萬志杰

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，西安 710054)

0 引言

煤層氣是一種非常規(guī)天然氣，開發(fā)煤層氣對于利用潔凈能源、防治煤礦瓦斯災(zāi)害、減少溫室氣體排放具有極為重要意義[1]。自20世紀(jì)80年代美國率先實(shí)現(xiàn)煤層氣商業(yè)化開發(fā)以來，我國先后開展了大量煤層氣資源評價(jià)勘探、開發(fā)利用技術(shù)研究工作[2]。已經(jīng)在晉城礦區(qū)建成了全國最大的煤礦區(qū)煤層氣地面抽采利用基地，但在碎軟低滲煤層的煤層氣開發(fā)中遇到了不小的瓶頸，比如在平頂山、兩淮礦區(qū)等[3]。

常規(guī)水力壓裂增產(chǎn)技術(shù)是開采煤層氣的一種首選的有效增產(chǎn)措施[4]，通過向井筒內(nèi)以高于地層吸附能力的速率注入液體，在井筒內(nèi)產(chǎn)生高于儲(chǔ)層破裂強(qiáng)度的壓力，使儲(chǔ)層“破裂”并向?qū)觾?nèi)延伸成一條或數(shù)條裂縫[5]，在壓裂注入的同時(shí)將支撐劑送入裂縫中以支撐這些裂縫，使之在井筒內(nèi)壓力釋放后也不能完全閉合，從而改善儲(chǔ)層的滲透和透氣性以及與井筒的連通性，但是水力壓裂改造技術(shù)在煤層氣開發(fā)中存在一些天然不足，由于煤層的高吸附能力，吸附壓裂液后會(huì)引起煤層孔隙的堵塞和基質(zhì)的膨脹，使割理孔隙度及滲透率下降，極易聚集起來阻塞壓裂裂縫的前緣，改變裂縫的方向，在裂縫前緣形成一個(gè)阻力屏障。注氣驅(qū)替技術(shù)是一種有效的煤層氣增產(chǎn)方法，研究顯示，煤層CO2吸附量約為甲烷的2倍，當(dāng)煤層注入CO2后能有效置換甲烷，可提高20%煤層氣采收率，且CO2可被安全封存在煤層中[6-7]。通過向煤層中注入CO2氣體，增加煤層中氣體流動(dòng)的能量和提高氣體的相滲透率，能夠有效彌補(bǔ)常規(guī)水力壓裂帶來的不足，促進(jìn)甲烷在煤層中的解吸。

我國淮北礦區(qū)具有典型的松軟、低透氣性、中厚、煤層群開采的特征?；幢钡V業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司蘆嶺煤礦屬高瓦斯、雙突礦井，具有很強(qiáng)的代表性，歷史上曾發(fā)生過特大型煤與瓦斯突出事故以及特大型瓦斯爆炸事故，造成重大人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。因此，為了探索煤層氣井高效抽采、瓦斯災(zāi)害防治新技術(shù)，在淮北礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司蘆嶺煤礦開展地面試驗(yàn)，選擇8+9煤作為伴注液態(tài)CO2輔助水力壓裂技術(shù)試驗(yàn)煤層，減少壓裂液反排時(shí)間，以期達(dá)到增產(chǎn)效果，促進(jìn)實(shí)現(xiàn)快速、高效抽采煤層氣的目標(biāo)。

1 蘆嶺煤礦地質(zhì)及儲(chǔ)層特征

煤礦區(qū)位于新華夏系第二隆起帶中段西側(cè)，秦嶺東西向復(fù)雜構(gòu)造帶東段，屬于秦嶺構(gòu)造帶與華夏構(gòu)造帶的復(fù)合部位。區(qū)域地層發(fā)育情況與華北地區(qū)基本相同，自老到新依次有上古生界、下古生界、中生界和新生界，其中上古生界為主要含煤地層，下古生界主要包括寒武系和奧陶系，為淺海碳酸鹽沉積，主要由深灰色、灰色，隱晶-細(xì)晶質(zhì)石灰?guī)r組成。地層厚度為1 000～2 000m。

礦區(qū)內(nèi)二疊系含煤19～58層，可采及局部可采煤層共8層，其中上部3、4、5、6、7 煤層為薄煤層、灰分高、煤層穩(wěn)定性較差，僅局部可采。山西組及石盒子組為主要含煤段，所含的8、9、10煤層為礦井主采煤層，平均可采總厚度31.75m。8煤層為特厚煤層，全區(qū)可采，煤厚兩極為0.30～17.75m，平均厚度8.96m；東部拐頭區(qū)相對較厚，平均為10.58m；9煤層為中厚煤層，煤厚0～7.88m，平均厚度為3.01 m，煤層結(jié)構(gòu)簡單，8、9煤層間距較小，平均3.5m，局部與8煤層合并，可作為合層壓裂層；10煤層為中厚煤層，全區(qū)普遍發(fā)育，是煤礦主要可采煤層，較穩(wěn)定，煤厚0～4.99m，平均1.86m，可采點(diǎn)平均煤厚0.7～4.99m，平均2.07m，煤層結(jié)構(gòu)較簡單，可作為單獨(dú)壓裂層。

2 CO2驅(qū)替煤層CH4機(jī)理

2.1 CO2置換煤層吸附CH4作用

由于CH4、CO2分子與煤體之間發(fā)生的相互作用力存在相對明顯的差異，導(dǎo)致煤體對這兩種分子的吸附能力不同。從利用量子化學(xué)的角度計(jì)算了煤層表面、CO2、CH4分子的吸附勢阱，得到了兩種分子最穩(wěn)定的吸附方式，實(shí)驗(yàn)研究表明：首先CO2、CH4分子在煤表面都屬于物理性吸附，其次CO2遠(yuǎn)高于CH4的吸附勢阱，最后解釋了在相同條件下，CO2在煤表面的吸附量大于CH4的吸附量[8]。

CO2注入煤層中后會(huì)與煤基質(zhì)微孔中的CH4發(fā)生競爭吸附，將原吸附在煤層中的CH4置換出來，導(dǎo)致吸附的CH4被提取出來[9]。實(shí)驗(yàn)研究表明[10]：煤層對 CO2、CH4、N2這3種氣體的吸附能力由大到小依次排序?yàn)椋篊O2>CH4>N2；當(dāng)CO2分子運(yùn)移至煤體表面時(shí)，其吸附勢能大于CH4的吸附勢能，與煤體表面具有更強(qiáng)的結(jié)合能力，能夠從煤體中“驅(qū)趕”出更多的CH4氣體，發(fā)生置換作用。對煤層氣開發(fā)工程表征為：CO2分子進(jìn)入到煤儲(chǔ)層中后能夠促進(jìn)吸附態(tài)CH4轉(zhuǎn)換為游離態(tài)，提早將CH4分子置換出來，縮短了煤層氣井產(chǎn)氣周期，達(dá)到提前產(chǎn)氣和提高產(chǎn)量的效果。

圖1 煤層注入CO2驅(qū)替CH4示意圖Figure 1 A schematic diagram of coal seam CO2 injection to displace CH4

2.2 注入CO2分壓煤層CH4作用

依據(jù)吸附平衡方程式，可知：單組分Langmuir等溫吸附方程式可應(yīng)用于多組分吸附方程中[10]。

(1)

式中：V1是CH4在p1條件下的吸附量，m3/t；a1，b1是CH4的吸附常數(shù)，單位分別為m3/t、MPa-1；b2是注入的氣體吸附常數(shù)，MPa-1；p1是CH4的分壓力，MPa，p2是注入氣體的分壓力，MPa。

煤層中CH4氣體隨著受到的壓力大小而進(jìn)行吸附與解吸過程，壓力大則進(jìn)行吸附過程，壓力小則進(jìn)行解吸過程。故要使得CH4氣體解吸，則必須要降低其受到的壓力。在原始煤儲(chǔ)層條件下，當(dāng)被注入氣體后，煤儲(chǔ)層被迫增加氣體總壓力，則p2>0，從式(1)中可以看出：分母1+b1p1+b2p2變大，則V1減小，CH4吸附量降低，說明CH4在進(jìn)行解吸作用，促進(jìn)了CH4解吸，達(dá)到提前產(chǎn)氣和提高產(chǎn)量的效果。

3 現(xiàn)場試驗(yàn)及效果

蘆嶺井田煤礦地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，目標(biāo)煤層較多，各目標(biāo)煤層由于受構(gòu)造應(yīng)力的作用；在鉆井施工時(shí)，煤層段的井壁穩(wěn)定性很差，結(jié)合蘆嶺煤礦具體地質(zhì)和工程技術(shù)條件，采用套管射孔技術(shù)完井。該井鉆遇的8+9號煤層，原生結(jié)構(gòu)破壞相當(dāng)嚴(yán)重，煤巖破碎，多為碎粒煤和糜棱煤，煤厚14.95m，儲(chǔ)層壓力7.49MPa，儲(chǔ)層壓力梯度1.05MPa/100m，煤層含氣量6.76m3/t，蘭式體積18.87 cm3/g，蘭式壓力3.30MPa，計(jì)算理論臨界解吸壓力為1.84MPa，實(shí)際產(chǎn)氣時(shí)臨界解吸壓力為6.06MPa，表明伴注液態(tài)CO2能夠有效提高該煤層氣井的臨界解吸壓力，促縮短排水之周期，達(dá)提前產(chǎn)氣之效果(表1)。

采用光套管注入+合層投球分壓+活性水壓裂液伴注液態(tài)CO2的方式進(jìn)行壓裂作業(yè)，壓裂液配方為清水+1%KCl+0.05%殺菌劑，選擇石英砂作為壓裂支撐劑，施工排量為6.6～7.2m3/min，液態(tài)CO2注入排量為0.7～0.8m3/min，累計(jì)加砂90m3，注入壓裂液764.8m3，注入液態(tài)CO2為90m3，微地震監(jiān)測壓裂裂縫的方位為北東方向41.3°，裂縫總長達(dá)184.8m，平行于最大水平應(yīng)力方向。

壓裂結(jié)束后關(guān)井30d后開始放噴。試驗(yàn)現(xiàn)場采用抽油機(jī)+管式泵排水和油套環(huán)空產(chǎn)氣的方式對目標(biāo)煤層進(jìn)行排采；各階段具體排采制度如下：①排水降壓階段：井底流壓日降幅量不大于0.05MPa；②產(chǎn)氣增長階段：井底流壓日降幅量不大于0.02MPa；③產(chǎn)氣穩(wěn)定階段：井底流壓日降幅不大于0.01MPa；④產(chǎn)氣衰減階段：井底流壓日降幅不大于0.005MPa；⑤廢棄階段：設(shè)備停止運(yùn)轉(zhuǎn)。經(jīng)過8個(gè)月的排采，最高產(chǎn)氣量達(dá)3 351.89m3/d，進(jìn)入穩(wěn)定產(chǎn)氣階段氣產(chǎn)量長期保持在800～1 000m3/d之間，增產(chǎn)效果非常顯著。如圖2所示。

表1 理論與產(chǎn)氣臨界解吸壓力對比

圖2 煤層氣井伴注CO2排采曲線Figure 2 CBM well CO2 concomitant injection drainage curve

4 結(jié)語

(1)CO2進(jìn)入到煤層后與煤層甲烷競相吸附發(fā)生置換作用，促使大量煤層甲烷由吸附狀態(tài)快速轉(zhuǎn)變?yōu)橛坞x狀態(tài)，更加有利于煤層氣的產(chǎn)出。

(2)CO2在等壓狀態(tài)下能夠降低游離甲烷分壓，蘆嶺煤礦試驗(yàn)井現(xiàn)場數(shù)據(jù)可知，該井理論臨界解吸壓力為1.84MPa，而實(shí)際產(chǎn)氣時(shí)的臨界解吸壓力為6.06MPa，二者相差4.22MPa，顯著提高了該井的臨界解吸壓力。

(3)蘆嶺煤礦試驗(yàn)現(xiàn)場排采數(shù)據(jù)顯示：日產(chǎn)氣量增長明顯，由10.00 m3/d增至產(chǎn)氣峰值3 351.89 m3/d僅用了124d，說明煤層氣伴注液態(tài)

CO2輔助水力壓裂技術(shù)增產(chǎn)效果明顯。