基于低负碳减排的深部煤系气一体化开发技术

针对深部煤层气赋存地质特征复杂、开发矛盾突出的问题，本文从煤系气开发潜力、开发优势等方面阐述了将深部煤层气开发转变为煤系气开发的重要性；从液相CO₂与水基低伤害压裂液增产、CO₂封存等方面探讨复合压裂液对深部煤系气开发的促进作用；从煤系气开发甜层与甜段评价、储层一体化改造可行性、缝网改造技术等方面阐释煤系气储层一体化缝网改造这一关键技术。在促使煤系气这类低碳能源商业化开发（低碳）的同时，讨论了CO₂在煤系中的同步地质封存（负碳）技术，探索出一条基于低负碳减排的深部煤系气一体化开发技术路径，助力碳减排。

对于深部煤岩储层而言，将煤层气开发转变为煤系气一体化开发的优势更为显著，特别是在资源、储层可改造性和敏感性等方面。

一、深部煤系气一体化开发的资源优势

煤系气在埋深小于1500ｍ时以煤层气占主导，埋深大于1500ｍ时致密气和页岩气资源贡献增加，水溶气的贡献不可忽视。

考虑到开发工程因素，在埋深小于1000ｍ时以煤层气开发为主；埋深大于1000ｍ时，页岩气有望具备单独开发价值；在埋深大于2000ｍ时，致密气有望具备单独开发价值。

因此，针对深部煤系气开发，埋深在1000～2000ｍ范围内应重点实施煤层气与页岩气联合开发，埋深大于200ｍ时应重点实施四气（煤层气、页岩气、致密气和水溶气）联合开发。

图1 沁水盆地Ｘ区块3000ｍ以浅煤系气理论含气量垂向分布

二、煤系气储层可改造性优势

在实施煤系气储层一体化缝网改造时，顶底板和硬煤储层均可被改造，前者中的通道更容易维持，煤层气在解吸后以克努森扩散、菲克扩散形式运移至煤储层裂隙后以低速非线性或线性渗流形式运移至井筒，或运移至顶底板后以线性渗流形式运移至井筒产出。因此，煤系气储层一体化缝网改造对实现煤层气商业化开发具有重要促进作用。

图2 软、硬煤层水力压裂造缝示意

三、排采阶段储层伤害防控优势

（1）储层应力敏感伤害防控

相较于煤储层，有效应力作用下煤系泥页岩与致密岩的裂缝导流能力降幅低、支撑剂镶嵌少，且支撑剂破碎对其裂缝导流能力的不利影响弱，把煤层气开发转变为煤系气开发并促使气体经由煤系泥页岩与致密岩中的裂缝产出，将有效减缓储层应力敏感伤害。

表1 不同类型煤系气储层力学参数

（2）储层速敏伤害防控

在相同的排采制度和液体类型条件下，储层裂缝内颗粒数量越少，储层速敏伤害、漂浮与悬浮颗粒运移诱发的渗透率降低程度越低。相较于煤储层，煤系泥页岩和致密岩的力学强度较高（表１），其在构造应力等作用下产生的岩石颗粒数量较少，储层速敏伤害防控和裂缝导流能力保持也更易实现。

图3 不同类型储层裂缝房柱式支撑效果示意

综合考虑压裂液造缝能力、储层配伍性和深部储层温压条件，笔者提出了以液相CO₂ 为前置液、水基低伤害压裂液为携砂液的复合压裂液，该压裂液不仅具有多重煤层气增产效应，还具有碳减排作用。

一、前置液—液相CO₂多重增产作用

（1）CO₂ 造缝增产

相较于水基压裂液，液相CO₂作为前置液在造缝方面具有较强优势。首先，液相CO₂黏度远低于水基压裂液，其在管路和裂缝中的摩阻较小，有利于大排量压裂。其次，液相CO₂能进入开度更小的天然孔缝，且更容易侵入裂缝尖端，增大裂缝扩展初始长度并降低裂缝扩展压力.

CO₂ 吸附膨胀造缝。煤吸附气体过程会发生基质膨胀，解吸气体时会发生基质收缩，由此影响储层渗透率。CT扫描结果表明，液相CO₂ 浸泡并相变为气态后，煤岩的孔隙度和微裂缝长度都显著增加；若液相CO₂向超临界态相变，则会附加萃取作用，使得煤岩孔隙度和微裂缝长度增加幅度更加明显。

图4 CO₂ 吸附膨胀诱发微裂缝形成示意

（2）超临界CO₂储层改性增产

超临界CO₂（SC－CO₂）对有机质的萃取具有重要意义，对煤层气和页岩气的产出具有强化作用，笔者以煤储层为例阐明了其增产机制。在10MPa、40℃实验条件下，SC－CO₂ 萃取对不同煤阶的增产作用机理主要体现在３个方面：增解增产；增扩、增透增产；防水锁增产

（3）CO₂ 驱替CH₄增产与地质封存

CO₂－ECBM技术与吸附封存。CO₂－ECBM（CO₂驱煤层气）技术的实质是利用CO₂吸附性强于CH₄的属性，将CO₂注入煤储层驱替CH₄，促使其解吸、产出，该技术的适用性取决于煤亲CO₂和亲CH₄能力的差异以及气体分压.

CO₂溶解封存。深部煤系气储层的孔隙和裂隙内通常含有一定量水，且存在一定程度的压裂液滞留与地下水补给，因此，CO₂可以溶解态封存于孔隙水中，考虑到煤系气储层庞大的地质体积，溶解态CO₂封存将具有极大潜力。

表2不同埋深条件下纯水中CO₂溶解度

二、携砂液—水基低伤害压裂液多重增产作用

笔者团队前期研究初步形成了以“KCI＋AN”为核心的低伤害压裂液（三防压裂液），其中，KCI为黏土稳定剂，能有效减缓黏土矿物水化膨胀，抑制储层水敏伤害；AN为阴离子－非离子复配型表面活性剂，能减缓储层水锁和速敏伤害。为了满足深部储层大排量压裂的需求，在KCI＋AN的基础上可加入高分子聚合有机物JA作为减阻剂，不仅可降低摩阻，也有利于排采。因此，KCI＋AN＋JA低伤害压裂液在防治储层水敏伤害的同时，还具有防水锁、防速敏、造缝等多重增产作用。

图5 水基低伤害压裂液防控储层速敏伤害机理

图6 裂缝气液两相流流型多样性示意图及段塞流

阶段流量、压力波动

对于多煤层、薄煤层发育且煤系页岩气与致密气相对富集的地区，建议实施直井／丛式井煤系气储层一体化缝网改造，进行煤系气开发。深部煤系气开发的关键在于实现具有不同渗透率、不同破裂压力的各类储层的一体化缝网改造。

一、煤系气开发甜层与甜段评价

煤系气储层一体化缝网改造的层段跨度大、储层类型复杂，要在有限的排量和液量条件下实现均匀改造就必须进行甜层评价和甜段优化，优选出目前经济技术条件下可以实施的层段，为压裂阶段射孔层位优选和分阶段压裂排量与液量的确定以及暂堵技术的应用提供依据。煤系力学地层学为甜层评价和甜段优化提供了理论和方法支撑。

根据甜层分布情况，可进一步明确煤系气开发甜段（开发层段），单段厚度一般不超过50ｍ，其内部包括尽可能多的甜层，一口煤系气井可划分出１个或多个甜段。

图7 某直井煤系力学地层学剖面与甜层、甜段评价

二、一体化改造的可行性

在煤系气开发层段优选的基础上，能否实现层段内煤系气储层的一体化改造，取决于能否克服各类储层渗透率与破裂压力之间的矛盾、实现压裂期间各类储层流体层间干扰。

三、一体化缝网改造技术

煤系气储层一体化缝网改造的目的是在各储层内均构建复杂裂缝网络，主要通过分层多簇不均匀射孔、大排量、大液量、变排量压裂、重复压裂及相关辅助措施（如投球暂堵、端部脱砂、多级配支撑剂等）来实现。液相CO₂ 前置液和水基低伤害压裂液均可用于一体化缝网改造施工。

对于单一厚煤层发育且煤系页岩气与致密气资源有限的地区，建议采用水平井开发并将水平段布置于煤层顶板。采用力学地层学方法，评价煤储层、顶板泥页岩和致密岩储层的可改造性与敏感性，确定水平段的最佳层位，并通过在岩层中构建稳定的流体运移通道沟通煤层，来强化煤层气产出。水平段与煤储层之间的岩层具有较强的可改造性，且这些储层的破裂压力小于水平段或上覆地层时，才能实施水平井煤系气储层缝网改造技术。

图8  水平井和子母井裂缝网络形成机理

（1）煤系页岩气、致密气和水溶气是深部煤层气资源的重要补充，随着埋深增大，游离态煤系页岩气和致密气及水溶气的含量和资源贡献度增加。煤系泥页岩与致密岩的可改造性远高于煤储层，储层敏感性（应力敏感与速敏）相对较弱，压裂阶段在裂缝内更容易形成稳定的房柱式支撑，实施水力压裂能够取得更好的储层缝网改造效果，因此深部煤系气开发更具潜力。 

（2）液相CO₂ 前置液具有较强的造缝能力，其吸附解吸诱发的弹塑性变形也将形成新的微裂缝，利于造缝增产；深部条件下，液相CO₂转变至超临界态后可通过萃取起到增解、增扩、增透、防水锁等多重增产作用，由此促进煤系气这一低碳能源的高效开发，有助于实现低碳减排。在实践CO₂驱煤层气技术时，液相CO₂不仅可以促进CH₄解吸，还能以吸附态、游离态和溶解态封存于各储层，实现CO₂利用与封存（CUS）的负碳减排，是一项集低碳和负碳为一体的技术体系。水基低伤害压裂液能有效抑制储层水敏、水锁、速敏伤害，有利于基质孔隙内气体的解吸和裂缝内流体的渗流，且其低毛细管压力利于造缝。在深部储层条件下以液相CO₂为前置液、低伤害压裂液为携砂液的复合压裂液具有多重增产作用。

 （3）煤系气储层一体化缝网改造阶段，利用基于力学地层学的储层评价方法优选煤系气开发甜层、甜段，进而确定煤系气直井／丛式井一体化开发层段和水平井层位。压裂过程中，通过分层（段）多簇不均匀射孔、大排量、大液量压裂、变排量、套管外暂堵、缝内暂堵、端部脱砂、重复压裂等技术，可以构建复杂的裂缝网络并提升储层改造体积，强化储层流体层间干扰、抑制层间矛盾，实现煤系气储层一体化改造。此外，采用多级配支撑剂强化对不同级别裂缝的支撑，实现对裂缝网络的房柱式支撑，可促进煤系气的高效产出。