煤层气储层的压裂方法

专利名称：煤层气储层的压裂方法
技术领域：
本发明涉及从煤层释放的气体等的增产方法。本发明涉及通过注入含 膨胀剂或膨胀剂混合物的流体压裂煤层气储层的方法。
背景技术：
地下煤层含有大量主要为曱烷形式的天然气。这种储层通常称作煤层
曱烷(coal-bed methane, CBM)储层。为有效地从CBM储层产气，采用 一种 或多种增产方法来提高产量。
最常见的CBM增产方法包括平行于煤层割理的定向钻孔，在煤层中形 成割理，或者煤层的水力压裂。
定向钻孔包括改变钻柱角度，以使钻孔不是垂直于而是平行于煤层。 因为井眼沿地层延伸，所以井筒有较大面积与煤层接触，因而可以实现较 高的气体抽取量。
气蚀完井法(cavitation completion method)在煤层中形成一个或多个割 理。目的在于减少钻孔过程中可能对周围结构造成的破坏量，以便在气蚀 区域以外形成渗透性提高的地带，并减小径向内流场中汇流造成的近井流 动阻力。通常以循环方式对棵眼完井(没有套管穿过生产层段)进行气蚀完 井，因而该处理通常称作气蚀循环，参见例如Palmer, I.D.， Mavor， M丄，Spitler， J丄.，Seidle, J.P., and Volz， R.F. 1993b, "Openhole cavity completions in coalbed methane wells in the San Juan Basin"， Journal of Petroleum Technology, 45( 11): 1072-1080 (November)中所述。
最经常使用压缩空气增加近井地带的压力。所述空气可以发泡以降低 其在割理网络(cleat network)中的表观流度，并使其包含于它们最有效的近 井区域中。尽可能快地泄压，使近井区域碎石化并使之离开井筒，在井筒 周围形成相当大的割理。该过程降低了井筒表皮效应。
气蚀循环应用多种机制联系井筒与煤层压裂系统。这些机制包括在棵 眼段(直径最大为10英尺)的煤层中形成物理割理；产生自井筒延伸长达200英尺(平行于最大应力方向且垂直于最小主应力)的自支撑、垂直、张性裂缝 扩展；以及形成剪切应力失效区，以提高与最小应力方向垂直的方向上的
;参透'l"生，参见侈'J长口 Khodaverian, M. and McLennan. 1993， "Cavity completions: a study of mechanisms and applicability", Proceedings of the 1993 International Coalbed Methane Symposium (Univ. of Alabama/Tuscaloosa)， pp. 89-97中所述。
气蚀是通过利用压缩空气或泡沫向井施压，然后突然释放压力完成的。 过压的煤层区向井筒中提供压力波动("受控的喷发，，)，所产生的应力驱逐煤 屑并沿井向上携带煤屑移动。这种施压和喷发循环在数小时或数天内重复 多次，煤层中反复交替的应力-剪切失效产生沿井筒横向传播的效果，例如 参见Kahil, A. and Masszi， D. 1984， "Cavity stress-relief method to stimulate demethanation boreholes", SPE Paper No. 12843， Proceedings 1984 SPE Unconventional Gas Recovery Symposium (Pittsburg)中所述。
压裂是提高CBM产量的另 一种重要方法。例如，如Holditch， S.A. 1990, "Completion methods in coal seam reservoirs", SPE 20670， Proceedings 65th SPE Annual Technical Conference (New Orleans), p. 533中所述，通常在煤层 渗透率小于20mD时，对下套管的射孔完井进行水力压裂。煤层的水力压 裂具有多种变体，但它们大体上是相近的，这种水力压裂法包括以足以 引发和扩展水力压裂的压力将流体注入到地层中，通过持续注入支撑剂携 带液以用支撑剂填充裂缝，然后进行沖洗处理以使支撑剂填充裂缝而不填 充井筒。Olsen等人在Olsen， T.N.， Brenize, G., and Frenzel， T， "Improvement Processes for Coalbed Natural Gas Completion and Stimulation", SPE 84122, the SPE Annual Technical Conference and Exhibitionm, Denver (October 5-8, 2003)中，描述了压裂煤层曱烷储层的一些其它因素。
在许多文献中描述了常规水力压裂法及其在煤岩中的应用。定向钻孔 不能够看作一种纯粹的增产方法。值得一提的是，压裂(常规压裂或气蚀) 和定向钻孔两者仅仅增加了直接接触井筒的煤层量，目前还未发现增大原 始地层孔隙度的方法。
Palmer, I.D., Mavor， M丄，Spitler, J丄.，Seidle, J.P., and Volz， R,F. 1993b, "Openhole cavity completions in coalbed methane wells in the San Juan Basin", Journal of Petroleum Technology, 45(11): 1072-1080 (November)。Holditch, S.A. 1990, "Completion methods in coal seam reservoirs", SPE 20670， Proceedings 65 SPE Annual Technical Conference (New Orleans), pp.533 。
Palmer, I.D., Lambert, S.W" and Spitler, J丄.1993a Coalbed methane well completions and stimulations, Chapter 14 in AAPG Studies in Geology 38, pp.303-341。
Olsen， T.N., Brenize， G" and Frenzel， T.， "Improvement Processes for Coalbed Natural Gas Completion and Stimulation", SPE 84122， the SPE Annual Technical Conference and Exhibition, Denver (October 5-8， 2003)。
Khodaverian， M. and McLennan, 1993， "Cavity completions: a study of mechanisms and applicability", Proceedings of the 1993 International Coalbed Methane Symposium (Univ. of Alabama/Tuscaloosa), pp.89-97或Kahil， A. and Masszi, D. 1984的上述i仑文。
压裂过程中压裂液通过割理网络的漏失是目前CBM储层的水力压力 方法存在的主要局限性。压裂液效率是泵送结束时所形成的裂缝的体积除 以为形成裂缝所注入的流体总体积而得到的简单比率。显然，低压裂液效 率是不合乎需要的。除昂贵和浪费以外，漏失的流体可严重地降低割理网 络的渗透性并使增产处理的益处失效。而且，由于各种操作上的限制(例如 最大注入压力、最大注入速度、成本等)，低的流体效率限制了可实现的裂 缝长度。
注入到CBM储层中的压裂液形成复杂的裂缝，包括一些主通道和大量 的次通道。次通道可为割理网络的一部分。压裂液通过割理网络大量漏失 同时降低主裂缝生长速度和最大裂缝长度。以较高的流速注入压裂液可补 偿漏失损失，但漏失的流体可存留在割理中，阻断储层流体从储层流向井 筒可经过的通道。在正常情况下，割理开口对于支撑剂可能过小，从而使 支撑剂无法进入并支撑割理。近来，开发出对割理非破坏性的压裂液。尽 管存在进入割理网络的漏失，但其不含在割理中形成固定封堵的大分子。 因而，由于它们不含聚合物和不溶性固体物，所以当井投产时易于将非破 坏性的滤液从割理中移置出来。上述Olsen等人说明了这种压裂液。
此外，还已知可使用含有脱水助剂和支撑剂的水基液。水在多孔介质 中的存在，降低了介质向其它不混溶流体(例如油或气)流动的能力。对于CBM储层，所注入的水力压裂液中的水可渗入割理网络，并对煤层的表面 性质(主要为浸润性)造成不利影响。这种变化可造成脱水减少并造成煤粉飘 移，从而可能堵塞割理。Nimerick和Hinkel的美国专利522卯17描述了吸 附在煤层表面上使煤层疏水的化学物质如丁氧基化二醇。疏水的煤层表面 保持煤层的原始表面性质，并阻止存在于压裂液中的表面活性剂的再浸润 和再吸附。所述表面活性剂随压裂液输送，导致更迅速的煤脱水和压裂液 从裂缝中的收回。
其它已知的方法尝试控制进入割理的漏失。例如，美国专利5474129 记载了使用注入的气体进行气蚀完井的方法。将含有发泡剂的水添加到气 体中以在井下形成泡沫。泡沫减緩了气体通过割理网络从井筒中漏失的速 度。使得气体存留在近井区域中，并在此吸附到近井煤层中。在减压时， 存留的气体膨胀，破坏煤层组织，并引起气蚀完井过程。提及该专利的原 因是，该专利验明割理在引导离开来源的流体中的作用。在CBM储层中通 常使用泡沫压裂液以控制漏失，从而减少处理结束时井筒中的静水压头(并 提高压裂液的回收)，并减少进入割理网络的破坏性聚合物的量。
煤层曱烷增产方法被认为是增加回收率的方法。增加回收率的方法包 括用对煤的吸附性强于曱烷的气体充满CBM储层，然后从煤的微孔结构 中置换出曱烷或较轻的烃。描述该方法不同方面的几篇论文包括
-Fulton, P.F" Parente， C.A.， Rogers, B.A. "A Laboratory Investigation of Enhanced Recovery of Methane from Coal by Carbon Dioxide Injection", SPE/DOE 8930, the 1980 SPE/DOE Symposium on Unconventional Gas Reservoirs, Pittsburg (May 18-21, 1980);
-Chaback, J.J., Morgan, D., and Yee， D.: "Sorption Irreversibilities and Mixture Compositional Behavior During Enhanced Coal Bed Methane Recovery Processes", SPE 35622, the Gas Technology Conference, Calgary (April 28-May 1， 1996);
-Zhu， J., Jessen， K., Kovscek， A,R., and Orr, F.M.: "Analytical Theory of Coalbed Methane Recovery by Gas Injection", SPE Journal, pp 371画379(December2003);或者
- Gor腸，F,B,, Jikich, S.A.， Bromhal, G.S., Sams, W.N., Ertekin， T" and Smith, D.H.: "Matrix Shrinkage and Swelling Effects on Economics of Enhanced
7Coalbed Methane Production and C02 Sequestration in Coal", SPE 97963, the 2005 SPE Eastern Regional Meeting, Morganto飄(September 14-16, 2005)。
通常公开的是采用液化气体的压裂，该液化气体含有支撑剂以及二氧 化碳和氮气的混合物或者含有支撑剂与单独的二氧化碳，例如其应用于加 拿大和美国东部进行浅气井增产。据报导，C02和氮气的混合物形成的液化 co2或泡沫/乳液是非破坏性，因为该流体在处理之后会蒸发并产出。已知 方法的描述例如可参见
-Lillies, A.T., and King, S.R.: "Sand Fracturing with Liquid Carbon Dioxide", SPE 11341， the SPE Production Technology Symposium, Hobbs (November 8-9,1982);
-Yost, A.B., Mazza, R.L., and Gehr， J.B.: "C02/Sand Fracturing in Devonian Shales" SPE 26925， the SPE Eastern Regional Meeting, Pittsburg (November 2-4, 1993);
-Mazza, R丄."Liquid-Free C02/Sand Stimulations: An Overlooked Technology-Production Update", SPE 72383, the SPE Eastern Regional Meeting: Canton (October 17-19， 2001);和
-Cambell， S.M.， Fairchild， N.R., and Arnold, D丄."Liquid C02 and Sand Stimulations in the Lewis Shale, San Juan Basin, New Mexico: A Case Study", SPE 60317， the SPE Rocky Mountain Regional/Low-Permeability Reservoirs Symposium and Exhibition, Denver (March 12-15， 2000)。
一旦利用上述方法之一完成合适的井眼，必须立即进行除水，以降低 地层中的压力。压降反过来又促进曱烷从煤层到割理中的释放。如果割理 具有足够高的渗透性即连通性，则曱烷将从煤层流入井筒中并可对其进行 抽取。
美国专利6412559中描述了激励和增强煤储层中曱烷生产的方法。该 方法采用吸附性较强的气体(SAG，强于曱烷如二氧化碳或H2S)，该气体在 压裂过程中使地层膨胀，该方法的关键是增产处理之后的反复的SAG注入 和关井步骤。关井步骤可长达1天~1年。使用SAG的主要原因在于促进煤 层曱烷回收率的提高，SAG优先吸附在煤上并置换所吸附的曱烷。在开始 反复的SAG注入和关井步骤时，采用压裂提高SAG的注入能力，即压裂步 骤是降低井筒表皮效应并且能够改善C02注入的步骤。
8在已公开的美国专利申请20050082058中，利用预定气体与煤的反应 在煤煤基岩内引起收缩，减小有效应力并增大裂缝空隙的体积。该增大了 的裂缝空隙体积提高煤层的渗透性，提高曱烷气体的流量。增大了的裂缝 空隙体积还允许在煤层内布置支撑剂，以撑开的效裂缝周围的区域中保持 裂缝张开，进而增强裂缝体系与自然裂缝体系及井筒两者更有效的连通， 并且有助于曱烷的釆收。
美国专利5014788中描述了通过向煤层中引入膨胀性气体来提高产量 的方法，其中膨胀气在释放后产生不均匀的应力裂缝。该已知方法的重点 在于压力的"较迅速的降低"。

发明内容
本发明的目的通过独立权利要求所述的方法实现。
本发明提供煤层或煤层曱烷储层的新的水力压裂方法。所述新方法包 括下述步骤利用改变地层物理性质并提高压裂液效率的渗透性调节剂对 地层进行预处理。较高的压裂液效率使得裂缝更大地延伸到煤储层中，更 少地破坏割理网络，并使水(排水期间)和气(生产期间)的产量更高。本发明 是提高目前水力压裂和煤层曱烷井增产处理效率的新方法。该方法可与上 述已知的其它CBM储层压裂法或CBM增产法相结合。
具体地，在水力压裂处理的初始阶段，将使地层膨胀的渗透性调节剂 注入到地层中，使煤层的渗透性明显下降。随后注入的流体会有更高的产 生裂缝的效率，并且会较少可能地漏失到煤层中。所述流体能够使水力压 裂裂缝自井筒进一步地延伸。较长的裂缝反过来又使更大部分的煤层可以 通过单个井筒产出，这在经济和环境方面都是具有吸引力的。通常在地层 破裂压力或更低的压力下注入渗透性调节剂。然而，可能同样有利的是， 在高于破裂压力的压力下注入调节剂，或者初始阶段在低于破裂压力的压 力下注入使近井区膨胀，稍后在高于破裂压力的压力下注入以引发裂缝并 使裂缝延伸。
优选渗透性调节剂引起的膨胀是暂时的。适宜的调节剂组分例如为二 氧化碳。其它的包括二氧化碳、 一氧化一氮、六氟化硫、硫化氢、二氧化 硫、二氧化氮、三氧化硫、三氯氟代曱烷、二氯二氟曱烷、氯代三氟曱烷、 四氟曱烷、二氯一氟曱烷、三氟曱烷、1,1，2-三氯-1,2,2-三氟乙烷、二氯四氟乙烷、六氟乙烷、氯代五氟乙烷和它们的组合。另一组调节剂或膨胀剂
可选自具有高碱性的路易斯碱施主分子如烷基胺、芳香胺、伯胺、仲胺 或叔胺或者具有几个胺官能团的分子、内酰胺、酰胺、脲及其衍生物，更 具体地，例如吡啶、氨、曱胺、丁胺、四曱基乙二胺、1,4-二曱基哌。秦、乙 基曱基胺、N-曱基吡咯烷酮、N-曱基吡啶酮、尿素、N，N-二曱基曱酰胺和 类似的分子。
利用注入的流体在增产处理开始时膨胀地层，以改善压裂液的效率。 在优选实施方案中，不需要随后的注入或较长的关井时间。
在本发明的变体中，利用会逆转膨胀剂所导致的膨胀的流体，完成增 注后的冲洗。可能更有利的是，添加对原始膨胀剂具有緩释作用的适宜的 去膨胀剂，以保证接触膨胀剂的所有区域也与去膨胀剂接触，由此代替增 注后的冲洗。
根据以下详细说明和附图，本领域技术人员将认识和理解本发明的这 些和其它特征、优选实施方案及其变体以及本发明的其它优势。


图1A-1D示出根据本发明实施例的CBM处理的各个阶段；和 图2示出了总结根据本发明实施例的各步骤的流程图。
具体实施例方式
本发明提出对处于一个或多个地下煤层中的井进行预压裂处理。在进 行压裂之前，将流体在低于或等于破裂速度和破裂压力下注入。该流体意 在用于膨胀煤层并防止压裂液漏失到煤层的割理网络中。这具有下述双重 效果保护割理，使其不受破坏性的压裂液的影响；及更重要的是提高裂 缝扩展过程的效率，使水力压裂裂缝更长。
在图1A-1D所示的各阶段和图2的流程图中，更完整地列举了根据本 发明实施例的方法的各个步骤，并且这些步骤与下述可能的变体和替换方 案一同列出。
图1A示出了钻入煤层11的井10。显示该井具有套管101，但是本发 明可以等同地应用于没有套管的井或棵眼井。地面流量控制设备12包括经 过井口 102注入流体的注入管道系统120和阀121，以及/人井口 102收回流体的包括阀、节流器等管道系统122。为了更加清楚，在图中略去了其它地
面设备例如容器、泵、监测和控制装置。如图所示，在进行根据本发明的 处理之前，煤层11可包括已或多或少展开的裂缝或割理的网络111。应当 注意的是，出于清楚的目的，所述裂缝和裂紋网络未按照比例绘制。
作为第一步骤(在图2之流程图中示为步骤21)，通过注入渗透性调节 剂，优选在低于或等于破裂速度和破裂压力下注入渗透性调节剂如膨胀性 流体，进行预压裂处理。所述流体可选自二氧化碳、 一氧化一氮、六氟 化硫、硫化氢、二氧化石克、二氧化氮、三氧化硫、三氯氟代曱烷、二氯二 氟曱烷、氯代三氟曱烷、四氟曱烷、二氯一氟曱烷、三氟曱烷、1,1,2-三氯 -1,2,2-三氟乙烷、二氯四氟乙烷、六氟乙烷、氯代五氟乙烷和它们的组合中 的任一种，并处于破裂速度下，以产生裂缝几何形状(或者相当一部分的裂 缝几何形状)。可使用膨胀煤层并降低割理渗透性的其它成分如下面提及的 曱醇或胺类。
预处理可通过添加遇水水解的非破坏性降滤失剂如聚乳酸或聚乙烯醇 的小片或纤维来强化。作为选择，可(共同)注入含有非破坏性降滤失剂如聚 乳酸或聚乙烯醇的小片或纤维的水基液。
通过渗透性调节剂进行预处理之后，可在压裂处理之前关井，以允许 膨胀剂吸附。在使用C02的情况下，这可能是一个緩慢的过程。作为选择， 在预压裂处理完成之后，可直接开始主压裂作业。
理想的情况是，减少如图1A所示的裂缝网络，以便为压裂步骤提供如 图1B所示的更密实的层面。这样可减少进入地层的漏失量。
以下压裂作业(图2的步骤22)可包括预冲洗、前置液(pre-pad)、前置液 緩冲液(pad)、泥浆(slurry)和最后沖洗处理五个阶段中的任何阶段。
主压裂处理以高于破裂压力的压力和与众所周知的压裂作业实践一致 的速度注入压裂液。
压裂液同样是已知的并且可以包含携带液、支撑剂、降滤失材料、破 乳剂、稳定剂、包胶的化学物质和用于压裂液的其它已知试剂的任意组合。 适宜的携带液为水、氮气、co2、发泡或带电的水气组合、稠化油、稠化水 (利用具有或不具有交联剂的合成或天然聚合物，或者粘弹性表面活性剂)。 这些流体的一些实例可参见如上引用的大量文献或者参见例如公知的手册 i &senw.r幼'附w/a"ow, 3rd ed., Economides， M.J., and Nolte, K.G., John Wileyand Sons (2000)。支撑剂可包括砂粒，树脂包覆的砂粒，矾土，陶资，树脂 包覆的矾土或陶瓷，以及其它粒状材料和复合物(例如高密度塑料、包覆于 树脂中的碎胡桃壳等)。其它支撑剂材料为具有高长径比的固体材料，类似 于美国专利6725930中所引用的材料。降滤失材料范围极广，同样可以包 括砂粒、聚合物材料(如瓜尔胶和树脂)或纤维材料。
压裂液可以包含初始阶段的膨胀剂作为进一步的组分。
可改进主压裂步骤以更好地适应煤层气采集的需要，例如，在压裂处 理期间叠加周期性的压力振荡或沖击，以碎石化或击碎裂缝面，防止裂缝 结合和闭合。在这种情况下，可将压力脉沖发生器下降到井筒中接近于所 关注的区域。该发生器的性能可如此提高，即利用非压缩性流体装填井筒， 以使地层与压力脉冲发生器有效地耦合并向地层传递压力脉沖。
在一些情况下，可能有利的是，提供具有特定底部钻具組合(BHA)的压 裂液输运工具，该底部钻具组合具有配流器(flow dispenser),从而允许两股 液流从地表输送到地下。 一股液流供给所述输运工具并维持泵送，另一股 设计为从一边流动(flow sideways)并使裂缝保持张开。利用这种BHA处理 泵送期间的高流速和脉动。如果液流中载有支撑剂，则可能需要为上述配 流器提供支撑剂过滤器以防止工具堵塞。
当在前置液阶段或前置液緩冲液阶段实施压力振荡时，压力脉冲发生 器以产生所需频率和幅度的压力脉沖的方式工作。当在泥浆阶段进行压力 振荡时，操作时间可用过滤器加载时间来限制。
上述步骤可进一步改进，例如，在流体中使用纤维以使部分裂缝分出 (枝状裂缝)，或者周期性地注入桥堵材料以阻止沿一个方向的尖端生长。还 可继续进行压裂处理，以形成新的裂缝通道。
压裂的结果如图1C所示。裂缝113在煤层中11中张开。
压裂作业之后，可移出任何压裂工具，并根据需要安装开采设备，以 起动煤储层的开采(图2的步骤24)。
本发明还包括地层的去膨胀的任选步骤(图2的步骤23)。该任选步骤 可通过下列方法实现改变pH值的化学处理，例如利用C02脱附引起收缩； 注入冷却剂或加热的流体冷却或加热地层；或者注入吸附性更强的材料， 以使地层收缩并可以释放先前吸附的膨胀剂；或上述的任意组合。作为实 例，在处理之后可泵入含有酸或酸前体的流体，或者在pH改变延迟的情况下，可以泵入与膨胀剂共存的含有酸或酸前体和膨胀剂的流体。
因此，如图1D所示，更多的裂缝和割理111张开或重新张开，提高了 煤层11的渗透性。
上述方法的结果可部分地来源于模拟渗透性调节剂对地层的作用。 已经表明，二氧化碳具有不同于曱烷的特性。两者的差别在于煤层对 C02的吸附能力高于对曱烷的吸附能力。这意味着在相同的温度和压力条件 下可储藏在煤基岩中的二氧化碳多于曱烷，从而造成更大的体积应变。较 大的应变进而直接造成孔隙率减小，随之导致有效渗透率下降。该现象称
为煤矿开采领域公知的差异膨胀(differentialswelling)。对于本发明，应当理 解的是，如在压裂过程中合适的阶段应用这种性质可能是有利的。
为估算变化的幅度，可利用煤基岩收缩的基本方程及附加条件解释差 异膨胀。
因此，利用工业上可得到的COMET模型，可通过下面的方程;漠拟膨 胀行为
A/5
(1) pi[i-cncm(iick(ct-c)]
其中
c二储层气体浓度，无量纲 c尸初始的储层气体浓度，无量纲 c^基岩收缩压缩率，
Cp-孔隙体积压缩率，
p^储层孔隙压力， p尸初始的储层孔隙压力， 9=裂缝系统孔隙率，十进制小数 (p产初始的裂缝系统孔隙率，十进制小数
Ck二差异膨胀系数，无量纲
c产储层气体总浓度，无量纲 变化。通过实验室测试可以确定差异膨胀系数。用于确定孔隙体积变化造
成的有效渗透率k/kj变化的孔隙率/渗透率关系式为
(2) f =(々Pekot, L.J.禾口 Reeves, S.R.在"Modeling Coal Matrix Shrinkage and Differential Swelling with C02 Injection for Enhanced Coalbed Methane Recovery and Carbon Sequestration Applications", Topical Report, US DOE Report Number DE-FC26-00NT40924, Nov. 2002中披露，由于在初始储层状 态下二氧化碳与曱烷共存，因而有效渗透率可下降90%。
因而，初始阶段将二氧化碳或其它膨胀剂注入新井将增加气体总量并 造成煤基岩的差异膨胀。从而形成对于水力压裂增注处理更有利的条件。 降低的有效渗透率意味着可更容易地控制压裂液的漏失，从而产生复杂性 降低且可预测性提高的水力压裂过程并提高裂缝在储层中的穿透度。增大 裂缝长度将接触更多储层区域并产生从单个井筒排出更多气体的可能。此 外，期望降低漏失，以明显减少压裂液对煤层表面性质的影响造成的煤层 破坏，以及减少割理的水堵，割理是来自煤基岩的扩散气体流入裂缝并进 而流入井筒的通道。
作为二次采集方法，对已投产或已经受过增产处理的井进行处理时， 曱烷已从煤层上脱附并且已注入了 二氧化碳。较大的二氧化碳分子与煤层 表面有较大的亲合性并且可在降低的储层压力下置换曱烷。在这种情况下， 二氧化碳仍将造成基岩有效渗透率的下降。因为煤层已基本脱水，所以曱 烷仍可有效脱附。与针对新钻井所提及的原因相同，此时水力压裂处理仍 将更加有效。在这种情况下，水力压裂裂缝将增大井筒有效半径并改善二 氧化碳的注入性能。水力压裂裂缝使非常可能存在的新的曱烷脱附区域露 出，从而得益于通过水力压裂处理产生的降低的储层压力和新的连接部位。 储层的其余部分将得益于由于水力压裂处理而改善的二氧化碳注入能力。
其次可得益于由于螯合作用而改善的二氧化碳注入条件。
尽管上述实施方案证实了二氧化碳的优势，但二氧化碳可能不是产生 所述结果和收益的最有效的渗透性调节剂或膨胀剂。
可通过升高温度以及添加具有高碱性以及螯合性的溶剂，进一步提高 煤层膨胀的速度。根据对煤层的实验可知，与未经预处理的煤层相比，先 利用酸例如HC1并随后利用胺类例如乙二胺或吡啶进行预处理提高了膨胀 速度。根据相同的实验可知，氢氧化四丁铵、乙醇或四氢呋喃可作为有效 的膨胀剂。还可使用具有高碱性的富电子的或路易斯碱类施主分子，例如 烷基胺、芳香胺、伯胺、仲胺或叔胺、或者具有多个胺官能团的分子、内酰胺、酰胺、脲及其衍生物。可使用的膨胀剂的具体实例为吡啶、氨、曱
胺、丁胺、四曱基乙二胺、1,4-二曱基哌。秦、乙基曱基胺、N-曱基吡咯烷酮、 N-曱基吡啶酮、尿素、或N,N-二曱基曱酰胺。
尽管出于环境的考虑，可排除将上述化合物中的一些用于露天环境， 但已知一些无毒但化学上紧密相关的化合物。如使用二氧化碳的情况下， 胺类的膨胀和吸附效率与煤品级的相关性小于与煤层中初始水分含量的相 关性。
C02可与胺类一起注入到井中，从而增进膨胀。另一种建议是注入尿 素(即氨和C02的缩合产物)的浓溶液。在升高的温度下并结合HC1，尿素分 解为氨和co2,这可能是使材料与煤层脱附的一种方式。
尽管本发明的重点在于提高CBM采收率，但应当理解的是一些步骤还 可用于其它水力压裂应用。
权利要求
1.一种增加煤层产气的方法，该方法包括以下步骤-在压裂处理之前，经由穿越地下煤层的井筒，向所述煤层提供渗透性调节剂，以降低该煤层的渗透性；和-进行所述压裂处理。
2. 权利要求l的方法，其中所述渗透性调节剂为煤膨胀剂。
3. 权利要求l的方法，其中所述渗透性调节剂降低割理的渗透性。
4. 权利要求l的方法，其中所述渗透性调节剂为煤膨胀剂，并降低割 理的渗透性。
5. 权利要求1的方法，其中所述渗透性调节剂选自二氧化碳， 一氧化 一氮，六氟化硫，硫化氢，二氧化硫，二氧化氮，三氧化硫，三氯氟代曱 烷，二氯二氟曱烷，氯代三氟曱烷，四氟曱烷，二氯一氟曱烷，三氟曱烷， 1，1,2-三氯-1,2,2-三氟乙烷，二氯四氟乙烷，六氟乙烷，氯代五氟乙烷，具 有高碱性的路易斯碱类施主分子，伯胺、仲胺或叔胺，烷基胺，芳香胺， 具有多个胺官能团的分子，内酰胺，酰胺，脲及其衍生物，吡啶，氨，曱 胺，丁胺，四曱基乙二胺，1，4-二曱基哌。秦，乙基曱基胺，N-曱基吡咯烷酮， N-曱基吡咬酮，N，N-二曱基曱酰胺，及它们的组合。
6. 权利要求l的方法，其中所述渗透性调节剂包含降滤失剂。
7. 权利要求1的方法，还包括利用周期性或非周期性压力脉沖处理所 述井的步骤。
8. 权利要求1的方法，其中所述渗透性调节剂在所述煤层中的效力随 时间而降低。
9. 权利要求1的方法，还包括利用使所述渗透性调节剂的作用下降的 试剂处理所述井的步骤。
10. 权利要求9的方法，其中使所述渗透性调节剂的作用下降的试剂包 括酸或酸的前体。
11. 权利要求1的方法，其中还包括在压裂步骤之后采用促使煤层进一 步收缩的试剂的步骤。
12. 权利要求1的步骤，其中所述压裂步骤包括注入携带有支撑剂的压 裂液。
13. 权利要求1的方法，包括在不同于环境温度的温度下注入流体的步骤。
14. 权利要求1的方法，其中所述渗透性调节剂在低于、等于或高于煤 层破裂压力下提供。
15. 权利要求1的方法，其中进行压裂处理的步骤包括注入压裂液和所 述渗透性调节剂。
16. —种提高压裂作业效率以使煤层产气增产的方法，该方法包括以下步骤-在压裂处理前，经由穿越地下煤层的井筒，向所述煤层提供渗透性调 节剂，以降低该煤层的渗透性；和 -进行压裂处理。
17. —种减少压裂作业中压裂液漏失以使煤层产气增产的方法，该方法 包括以下步骤-在压裂处理前，经由穿越地下煤层的井筒，向所述煤层提供渗透性调 节剂，以降低该煤层的渗透性；和 -进行所述压裂处理。
全文摘要
本发明披露一种增加煤层产气的方法，该方法使用渗透性调节剂例如煤层膨胀剂，并经由井筒将渗透性调节剂注入煤层，以在压裂处理前降低煤层的渗透性。
文档编号E21B43/26GK101410588SQ200780011295
公开日2009年4月15日 申请日期2007年1月31日 优先权日2006年3月28日
发明者凯文·英格兰, 加里·塔斯廷, 欧内斯特·布朗, 迈克拉·内格尔, 雷蒙德·蒂布尔斯, 马修·米勒 申请人:普拉德研究及开发股份有限公司