煤层气主要以吸附状态赋存于煤的基质微孔隙中,其产出遵循“解吸-扩散-渗流”的过程,只有增加煤层气的解吸量,提高煤层气的扩散通量,改善煤储层的渗透性,才能从根本上保证煤层气井的高产与稳产,由此提出了煤储层表面改性增产技术。本文以煤层气地质学、煤化学、煤层气生物工程、表面物理化学和渗流力学等理论为指导,以不同煤阶、不同煤体结构煤为研究对象,采用室内实验、理论分析和现场应用相结合的方法,对煤层气的赋存环境及运移产出机理进行了重新认识,对强氧化剂、微生物和表面活性剂作用于煤储层的增产机理进行了系统研究,得出以下结论:(1)对煤层气的赋存环境进行了重新认识,证实了煤储层微孔超压环境的存在,揭示了煤储层微孔超压环境的形成机理,建立了基于微孔超压环境的煤层气资源量计算方法,查明了微孔超压环境对煤层气资源量估算的影响。(2)对煤层气的运移产出机理进行了重新认识,指出饱和水单相流阶段微孔中的解吸气以溶解态运移;不饱和单相水流阶段气泡在微孔中逐渐形成,以非线性渗流方式运移,在排出微孔中的水后产出;之后便进入了气水两相流阶段,该阶段微孔中已经没有水的存在,煤层气的运移服从两级两类扩散(努森扩散和菲克扩散),割理/裂隙中的运移服从两级两类渗流(低速非线性渗流和线性渗流);同时指出,在气水两相流阶段,如果排采控制不当,会形成段塞流,造成储层严重的速敏伤害,并对段塞流的形成条件和机理进行了初步探讨。(3)强氧化剂作用于煤储层具有增解、增透作用。煤经强氧化剂改性后,煤分子的芳环缩合程度降低,亲甲烷能力降低,有利于煤层气解吸;煤的孔容和孔隙度增大、孔隙的连通性增强,有利于煤层气扩散和渗流产出。(4)微生物作用于煤储层具有增解、增透作用和增加资源量的意义。煤经微生物代谢后发生降解,生成了一定量的甲烷,对煤层气资源是一种补充;降解后,煤的分子结构发生了改变,亲甲烷能力相应降低,实现了增解;煤的总孔容和大孔孔容增加、孔隙的连通性增强,改善了煤储层的渗透性,实现了增透。(5)优选出了防水敏、速敏和水锁的表面活性剂压裂液(1.5%KCl+0.05%AN),该压裂液作用于煤储层具有增产作用。一方面,表面活性剂压裂液改善了煤粉的润湿性、增大了煤粉颗粒间的内聚力,使煤粉迅速沉降聚集,进而抑制了排采过程中煤粉对储层造成的速敏伤害,实现增产;另一方面,表面活性剂压裂液降低了煤孔隙中流体的毛管压力,使得压裂液在煤储层中易进易出,进而显著降低了水锁伤害,实现增产;同时发现,表面活性剂压裂液能够抑制段塞流的形成,实现增产。(6)提出了4种活性水与改性剂的配伍方案,其中表面活性剂压裂液(1.5%KCl+0.05%AN)为煤层气储层改造的最佳压裂液,该压裂液在山西潞安矿业集团有限责任公司五里堠井田石炭二叠系的煤系气储层改造中的应用取得了圆满成功,实现了单井产气量长期(2014.3至今)稳产在1000 m3/d以上,且目前还有较高的井底压力。
