煤气层的压裂

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，这使得通过地面钻井开采时，只能抽取到井旁周围近距离煤层中的煤层气，在开采初期往往还能出现较高的产气量，但一旦钻孔附近煤层中的气体排尽后，较远处的气体不能大量补充到井中而造成供气衰竭，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孔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5－20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用泊松比来衡量，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05，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02-03之间，而煤的泊松比在03-05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表1煤层及沉积岩的物性参数岩性密度纵波波速泊松比砂岩(压实)2.2-3.03000-42000.20-0.05砂岩(未压实)1.2-1.5900-30000.30-0.25石英砂岩2.6-2.7900-42000.25-0.05页岩2.0-2.71800-52500.25-0.16软页岩1.8-2.018000.30-0.25碳质页岩2.0-2.61800-52500.20-0.16石灰岩2.2-2.53500-44000.31-0.25白云岩2.2-2.73000-68000.36-0.16煤1.3-1.61700-22000.30-0.50水(作为对照)1.014300.5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、酸化和井间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。对于低透气性的煤层，其围岩的透气性同样也不会很好，但不同的是：我们可以运用各种压裂方法，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，笔者也希望得到有关专家的批评指教。