深部煤层气压裂技术与应用

引言：

我国深部煤层气资源量占总量的 60% 以上，埋深 1000-2000 米的资源量约22 万亿立方米，开发潜力巨大。与浅部煤层相比，深部煤层具有地应力高（通常 >25MPa ）、渗透率极低（ <0.1mD ）、煤体脆性指数低（ <30% ）的显著特征，煤层气解吸难度大、渗流阻力高。常规压裂技术在深部煤层中易出现裂缝短而窄、改造范围有限等问题，单井产量普遍低于 200m³/d ，难以满足商业化开发要求。因此，研发适配深部地质条件的压裂技术，成为突破深部煤层气开发瓶颈的关键。

1 深部煤层对压裂技术的特殊要求

深部煤层的地质特性决定了压裂技术必须满足一系列特殊条件，以确保压裂效果和开发效率。首先，高企的地应力是深部煤层最显著的特征之一，这使得煤层的破裂压力大幅上升，通常需要压裂设备能提供 30MPa 以上的注入压力，部分超深井甚至需要 50MPa以上的压力才能使煤层破裂，远高于浅部煤层开发所需的 15-25MPa 压力值。同时，深部地层温度随埋深增加而升高，每加深 100 米，温度平均上升 3-5^∘C ，部分区域温度超过 80^∘C ，这就要求压裂液具备良好的抗高温稳定性，在高温环境下不发生降解、交联失效等问题，确保其携砂能力和造缝性能。其次，低渗透率和强非均质性对压裂技术提出了更高要求。深部煤层中微孔和裂隙的发育极不均匀，受构造运动影响，煤层常出现褶皱、破碎等现象，常规压裂时裂缝易沿天然裂隙无序延伸，难以形成具有足够长度和导流能力的主裂缝。加之煤体强度较低，单轴抗压强度多小于 15MPa，支撑剂在高应力作用下极易嵌入煤体，导致裂缝导流能力快速衰减，往往在 3 个月内就下降 60% 以上，严重影响煤层气的长期稳定产出。

2 主要深部煤层气压裂技术的应用实践分析

2.1 水力压裂技术

水力压裂作为一种成熟的压裂工艺，凭借其工艺简单、成本较低的优势，在深部煤层气开发中占据主导地位。该技术的原理是通过高压泵组将高压流体（清水或添加了降阻剂、黏土稳定剂、破胶剂等添加剂的活性水）注入煤层，当注入压力超过煤层的破裂压力时，煤层发生破裂并形成裂缝，随后将石英砂、陶粒等支撑剂随压裂液注入裂缝，以保持裂缝开启，提高煤层的渗透率。在沁水盆地埋深 1200-1500 米的区域，采用大排量（ 4⋅6m³/min⋅ ）、高砂比（ 30%40% ）的施工参数，取得了较好的开发效果，单井日产气量可达 300-500m³ ，较压裂前提升5-8 倍。例如，沁水盆地某矿的一口试验井，压裂前日产气量仅 50m³ ，采用上述参数压裂后，日产气量稳定在 400m³ 左右，且持续了1 年以上。不过，在埋深超过1800 米的超深井中，水力压裂面临诸多难以克服的问题。高应力环境导致裂缝延伸方向难以控制，主裂缝多沿最小主应力方向单向延伸，长度多小于 100 米，改造范围有限；同时，高温环境使压裂液中的添加剂性能受影响，如破胶剂在高温下反应过快或过慢，导致破胶不完全，残留的高分子物质堵塞煤层孔隙，使煤层的渗透率恢复率不足 60% 。

2.2 二氧化碳压裂技术

二氧化碳压裂技术是一种新型的压裂工艺，其利用液态 CO₂ 在高压下相变产生的巨大膨胀能来破裂煤层，适用于缺水地区或存在自燃风险的深部矿区。该技术的优势在于 CO₂ 具有良好的流动性和渗透性，能深入煤层的微小裂隙，促进裂缝的扩展；同时， CO₂ 对煤体的吸附能力强于甲烷，可置换出煤体中的煤层气，提高解吸效率。在山西阳泉埋深1300 米的煤层中应用该技术，取得了显著成效。单井裂缝半长达到 150 米，比常规水力压裂增加 50% ，且裂缝网络更复杂，次生裂缝发育良好。由于 ⋅_CO2 是惰性气体，压裂过程中不会产生废水污染，有效避免了水锁效应，环保优势明显。此外， CO₂ 的低温特性（液态 CO₂ 温度约- .56.6^∘C ）可降低煤体温度，抑制煤体的热损伤，有利于保持裂缝的稳定性。但该技术也存在一定的局限。 CO₂ 在超临界状态下黏度极低（小于 0.1mPa⋅s) ，携砂能力较弱，导致支撑剂在裂缝中分布不均，部分区域支撑剂浓度不足，使裂缝导流能力仅为水力压裂的 60%-70% 。同时， CO₂ 的储存、运输和注入设备成本较高，在远离煤化工基地的地区， CO₂ 的获取和运输成本大幅增加，降低了技术的经济性，限制了其大规模推广应用。

2.3 脉冲压裂技术

脉冲压裂技术通过高频水力脉冲发生器产生高频水力脉冲（频率10-50Hz ），对煤体施加周期性的压力冲击，利用应力波的疲劳效应使煤层破裂，形成裂缝网络。该技术尤其适用于低渗硬煤层，能减少对天然裂隙的依赖，形成更均匀的裂缝分布。在贵州六盘水埋深1400 米、渗透率 0.05mD 的低渗硬煤层中，采用脉冲压裂技术配合低浓度胍胶压裂液进行施工，取得了较好的效果。单井日产气量达到 280m³ ，较常规水力压裂提高 40% ，且裂缝网络的均匀性明显优于其他压裂技术。

结束语：

深部煤层气的开发潜力巨大，但高应力、低渗透、强非均质性等地质特征给压裂技术带来了严峻挑战。当前主流的水力压裂、二氧化碳压裂、脉冲压裂等技术在应用中各有优势，但也存在裂缝延伸受限、支撑剂嵌入、压裂液伤害等突出问题。通过工艺改进，如地应力调控、新型支撑剂研发、低伤害压裂液应用；复合技术应用，如“二氧化碳前置+水力压裂”“脉冲预处理 .+ 活性水压裂”；以及智能化技术的引入，可有效提升压裂效果，突破深部煤层气开发的技术瓶颈。未来，应进一步加强超高压压裂设备、抗高温抗盐压裂液、新型支撑材料等关键技术的研发，推动深部煤层气开发从试验阶段迈向商业化量产。

参考文献：

[1] 我国煤层气压裂技术发展现状与展望. 孙晗森. 中国海上油气,2021(04)

[2]深部煤层气水力波及压裂工艺研究及应用[J].薛海飞;朱光辉;张健;王力;曹超;柏冠军.煤炭技术,2019(05)

[3]深部煤层气水平井钻完井工艺优化研究.刘长华;高宇;郭琪;张帆;金志扬.中国煤层气,2023(02)