我国煤层气开发技术现状与发展方向.pdf

第 卷第 期煤 炭 科 学 技 术 年 月 . 安全技术及工程 移动扫码阅读 徐凤银肖芝华陈 东等.我国煤层气开发技术现状与发展方向.煤炭科学技术 / . . / 我国煤层气开发技术现状与发展方向 徐凤银肖芝华陈 东闫 霞武 男李相方苗亚楠 .中石油煤层气有限责任公司北京 .中联煤层气国家工程研究中心有限责任公司北京 .中国石油大学北京北京 摘 要我国煤层气资源丰富、开发前景广阔经过 多年的不断探索无论从产业规模还是勘探开 发技术方面都取得了很大的进展 为进一步提高煤层气开发技术的适应性和煤层气资源的有效性 推进煤层气产业的快速发展以我国煤层气产业发展现状为出发点系统梳理了目前我国煤层气开发 的理论进展和技术现状 首先归纳并提出了煤层气赋存和排采理论方面的新认识煤储层微观气水 赋存与产出存在 种不同的模式“固气系统”与“固液系统”协同吸附储层基质孔隙水对气体解吸 传输具有重要影响 其次梳理小曲率半径定向井、水平井分段压裂、定量化排采多目标优化控制等 煤层气开发新技术并深入分析了煤层气开发面临的主要问题 提出未来的发展方向是持续加强以 排采为核心的理论和关键技术攻关降低开发成本提高单井产量实现煤层气高效开发 关键词煤层气排采勘探开发技术煤层气赋存煤储层 中图分类号 文献标志码 文章编号 . . .. . . . . . . “ ” “ ” . . . 收稿日期责任编辑王晓珍 基金项目国家科技重大专项资助项目 作者简介徐凤银男陕西榆林人教授博士生导师 . 通讯作者肖芝华男山东济南人高级工程师博士 .. 中国煤炭行业知识服务平台w w w . c h in a c a j . n et 年第 期煤 炭 科 学 技 术第 卷 引 言 据国际能源机构估计全球煤层气资源 量达 . 万亿 多个主要采煤国家均开展了 煤层气的开发利用其中美国、加拿大、澳大利亚以 地面开发为主德国、英国等欧洲国家以井下抽采为 主均已实现商业开发 年全球煤层气产量 亿 其中美国 亿 、加拿大 亿 、澳 大利亚 亿 都已成为这些国家重要的补充能 源 我国煤炭及煤层气资源丰富埋深在 以浅的煤炭资源总量为 . 万亿 根据国土资源 部第 次资源评价结果我国煤层气地质资源量 .万亿 可采资源量 . 万亿 居世界第 位 随着煤矿安全生产的要求越来越高监管越来 越严国家高度重视煤层气的开发利用陆续出台了 一系列扶持政策促进了我国煤层气产业的快速发 展 年全国煤层气产量达到 . 亿 截至 年底全国累计探明煤层气地质储量 亿 完成各类煤层气钻井 . 万余口累计建设煤层 气产能 亿 / “十一五”以来在国家相关政 策扶持下依托国家科技重大专项根据我国煤层气 地质和工程特点从地质评价、钻完井、增产改造、排 采工艺、地面集输、经济评价等方面持续开展煤层气 勘探开发技术攻关不断优化和完善配套技术创新 形成不同煤阶煤层气勘探开发基础理论和技术系 列但是国内对煤层气开采理论还需要进一步 深入研究特别是对于煤层气的解吸扩散渗流机 理等方面的认识与实际情况仍存在较大偏差 笔者系统梳理了目前我国煤层气开发的理论进 展和技术现状重点介绍基于对煤层气煤化过程的 研究成果 煤层气的成藏以及生成甲烷的过程中会 产生大量的水这些水会以束缚水和毛细水的形式 赋存于基质孔隙中将严重影响现有煤层气解吸 扩散渗流机理 煤层气的吸附气应当属于固液 界面吸附的研究范畴气体吸附量与溶液的浓度有 关而对环境压力不敏感其特征显著区别于国内外 普遍使用的固气界面吸附理论 而且根据 扩散定律以浓度差为驱动力的扩散仅发生在单相 流体中由于基质孔隙中水的存在解吸气从基质向 割理的运移不满足这种条件 煤层气开发技术、理论的创新为我国煤层气产 业的快速发展奠定了基础同时也为保障煤矿安全 生产增加清洁能源供应保护生态环境做出了重要 贡献 煤层气开发理论新进展 实践表明煤层气井排采过程中呈现出气水流 动的复杂状态煤层气井压力传播特征及动态变化 规律研究一直是个重大理论难题 “十一五”以来 根据我国煤层气地质特点已经形成中低阶煤层气 “多源共生”富集地质理论和中低阶煤多层均衡降 压开发理论在此基础上经过近 年的研究针对 气水两相流条件下地层水对产气干扰、临界解吸压 力及压力传播特征开展一系列的模拟试验研究建 立了煤层气藏渗流与压力耦合模型在压力传播、流 体渗流规律及其对产气影响的理论认识方面取得重 要突破新认识丰富了煤层气开发的储层渗流理论 为煤层气井产能评价奠定了新的理论基础 煤岩干酪根热演化生烃成孔特征显著影响 储层的气水赋存方式 煤的孔隙按成因类型划分可 分为 大类 原生孔、 变质孔、 外生孔及矿物质 孔煤中变质孔隙有多种称谓即煤变质过 程中由生气和聚气作用形成的孔隙是煤岩变质过 程中最为重要的孔隙之一是煤热解、变质、生气的 直接证明 基质孔隙内赋存着沉积水或生成水其 形成的极性孔隙壁易吸附水分子这直接决定了储 层的气水赋存方式 大量试验表明煤岩干酪根在不同热演化阶段 镜质体反射率 值不同煤岩有机质孔隙形态变 化复杂原生及次生孔隙类型、形状、尺寸、数量 均不同煤岩孔隙内产生的流体与固体产物不 同孔隙壁的极性和润湿性存在较大差异表 会显著影响煤岩孔隙内气水分布的特征 中低 阶煤孔隙壁极性分子多于高阶煤原生孔隙含水较 多 随着煤岩热演化程度的增加原生孔隙被 压实孔隙发生变形、缩小、闭合乃至消失孔隙内壁 上赋存的气分子逐渐减少含水性逐渐减弱 煤储层基质中流体运移方式为渗流而不是 扩散 传统的煤层气渗流模型认为基质中甲烷以吸 附态为主裂隙/ 割理中甲烷以游离态为主 在开发 过程中煤基质中甲烷解吸后扩散进入裂隙/ 割理 满足 扩散定律气体在裂隙割理中渗流到井 筒满足达西渗流定律如图 所示 通过系列研究认为扩散的本质是浓度差煤基 质中甲烷为单相不存在浓度差仅存在压差气体 从基质孔隙进入割理系统的过程属于压差驱动范 畴不能由 扩散定律描述运移方式应为渗流 而不是扩散 因此煤基质中单组分甲烷不满足扩 散理论基础假设 中国煤炭行业知识服务平台w w w . c h in a c a j . n et 徐凤银等我国煤层气开发技术现状与发展方向 年第 期 表 煤岩有机质各热演化阶段变质孔隙特征及其形成机理 热演化阶段 / 温度/ 孔隙类型孔隙壁组成孔隙形成机理 低成熟阶段...芳族分子间孔、气孔残碳残渣芳核上的侧链及官能团大部分脱落 基质块边长割理宽度 图 煤储层基质中甲烷运移方式 . 煤岩含水饱和度影响煤层气解吸产出 通 过开展甲烷在干燥/ 含水煤岩样品上的室内吸附试 验研究了不同含水率下甲烷在煤岩上绝对吸附量 的变化规律 随着煤岩含水率的增加 分子占 据了更多的吸附位导致 分子可以占据的吸附 位数量减少分子在煤岩上的绝对吸附量明显 降低 极性基团会率先吸附 分子而不是 分子水分的存在明显降低了煤岩中甲烷的吸 附能力 相对湿度分别为 、、、及 时温 度为 、压力为 与相同条件下的干燥煤 样相对湿度 相比甲烷在含水煤样上的吸附量 分别减少了 .、、.和 .图 通过建立数学模型评价煤层气解吸机理认为 在液态水环境中含水饱和度越高煤层气解吸滞后 现象越明显图 基质孔隙越小解吸段解吸量 减少解吸滞后段变长煤层气解吸滞后现象越明 显图 储层微观气水赋存与产出存在 种不同的 模式 传统理论认为煤基质储渗系统只有一种 模式称为“固气系统”其满足 等温吸附 图 不同含水条件下甲烷在煤岩样品上的吸附曲线 . 图 液态水环境下的解吸曲线 . 孔隙半径 图 孔隙尺度对解吸的影响 . 理论图、图该系统为固体与气体 种介质在 干燥条件下气体分子单层吸附在固态表面吸附表 面是均匀的吸附平衡时气体分子吸附速度与脱附 相等甲烷的吸附过程与解吸过程是基本可逆的 中国煤炭行业知识服务平台w w w . c h in a c a j . n et 年第 期煤 炭 科 学 技 术第 卷 实际的煤岩储层是普遍含水的且水的存在会滞后 甲烷气体的解吸过程然而常规固气界面的 理论难以体现这一特征 通过系统研究认 为煤基质储渗系统应充分考虑水的影响除固气系 统外还存在另一种系统称为“固液系统”“固气 系统” 与“固液系统” 协同吸附 固液系统满足 另一种等温吸附理论模式图 、图 在 煤基质含水条件下甲烷的解吸过程与吸附过程为 个不同的平衡体系吸附多解吸少吸附与解吸 基本不可逆 图 常规固气系统 吸附曲线 . 图 固气界面解吸示意 . 图 固液系统下甲烷气体的吸附曲线 . 图 固液界面解吸示意 . 通过“固气”和“固液” 种不同系统的气体解 析过程对比储层基质孔隙水对气体解吸传输具 有重要影响特别是对“纳米级”基质孔隙影响更 明显 煤层气勘探开发技术现状 近 年来根据煤层气地质和工程特点在沁 水、鄂尔多斯盆地东缘开展了一系列技术攻关与试 验形成不同煤阶煤层气勘探开发技术系列 随着 煤层气产业的快速发展勘探开发技术也在不断地 更新和完善特别是在钻完井技术、储层改造 技术、排采关键技术、已开发气田稳产增产方 面取得明显的创新和突破有效降低了开发成 本提高了单井产量 . 钻完井技术 .. 建立煤层气丛式井工厂化作业、一体化管理 体系 集群化建井、批量化实施、流水线作业大幅 缩短了钻井周期 采用机械钻机配备滑轨式移动 装置表层套管批量钻井套管的新方法图 搬 家安装时间缩短加快了钻井进程有效降低了工程 成本 提出新的轨迹优化设计方法与井身质量控 制标准减少管杆偏磨 原则采用三段制避免反向 弯曲段产生施工中加密轨迹参数监测确保井身 质量 .. 深层煤层气水平井钻完井技术日趋成熟 年以来在鄂尔多斯盆地东缘大宁吉县 煤层气区块分步实施了 口水平井从最初的 型井到现在的 型水平井研究试验了煤层气水平 井优化布署、钻完井新工艺新方法形成了水平井套 管固井完井定向射孔分段压裂工艺技术取得良 中国煤炭行业知识服务平台w w w . c h in a c a j . n et 徐凤银等我国煤层气开发技术现状与发展方向 年第 期 好效果 年底实施的 口 型水平井目前日 合计产气量超过 . 万 产气趋势良好图 为下一步有效开发鄂尔多斯盆地东缘 以深 的煤层气资源提供了可靠的技术依据 图 丛式井工厂化作业一体化管理示意 . 图 口 型水平井排采曲线 . .. 深层煤层气小曲率半径定向井技术 针对深层煤层渗透性差、煤系地层砂岩储层分 布变化大等难题将小曲率半径定向井的技术方法 与鄂东地区地质特点相结合创新提出了煤层气小 曲率半径定向井优化设计理念 对入靶井斜角、造 斜率和煤层进尺等关键轨迹参数进行优化设计形 成了煤层气小曲率半径定向井的设计方法和井型井 网设计技术 距煤层砂岩层处造斜以大井斜角 入层增加煤层内有效进尺图 有利于煤层气 排采过程中在井网控制范围内降压面积的迅速扩 展增加解吸体积有利于提高单井产量 在韩城区块成功试验 口小曲率半径定向井 口井在煤层以上 左右造斜入层井斜角达 煤层进尺由常规定向井的 左右增加 到 大幅增加了煤层的泄压面积产气量 明显提高 . 水平井分段压裂技术 在前人对水平井的压裂工艺研究基础上 创新煤层气水平井“连续油管定向喷砂射孔带底 封拖动”的分级压裂工艺在鄂尔多斯盆地东缘大 宁吉县区块取得良好的试验效果研制了连续油管 图 煤层气小曲率半径定向井示意 . 带底封拖动的 种连续油管专用喷砂器采用连续油 管传输、提放管柱坐封、水力喷砂射孔、油套同注压 裂拖动管柱自下而上逐段分段体积压裂施工 该技术能够达到压裂与周边低产老井沟通同 时避免与高产老井直接沟通结合压裂液性能、井眼 轨迹和水平段间距确定射孔方向和施工规模 该 工艺使射孔压裂一体化作业效率高遇井下复杂情 况可及时反洗处理 . 排采控制关键技术 经过多年技术攻关和生产实践表明煤层气井 排采具有排水期长、上产慢、稳产期长、修井后恢复 慢的特点 遵循“连续、缓慢、稳定、长期”的排采原 则在“双控制逐级排采区域降压”排采技术的基础 上创新形成“定量化排采多目标优化控制” 排采 法优化配套工艺技术 .. 双控制逐级排采区域降压技术 针对煤储层特性和地层供液能力制订与储层 条件相适应的排采工作制度特别是控制产水量和 产气量实现对压力和煤粉的双控制以达到保护储 层、扩大泄压面积和提高单井产量的目的 中国煤炭行业知识服务平台w w w . c h in a c a j . n et 年第 期煤 炭 科 学 技 术第 卷 该技术主要针对见套压前、憋套压、初始产气和 产气上升等 个重点阶段图 提出降液面速 度、憋套压时间、放产平均套压、平均产气增速 个 关键参数的控制方法 图 排采阶段控制示意 . .. 定量化排采多目标优化控制技术 首次提出了以压力传播最快、渗透率伤害最低、解 吸区范围最大、最终累产气最大为目标建立定量化排 采数学模型求取煤层渗流参数控制不同排采阶段的 井底流压达到最佳排采效果图 利用研发的定 量化排采软件综合分析排采过程中的压力动态变化 和渗透率变化在韩城区块 口井和保德区块 口井 应用效果好符合实际的煤层气井排采动态特征 原始地层压力解吸压力压力传至边界所需时间 全区解吸所需时间井的生命周期 图 定量化排采井底流压控制示意 . .. 排采配套工艺技术 防煤粉技术随着排采阶段的递进煤粉产 出强度有一定程度变化分别采用控煤粉、挡煤粉、 排煤粉的方法达到防煤粉的效果 防偏磨技术采用尼龙插接式扶正器、改性 超高分子聚乙烯合金材料、外包覆抽油杆等技术有 效延长检泵周期 防气体影响技术采用气锚解决抽油泵气锁 问题利用“管柱吸入口气液分离”与“抽油泵内部 气液分离” 种思路改造杆式泵结构达到降低冲 次、缓解管杆偏磨的目的 高效修井技术根据生产井的具体情况可 采用欠平衡多级压井修井或者杆式泵不压井修井 种不同的方法达到高效修井的目的 通过优化抽油杆、管、泵结构设计积极使用新 工艺和新材料不断完善排采配套工艺技术修井和 恢复周期明显缩短 . 已开发气田稳产、增产技术 .. 气藏精细描述与产能评价技术 根据煤层气地质特征和煤层气藏的开发特点 建立煤层气藏描述指标体系包括静态和动态两大 类参数在此基础上结合地质特征和工程因素综 合考虑地表条件对研究区进行开发单元的划分分 析影响单井产能的主要因素形成有效的产能评价 方法分析井间干扰规律合理评价井网井距预测 开发关键指标优化合理采气速度为制定煤层气藏 稳产方案和改进措施提供依据有效指导气田生产 如图 所示 .. 井网井距优化技术 对于已开发气田根据煤层气排水降压解吸 产气特点综合采用储层非均质性研究、动态分析、 数值模拟和经济评价法优化评价井网井距 以煤岩学理论为指导基于测井解释和物理模 拟试验方法分析不同煤岩类型煤储层的非均质性 建立煤储层地质模型不同宏观煤岩类型煤储层的 空间构成差异直接影响了压裂裂缝的扩展和煤层 气的解吸扩散渗流导致煤储层内部压降范围和 泄气半径的差异性 采用动态分析法建立不同相 态下的煤层气渗流数学模型运用反褶积试井解释 软件计算煤层渗透率和压降半径评价井网井距的 合理性 同时采用数值模拟和经济评价法针对不 中国煤炭行业知识服务平台w w w . c h in a c a j . n et 徐凤银等我国煤层气开发技术现状与发展方向 年第 期 同渗透率和不同井距进行采收率对比分析和经济评价综合对比分析后确定合理井距如图 所示 图 煤层气藏精细描述与产能评价技术路线流程 . 图 煤层气井网井距优化评价方法流程 . .. 间接压裂适应性评价及工艺优化技术 间接压裂技术即同时射开煤层和顶板压裂使 压裂裂缝在顶板和煤层中同时延伸形成顶板“高速 通道”提高裂缝长度和延伸范围 间接压裂技术是在北美的间接垂直压裂技术基 础上发展了而来的适用于大于 的中厚煤 层、构造煤以碎粒煤为主以及较高应力区域等更 为复杂的地质条件 与直接射孔压裂煤层相比本 方法能大幅提高在构造煤中的裂缝规模降低对煤 储层的伤害控制煤层气井排采阶段煤粉、煤泥的产 出显著增大压降面积从而确保煤层气井高 产稳产 间接压裂技术的关键就是对井区内地质和工程 进行适应性评价优选潜力井和优化压裂工艺图 类似韩城区块这种碎粒煤在压裂过程中易产 生煤粉和煤泥改造效果不理想的状况开辟了一种 新的压裂技术途径应用前景十分广泛 图 间接压裂技术流程及渗流模型 . 中国煤炭行业知识服务平台w w w . c h in a c a j . n et 年第 期煤 炭 科 学 技 术第 卷 .. 负压排采增产技术 负压排采技术是通过在地面井口安装负压设 备进一步降低套管压力增大煤层与井筒内生产压 差达到气井增产目的 煤层气井废弃压力一般为 . 使用负压增产技术后能够使废弃压力大 幅降低 适用于资源潜力较高的低产低效井和受煤 矿开采影响面临关停井 该技术根据区块生产井特 点研发了不同类型的负压排采增产设备 单井一 般用水环压缩机撬丛式井组采用往复式压缩机撬 利用该技术在鄂尔多斯盆地东缘保德区块王家 岭煤矿附近的保 井组开展试验该井组位于煤 矿回采面附近产气量呈明显衰减趋势 安装负压排 采设备并开始试验 后井组日产气量由 上升至 单井产量提高 以上目前稳定 在 试验效果明显正逐步推广至鄂尔多斯 盆地东缘其他区块 存在的问题 资源总体探明率低优质资源严重不足 目 前我国煤层气资源探明率仅为 .远低于天然 气的 全国煤层气主要集中分布在 个大型聚 煤盆地但实现规模开发的仅有沁水和鄂尔多斯盆 地 个可供规模开发的优质资源比例小勘探开发 程度极不均衡 急需寻找后备接替区 高、 中、 低阶煤煤层气资源占比分别为、和资 源占比最高的低阶煤还未实现规模商业开发函待 新区开发取得规模性突破 已开发区低产井占比大产能到位率低 截 至 年沁水、鄂尔多斯盆地东缘已建产能规模约 亿 / 产能到位率仅为 .低品位储量动用 难日产量低于 的井数占总生产井数的 未能实现效益开发 原因在于开发技术适应性不强 排采过程中介质运动与产气关系的规律还不十分清 楚应对措施还不到位 亟需攻关低产低效井增产核 心技术提高储量动用率有效提高单井产量 缺乏信心和动力总体投资不足 煤层气产 业抗风险能力弱短期投资回报率低单纯从效益角 度衡量难以达到国企考核标准没有从全生命周期 和综合社会效益系统评估 合作项目摇摆不定作业 者不够稳定 从事煤层气勘探开发业务人员逐年减 少研究力量严重不足科研成果水平和质量不高 技术发展方向 . 深部煤层气与煤系地层天然气综合开发技术 实践证实煤系地层具有多套含气地层叠置赋存 的特征要加大深部煤层气、致密气及页岩气综 合勘探开发力度重点开展煤层气与煤系地层天然 气综合开发地质评价技术、增产改造工艺、采气工 艺、地面配套工艺等攻关形成配套技术体系提高 煤系气资源利用效率和效益推动煤层气产业可持 续发展 . 有效提高采收率技术 针对已开发区低产井占比大、产能到位率偏低 的问题重点开展气藏工程优化、低渗透煤储层有效 改造、低产低效井综合治理等技术攻关试验高压注 氮、生物菌培育、微生物注入工艺等不断改善开发 效果提高单井产量提高开发效益 . 煤层气田智能信息技术 与常规气田相比煤层气井多开发周期长煤 层气开发管理更加复杂造成人工和管理成本较高 生产效率降低开发管理水平远低于常规气田 持 续创新开发管理模式重点攻关大数据智能预测甜 点区技术、智能型煤层气压裂工作平台、智能化排采 控制技术形成统一的模拟分析及辅助决策一体化 平台提高开发生产智能化水平实现降本增效 . 探索煤炭地下气化技术 煤炭地下气化是将地下煤炭进行有效 控制的燃烧通过对煤的热作用及化学作用产生可 燃气体综合开发清洁能源与生产化工原料的新技 术 石油工程技术的进步尤其是煤层水平井 和连续油管技术的进步促进了深层 技术的发 展 变物理采煤为化学采煤产气能有效改善 安全和生态环境问题快速增加天然气供给是深层 煤炭清洁高效利用的发展方向 . 尝试高能物理激光技术 以问题为导向聚焦技术瓶颈将高能物理激光 技术与煤层气开发进行有机融合通过对国内外 激光破岩技术的调研和室内试验为后续开展现场 科学试验提供理论、数据和试验支撑 激光技术在 煤层气开发中的应用将会革新煤层压裂和排采技 术有效提高单井产气量为煤层气高效开发提供一 种全新的思路和方法 结 论 针对中国复杂的煤层气地质和资源条件现 有的煤层气开发理论和技术在提高煤层气单井产量 和整体开发效益中起着至关重要的作用同时也面 临着资源探明率低低产井占比大单井平均产量 低开发技术适应性不强等客观问题 目前学术界普遍认可煤层气的解吸扩散 中国煤炭行业知识服务平台w w w . c h in a c a j . n et 徐凤银等我国煤层气开发技术现状与发展方向 年第 期 渗流产出机理未考虑真实煤岩基质孔中赋存水的 影响是现有理论模型始终与煤层气井实际产出表 现存在较大差异的原因 由于基质孔中水的存在 “固气系统”吸附理论应由“固气系统”与“固液系 统”协同吸附理论替代扩散理论应由渗流理论替 代 煤层气开发应继续加强以排采为核心的理论和 关键技术攻关达到提高单井产量和高效开发的 目的 实践表明煤层气开发具有投入大回报周期 长的特点 我国煤层气资源丰富发展潜力大需要 国家加大政策支持力度进一步消化和吸收国外成 熟技术加强对新型工艺技术的研发和创新以更好 地推动煤层气产业的快速发展 参考文献 陈 明.我国煤炭资源总量达 . 万亿吨预测资源量 . 万亿 吨.西部资源. . . . . . 接铭训葛晓丹彭朝阳等.中国煤层气勘探开发工程技术进 展与发展方向. 天然气工业 . . . . 邹才能 杨 智 朱如凯等. 中国非常规油气勘探开发与理 论技术进展. 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