煤层气科研报告

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1、第一章煤层气的概述一、概述煤层气是煤层中所生成的以甲烷为主（甲烷含量一般为90%99%）的天然气，也是人 们常叫的瓦斯气。煤层气作为一种优质高效清洁能源，凭借良好的安全效益、环保效益和经 济效益，大规模的开发利用具有良好前景。煤层气可用于发电燃料、工业燃料和居民生活燃 料；可以液化成汽车燃料；也可广泛用于生产合成氨、甲醛、甲醇、炭黑等方面，成为一种 热值高的清洁能源和重要原料，开发利用的市场前景十分广阔。为开发利用这一新型能源， 我国政府采取相关激励扶持政策，强力推进煤层气抽采利用。至到2015年，国内将建成36个 煤层气抽采利用亿方级矿区，充分利用煤层气资源，有效保护大气环境。煤层气抽排最初

2、是以防害为目的进行的，而将煤层气作为一种资源进行大规模开发利 用则始于美国。1980年12月12日美国阿拉巴马州黑勇士盆地的Oak Grove煤层气田的建 成投产，标志着现代煤层气工业的诞生。此后，美国煤层气工业迅速发展。到2008年， 年产量已超过590X 108m3。约占美国全部天然气产量的10%。我国煤层气总资源量约为36.8 X1012m3。由于我国的天然气缺口将长期存在，据预测，到U2015年天然气产量加上天然气 的进口量，与需求相比缺口达500X 108m3左右。煤层气是补充这个缺口的重要非常规气源。 中国2008年煤层气产量50X 108m3，纯煤层气产量5X108m3。目前，纯

3、煤层气开发生产能力 约20X108m3。煤炭是我国的基础能源和重要原料，在国民经济中占有重要的战略地位。据中国煤炭 工业发展研究中心预测，为适应我国经济快速发展的要求，近50年内以煤为主的能源格局， 将不会发生根本改变。但是，我国95%的煤炭生产是地下作业，煤层赋存条件复杂多变，开 采深度的加大导致开采条件更趋复杂。开采条件和自然环境发生显著变化，呈现出高地应力、 高瓦斯的特征。煤层气体作为一种可燃、易爆性气体，其危害及其经济价值并存，所以矿井 煤层气体需要综合治理与利用。二、国际利用现状全球埋深浅于2000米的煤层气资源约为240万亿皿3，是常规天然气探明储量的两倍 多，世界主要产煤国都十分

4、重视开发煤层气。美国、英国、德国、俄罗斯等国煤层气的开发 利用起步较早，主要采用煤炭开采前抽放和采空区封闭抽放方式抽放煤层气，产业发展较为 成熟。三、中国煤层气现状煤层气是煤层本身自生自储式的非常规天然气，中国埋深浅于2000米的煤层气资源量 36.8万亿m3，居世界第三位，但我国煤层气利用率较低。中国煤层气可采资源量约10万亿 m3，累计探明煤层气地质储量1023亿m3，可采储量约470亿m3。全国95%的煤层气资源分布 在晋陕内蒙古、新疆、冀豫皖和云贵川渝等四个含气区，其中晋陕内蒙古含气区煤层气资源 量最大，占全国煤层气总资源量的50%左右。中国地面煤层气开发从无到有，2005年实现了 零

5、的突破，2007年3.2亿m3, 2008年突破5亿m3。截至2008年年底，共钻探各类煤层气井 约3400 口，形成地面煤层气产能约20亿m3。2008年中国煤矿瓦斯抽采量达到55亿m3，淮 南、阳泉、水城、松藻、宁煤等10个重点煤矿企业瓦斯抽采量均超过1亿m3。在新一轮大 规模投资推动下，新能源产业借势崛起，中国煤层气产业迎来发展机遇。2009年国内19个 产煤省市累计煤矿瓦斯抽采64.5亿m3，利用19.3亿m3，超额完成了全年煤矿瓦斯抽采利用目 标。全年地面煤层气产量10.1亿m3，利用量5.8亿m3，同比增长102%和57%。四、煤矿瓦斯是“带刺的宝”我国具有丰富的瓦斯资源，而充分开

6、发利用既可降低煤矿瓦斯灾害事故，又可变害为宝， 创造经济价值。，丰富的煤层气资源是我国发展瓦斯产业的重要保障，我国发展瓦斯产业潜 力巨大。但煤矿瓦斯是“带刺的宝”，虽然资源丰富但开发利用率。我国埋深在2000米以 内的煤层中含煤层气资源量达3035万亿立方米，是世界上第三大煤层气储量国，煤层气 开发前景非常可观。然而，由于种种因素，我国瓦斯的开发和利用规模普遍偏小。2004年全 国井下开发煤层气约16亿立方米，国有高瓦斯突出矿井平均煤层气的开发率仅为10%左右。 开发利用率低主要原因是由于我国的煤炭赋存条件较差，开采主要依靠井工。高瓦斯矿井多， 目前全国共有高瓦斯矿井、煤与瓦斯突出矿井约900

7、0多处，占矿井总数的30%左右。其中 国有重点煤矿258处，占重点煤矿矿井总数的46%。并且，随着开采深度的延伸，煤层瓦斯 含量逐渐增加，防治难度越来越大。采深每增加10米，温度升高1度，而且煤层压力增大， 煤与瓦斯突出的危险性增高。长期以来，我国煤炭生产矿井进行煤层气开发的主要目的是解 决安全问题，开发的煤层气作为废气大量排入大气中。既浪费了能源、同时也不利用于环保， 瓦斯的主要成分是甲烷，其温室效应是二氧化碳的2 1倍。从广义上讲，瓦斯产业指以保证 矿井安全、同时将瓦斯作为资源开发为目的的矿井煤层气开发及矿井煤层气利用。五、煤层气的分类随着科学技术的进步，煤层气利用技术不断丰富，煤层气应根

8、据其特性和利用技术的不 同进行分类。首先，根据煤层气的浓度，可将煤层气分为高浓度瓦斯和低浓度瓦斯；更具其 利用方式，又可分为抽采瓦斯和矿井瓦斯。5. 1按瓦斯含量划分按瓦斯浓度的含量，目前多以煤层气中瓦斯含量30%作为分界线，瓦斯含量在30%以上 的煤层气，成为高浓度瓦斯。高浓度瓦斯储运和利用安全，被称为优质高效清洁能源比较确 切。而瓦斯含量低于30%的煤层气，被称为度浓度瓦斯。由于低浓度瓦斯，易燃易爆，不便 储运，特别是瓦斯含量8%-9%的煤层气极易爆炸。所以，煤炭安全规程曾规定，“利用瓦斯 时，瓦斯浓度不得低于30%，且在利用瓦斯的系统中必须装设有防回火、防回气和防爆炸作 用的安全装置”。

9、5. 2按利用方式划分由于目前将煤层气作为新能源，政府发布了一系列优惠政策，社会煤层气利用的积极性 空前高涨。为此，钻探各类煤层气井，抽采利用，该部分瓦斯属于高浓度瓦斯，是将煤层气 作为新能源，专门抽采的，也就是说该瓦斯应该全部利用。应定义为：抽采瓦斯。另外，由 于我国的能源60%以上依赖于煤炭，所以，煤炭的开采任务繁重。为了保障煤炭生产的安全， 不得不排放瓦斯，而因此排放的瓦斯含量，相当一部分低于30%，并且成分复杂，含尘量高， 难以安全利用，目前对大气排放的即是这部分煤层气。应定义为：矿井瓦斯。六、瓦斯自然属性与治理价值矿井瓦斯属性。矿井瓦斯成分很复杂，其主要成分是甲烷（CH4），其次是二

10、氧化碳（C02） 和氮气（N2），还含有少量或微量的重烃类气体（乙烷、丙烷、丁烷、戊烷等）、氢（H2）、 一氧化碳（CO）、二氧化硫（S02）、硫化氢（H2S）等。由于甲烷（俗称沼气）是矿井瓦斯的主要成分，因而人们习惯上所说的瓦斯，通常指甲烷而 言。主要来源：（1）煤、岩层涌出（烷烃、环烷烃、芳香烃）；（2）生产过程中产生（C02、 N02、H2等）（3）井下化学、生物化学反应生成（C02、H2S、SO2）；（4）放射性元 素蜕变过程生成（Rn、He等）。CH4的性质：（1）无色、无味、无嗅的气体，可燃烧、 爆炸；（2）分子量，16.049，分子直径，（3） 0.41nm；（4）密度，0.71

11、6Kg/m3 （气 态）、424.5 Kg/m3 （液态）；（5）相对空气密度，0.554； （6）难溶入水，在101.3 KPa， 20C条件下，3.311/1001H2O。1.2 CH4的危害及其经济价值。危害性：（1）燃烧、爆炸；（2）窒息；（3）喷出、突出。重要能源：CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O + Q （热量）。所以 1 m3CH4=37022.2kJ 相当于 11.5Kg 烟煤。重要的化工原料：（1）煤、岩层涌出烷烃、环烷烃、芳香烃；（2）生产过程中产生CO2、 NO2、H2 等。七、结论煤矿瓦斯这块“带刺的宝”能源与化工原料之宝，首先治理好，才能利用高。实践证明

12、矿井瓦斯综合治理与利用的有效做法是：“高投入、高素质、强技术、严管理、重利用”。“高投入”就是要提足、用好安全生产费用，不断完善安全系统，推进装备升级；“高素质”， 就是要重视和加强对人才的引进和后续人才的培养，提高煤矿职工队伍素质；“强技术”， 就是要积极开展科技创新和攻关，探索瓦斯防治的新措施和新方法，推进煤矿科技进步；“严 管理”，就是要严格落实领导干部“一通三防”安全生产责任制，严格技术管理主现场管理， 坚持从严管理、精细管理，改变煤矿长期存在的粗放管理模式；“重利用”，就是要坚持“以 抽保用、以用促抽”化害为利。变废为宝，既保护资源，又保护环境，促进煤矿走上良性循 环的轨道。第二章煤

13、层气开采工艺技术一、煤层气开采工艺技术当前，在全世界的煤层气工业界，已大量采用的成熟开发方式是压力衰竭法，即利用不 同方法使煤层中的气体压力降低，随着气体压力的降低，煤层气由吸附态经过解吸变为游离 态，游离态煤层气通过各种裂隙（缝）流入煤层气井，直至煤层中气体压力很低。压力衰竭 法包括地面垂直井、采动区井、煤矿井下水平井等开采方式，这3种方式在我国都不同程度 地被采用。由于技术进步，现已出现了注气（N2、CO2）增产、羽状水平井等先进的煤层 气开发方式，可以大大提高煤层气的采收率；这些技术目前仅在美国、加拿大等少数国家的 局部地区进行过试验，尚未被大规模采用。基于这些情况，当前我国煤层气资源评

14、价所依据 的现今开发技术是压力衰竭法，以地面垂直井为主要开采方式。二、煤层气开采机理及方法2.1开采机理煤层气的开采机理与常规储气层有本质不同。赋存于煤层中的天然气有3种状态，即游 离状态、吸附状态和溶解状态，实际上很少有或没有游离气。煤层中绝大部分裂缝空间被水 饱和，即使有一些游离气，其中大多数也吸附在煤的表面。当煤层压力降至煤层气解吸压 力临界值时，煤中被吸附的CH4开始与微孔隙表面分离，叫做解吸。由于割理中的压力降低， 解吸作用也可在煤层的割理一基质界面上发生。解吸的气体通过基岩和微孔隙扩散进入裂缝 网络中，再经裂缝网络流向井筒。对应煤层气的开采机理，煤层气井生产也有3个生产阶段。 第1

15、阶段为脱水降压阶段。主要产水，生产时间可能几天或数月；第2阶段为稳定生产阶段。产气量相对稳定，产水量逐渐下降，一般为高峰产气阶段； 第3阶段为气产量下降阶段。此阶段随着压力下降，产气量下降，_data并出少量水或微量 水。这3个阶段是连续的过程，随着时间的延长，由井眼沿径向逐渐向周围的煤层中推进， 这是一递进过程。脱水降压时间越长，受影响的面积越大，CH4解吸和排放的面积也越来越 大。煤层CH4产量常呈负的下降曲线，即“产量逐年增加”，通常5年达到最高产量，然 后逐渐下降而持续很长时间，这一阶段开采期达到10多年至20年不等，甚至有的开采30 多年仍可生产。2.2煤层气的开采施工技术简述2.2

16、.1洗井洗井是在完井之后或在压裂前进行。目的是清洗完井后留在井筒的各种碎屑物，如煤粉、 泥岩和页岩等岩屑、残留水泥等，以避免这些碎屑物对地层造成损害。洗井方法包括清水洗 井和高速气流洗井。清水洗井分正洗与反洗。高速气流洗井通常用空气或氮气，也有正洗与 反洗之分。2.2.2排水采气工艺技术煤层气排水采气要求：（1）排液速度快，不怕井间干扰；（2）降低井底流压，排水设备的吸液口一般都要求下到煤层以下；（3）要求有可靠的防煤屑、煤粉危害的措施。目前开采煤层气排水的方法为有杆泵法、电潜泵法、螺杆泵法、气举法、水力喷射泵法、 泡沫法、优选管柱法等。2.2.3排水采气方法的优化选择为了使煤层气开采获得较高

17、的经济效益，应根据区域水文地质条件，预测产水量，然后 优化选择排水采气方法及其设备。选择要求：（1）气井的产水量变化大，早期会产出大量的水，往后产水量相对减少，甚至很小，所选 用的排水采气方法应兼顾前后期变化，适用范围较大；（2）必须满足在最小井底压力下采出最大水量的要求，以保证在尽可能短的时间里，将储 层压力降到解吸压力以下，使气井尽早产气；（3）提高采收率，降低煤层气生产成本。2.2.4无水产气方法无水气井一般井口的压力较低，属无水低压气井。生产过程一般表现为甲烷气产量下 降阶段。可以用无水气藏消耗开采方法来开采。井口压力大于0.5MPa，可用常规气藏开采法； 井口压力小于0.5MPa，用

18、负压采气工艺技术。2.3提高采收率的影响因素在不同的煤层渗透率条件下，裂缝半长、井距、气组分、吸附等温线、相对渗透率均影 响气体采收率，其中裂缝半长影响程度最大。2.3.1裂缝半长在高渗和低渗情况下，裂缝半长的影响不大。l_i_g在中等渗透率条件下，裂缝半长将 影响气产量。如，储层渗透率LX10-3p m2时，裂缝半长由30.48m增加到182.88m，累计 产量增加了2.4倍。2.3.2吸附等温线当渗透率和裂缝半长相同时，吸附等温线是产气量的主要影响因素。不同等温条件下， 产气量相差是非常大的。其他条件相同的情况下，低煤级的等温线优于高煤级。2.3.3含气量含气量对储层和采收率都有影响。在所

19、有其他条件相同、储层渗透率为1X10 3 p m2 时，5年内含气量为5.66m3 / t的煤层产气8.65m3 / t，含气量为7.08m3 / t的煤层 产气18.03m3 / t,含气量增加25%，产气量增加25%。2.3.4排泄面积和裂缝长煤层压开裂缝愈长，排泄面积愈小，采收率愈高。当然还要从经济效益考虑合适的排泄 面积和井距。3提高采收率工艺技术3.1压裂措施煤层气具有以下特点：(1) 煤层的杨氏模量比一般的砂岩或石灰岩储层低(一般小一个数量级)，而压缩系数高；(2) 气水共存；(3) 气藏压力低；(4) 气层易损害；(5) 天然气裂缝发育。由于这些特点，美国天然气研究所(GRI)认

20、为，对煤层进行水力压裂，主要是沟通煤层 的缝隙系统，使之与井筒相连。开采经验表明，对煤层气井进行水力压裂是一种必不可少的 且经济有效的开发手段。取得的主要成果有：(1) 进行了压裂液的优选及煤层对压裂液的损害实验；(2) 对裂缝方位、形态、延伸机理及复杂裂缝的模拟等方面进行了压裂机理研究；(3) 研究裂缝几何尺寸对煤层气增产效果的影响；(4) 研究压裂施工参数、压裂方式及适用条件；(5) 研制了用于复杂裂缝模拟及预测裂缝几何尺寸和产量的FRACPRO水力裂缝模拟软件和 用于模拟煤层气井的控制面积、渗透率、CH4气吸取时间、压后造缝长度等对单井产量和累 积产量的影响及经济评价的COMRTPC3-

21、D和COMET2气藏模拟软件。在我国开采煤层气，96%以上的煤层都利用了水力压裂增产技术。但该技术在煤层气井 中的用还存在许多问题，在20世纪90年代施工的数十个煤层开发试验井中，就有压穿煤层 顶底板的实例，这是由于煤层的最小应力小于煤层顶底板的最小应力所致。实践证明，应用 水力压裂技术要充分考虑以下几点：(1) 水力压裂是煤层CH4开发的一种增产措施而不是煤层CH4开发的先决条件；(2) 水力压裂只能造成一定的裂缝，以形成良好的运移通道，使煤层CH4气能以工业气流 产出；(3) 煤层能否压裂，应视煤层的储层条件而定。有些渗透性特差的煤层(如渗透率低于0.1 毫达西)、自然状态呈糜棱煤或碎粒煤

22、的煤层、原地应力过大和煤层最小主应力小于其顶底 板的煤层以及那些遇水膨胀过于严重的煤层，不宜进行水力压裂和煤层CH4开发；(4) 压裂液对煤层渗透率的伤害。在准备进行水力压裂作业时，应根据煤层深度、厚度及煤层特点进行设计。现场观察 及理论研究表明，煤层CH4气藏中的裂缝扩展有4种基本情形。每种情形所显示出来的压力 特征、煤层深度、煤层与围岩特点有关。3.1.1浅煤层水平裂缝浅煤层指埋深小于1 000m的煤层，最小主应力在垂直方向上，所以水力裂缝在水平面 上或在倾斜地层情况下与地层面相平行造缝。煤的杨氏模量约为1.4X 1036.9X 103MPa， 而围岩则高达1.4X104MPa或更高。当煤

23、层中存在大量天然裂缝时，“有效”杨氏模量更低。 这将在作业程期就产生很宽的裂缝。然而，由于围岩的杨氏模量高，随着裂缝的不断扩展， 控制煤层裂缝宽度的有效模量将增大。对这种储层建议采取如下增产措施：(1) 必须产生单条水平裂缝(每一煤层一条)，可采用限流注入法或机械分流法；(2) 在对层段进行压裂时，应采用线性流体，其前置液量中等；(3) 井底作业压力将超过22.6 X 103MPa /m。如果作业过程中井底压力增加太大，可能 产生复杂的(多条)裂缝系统。3.1.2穿透一组薄煤层的单一垂直裂缝煤层除了有发育良好的裂隙系统因而可能有更高的 滤失性之外，煤层的存在对压裂作业设计影响极小。对这种储层进

24、行增产措施的常规作法是 在紧邻煤层的碎屑岩层(砂岩或粉砂岩)射孔，使裂缝垂向扩展来穿切煤层，这样处理时压 力通常要比单独压裂煤层时低。具体要求：(1) 裂缝扩展时的破裂压力梯度应小于0.02MPa /m；(2) 将产生一条穿切几个煤层的单一而平坦的垂直裂缝，所以常规的三维压裂设计模型可 用来估算裂缝尺寸；(3) 滤失通常不是问题，对煤层压裂时可采用30%35%的正常前置液量；(4) 应使用粘稠的剪切稳定的硼酸盐交联液或延迟交联液(或泡沫)，保证支撑剂的携带 并把其沉降速度减至最小。3.1.3单一厚煤层中的复杂水力裂缝在单一厚煤层这种情况下进行压裂有可能发生高滤失 和超压。因此一个完善的作业计划

25、必须包括增加几台为应付意外事故所需要的设备，具体要 求：(1) 为对付高滤失，在压裂施工过程中必须采用高注入排量；(2) 为了补偿高滤失，除了高注入排量之外，还必须使用高粘度、剪切稳定或延迟交联的 凝胶及起桥塞作用的防流失的添加剂；(3) 由于煤的杨氏模量低和地层压缩系数高，并且由于出现复杂的裂缝系统，很少形成一 条从井筒外扩展截交几百英尺的水力裂缝。3.1.4厚煤层中一条扩展至围岩层的复杂水力裂缝当因复杂裂缝形态而引起压力增高时，可 能在煤层界面薄弱点上的围岩内产生一个垂直分量使流体漏入围岩就会造成煤层中的裂缝 宽度减少。如果正在注入高浓度砂子，就会在垂直裂缝生成时造成脱砂。表现为施工末期

26、压力出现明显降低，发生窜层。解决方法：(1) 储备足够的压裂液，以便在垂直分量开始扩展时再度注入前置液；(2) 如果再度注入前置液就必须在支撑剂开始返排前注入大量的前置液，以扩展一条缝宽 足以进入支撑剂的裂缝。3.2煤层气井压裂井的完井技术采用全井下39.7mm (177.8mm)套管、低密度水泥浆固井工艺技术。采用高密度深穿透 射孔工艺技术。用102枪102弹(127弹)，孔密1632孔/ m，螺旋布孔，相位角90， 射开煤层或煤层和围岩，从而使射孔孔径超过12 mm，有效穿透距离超过500m。这种完井 技术稳固了井身，减少了煤层污染，有利于煤层分层压裂改造；能满足排水采气需要，经 济可行。

27、3.3煤层气井压裂的选井条件主要包括：(1) 煤层原始渗透率比较低；(2) 割理不够发育的煤层；(3) 储层压力高而且有水源能量供给的煤层；(4) 煤层产水。煤层气井压裂有以下目的：(1) 消除井壁污染堵塞，恢复原始渗透率，提高产气量；(2) 更有效地连通井眼与煤层气储层中的天然裂缝系统；(3) 加速脱水，增大煤层的解吸速率；(4) 使井眼周围压降分布范围更广，避免应力集中，降低煤粉量。煤层气井的压裂方法包括交联凝胶压裂、水力压裂、不加砂压裂以及泡沫压裂。对于某 些初压裂效果不佳的煤层气井，还可采用重复压裂技术进行增产处理。3.4煤层气井用压裂液研究及添加剂的优选3.4.1煤层气井用压裂液研究

28、压裂液是煤层气井获得压裂成功的重要因素，它既要能够把一定浓度的支撑剂输送到煤 层的裂缝中，又不能对煤岩储层产生物理或化学伤害。煤层气井用压裂液在一定程度上，可以借鉴现行水基压裂液性能评价，但由于煤储层具有松 软、割理发育、表面积大、吸附性强、压力低等与油藏储层不同的特性，由此而引起的高注 入压力、复杂的裂缝系统、砂堵、支撑剂的嵌入、压裂液的返排及煤粉堵塞等问题，使得煤 层气井用压裂液与油气田压裂液存在着差异，主要表现在：（1）由于煤岩的表面积非常巨大，具有较强的吸附能力，要求压裂液同煤层及煤层流体 完全配伍，不发生不良的吸附和反应；（2）煤层割理发育，要求压裂液本身清洁，除配液用水应符合低渗层

29、注入水水质要求外， 压裂液破胶残渣也应较低，以避免对煤层孔隙的堵塞；（3）压裂液应满足煤岩层防膨、降滤、返排、降阻、携砂等要求。对于交联冻胶压裂液， 要求其快速彻底破胶。考虑到煤层储层特点及压裂工艺的要求，对煤层气井用压裂液的各添加剂、压裂液性能 及经济成本进行了优化，其优化原则为：（1）尽可能少地使用添加剂，特别是有机类添加剂，以减少对煤储层的伤害；（2）开发适合煤层气压裂用的压裂液材料，使之与煤储层相配伍；（3）在保证压裂工艺及施工条件下，降低压裂液成本，以满足市场经济的要求。在此基础上，对活性水、线性胶及交联冻胶压裂液使用的添加剂进行了筛选；并针对煤 层气井储层特点及压裂工艺的要求，推荐

30、了活性水、线性胶及冻胶压裂液3种压裂液配方：（1）活性水。洁净水+KC1+DL-10。在中国已用活性水压裂液进行了多次煤层气井开发 试验。其施工排量大，用液量大，加砂量相对较少，摩阻较大、滤失量大，但对煤层的污染 较小；（2）线性胶。洁净水+羟丙基瓜胶+KC1+DL10+NaOH+过硫酸铵+低温活化剂。由于 入稠化剂，线性胶压裂液具有一定的粘度。粘度的升高有利于提高其造缝、携砂能力，但也 带来了破胶的问题。为此，对优选的线性胶压裂液基液性能进行测试：粘度为36.0mPas， pH=8.0，密度为1.014g / cm3，配伍性好；（3）冻胶液。洁净水+改性瓜胶+KCl+DL-10+NaOH +

31、硼砂+过硫酸铵（煤层温度低时 加活化剂）。3.4.2压裂液添加剂的优选3.4.2.1研究思路在压裂液配方中，首先考虑压裂液对煤层的伤害。压裂液添加剂中防膨剂及表面活性 剂（助排剂）的优选相当重要。优选的压裂液添加剂应使侵入煤层的压裂液对煤层气储层的伤 害尽可能小。3.4.2.2配液用水水质分析现场配制压裂液用水应清澈透明，无悬浮物，pH值6.57.5，配制成的稠化剂溶液粘度 超过室内配制值的80%即可。3.4.2.3稠化剂优选压裂液稠化剂国外一般选用瓜尔胶和羟丙基瓜尔胶为稠化剂，国内以往一般使用田菁 胶。国内现有压裂液稠化剂的性能差异较大，其中羟丙基瓜豚RJ和香豆胶的综合性能好， 特别是残渣量

32、小，用于煤层气储层压裂时可减少对煤层割理的伤害。此外，增粘能力强的稠 化剂用量较小，残渣量相对较小，伤害也较小。3.4.2.4交联剂选择对于交联冻胶压裂液，交联剂是必不可少的添加剂。由于煤层埋藏浅，地层温度低，不 宜采用交联产物分子健力大从而不易破胶的交联剂。因此，选择适应性能强、货源充足、价 格较低的硼砂作为交联剂。因硼砂在较低温度下既能保证压裂液冻胶满足施工要求，而且交 联键力小，破胶也比较容易。3.4.2.5防膨剂（粘土稳定剂）优选煤中含有多种矿物质，其中粘土矿物分布较广，主要有高岭石、伊利石、蒙脱石和绿 泥石，因此在压裂过程中应考虑外来液体侵入造成粘土膨胀，从而导致煤储层的伤害问题。

33、国外研究表明，有机物对煤层的伤害较大，因此选择目前常用的氯化钾作为粘土稳定剂，在 煤层气储层压裂液中，应考虑多方面的因素确定KCl的适宜加量。3.4.2.6助排剂优选助排剂对煤层气井压裂液十分重要，可促使压裂后破胶压裂液迅速返排，减少对煤层 气储层的伤害。一般选择表面张力较低的助排剂。但对于煤层气井用压裂液的助排剂必须考 虑其与煤基质的吸附润湿性。加入助排剂后，压裂液与煤基质的吸附润湿性发生了明显地变 化。活性水、线性胶和交联冻胶压裂液中都需要加入助排剂。3.4.2.7 pH调节剂地表水一般略显酸性，煤层气储层的地下水可能显碱性，这时需要调节压裂液的pH值， 以便与地下流体配伍，降低对煤层气储

34、层的伤害，较深、温度较高（5060C）的煤层气井压 裂液中加入pH调节剂，还能改善冻胶的耐温性，降低稠化剂用量。3.4.2.8破胶剂选择对于交联冻胶压裂液，为使其在完成出砂任务后粘度（一般为几WmPa - s）迅速降低， 需要加入破胶剂。目前用于煤层压裂液的破胶剂是过硫酸铵，其加入量可根据不同地区、不 同煤岩特性及工艺的要求进行优化。3.4.2.9破胶活化剂选择对于煤层来说，煤层水和部分游离气的粘度一般很低，这就要求煤层用压裂液破胶后的 粘度比一般油田用液体要低，破胶时间要快。活化剂可使压裂液的彻底破胶时间大大缩短。 3.4.2.10杀菌剂选择压裂液中的稠化剂多糖聚合物在细菌作用下会发生降解，

35、导致粘度下降。加入杀菌剂可 防止细菌造成的粘度损失。杀菌剂的加量视施工时的温度和从配液到施工的时间间隔而定。 由于煤层气储层温度一般较低，在气温低、间隔时间短的情况下可不使用杀菌剂。3.5煤层压裂支撑剂选择煤层压裂支撑剂的选择与常规油气储层截然不同，煤层水力压裂的目的是连通煤层割理 系统。煤基质渗透率一般很低，因此气体主要由割理流入井筒。故不需要高导流能力的裂 缝，而要尽可能沟通更多的割理。大粒径的支撑剂比小粒径的支撑剂渗透性好，但最好先选 用小粒径的支撑剂，它可进入到地层深部，并可与更多的割理相连，而后再加入大粒径支 撑剂。因此应先选用小粒径的支撑剂，特别是在措施的早期，深穿透、并且割理与井

36、筒相连 更显重要。采用小粒径支撑剂，可以减少煤粉的运移，如，用00目支撑剂，然后用4070 目的支撑剂，接着用2040目支撑剂。对于容易脱砂的地方，用树脂包2040目的砂子可 以使支撑剂固定。如果要用低粘度压裂液，同样推荐用小粒径支撑剂。在施工后期泵入的支撑剂使裂缝端部裂缝延伸比近井处停止的早。然而，用很小粒径支 撑剂，如100目砂，很低粘度的液体甚至高砂比液体，可携到地层深部，100目高砂比，支 撑剂微粒可使携砂液粘度有很大增加。因为大多煤层较软，所以高砂比可减少嵌入的影响， 最小的砂比为4.88kg /m3,如果砂浓度为2.38kg / m3或更小，那么裂缝导流能力将更低。3.6煤层压裂急

37、需解决的问题。虽自90年代中期，采用清水、活性水、线性胶、交联胶对 煤层实施强化改造，施工规模和加砂量都有了很大提高，并且在局部地区取得了突破，点燃 了我国煤层气产业的希望。但经过80多口井的试验和应用，各种压裂液的缺点充分暴露。 常规的水力压裂很难在煤层中形成长而具有高导流能力的裂缝，交联胶对煤层的伤害没有彻 底解决，因此，为了找到更好更可靠的改造煤层方法，推动煤层气产业向前发展，急需解决 以下几个问题：（1）适合不同类型煤层气井完井方法的优选；（2）高效率低伤害压裂液的研究应用；（3）高导流能力支撑裂缝的支撑剂及组合优选；（4）应用现代设计软件优化施工设计；（5）提高施工工艺水平，对低渗煤

38、层实施大规模强化改造；（6）加快煤层气的解吸速度，降低残余吸附量，提高采收率；（7）加强压裂后期管理，降低排采和作业对煤层的伤害。3.7压裂施工工艺技术（1）采用光套管注入压裂，降低管壁摩阻，从而降低施工泵压；（2）适当增大前置液注入量、以充分造缝，避免砂堵；（3）增大泵的注排量，提高压裂液效率，对薄煤层适当减小泵的注排量，以防止裂缝过 高缩短缝长；（4）分段注砂，逐步提高砂比，增大支撑裂缝宽度，增加支撑裂缝导流能力；（5）适当减少顶替液量，确保裂缝入口的高导流能力；（6）控制压裂液返排速度，保证裂缝充分闭合，防止砂粒和煤粉返吐；（7）对多煤层井采用分层压裂改造，提高单煤层改造程度；（8）加强

39、裂缝监测，优选压裂施工参数，指导压裂施工；（9）选用H-1000型压裂机组及配套设备、车辆，保证满足压裂施工需求。3.8裂缝监测工艺及压裂施工分析和应用效果3.8.1裂缝监测工艺技术煤层压裂裂缝方位和几何尺寸，是指导制定压裂方案的重要依据，是评价压裂效果的重 要手段，对优化井网布置具有重要意义。选用大地电位法（微地震法）测试和井温测试，可 测试出压裂裂缝形态、高度、方位和扩展长度，测试成功率100% ；结果准确可靠。微地震 法测试对压裂施工进行同步裂缝监测，要求测试井周围必须有3 口监测井，大地电位法测试 要求在压裂液中加入2%5%KCl，使压裂液与围岩的电阻率差异在3080倍之间，并须测 出

40、压前及压后大地电位差。井温测试须测出压裂前后井温曲线，要求在测压前井温基线时， 井筒内液体静止48h以上，压后井温曲线应在压后26h内测完。另外，根据压裂施工数据 和压降数据，也可计算并推断出动态裂缝几何尺寸、支撑裂缝几何尺寸和压裂液效率。要求 测压降时间为泵注时间的2.5倍以上。3.8.2压裂施工分析通过分析现场压裂施工曲线，认识了煤层气压裂规律是：无论是活性水压裂液还是水基 冻胶压裂液，开始压裂泵注前置液时曲线呈小的正斜率，说明裂缝长度在增加，注携砂液时 压力在稳定之后，大多数是缓慢地上升，到压力平稳后，降低砂比或稳定砂比，完成设计； 也有少数层在注携砂液时曲线呈急剧陡的正斜率，产生“脱砂

41、”现象，应采用停砂注液或降 低砂比，待压力上升到一定泵压后再停砂或采用降低砂比与停砂交替进行以完成设计加砂。 3.9煤层气CO2增产技术尽管应用水力压裂工艺技术对煤层进行强化改造，取得了一定的效果，但是由于煤层的 特殊物理性质，部分实施的常规的水力压裂技术增产效果不理想，因此，寻找更有效的煤 层强化增产技术显得十分重要。经过近几年的探索和研究，认为利用CO2泡沫压裂工艺技术 和CO2吞吐工艺技术可以有效地改善煤层的原始结构，提高煤层的有效渗透率，促进CH4的解 吸，增加煤层气井的产能。提高煤层气开发的经济和社会效益。20世纪90年代，斯伦贝谢 公司将CO2泡沫压裂工艺技术成功地应用于煤层改造，

42、使一批低产煤层气井的产量得到大幅 度的提高，给煤层气的开发提供了强有力的支持。目WCO2泡沫压裂工艺技术已被广泛地应 用于煤层气的强化改造，并取得良好的经济效益和社会效益。而国内尚无试验先例。事实上， 我国的煤层气储层多为低压低渗储层，且含有一定的粘土矿物，从CO2泡沫压裂技术的特点 来看，该项技术应比较适宜于煤层气储层。但由于CO2的相态变化特征，决定了CO2泡沫压裂 技术在煤层气井中的应用具有一定的局限性，选用CO2泡沫压裂的煤层温度应在4OC以上， 并应尽量降低成本。3.9.1吞吐工艺技术吞吐工艺技术的可行性CO2在低于临界温度和高于临界压力条件下，能够以液体的状态 用专用的泵注入煤层。

43、泵注的排量、压力、流体温度在一定范围内可调。进入煤层的OO2可 能是纯液体，也可能有一部分溶于地层水中。随着泵注量的不断增加，CO2将沿煤层的孔隙 和裂隙进入到煤层的深部。由于CO2溶于水形成的水溶液呈弱酸性，且具有较低的表面张力 和界面张力，所以它具有一定的溶蚀能力，可以解除部分矿物质的堵塞，有效防止粘土矿物 的膨胀和运移，能改善和提高煤层的渗透率。据有关资料介绍，在同等地层条件下，CO2 比CH4更容易吸附在煤的颗粒表面。由此可知，向煤层中注入一定量的CO2后，关井一段时间 还可以置换出一定量的CH4。这不仅提高了煤层CH4的采收率，也加快了 CH4的脱附速度，对 提高煤层气井的产量十分有

44、益。但是在向煤层中增注CO2的同时，也会使煤层的温度下降， 可能会造成冷伤害，因此必须控制好注入速度和液态CO2的温度。在放喷排液的过程中，由 于CO2的体积膨胀，可能会使煤层的流体流速过快，导致机械颗粒的运移，对煤层造成伤害， 所以必须控制好放喷速度，有效地保护煤层。3.9.2增能助排压裂工艺增能助排压裂工艺的可行性目前国内应用于煤层压裂改造的压裂液全部为水基压裂液。 由于需压裂改造的煤层多数为低压、低渗煤层，所以在压裂施工中压裂液的高滤失和压后的 难返排成为影响压裂效果的重要因素。因此在压裂前置液和携砂液中加入一定量的OO2能有 效地解决以上问题。这种体系的压裂液由于泡沫质量低于52%，通

45、常都称为增能体系压裂液。 压裂液中混入一定量的CO2后，在泵注过程中仍然是液态体系。当压裂液进入煤层以后，由 于热交换作用和表面活性剂的作用，部分CO2将变为气体而分散于液体中，从而能够有效降 低压裂液的滤失，提高压裂液造缝和携砂能力，使压裂的有效缝长更长、更宽，支撑裂缝 具有更高的导流能力。同时溶于水的CO2能够使压裂残液保持较低的pH值，防止次生沉淀 物的生成。另外水溶性CO2液体具有较低的表面张力，利于压裂残液的返排。更重要的是CO2 由液态变为气态体积迅速增大，在煤层中起到增能作用，利用这种作用可以使压裂残液迅速 地得到返排，缩短排液时间，减少煤层伤害，提高压裂效果。3.9.3泡沫压裂

46、工艺泡沫压裂工艺的可行性CO2泡沫压裂液与常规水基压裂液存在的最大差异是其交联环境 的不同。常规水基压裂液是在碱性下交联、酸性下破胶；WCO2泡沫压裂液要求在酸性下交 联。国外在使用CO2泡沫压裂液时，稠化剂为羧甲基羟丙基瓜胶，其结构决定在酸性条件下 能形成良好的冻胶。国内，由于没有此种产品，在提高使用羟丙基瓜胶用量的同时，开发研 制了酸性交联剂，其交联冻胶性能良好。CO2泡沫压裂液性能测试结果显示，CO2泡沫压裂液 具有很好的操作性、实用性。对于温度较低的煤储层，结合储层的物性，适当进行压裂液添 加剂的筛选及用量，将形成适应煤储层特性及压裂工艺要求的压裂液配方。CO2泡沫压裂施 工难点在于：

47、压裂施工中需要较高的注入压力，需要配套特殊的泵注设备，压裂施工难度大， 不安全因素较多。CO2泡沫压裂液的性能受很多因素的影响，除了压裂液添加剂的影响外， 还受地层条件和施工参数的影响。因此，在进行CO2泡沫压裂前，需要进行配伍性和流变性 试验，以确定最佳的配方和施工参数，保证施工的顺利和安全成功。泡沫压裂工艺是在常规 压裂工艺的基础上发展产生的，因此泡沫压裂的设计思路与常规加砂压裂有许多相似之处， 其主要目的都是为了获得足够长的具有高导流能力的支撑裂缝。CO2泡沫压裂施工设计是确 定施工参数的基础，由于计算非常复杂，人工计算速度太慢，现在都依靠压裂设计软件来完 成设计和优化设计。斯伦贝谢公司

48、编制的压裂设计软件FracCADE最高版本已达到5.01，可 以较好地完成CO2泡沫压裂设计的各种运算，确定比较合适的施工参数。3.9.4现场应用及成本预算从1999年至2004年，国内使用CO2泡沫压裂共进行了30余井次的施工。在气井上取得 了良好的增产效果。实施CO2泡沫压裂后，其压裂液的返排较氮气助排效果明显，不但返排 时间短，且返排率高。降低了由于压裂液进入储层形成水锁作用而对储层造成的伤害。以长 庆油田2001年CO2泡沫压裂为例。CO2为1150元/t，压裂液为682元/m3，平均每口井比常 规压裂增加设备费、运费和作业费为22X104元。以煤层气井单井施工用100m3液量计算（包

49、 括50m3压裂液和50m3液体CO2,常规压裂液成本约为200元/m3），应用CO2泡沫压裂单井施 工的费用将增加近30X104元。根据上述增加的费用，煤层气按0.58元/m3计算，30d增 产煤层气为17 240m3/d90d为5 747m3/d，180d为2873m3/d。由此可以看出，虽然CO2泡沫 压裂比常规水力压裂成本高，但只要每天能增产2 873m3煤层气，180d后可获得一定经济 效益。随着成本逐渐下降，其效益会进一步增加。3.10 注N2CH4在煤中的解吸主要受CH4分压控制，而不是受气藏系统总压力所控制。N2注入煤层后， 将裂缝中CH4驱替走，从而降低了 CH4分压，诱发C

50、H4解吸，并驱动CH4流向井筒，几乎所有的 气体（大于85%）都能被注入的N2所提取或“搜刮”出来。其优点是见效快；缺点是气体突破 较早，稳产期较短。注N2生产前应进行小型现场试验，以减少与整个气田施工有关的某些技术及经济方面的 不确定性。3.11注烟道气提高煤层气采收率（CO2-ECBM）的可行性分析煤或石油等燃料燃烧而从烟道中排出的废气称为烟道气。烟道气的主要成分是3O2、CO、 SO2、Nox、N2、O2、颗粒物质及少量酸性气体。烟道气排放出的大量CO2是导致大气温室效 应的主要原因，富集和利用这些SO2是保护环境、节约资源的一个重要课题。理论上，通过 注入CO2可以实现煤层气100%的

51、最终采收率，CO2可以永久的储藏于煤层中；实际上，由于技 术的原因和实际煤层自身的特征，不可能实现100%的煤层气的最终采收率，注入的CO2也不 可能全部的永久留在煤层中，但是，只要优化钻井方案和注入程序及过程，一般可以实现比 无CO2注入提高25%的最终采收率，注入的CO2至少也可以在煤层中埋藏几百年的时间。 CO2-ECBM技术会对环境产生一个良性的能源循环机制，能缓解燃料燃烧与环境日益突出的 矛盾。因为，把因能源的消耗而产生的CO2注入不可采煤层中，一是减少了温室气体的排放， 二是增加了吸附于煤层的CH4的产量。而产生的煤层CH4是一种比煤炭更清洁的能源，如能在 产气地域附近建设一所燃气

52、发电厂，从此电厂排出的烟道气的CO2纯度较高，可被注入煤层 中，这不仅大大减少了温室气体的排放，而且降低了注入CO2的费用，可进一步实现能源良 性循环。4结论及建议通过查阅10年来煤层气开采工艺技术的资料调研，得出以下几点主要结论：（1）煤储 层和常规砂岩储层有许多不同，这就决定了各自的开采工艺也有许多不同之处；（2）煤层气井生产分3个阶段，一是脱水降压阶段；二是稳定生产阶段；三是气产量下降阶段；(3) 煤层气的开采，约96%的都需要进行压裂等增产作业处理；目前推荐采用的压裂液 有活性水、线性胶及冻胶；支撑剂则最好先选用小粒径支撑剂，而后再加入大粒径支撑剂；(4) 注CO2、注N2能促进CH4

53、的解吸，增加煤层气井产能；CO2泡沫压裂工艺技术则可有效 解决煤层压裂施工中压裂液的高滤失和压后的难返排等问题。第三章煤层气对环境的作用一、煤炭生产中减少温室气体煤层气因为常与煤炭伴生，并极易爆炸，一直被视为是煤矿安全的“第一杀手”，2007 年4月25日国务院召开的全国煤矿瓦斯防治工作电视电话会议，落实“监测监控，先抽后 采，以风定产”瓦斯治理工作方针，可见煤炭生产强调安全、健康、本质安全。为了安全生 产，使井下煤炭生产符合安全生产要求，必须排放瓦斯。而排放的瓦斯属低浓度的“矿井瓦 斯“，与作为新能源的“抽采瓦斯“有着质的区别。对其加以利用，属于循环经济或节能的 范畴。煤层气的主要成分甲烷，

54、其温室效应是二氧化碳气体的21倍，是一种具有强烈温室效应 的有害气体，直接把甲烷排入大气成为引起地球温室效应不可忽视的因素。因此，减少煤层 气排放对全球温室气体减排有重要意义。综上所述，向大气排放的煤层气，主要指的是矿井 瓦斯，属于煤炭生产的废弃物。如何采用先进技术，合理利用矿井瓦斯，使煤矿安全的“第 一杀手”变害为利、变废为宝，是一项艰巨而有意义的工作。经历了多年的探索，目前利用 低浓度瓦斯发电、制热技术已经成熟，为支持矿井瓦斯的安全利用，煤炭安全规程相关规定 做了相应的修改，指出：“抽采的瓦斯浓度低于30%时，不得作为燃气直接燃烧；用于内燃 机发电或作其他用途时，瓦斯的利用、输送必须按有关标准的规定，并制定安全技术措施”。目前，煤层气的利用，国家作为新能源给予了政策支持，而对于煤层气并没有加以分类， 使得有实力的企业抢占煤层气资源，钻井抽采获利。如何对煤炭生产中必须排放的矿井瓦斯 合理利用，是解决我国温室气体排放的重点，同时矿井完善的利用具有循环经济和节能效益， 却没有得到相应的政策支持。矿井瓦斯的利用，多是分散在各个煤矿，难以成片开发；另外， 矿井瓦斯浓度低、成分复杂、含尘高，利用困难。国家应对于矿井瓦斯的利用给予专项支持。 提高煤矿对矿井瓦斯利用的积极性，培植矿井瓦斯利用产业，使煤炭生产过程中排放的瓦斯 得到充分利用，对降低我国温室气体排放具有重要意义。