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摘 要：根据二氧化碳泡沫压裂的特点，系统分析了二氧化碳压裂增产机理，结合沁水盆地煤层地质的实际情况，设计了该区二氧化碳泡沫压裂的煤储层改造增产技术。二氧化碳泡沫压裂井和常规清水压裂井的压后产气对比表明：二氧化碳泡沫压裂从一定程度上可以提高煤层气井的产气量，具有较好的应用前景。
煤层气是一种非常规天然气资源，煤层气储层于天然气储层相比具有很大的差异，为了提高煤层气储层的导流能力，研究人员对煤层气井进行了多方面的研究实验，大部分是将油井上用过的压裂技术直接搬到煤层气井上实验，目前，大多采用活性水作为压裂液进行煤层气储层改造，而且取得了一定效果，但产量不尽如人意。而CO2泡沫压裂液具有防膨、降阻、滤失量低、助排及携砂能力强、返排快、对地层伤害小等多种特性，所以适合低压、低渗、水敏性等复杂煤层的压裂，为了促进煤层气产业的发展，本文以沁水盆地柿庄矿为研究对象，对该矿井内煤层气储层吸附CO2和甲烷气体的差异性进行比较，对CO2泡沫压裂工艺技术进行了研究。
一、沁水盆地CO2泡沫压裂增产机理
沁水盆地位于山西省东南部，岩石力学性质处于中等强度。沉积层有前寒武系、寒武系，加里东运动本区隆起，盆地含煤地层主要是石炭统太原组和下二叠统山西组，煤种以变质烟煤和无烟煤为主，煤层埋深适中（300-1000米），含气量高（19-26m3/t）具备良好的煤层气资源条件。
1.1煤层气储层对二氧化碳气体和甲烷吸附差异性
影响煤层吸附气体能力的主要因素是：压力、温度、气体运动的剧烈程度。相同状况下，甲烷气体比CO2气体分子运动更剧烈，因此CO2气体更容易被吸附。为了了解沁水盆地煤储层对CO2和甲烷吸附性的差异性，根据沁水盆地煤样实验结果表明：在较低压力时，煤层优先吸附CO2，当压力较高时，煤层对CO2气体被有选择性地吸附。
1.2CO2泡沫压裂压裂增产机理
CO2泡沫压裂有液体CO2与清水混注增能的储层改造，有纯CO2液体作为介质进行的储层改造，本文主要分析前者。
CO2压裂液增产主要有如下优势
①CO2为压后工作液返排提供了气体驱替作用；有助于压裂液的迅速返排等，不容易形成压裂后残液附着于煤基质表面的液体膜。②同活性水压裂液比，泡沫压裂液的粘度较高、滤失量少，具有较强的携砂能力，有利于压开地层，有利于裂缝的深穿透和广延伸，提高支撑裂缝的导流能力。③对低压、水敏较强的地层，注入的CO2液体转化为气体后膨胀的体积系数比高，气化后的气体可以增加煤储层的能量，使液体反排迅速、更彻底，，缩短了压裂液与煤储层的接触时间，降低了地层伤害，增产效果显著。④CO2在泡沫压裂施工中成为压裂液进到煤储层，它在水中溶解和水反应生成弱酸性的碳酸，该反应可以使压裂液的pH值降低，有效地抑制了煤层中粘土矿物的膨胀，很大程度上降低了压裂液对煤层的伤害，进而提高煤储层的渗透性。⑤在同等条件下，煤层吸附甲烷气体的能力小于CO2，泡沫压裂液里气化后的CO2与甲烷开始进行竞争吸附，在竞争过程中煤层逐渐吸附了CO2，在表面积一定条件下，就会对应有甲烷解吸，随解吸过程的进行，CO2的分压逐渐降低，直到达到动态平衡，CO2和甲烷在煤体上的吸附量才达到稳定。相比于普通压裂，一定程度上提高了甲烷解吸率，促进了甲烷的解吸。⑥设备动用得少，见效快，增产效果好。
二、CO2增能压裂工艺技术及现场应用
2.1 CO2增能压裂工艺技术
煤层气井CO2压裂工艺是以CO2液和活性水或其他加入添加剂的胶液组成的两相增能液体为载体，CO2液具有稳定性好、粘度高、携砂性能优良、降滤失性能好、助排能力低、伤害低等特点。通过合理优化CO2用量，减少入井液量、降低储层伤害，提高煤层气井产气量的目的。二氧化碳泡沫压裂液体系优选配制，选择FL-36起泡剂不仅具有良好起泡能力和稳泡能力，而且还具有良好对地层岩石低吸附特性；选择国内羟丙基瓜尔胶GRJ可作为泡沫压裂液的稳泡剂；选用氯化钾作为CO_2泡沫压裂液的粘土稳定剂，使用浓度根据储层粘土矿物相对含量确定；破胶体系选用过硫酸盐与胶囊破胶剂配套技术，煤层气压裂中首选DL-10高效助排剂。针对沁水盆地煤层特点和压裂施工要求，研究开发了新型、低伤害低温中性CO_2泡沫压裂液配方体系。
优选煤层气井CO2增能压裂施工设备配置，除常规压裂施工设备外，需要增加液态CO2储运、泵注及控制等设备。CO2泡沫压裂施工工艺流程可表述为：
1）前期现场勘察做施工准备。2设备连接好，试压。3）按设计进行压裂施工。4）测压降。
在压裂施工后要关井一段时间，使注入地层的CO2充分气化，与吸附在煤上的甲烷气体进行充分的交换，这样才能充分发挥CO2的作用，一般需要关井2天以上。
2.2实例应用
2.2.1为了对常规活性水压裂效果和伴注CO2增能压裂效果进行对比，同时考虑到压裂成本，因此设计在沁水进行了CO2泡沫压裂试验，所用主要设备有压裂车组一套、CO2罐车2台、增压泵车2台、100桶混砂车、以及一些配套的气辅助设备等。SH-031使用CO2泡沫压裂
CO2泡沫压裂基本参数如下：施工方式：光套管注入，目标煤层：3号煤，压裂层段：465-474米，厚度：9米，射孔枪型：102枪，射孔数：144孔；前置液量：活性水60m3、胶液90m3、二氧化碳20m3；携砂液：胶液180m3二氧化碳80m3顶替液量6.5m3，施工排量：活性水2.8-3.5方，二氧化碳1-1.5m3/min，砂量：0.425-0.85mm50m3，0.85-1.20mm15m3，，砂比：25%，停泵压力：9.5MPa.
2.2.2压裂施工结束后的压裂效果评价，这这两口井进行了排采试验，产气，相比于邻井，解吸时间提前，同时由于CO2与甲烷竞争吸附，使更多地甲烷气体解吸、产出，增加了甲烷气体的产气速度和解吸量，CO2泡沫压裂井产气量是邻井煤层气井的产量2倍。
三、结论
1）在煤层气井上使用CO2泡沫压裂是可行的，CO2泡沫压裂液使携砂液携砂能力增强，砂比得到了很大提高，增强了裂缝的支撑能力，将CO2泡沫注入地层，CO2为压后工作液返排提供了气体驱替作用；有助于压裂液的迅速返排等，不容易形成压裂后残液附着于煤基质表面的液体膜，最大程度的降低了水锁作用；
①由于CO2比甲烷气体在煤基质的吸附中吸附能力强，CO2可以部分置换出甲烷气体，有助于甲烷的解吸，提高压裂改造效果；
②进入煤层后的气态CO2还能控制液体滤失，提高压裂液效率；减少了水基压裂液的用液量；
③采用CO2压裂降低了煤层中粘土矿物的膨胀。
2）SH-031试验結果说明：CO2泡沫压裂液增产效果好，可以使煤层气井返排时间短，返排效率高，缩小了液体进入煤层带来的地质伤害。但由于应用井少，统计的井数有限，该评价及结论只是初步的结果，建议完善工艺技术，增加实验井数，扩大应用范围。
参考文献
[1]倪小明，苏现波，张小东. 煤层气开发地质学[M]. 北京：化学工业出版社，2010
[2]杨涛，杨栋，黄静静，等. 基于400m埋深煤层对CO2和CH4吸附差异性的实验研[J]. 煤炭技术，2010，29（6）：67～69.
煤层气是一种非常规天然气资源，煤层气储层于天然气储层相比具有很大的差异，为了提高煤层气储层的导流能力，研究人员对煤层气井进行了多方面的研究实验，大部分是将油井上用过的压裂技术直接搬到煤层气井上实验，目前，大多采用活性水作为压裂液进行煤层气储层改造，而且取得了一定效果，但产量不尽如人意。而CO2泡沫压裂液具有防膨、降阻、滤失量低、助排及携砂能力强、返排快、对地层伤害小等多种特性，所以适合低压、低渗、水敏性等复杂煤层的压裂，为了促进煤层气产业的发展，本文以沁水盆地柿庄矿为研究对象，对该矿井内煤层气储层吸附CO2和甲烷气体的差异性进行比较，对CO2泡沫压裂工艺技术进行了研究。
一、沁水盆地CO2泡沫压裂增产机理
沁水盆地位于山西省东南部，岩石力学性质处于中等强度。沉积层有前寒武系、寒武系，加里东运动本区隆起，盆地含煤地层主要是石炭统太原组和下二叠统山西组，煤种以变质烟煤和无烟煤为主，煤层埋深适中（300-1000米），含气量高（19-26m3/t）具备良好的煤层气资源条件。
1.1煤层气储层对二氧化碳气体和甲烷吸附差异性
影响煤层吸附气体能力的主要因素是：压力、温度、气体运动的剧烈程度。相同状况下，甲烷气体比CO2气体分子运动更剧烈，因此CO2气体更容易被吸附。为了了解沁水盆地煤储层对CO2和甲烷吸附性的差异性，根据沁水盆地煤样实验结果表明：在较低压力时，煤层优先吸附CO2，当压力较高时，煤层对CO2气体被有选择性地吸附。
1.2CO2泡沫压裂压裂增产机理
CO2泡沫压裂有液体CO2与清水混注增能的储层改造，有纯CO2液体作为介质进行的储层改造，本文主要分析前者。
CO2压裂液增产主要有如下优势
①CO2为压后工作液返排提供了气体驱替作用；有助于压裂液的迅速返排等，不容易形成压裂后残液附着于煤基质表面的液体膜。②同活性水压裂液比，泡沫压裂液的粘度较高、滤失量少，具有较强的携砂能力，有利于压开地层，有利于裂缝的深穿透和广延伸，提高支撑裂缝的导流能力。③对低压、水敏较强的地层，注入的CO2液体转化为气体后膨胀的体积系数比高，气化后的气体可以增加煤储层的能量，使液体反排迅速、更彻底，，缩短了压裂液与煤储层的接触时间，降低了地层伤害，增产效果显著。④CO2在泡沫压裂施工中成为压裂液进到煤储层，它在水中溶解和水反应生成弱酸性的碳酸，该反应可以使压裂液的pH值降低，有效地抑制了煤层中粘土矿物的膨胀，很大程度上降低了压裂液对煤层的伤害，进而提高煤储层的渗透性。⑤在同等条件下，煤层吸附甲烷气体的能力小于CO2，泡沫压裂液里气化后的CO2与甲烷开始进行竞争吸附，在竞争过程中煤层逐渐吸附了CO2，在表面积一定条件下，就会对应有甲烷解吸，随解吸过程的进行，CO2的分压逐渐降低，直到达到动态平衡，CO2和甲烷在煤体上的吸附量才达到稳定。相比于普通压裂，一定程度上提高了甲烷解吸率，促进了甲烷的解吸。⑥设备动用得少，见效快，增产效果好。
二、CO2增能压裂工艺技术及现场应用
2.1 CO2增能压裂工艺技术
煤层气井CO2压裂工艺是以CO2液和活性水或其他加入添加剂的胶液组成的两相增能液体为载体，CO2液具有稳定性好、粘度高、携砂性能优良、降滤失性能好、助排能力低、伤害低等特点。通过合理优化CO2用量，减少入井液量、降低储层伤害，提高煤层气井产气量的目的。二氧化碳泡沫压裂液体系优选配制，选择FL-36起泡剂不仅具有良好起泡能力和稳泡能力，而且还具有良好对地层岩石低吸附特性；选择国内羟丙基瓜尔胶GRJ可作为泡沫压裂液的稳泡剂；选用氯化钾作为CO_2泡沫压裂液的粘土稳定剂，使用浓度根据储层粘土矿物相对含量确定；破胶体系选用过硫酸盐与胶囊破胶剂配套技术，煤层气压裂中首选DL-10高效助排剂。针对沁水盆地煤层特点和压裂施工要求，研究开发了新型、低伤害低温中性CO_2泡沫压裂液配方体系。
优选煤层气井CO2增能压裂施工设备配置，除常规压裂施工设备外，需要增加液态CO2储运、泵注及控制等设备。CO2泡沫压裂施工工艺流程可表述为：
1）前期现场勘察做施工准备。2设备连接好，试压。3）按设计进行压裂施工。4）测压降。
在压裂施工后要关井一段时间，使注入地层的CO2充分气化，与吸附在煤上的甲烷气体进行充分的交换，这样才能充分发挥CO2的作用，一般需要关井2天以上。
2.2实例应用
2.2.1为了对常规活性水压裂效果和伴注CO2增能压裂效果进行对比，同时考虑到压裂成本，因此设计在沁水进行了CO2泡沫压裂试验，所用主要设备有压裂车组一套、CO2罐车2台、增压泵车2台、100桶混砂车、以及一些配套的气辅助设备等。SH-031使用CO2泡沫压裂
CO2泡沫压裂基本参数如下：施工方式：光套管注入，目标煤层：3号煤，压裂层段：465-474米，厚度：9米，射孔枪型：102枪，射孔数：144孔；前置液量：活性水60m3、胶液90m3、二氧化碳20m3；携砂液：胶液180m3二氧化碳80m3顶替液量6.5m3，施工排量：活性水2.8-3.5方，二氧化碳1-1.5m3/min，砂量：0.425-0.85mm50m3，0.85-1.20mm15m3，，砂比：25%，停泵压力：9.5MPa.
2.2.2压裂施工结束后的压裂效果评价，这这两口井进行了排采试验，产气，相比于邻井，解吸时间提前，同时由于CO2与甲烷竞争吸附，使更多地甲烷气体解吸、产出，增加了甲烷气体的产气速度和解吸量，CO2泡沫压裂井产气量是邻井煤层气井的产量2倍。
三、结论
1）在煤层气井上使用CO2泡沫压裂是可行的，CO2泡沫压裂液使携砂液携砂能力增强，砂比得到了很大提高，增强了裂缝的支撑能力，将CO2泡沫注入地层，CO2为压后工作液返排提供了气体驱替作用；有助于压裂液的迅速返排等，不容易形成压裂后残液附着于煤基质表面的液体膜，最大程度的降低了水锁作用；
①由于CO2比甲烷气体在煤基质的吸附中吸附能力强，CO2可以部分置换出甲烷气体，有助于甲烷的解吸，提高压裂改造效果；
②进入煤层后的气态CO2还能控制液体滤失，提高压裂液效率；减少了水基压裂液的用液量；
③采用CO2压裂降低了煤层中粘土矿物的膨胀。
2）SH-031试验結果说明：CO2泡沫压裂液增产效果好，可以使煤层气井返排时间短，返排效率高，缩小了液体进入煤层带来的地质伤害。但由于应用井少，统计的井数有限，该评价及结论只是初步的结果，建议完善工艺技术，增加实验井数，扩大应用范围。
参考文献
[1]倪小明，苏现波，张小东. 煤层气开发地质学[M]. 北京：化学工业出版社，2010
[2]杨涛，杨栋，黄静静，等. 基于400m埋深煤层对CO2和CH4吸附差异性的实验研[J]. 煤炭技术，2010，29（6）：67～69.