤层气 通常是自生自储的，它的保存在很大程度上取决于 煤层及其围岩的低渗透性或封闭性 ，否则大部分气 体在生成后将早 已散 失掉。实际上 ，可以将美国圣 胡安盆地煤层气的储集情况看作一个特例，甚至可 以将它视作一个煤层 中的常规天然气水力圈闭，对 它使用与常规油气开采相似的方法 ，就会有高的产 气率。而在中国，煤层的渗透性与可压裂性是同时 变差的，因此 ，要将煤层也当作开采煤层气的排气 通道 ，或对它采用水力压裂以改善其透气性 ，其效 果必然不会很好。 基于以上分析 ，本文提 出通过改变煤层气的排 气通道的方案 ．来改进煤层气的开采效果。其基本 方法是不直接对煤 层进行压裂和顺煤层抽气．而是 通过对煤层围岩进行透 气性 改造处理后．使煤层气 在煤层与围岩的接触面处泄放 ，气体流入围岩后再 顺围岩流到井中而被抽取 。 对丁ff 王 透气性的煤层 ．其厨 的透气 同样也 不会很好，但不同的是 我f 『 J 可以运j { j 各种比裂方 法，显著地改造围岩的透气性 。从上节的对岩石的 可压裂性分析可以发现，一般而言，各类围岩的泊 松 比远比煤层低，换言之 ，它们的脆性或 “ 可压裂 性”都远远高于煤层 ，这正是提出通过改变煤层围 岩的透气性进行煤层气抽取的根据。 从众多常规油气开采的实例来看 ，水力压裂对 各种非煤层岩体的压裂效果都很有效 ，因此 ，在煤 层压裂效果极差的情况下 ， 可以改对围岩进行压裂。 而且除使用水力压裂技术以外，还可以同时采用其 它的常规完井技术来提高煤层围岩透气性改造处理 的效果。例如可以采用酸化技术 ，用酸液来冲洗溶 蚀围岩中的部分成份，或是再进一步，通过使用多 井压力驱动技术 ，使酸性液在围岩中反复流动循环 冲洗 ，更有效地溶蚀围岩，以加大围岩的孔隙 ，使 其透气性获得更大提高。相 比之下 ，由于煤岩的物 性条件所限 ，这些措施若直接应用于煤层 ，将会没 有明显的效果。 在对围岩的透气性进行有效的改造处理后 ，围 岩中将能够产生大量的各种规模的裂缝与裂隙。通 过围岩中的裂缝与裂隙 ，井孔处产生的压降可以传 递到与它接触的煤层表面，使煤层中的煤层气在接 触面处开始释放。由于煤层与其 围岩层是平行接触 的，在围岩被 充分压裂的情况下，它将具有很大的 释放面积 ，因此 ，实施新的方法有望获得更高的煤 层气产量。 在长时间抽气时 ， 由于除在井孔附近， 煤 层中煤层气移动到 围岩接触面的距离远小于它到井 孔的距离 ，它的排放阻力应比直接顺煤层排放时小 得多，因而其产量能够得到维持 。 另外， 若井中产生的压降能直接到达煤层表面， 则井中产生的压力升高亦能直接到达煤层表面。这 就可以对煤层的一边围岩减压，同时通过附近的另 一 钻井对煤层另一边 围岩增加压力 ，交替增减煤层 两侧的压力 ．可使煤 层由于应力状态改变而产生裂 缝和裂隙．这样能更加促进煤层中气体泄放 ，提高 煤 层气的产率。 3 结束语 以上提出了改造煤层的围岩成为煤层气排放通 道的方案以及由此产生的相关方法 ，提 出这种方案 的 目的在于避免煤层的低渗透性和高塑性对开采煤 层气所产生的不利影响． 提高煤层气的生 产效率 。 能 否实现的关键 主要在于对各种性质的围岩的压裂效 果．其可行性有待于实践的检验 ．笔者也希望得到 f 疋0家f j 批 1 j 敦 。 ▲ 中国煤层气第 1 期 1 9 9 6 年 6 月 5 5 维普资讯