煤炭学报

作者：周立宏, 闫霞, 刘洪涛, 熊先钺, 王峰, 李曙光, 张纪远, 刘川庆, 胡雄, 袁朴, 马千理, 朱学光,

关键词：深部煤层气, 煤岩气, 压驱, 渗吸, 置换, 水力压裂, 开发机理,

鄂尔多斯盆地东缘深部煤层气(又称煤岩气)先导试验水平井吉深6-7平01井首试大规模水力压裂，实现了重大突破，带动了全国深部煤层气勘探开发，已成为非常规天然气增储上产重要领域，但水力压裂除增强渗流能力外，其对甲烷产出作用机理尚未理清，现场试验代价高且存在一定盲目性，制约了深部煤层气技术攻关方向和高效开发。通过物理试验与理论模拟相结合方法，开展了深部煤润湿性特征与界面分子作用机制分析，采用在线核磁共振扫描、真实深煤大分子建模、水相侵入驱替分子动力学模拟、不同含水条件煤岩等温吸附、不同矿化度条件渗吸试验、扫描电镜等手段，揭示了深部煤层气压裂改造背后的“压驱−渗吸−置换”作用机理，证实在大规模水力压裂过程中已发生气水渗吸置换、吸附态甲烷转为新的游离气产出的客观事实，促成了深部煤层气井初期“游离气为主”高产现象。即大规模压裂除了煤层增渗作用之外，更重要的是相当一部分吸附气通过气水“渗吸−置换”转为“新的游离气”，与原始游离气一起，共同被驱替出来。研究结果表明：基于矿物分析、高温高压润湿性试验及深煤真实大分子建模测试，深部煤岩因亲水性黏土矿物充填及含氧官能团的存在，呈现宏观整体亲水、微观局部强亲水特性；基于等温吸附试验与高温高压在线核磁共振扫描试验，压裂液能够显著削弱甲烷与煤分子间作用力，含水率每增加1%，最大吸附量平均降低1.82 m3/t；在液气压差为5 MPa的条件下，压裂液即可侵入岩心驱替出70.84%的游离气，并通过竞争吸附置换出10.42%的吸附气，推测高压差条件下置换和驱替率将更高；基于分子动力学模拟，在高压差驱动下，压裂液侵入纳米孔隙产生活塞式驱替效应，促使吸附态甲烷转化为游离态，能够将97.8%的甲烷驱替出纳米孔隙；基于不同尺寸毛管力试验分析发现，当煤基质孔径小于5 nm后，气液毛管力呈现陡增趋势，在原位和压后增压条件下，2 nm的强亲水(润湿角30°)和弱亲水(润湿角70°)孔隙中的毛管力可分别超过40.1和15.8 MPa，形成强烈的渗吸驱动力；基于矿化度分析与渗吸试验，因压裂液和地层水间的高矿化度差异，形成化学势梯度导致的渗透压作用可进一步强化渗吸作用，渗吸量提升46.4%以上；基于不同尺寸煤岩解吸试验，煤岩越碎，越容易解吸，煤岩尺寸由1.3 cm增加到5.0 cm时，解吸到达平衡时间延长14倍以上，吨煤累产气量下降了15.6%；基于试验和模拟结果，揭示了深部煤层气大规模压裂过程中压驱−渗吸−置换机理，耦合了“造(延伸)缝−增渗、增大接触面积、连通微孔、自发渗吸+置换、加压渗吸+置换、高压驱替”等多种促产出作用，明确了深部煤层气井产气贡献4个来源及阶段主力贡献，并依此提出了构建“密织缝网+增强连通性”压裂工艺、差异化焖井以强化渗吸置换作用效能、适时注润湿反转剂以调控减缓水锁效应、控压延长高压排采期等4项生产策略，同时明确了下一步3大攻关方向。研究成果可为深部煤层气井压裂改造技术攻关、排采制度优化和提高单井产量提供重要科学理论依据。

来源：2025年第7期

《煤炭学报》期刊编辑部

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