煤层气储层特点及压裂作业的油气层保护

8．2．6．1　煤储层特征及压裂作业的必要性

煤层气是一种非常规的自生自储式天然气。煤层既是煤层气的源岩，又是煤层气赖以储存的载体。煤层气储层孔隙结构分为基质孔隙和裂隙孔隙。

基质孔隙又称微孔隙，直径一般为0．5～1nm，煤的微孔隙极其发育，煤层气的绝大部分是吸附在微孔隙的表面，由于微孔隙的直径很小，一般认为水不能到达微孔隙系统中。煤基质微孔隙与一般砂岩孔隙结构不同的是，煤层的孔隙大都是煤层本身整体结构的一部分。在煤层的微孔中常填充了不同组成的物质，这些物质的组成和体积常随着煤阶的改变而变化。一般煤储层中的孔隙大小约1～1000μm，比一般砂岩的孔隙小一个数量级。这种超微孔隙结构随着煤化作用的进展而发生变化，因而会对煤层的储层特性产生很大的影响。

裂隙是煤中自然形成的，人们认识到其存在至今已有一百多年的历史。按照裂隙的形态和成因将煤的裂隙分为割理（内生裂隙）、外生裂隙以及继承性裂隙三类。

由此可见，煤层中基质被天然裂缝网分成许多方块（基质块体）。煤基质微小孔隙系统具有很大的比表面积、极强的吸附能力，是主要的储气空间，但是渗透率却极低；煤中裂隙系统的孔隙度很小，储集能力小，但是其渗透率却很高，是气、水渗流的主要通道，具有双重孔隙结构。因此，只有通过对煤层气储层进行压裂改造才能获得有价值的工业气流。

8．2．6．2　煤层气压裂储层伤害

在煤层气井压裂过程中，压裂液对储层的伤害方式除了上述简述的常规方式外，主要还包括割理堵塞造成渗透率降低、液体吸附导致基质膨胀和煤粉运移引起施工压力增高三个方面。

8．2．6．2．1　割理堵塞引起的渗透率伤害

割理的发育程度直接影响煤层的渗透率，一般情况下，煤层的割理孔隙度非常低（1%～2%），因此割理堵塞造成的伤害程度会非常严重。在煤储层压裂过程中，压裂液形成的滤饼有的在裂缝壁面，有的则可能在割理面上。因此割理堵塞所造成的煤层渗透率降低非常严重，远远大于常规砂岩。破胶液残渣、煤粉运移及机械杂质是堵塞割理的主要物质，因此尽量降低压裂液的残渣含量可在一定程度上保护储层。

8．2．6．2．2　吸附液体引起的渗透率伤害

煤由于自身的孔隙结构，有很强的吸附能力。煤分子中的大量含氧官能团，易与其他分子形成化学键，增强了吸附的能力。煤层吸附液体造成煤基质的膨胀，膨胀程度与液体的化学性质、煤岩的黏土矿物成分有着密不可分的关系。我国煤基质的渗透率普遍较低，其中渗透率小于1mD的占70%。如果在储层改造过程中，煤储层吸附或压裂液残渣堵塞都会导致渗透率下降显著，严重影响煤层气的开发。用降压法、酸洗法、水洗法来除去吸附在煤层上的液体化学剂均未能使渗透率得以恢复。因此，煤对液体的吸附和由此引起的基质膨胀过程是完全不可逆的。

8．2．6．2．3　煤粉运移引起的渗透率伤害

煤储层本身疏松易碎，在压裂作业过程中，煤层的破裂和压裂液的冲刷会使煤粉发生运移，聚集在裂缝的端部，改变裂缝方向，使压裂施工压力增高。因此，在压裂施工过程中，应尽量降低施工排量，减轻煤粉的运移。

8．2．6．3　煤层气压裂储层保护

如前所述，煤层气储层的特殊性，在压裂过程中要注重储层保护。为了减轻压裂过程的储层伤害，需要对压裂进行优化选择。目前主要采用以下几种用低伤害压裂液体系进行压裂。

8．2．6．3．1　活性水压裂液

活性水压裂液属于清水压裂液的一种，清水压裂液就是防膨清水或加有降阻剂的水。20世纪80年代中后期，在美国两个主要商业化煤层气生产区——San Juan盆地和Black Warrior盆地，主要使用清水压裂作为煤层气增产措施。现场生产数据表明，清水压裂施工井比胍胶压裂施工井效果要好，并且清水压裂的成本仅是胍胶压裂的一半。我国的煤层气井大部分采用水基压裂液施工，并且以活性水为主，其基本组成为清水＋氯化钾＋助排剂。

采用活性水压裂液，施工中常存在两个问题：第一，摩阻高限制了施工排量和施工规模，进而影响压裂整体效果；第二，煤层压裂施工中产生的煤粉不易分散于压裂液中，从而极易聚集起来阻塞压裂裂缝的前缘，改变裂缝的方向，在裂缝前缘形成一个阻力屏障，导致压裂处理压力过高，增加了施工难度。此外，压裂施工中产生的煤粉在支撑裂缝中运移、沉积堵塞支撑裂缝的孔喉通道，引起压裂裂缝导流能力降低，影响煤层气的解吸，最终导致气产量的降低。针对摩阻高这一问题，施工人员在活性水压裂液中加入了一种称为化学减摩剂的添加剂用来促进压裂。针对压裂压力过高的问题，有人提出可以在压裂液中加入润湿剂和分散剂，能使煤粉由疏水性转变为亲水性，并且有助于分散与悬浮煤粉于压裂液中，阻止煤粉的聚集，从而降低压裂施工压力，提高压裂效果。

水基压裂液常用降阻剂为聚丙烯酰胺及其衍生物聚乙烯醇（PVA），煤粉分散剂是表面活性剂的一种。因此，降阻剂和煤粉分散剂都属于有机添加剂。在煤层气改造中，应尽量减少有机添加剂的使用。降阻剂和分散剂的加入，虽然有利于煤层气井的压裂施工，但是也会对煤层渗透率造成伤害。为了既能保证活性水压裂液的低伤害性又能保障压裂施工的顺利进行，需要优选添加剂和优化添加剂用量。

8．2．6．3．2　清洁压裂液

清洁压裂液（Free－polymer Fracturing Fluids）或称为黏弹性表面活性剂压裂液，是一种基于黏弹性表面活性剂的溶液（VES Fracturing Fluids）。返排过程中，常规压裂液破胶不彻底，对油气藏渗透率造成很大伤害。清洁压裂液是为解决这一问题而开发研制的一种新型压裂液体系。目前国内外广泛使用的清洁压裂液，主要为长链脂肪酸盐衍生物所形成的季铵盐作为表面活性剂，加入到氯化钾、氯化镁、氯化铵、氯甲基四铵或水杨酸钠溶液中配制而成。

黏弹性表面活性剂压裂液具有以下特点：第一，清洁压裂液不需要交联；第二，清洁压裂液遇地层中的烃类及大量的水自动破胶；第三，配制简单，返排破胶迅速彻底，伤害低。

随着压力的增大，传统聚合物压裂液的滤失也越严重，而VES压裂液对压力并不敏感，并且VES压裂液不含聚合物，显著地降低了残渣在支撑剂充填带和裂缝表面上的吸附量，形成高导流能力的裂缝。VES压裂液与聚合物压裂液不同，它无造壁性，不会留下滤饼，因此对地层污染程度较小，改善了负表皮系数，从而增加了油气井产能。此外VES压裂液还具有降低裂缝高度、增加有效裂缝长度的优点。对于常规压裂液不能完成的水力压裂中，例如连续油管压裂，VES压裂技术正在被定义为一项新的技术。研究表明，清洁压裂液及其破胶液在煤层基质表面形成了有效的浓度差，在浓度梯度的驱动下影响煤层气的吸附性能，促进解吸，提高煤层气采收率。

综上所述，清洁压裂液的优点很多，并且煤层压裂施工的现场应用效果较好。目前清洁压裂液用于煤层施工尚处于试验阶段，制约清洁压裂液大规模应用的因素是其较高的成本。因此，研制高效能、低伤害、低成本清洁压裂液是当前压裂液发展的主题。清洁压裂液用于浅层气压裂的回收再利用技术在国外已取得成功，目前国内还处于空白阶段。此外，我国绝大部分煤层气资源分布在水资源比较匮乏的地区。因此，采用清洁压裂液回收再利用技术不仅能够降低成本，而且能够节约水资源，保护环境。