CN101410588A - 煤层气储层的压裂方法 - Google Patents
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Abstract
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。
Description
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甲烷形式的天然气。这种储层通常称作煤层甲烷(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。通常以循环方式对裸眼完井(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.J.，Spitler，J.L.，Seidle，J.P.，and Volz，R.F.1993b，“Openhole cavity completions in coalbedmethane 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。这些机制包括在裸眼段(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渗透性，参见例如Khodaverian，M.and McLennan.1993，“Cavity completions：a study of mechanisms and applicability”，Proceedings of the 1993 InternationalCoalbed 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 stimulatedemethanation boreholes”，SPE Paper No.12843，Proceedings 1984 SPEUnconventional 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 65thSPE 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，然后进行冲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，“ImprovementProcesses for Coalbed Natural Gas Completion and Stimulation”，SPE 84122，the SPE Annual Technical Conference and Exhibitionm，Denver(October 5-8，2003)中，描述了压裂煤层甲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.J.，Spitler，J.L.，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”，SPE20670，Proceedings 65th SPE Annual Technical Conference(New Orleans)，pp.533。
Palmer，I.D.，Lambert，S.W.，and Spitler，J.L.1993a Coalbed methane wellcompletions and stimulations，Chapter 14 in AAPG Studies in Geology 38，pp.303-341。
Olsen，T.N.，Brenize，G.，and Frenzel，T.，“Improvement Processes forCoalbed Natural Gas Completion and Stimulation”，SPE 84122，the SPE AnnualTechnical Conference and Exhibition，Denver(October 5-8，2003)。
Khodaverian，M.and McLennan，1993，“Cavity completions：a study ofmechanisms and applicability”，Proceedings of the 1993 International CoalbedMethane Symposium(Univ.of Alabama/Tuscaloosa)，pp.89-97或Kahil，A.andMasszi，D.1984的上述论文。
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5229017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。泡沫减缓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。
煤层甲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甲烷的气体充满CBM储层，然后从煤的微孔结构中置换出甲烷或较轻的烃。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 ofEnhanced Recovery of Methane from Coal by Carbon Dioxide Injection”，SPE/DOE 8930，the 1980 SPE/DOE Symposium on Unconventional GasReservoirs，Pittsburg(May 18-21，1980)；
-Chaback，J.J.，Morgan，D.，and Yee，D.：“Sorption Irreversibilities andMixture Compositional Behavior During Enhanced Coal Bed Methane RecoveryProcesses”，SPE 35622，the Gas Technology Conference，Calgary(April 28-May1，1996)；
-Zhu，J.，Jessen，K.，Kovscek，A.R.，and Orr，F.M.：“Analytical Theory ofCoalbed Methane Recovery by Gas Injection”，SPE Journal，pp371-379(December 2003)；或者
-Gorucu，F.B.，Jikich，S.A.，Bromhal，G.S.，Sams，W.N.，Ertekin，T.，andSmith，D.H.：“Matrix Shrinkage and Swelling Effects on Economics of EnhancedCoalbed Methane Production and CO2 Sequestration in Coal”，SPE 97963，the2005 SPE Eastern Regional Meeting，Morgantown(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，CO2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 CarbonDioxide”，SPE 11341，the SPE Production Technology Symposium，Hobbs(November 8-9，1982)；
-Yost，A.B.，Mazza，R.L.，and Gehr，J.B.：“CO2/Sand Fracturing inDevonian Shales”SPE 26925，the SPE Eastern Regional Meeting，Pittsburg(November 2-4，1993)；
-Mazza，R.L.：“Liquid-Free CO2/Sand Stimulations：An OverlookedTechnology-Production Update”，SPE 72383，the SPE Eastern Regional Meeting，Canton(October 17-19，2001)；和
-Cambell，S.M.，Fairchild，N.R.，and Arnold，D.L.：“Liquid CO2 and SandStimulations in the Lewis Shale，San Juan Basin，New Mexico：A Case Study”，SPE 60317，the SPE Rocky Mountain Regional/Low-Permeability ReservoirsSymposium 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。压降反过来又促进甲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，则甲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甲烷生产的方法。该方法采用吸附性较强的气体(SAG，强于甲烷如二氧化碳或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甲烷回收率的提高，SAG优先吸附在煤上并置换所吸附的甲烷。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CO2注入的步骤。
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，提高甲烷气体的流量。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，并且有助于甲烷的采收。
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甲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甲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、三氯氟代甲烷、二氯二氟甲烷、氯代三氟甲烷、四氟甲烷、二氯一氟甲烷、三氟甲烷、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、甲胺、丁胺、四甲基乙二胺、1，4-二甲基哌嗪、乙基甲基胺、N-甲基吡咯烷酮、N-甲基吡啶酮、尿素、N，N-二甲基甲酰胺和类似的分子。
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缓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。
附图说明
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裸眼井。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，以及从井口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，所述裂缝和裂纹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、二氧化硫、二氧化氮、三氧化硫、三氯氟代甲烷、二氯二氟甲烷、氯代三氟甲烷、四氟甲烷、二氯一氟甲烷、三氟甲烷、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甲醇或胺类。
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CO2的情况下，这可能是一个缓慢的过程。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)、前置液缓冲液(pad)、泥浆(slurry)和最后冲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Reservoir Stimulation，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，陶瓷，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冲击，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，可将压力脉冲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冲。
在一些情况下，可能有利的是，提供具有特定底部钻具组合(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缓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冲的方式工作。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CO2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甲烷的特性。两者的差别在于煤层对CO2的吸附能力高于对甲烷的吸附能力。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甲烷，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(differential swelling)。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，可通过下面的方程模拟膨胀行为：
其中
C＝储层气体浓度，无量纲
Ci＝初始的储层气体浓度，无量纲
Cm＝基岩收缩压缩率，
Cp＝孔隙体积压缩率，
P＝储层孔隙压力，
Pi＝初始的储层孔隙压力，
Ck＝差异膨胀系数，无量纲
Ct＝储层气体总浓度，无量纲
该方程表示由于甲烷脱附造成的压力递减所引起的煤层孔隙率的基本变化。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/ki变化的孔隙率/渗透率关系式为：
Pekot，L.J.和Reeves，S.R.在“Modeling Coal Matrix Shrinkage andDifferential Swelling with CO2 Injection for Enhanced Coalbed MethaneRecovery and Carbon Sequestration Applications”，Topical Report，US DOEReport Number DE-FC26-00NT40924，Nov.2002中披露，由于在初始储层状态下二氧化碳与甲烷共存，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，甲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甲烷。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，所以甲烷仍可有效脱附。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甲烷脱附区域露出，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HCl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、甲胺、丁胺、四甲基乙二胺、1，4-二甲基哌嗪、乙基甲基胺、N-甲基吡咯烷酮、N-甲基吡啶酮、尿素、或N，N-二甲基甲酰胺。
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。
CO2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CO2的缩合产物)的浓溶液。在升高的温度下并结合HCl，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。
Claims (17)
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1的方法，其中所述渗透性调节剂为煤膨胀剂。
3.权利要求1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1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，三氯氟代甲烷，二氯二氟甲烷，氯代三氟甲烷，四氟甲烷，二氯一氟甲烷，三氟甲烷，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，甲胺，丁胺，四甲基乙二胺，1，4-二甲基哌嗪，乙基甲基胺，N-甲基吡咯烷酮，N-甲基吡啶酮，N，N-二甲基甲酰胺，及它们的组合。
6.权利要求1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冲处理所述井的步骤。
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。
16.一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。
17.一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。
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