试验研究煤层气井水力压裂伴注氮气提高采收率的研究倪小明1，2a，贾炳1，曹运兴2b（1．山西晋城无烟煤矿业集团公司，山西晋城048006；2．河南理工大学a．能源科学与工程学院；b．安全科学与工程学院，河南焦作454000）摘要：最大限度地提高CH 4气体初始解吸压力是提高其采收率的重要途径之一。

针对我国“低压”煤储层的临储压力比小、初始解吸压力低、活性水压裂效果不甚理想的现状，系统分析了水力压裂伴注N 2增能压裂提高采收率的机理，结合施工现场情况，设计了水力压裂伴注N 2增能压裂煤储层工艺参数。

屯留井田水力压裂伴注N 2增能压裂与常规活性水压裂的临界解吸压力对比表明：水力压裂伴注N 2能提高煤层气井排采初期的临界解吸压力，在其他条件相同的情况下，一定程度上能提高煤层气井的采收率。

关键词：N 2增能；水力压裂；煤层气；采收率中图分类号：TD82；P618文献标志码：A文章编号：1008－4495（2012）01－0001－03收稿日期：2011－05－26；2011－09－25修订基金项目：国家自然科学基金项目（40902044）；中国博士后科学基金项目（20100480848）；河南理工大学博士基金项目（B2009－51）作者简介：倪小明（1979—），男，山西临汾人，副教授，博士后，主要从事煤层气抽采方面的研究工作。

E －mail ：nxm1979@126．com 。

对煤储层压裂改造是提高煤层气井产能的关键技术之一。

为达到良好的压裂效果，国内外研究者从煤储层特性、压裂液性能、支撑剂性能、煤储层伤害、压裂过程裂缝展布、压裂效果的影响因素等方面进行了卓有成效的研究［1－3］。

清洁压裂液携砂能力较强，但对煤储层的污染较严重［4］；冻胶压裂液携砂能力较强，但煤储层温度低，低温破胶是其需要攻克的难题；CO 2泡沫压裂理论上能提高煤层气井采收率，但目前许多煤储层温度低，低温状态如何转化是其主要瓶颈［5－7］；活性水压裂液因其价格低廉、来源广、对煤储层的污染较少而成为目前储层改造的主要方式，但活性水压裂液携砂能力较差。

为了更好地研究活性水压裂液伴注N 2压裂效果，笔者以屯留井田低压煤储层为研究对象，根据煤吸附CH 4和N 2的原理，对水力压裂伴注N 2提高采收率的工艺技术进行研究。

1水力压裂伴注N 2提高采收率的机理N 2泡沫压裂就是利用地面的泵注设备将N 2和泡沫液形成的稳定泡沫以高于地层吸收的速率连续不断地注入煤层，当达到煤的破裂压力时，破裂、裂缝延伸，强化地层裂缝连通，以提高煤层的导流能力。

煤储层中未注入液氮时，设煤储层压力为p ，含气量为V c ，CH 4气体的兰氏体积为V L1，兰氏压力为p L1，根据langumuir 等温吸附曲线，临界解吸压力如下：p 临1=V c p L1（V L1－V c ）（1）式中p 临1为CH 4临界解吸压力，MPa 。

此时，设排采时的枯竭压力为p 枯，则可计算出理论采收率：η1=1－p 枯（p L1+p 临1）p 临1（p L1+p 枯）（2）式中η1为理论采收率。

向煤储层注入液氮后，N 2通过煤裂隙系统进入到煤孔隙中，此时的吸附可应用多组分气体吸附理论进行分析。

N 2进入煤孔隙后，当储层压力、温度、煤变质程度一定时，煤体对CH 4、N 2的最大吸附能力是一定的。

此时，可近似认为单一气体和多组分气体的兰氏体积不变。

也就是单一CH 4与N 2混合后兰氏体积不变。

注入N 2后，气体未产出时，煤储层中气体的压力增加，因在同样压力下煤储层对CH 4的吸附能力大于对N 2的吸附能力，排采时可把注入N 2的量换算为CH 4体积的当量，此时CH 4的临界解吸压力可表示为p 临2=（V c +V cd ）p L1（V L1－V c －V cd ）（3）式中：p临2为注入N2后CH4的临界解吸压力，MPa；Vcd为注入N2后换算成吸附CH4的体积当量增量，m3/t。

在其他条件不变的情况下，N2注入后，临界解吸压力的增量为Δp临=VcdpL1VL1（VL1－Vc－Vcd）（VL1－Vc）（4）式中Δp临为注入N2后与注入N2前CH4的临界解吸压力的差值，MPa。

从式（4）可看出，注入N2后引起煤吸附气体量发生改变时，会改变CH4临界解吸压力，煤吸附N2量从某种程度上决定了临界解吸压力的增量。

注入N2后，2种气体混合，气体压力主要由CH4和N2压力共同组成。

设注入N2后N2的分压为p2，若枯竭压力小于N2的分压p2，则注入后CH4的采收率几乎可达到100%；若枯竭压力大于N2的分压p 2，则注入后CH4的采收率可近似表示为η2=1－（p枯－p2）（pL1+p临2）p临2（pL1+p枯－p2）（5）式中η2为注入N2后的采收率。

注入N2后煤层CH4采收率的增量可表示为Δη=VL1［Vcp2pL1+Vcdp2枯+Vcdp枯（pL1－p2）］Vc（Vc+Vcd）（pL1+p枯－p2）（pL1+p枯）（6）由式（6）可知，注入N2后由于N2的分压及气体压力的增加，从一定程度上提高了排采时煤层CH4的采收率。

2水力压裂伴注N2提高采收率的影响因素水力压裂伴注N2能否提高采收率，关键在于注入的N2能否进入煤孔隙中与CH4气体共同占据孔隙空间，以及占据的空间大小。

2.1煤储层特征对CH4采收率的影响煤储层特征对CH4采收率的影响因素主要包括煤储层的吸附能力、原始孔裂隙的发育程度、压力和含气饱和度等。

1）煤储层对CH4的吸附能力与对N2的吸附能力的差值决定N2注入过程中N2的吸附量，进而决定了孔隙内部气体压力增量的大小及排采初期临界解吸量的大小。

在其他条件相同的情况下，二者吸附能力差值越小，越有利于煤对N2的吸附，越有利于提高采收率。

2）煤储层原始孔裂隙越发育，在其他条件相同的情况下，N2容易通过裂隙系统进入到孔隙系统，与原来煤孔隙中的CH4共同占据孔隙空间，提高了煤储层的气体压力及含气饱和度，排采时使临界解吸压力和采收率提高。

3）煤储层压力越大，在其他条件相同的情况下，导致注入N2时难度加大，进入煤孔裂隙相对困难，进而影响CH4的采收率。

煤储层的含气饱和度越高，在其他条件相同的情况下，也会导致注入N2时难度加大，影响CH4的采收率。

2.2施工参数及泵注程序对CH4采收率的影响N2泡沫压裂液本身具有良好的防滤失作用，这是由泡沫的气相和液相之间的界面张力造成的。

伴注N2从某种程度上弥补了活性水压裂液黏度低、携砂能力差的不足，同时，泡沫压裂液的摩阻比水要低40% 66%，泡沫含量越高，支撑剂携带越远，裂缝支撑效果越好。

注入量越多，施工压力也越大，在其他条件相同的情况下，进入煤孔隙中的N2量会越多，排采过程中CH4的采收率提高也越多。

但注入量受到施工设备、经济因素等条件的制约。

当裂缝能延伸足够远时，在其他条件相同的情况下，注入的N2量越多，进入煤孔隙中的N2量也越多，但注入的N2量受到煤储层原始含气饱和度、CH4气体压力、裂缝延伸长度、裂缝与孔隙的沟通状况、经济等条件的制约。

对特定的煤层气井而言，煤储层原始状态下的含气饱和度、孔裂隙发育特征、压力等是基本固定的。

因此，要提高其采收率，需要根据煤储层特征，对施工参数及泵注程序进行优化，才能使产气效果达到最佳。

3水力压裂伴注N2工艺技术及现场应用3．1水力压裂伴注N2工艺技术要尽可能地提高水力压裂伴注N2采收率，必须对其泵注参数进行优化。

因此，在刚开始造缝时，就泵注液氮，直到顶替液时，停止加液氮。

液氮量主要受控于水力压裂的前置液量和携砂液量、液氮的排量及水力压裂的排量。

目前，一般6m厚的煤层，受到现场设备、采场等条件的制约，压裂液量在600 650m3。

因此，压裂液量与煤层厚度的关系可表示为Q1=100αH（7）式中：Q1为水力压裂注入液量，m3；α为系数，一般取0．9 1．2；H为煤层厚度，m。

水力压裂携砂能力弱，因此在施工时，应尽可能地增加施工排量来弥补携砂能力的不足。

目前，在施工压力允许的前提下，排量一般为8．0 9．0m3/min，以8．0m 3/min 为最小排量，则可计算出水力压裂时的注入时间：t =100αH /8（8）式中t 为水力压裂泵注时间，min 。

受采场、液氮车等条件的限制，目前一般泵注N 2为100 120m 3/min ，因此可得出准备N 2量：Q 2=1500αH（9）水力压裂伴注N 2施工工序包括把各种设备移至采场，连接设备并试压，水力压裂伴注N 2及测压降等工序，根据现场煤层厚度，即可设计出N 2量、水力压裂液量等。

3．2现场应用为了验证水力压裂伴注N 2压裂效果，在此通过对屯留井田仅使用活性水压裂液的3口井和使用活性水压裂伴注N 2的3口井的临界解吸压力和产气效果进行对比。

3．2．1屯留井田概况屯留井田位于潞安矿区西部，总体构造形态为走向NNE —SN 向西缓倾的单斜及宽缓褶皱，同时有少量断层发育。

井田内的煤层主要为山西组3#煤层和太原组15#煤层。

其中3#煤层平均厚度6．04m ，含气量一般为5．84 17．04m 3/t ，平均为10．52m 3/t 。

目前开发的煤层气井的深度在500 700m 。

3．2．2煤储层和压裂基本参数屯留井田3口井活性水压裂及3口井活性水伴注N 2的基本参数见表1。

表1煤储层基本参数及压裂参数井号目标煤层煤层埋深/m 压裂厚度/m 含气量/（m 3/t ）p g /（kPa /hm ）S g /%p tl /MPa p al /MPa 压裂液量/m 3支撑剂量/m 3N 2量/m 315875．4812．344．1667．51．150．5355340活性水压裂25835．3514．644．1079．01．481．0654140活性水压裂3590 5.5813．438．7657．81．361．2355040活性水压裂43#6027．1513．967．3760．41．361．6254040659056005．4214．214．2075．91．431．5853440695066024．9313．463．9974．91．351．49537407250注：p g 为煤储层压力梯度；S g 为含气饱和度；p tl 为理论临界解吸压力；p al 为实际临界解吸压力。

3．2．3压裂效果评价1）两种工艺临界解吸压力对比由表1可知，伴注N 2后，煤储层的实际临界解吸压力与理论值相比，均有不同程度提高，说明伴注N 2压裂可以提高煤储层的临界解吸压力。

2）产气效果对比选取活性水产气效果最好的2号井和活性水伴注N 2的5号井进行对比分析，其日产气量、动液面曲线见图1、图2。

图15号井日产气量、动液面变化曲线图22号井日产气量、动液面变化曲线由表1可知，2号井和5号井煤储层基本参数相差不大，其中活性水压裂的2号井的含气饱和度及含气量好于5号井。