摘　要   將美國、澳大利亞等煤層氣生產(chǎn)大國的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)簡(jiǎn)單套用于我國的煤層氣開發(fā)存在著明顯的不適應(yīng)性。隨著以沁水盆地、鄂爾多斯盆地東緣等煤層氣主力產(chǎn)區(qū)為代表的中高煤階煤層相繼投入煤層氣規(guī)模開發(fā)，總結(jié)我國煤層氣的開發(fā)實(shí)踐對(duì)于規(guī)避開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)和提高開發(fā)再實(shí)踐水平都具有重要的意義。為此，在研究我國煤層氣資源特征的基礎(chǔ)上, 歸納了開發(fā)實(shí)踐所取得的進(jìn)展和效果，進(jìn)而對(duì)煤層氣開發(fā)前期評(píng)價(jià)、地質(zhì)與氣藏工程研究、工程技術(shù)的選擇等3 個(gè)方面提出了具體建議。研究結(jié)果表明：①我國煤層氣具有資源量大、類型多、儲(chǔ)層條件較差、單井產(chǎn)量較低、產(chǎn)量爬坡期較長的特征；②重視開發(fā)前期評(píng)價(jià)、開發(fā)方案與調(diào)整方案的編制、開發(fā)理論與技術(shù)的創(chuàng)新，以及工程施工的過程管理是煤層氣成功開發(fā)的保障；③開發(fā)前期評(píng)價(jià)工作內(nèi)容與節(jié)奏的合理設(shè)置是煤層氣成功開發(fā)的基礎(chǔ)，針對(duì)不同的地質(zhì)條件應(yīng)有所區(qū)別；④儲(chǔ)層評(píng)價(jià)、動(dòng)態(tài)跟蹤評(píng)價(jià)、井網(wǎng)與井型的優(yōu)選、多層合采的選擇是編制煤層氣合理開發(fā)方案的核心；⑤儲(chǔ)層保護(hù)與改造、排采管控技術(shù)和低成本戰(zhàn)略是工程技術(shù)的發(fā)展重點(diǎn)。結(jié)論認(rèn)為，做好開發(fā)前期評(píng)價(jià)、地質(zhì)與氣藏工程研究、工程技術(shù)創(chuàng)新等3 個(gè)方面的工作是成功開發(fā)煤層氣的前提和關(guān)鍵。

開發(fā)煤層氣資源，對(duì)緩解能源的供需矛盾、實(shí)施可持續(xù)發(fā)展的能源戰(zhàn)略、保護(hù)人類的生存環(huán)境、解決煤炭開采安全問題等都具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。我國的煤層氣開發(fā)是從中高煤階煤層起步的，而美國、澳大利亞等煤層氣生產(chǎn)大國率先在中低煤階煤層開發(fā)煤層氣，且其煤層氣地質(zhì)條件與我國煤層氣地質(zhì)條件存在著差異。因此，其開發(fā)經(jīng)驗(yàn)簡(jiǎn)單套用于我國存在著明顯的不適應(yīng)性。目前，以沁水盆地、鄂爾多斯盆地東緣（以下簡(jiǎn)稱鄂東）等煤層氣主力產(chǎn)區(qū)為代表的中高煤階煤層相繼投入煤層氣規(guī)模開發(fā)，雖道路曲折，但成績斐然，總結(jié)我國煤層氣的開發(fā)實(shí)踐對(duì)規(guī)避開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)和提高開發(fā)再實(shí)踐水平具有重要意義。

1　資源特征

1.1　資源量特征

我國煤層氣資源量約為30×10¹² m³，其中低煤階煤層最大鏡質(zhì)組反射率（R_omax）小于0.65%、中煤階（R_omax 介于0.65% ～ 2.00%）和高煤階（R_omax 大于2.00%）煤層的煤層氣資源量各占32%、37% 和31%，呈現(xiàn)“三分天下”的格局；埋藏深度小于1 000 m、1 000 ～ 1 500 m 和1 500 ～ 2 000 m 的煤層氣資源量各占37%、31% 和32%，亦呈“三分天下”的局面^[1]；上古生界與中生界的煤層氣資源量各占1/2 左右，新生界的煤層氣資源量僅300×10⁸ m³ 左右。

1.2　儲(chǔ)層特征

與美國、澳大利亞等國的煤層氣主力產(chǎn)區(qū)的儲(chǔ)層特征相比（表1），我國的煤層氣儲(chǔ)層既有煤層厚度大、含氣量高、埋藏深度適中等有利特征，又有形成時(shí)代晚、構(gòu)造復(fù)雜、壓力系數(shù)低、滲透率低等不利特征。從煤層形成的時(shí)代看，美國、澳大利亞等國的主力煤層氣產(chǎn)區(qū)的煤層位于白堊系和新近系，形成時(shí)代新；而中國的主力煤層氣產(chǎn)區(qū)的煤層位于石炭系和二疊系，形成時(shí)代老。從水文地質(zhì)條件來看，美國的煤層氣主力產(chǎn)區(qū)地下水充沛，以常壓為主；而中國的煤層氣產(chǎn)區(qū)，特別是北方地區(qū)，地下水位低，有的甚至為干層^[2-5]，如沁水盆地的壓力系數(shù)為0.6 ～ 0.8，屬于典型的低壓儲(chǔ)層。從成煤后的構(gòu)造改造條件看，北美大陸從聯(lián)合古陸分裂之后幾乎未發(fā)生重要的陸—陸碰撞，煤田構(gòu)造比較簡(jiǎn)單^[2] ；而中國大陸由眾多小型陸塊組成，大多數(shù)煤田構(gòu)造復(fù)雜，煤層氣的成藏條件復(fù)雜。從儲(chǔ)層的滲透率來看，美國、澳大利亞等國的煤層氣儲(chǔ)層滲透率一般大于10 mD，而我國的煤層氣儲(chǔ)層滲透率一般小于0.1 mD。

表1　中外煤層氣主力產(chǎn)區(qū)儲(chǔ)層參數(shù)對(duì)比表

1.3　產(chǎn)量特征

我國大多數(shù)煤層氣井具有單井產(chǎn)量低，純產(chǎn)水、不產(chǎn)氣時(shí)間長和產(chǎn)量爬坡期長的特征（表2）。

表2　中外煤層氣產(chǎn)區(qū)氣井見氣時(shí)間、產(chǎn)氣爬坡期數(shù)據(jù)對(duì)比表

2　開發(fā)實(shí)踐與效果

2.1　開發(fā)實(shí)踐

經(jīng)過多年的開發(fā)實(shí)踐，我國的煤層氣開發(fā)取得了重要進(jìn)展，特別是在開發(fā)前期評(píng)價(jià)、開發(fā)方案與調(diào)整方案的編制、開發(fā)理論與技術(shù)的創(chuàng)新、工程施工過程的管理等4 個(gè)方面的表現(xiàn)尤為突出。

2.1.1　開發(fā)前期評(píng)價(jià)

在探井獲得工業(yè)氣流后，大多數(shù)煤層氣公司都開展了煤層氣開發(fā)前期評(píng)價(jià)工作，主要任務(wù)是深化煤層氣地質(zhì)特征與開發(fā)特征認(rèn)識(shí)，落實(shí)地質(zhì)儲(chǔ)量與單井產(chǎn)能，評(píng)價(jià)煤層氣開發(fā)技術(shù)與經(jīng)濟(jì)開發(fā)的可行性，優(yōu)選成熟適用的開發(fā)主體技術(shù)，確定合理的開發(fā)指標(biāo)。

2.1.2　開發(fā)方案與調(diào)整方案編制

在開發(fā)評(píng)價(jià)的末期，大多數(shù)公司都開展了以地質(zhì)和氣藏工程方案為核心的開發(fā)方案的編制，編制內(nèi)容包括地質(zhì)和氣藏工程方案、鉆井工程方案、采氣工程方案、地面工程方案、經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)和QHSE（質(zhì)量、健康、安全、環(huán)境管理）評(píng)價(jià)等。在開發(fā)中后期，對(duì)一些產(chǎn)能規(guī)模較大的區(qū)塊還編制了調(diào)整方案。方案的編制和審查按行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)^[6] 執(zhí)行。

2.1.3　開發(fā)理論與技術(shù)創(chuàng)新

微觀上吸附與解吸規(guī)律、蘭格繆爾等溫吸附方程的改進(jìn)，宏觀上氣水運(yùn)動(dòng)理論、煤礦采掘采動(dòng)區(qū)高產(chǎn)理論、壓裂后儲(chǔ)層形成縫網(wǎng)的直井生產(chǎn)動(dòng)態(tài)規(guī)律等都有所進(jìn)展 ^[1,7-12]。開發(fā)技術(shù)的創(chuàng)新結(jié)合煤儲(chǔ)層的特征對(duì)癥下藥，已經(jīng)形成一套適合我國中、高煤階煤層地質(zhì)特征的開發(fā)技術(shù)，可分為煤儲(chǔ)層描述與評(píng)價(jià)、提高單井產(chǎn)量（含儲(chǔ)層壓裂改造與水平井開發(fā)技術(shù)等）、排采、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和地面工程等5 大類技術(shù)^[13-16]。

2.1.4　工程施工過程管理

大多數(shù)煤層氣公司的工程合同簽訂、工程監(jiān)督、完井驗(yàn)收、QHSE 體系建立和執(zhí)行、承包商管理、質(zhì)量安全控制等工作嚴(yán)格按照國家或公司的管理要求執(zhí)行，以滿足項(xiàng)目產(chǎn)能建設(shè)的需要。

2.2　開發(fā)效果

按煤階來劃分，我國在高煤階、中煤階和低煤階煤層已實(shí)現(xiàn)煤層氣的規(guī)模開發(fā)；按深度劃分，已開發(fā)了淺層（埋藏深度小于800 m）、中層（埋藏深度介于800 ～ 1 200 m）和深層（埋藏深度大于1 200 m）煤層氣，煤層氣的開發(fā)已取得顯著效果。具體表現(xiàn)為：①高煤階煤層的煤層氣探明儲(chǔ)量和年產(chǎn)量分別占全國煤層氣探明儲(chǔ)量和年產(chǎn)量的94% 和80%。以沁水盆地為代表，該盆地3 號(hào)煤層R_omax 介于3.59% ～ 3.70%、15 號(hào)煤層R_omax 介于3.47%～3.52%^[4]，含氣量介于17 ～26 m³/t。2005 年起，陸續(xù)對(duì)潘莊、樊莊、鄭莊、柿莊南、柿莊北、壽陽、成莊、馬必等區(qū)塊進(jìn)行了規(guī)模開發(fā)，單井產(chǎn)氣量介于1 200 ～ 12 500 m³/d 不等^[16]。②中煤階煤層的煤層氣探明儲(chǔ)量和年產(chǎn)量分別占全國煤層氣探明儲(chǔ)量和年產(chǎn)量的3% 和13%，以鄂東保德地區(qū)為代表，該地區(qū)煤層R_omax為0.80%，含氣量介于4 ～ 13 m³/t，煤層厚度介于10 ～ 25 m^[5]。該氣田于2012 年開始規(guī)模建產(chǎn)，平均單井日產(chǎn)氣量超過2 500 m³，個(gè)別井超過了1.0×10⁴ m³/d。③低煤階煤層的煤層氣探明儲(chǔ)量和年產(chǎn)量均占全國煤層氣探明儲(chǔ)量和年產(chǎn)量的1%，以阜新劉家為代表，該地區(qū)煤層R_omax 為0.6%，平均煤層厚度45 m，含氣量為8.6 m³/t，于2002 年投入商業(yè)開發(fā)，平均單井日產(chǎn)氣量約3 200 m³，截至2017 年底已累計(jì)產(chǎn)氣1.7×10⁸ m³。④深層煤層氣的開發(fā)以鄂爾多斯盆地延川南地區(qū)為代表，R_omax 介于1.96% ～ 3.22%，含氣量介于5.54 ～ 20.48 m³/t，煤層厚度介于2.28 ～ 6.73 m。2013—2014 年開展產(chǎn)能建設(shè)，形成了5×10⁸ m³/a 的產(chǎn)氣能力，單井日產(chǎn)氣量超過1 000 m^3[17]。

3　開發(fā)建議

3.1　開發(fā)前期評(píng)價(jià)

3.1.1　工作內(nèi)容

對(duì)于井控程度低、地質(zhì)認(rèn)識(shí)淺的區(qū)塊，建議部署一批開發(fā)評(píng)價(jià)井，取心分析煤層含氣量、灰分、水分等參數(shù)；對(duì)于地質(zhì)條件復(fù)雜、且需要部署水平井的區(qū)塊，建議開展二維或者三維地震。在深化單井產(chǎn)能的認(rèn)識(shí)方面，對(duì)于地質(zhì)條件相對(duì)簡(jiǎn)單的地區(qū)，建議開展小井組開發(fā)試采；對(duì)于地質(zhì)條件復(fù)雜的地區(qū)，建議開展大井組試采。

3.1.2　節(jié)奏與程序

開發(fā)建產(chǎn)效果不佳的區(qū)塊大多數(shù)是由于前期評(píng)價(jià)節(jié)奏過快、程序有所超越所造成的，因此建議開發(fā)前期評(píng)價(jià)的節(jié)奏可以適當(dāng)加快，但程序不能超越。

3.2　地質(zhì)與氣藏工程研究

3.2.1　煤儲(chǔ)層評(píng)價(jià)與動(dòng)態(tài)跟蹤評(píng)價(jià)

煤層氣的非均質(zhì)強(qiáng)，儲(chǔ)層評(píng)價(jià)的難度大，從而加大了開發(fā)方案設(shè)計(jì)的難度，建議加大煤儲(chǔ)層非均質(zhì)性的研究與評(píng)價(jià)力度。由于在產(chǎn)能建設(shè)前獲得的儲(chǔ)層認(rèn)識(shí)與實(shí)際的儲(chǔ)層情況差異較大，建議緊跟產(chǎn)能建設(shè)動(dòng)態(tài)，及時(shí)開展動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)工作，深化對(duì)煤儲(chǔ)層的認(rèn)識(shí)，為產(chǎn)能建設(shè)方案的調(diào)整提供可靠的依據(jù)。

3.2.2　開發(fā)井型

開發(fā)煤層氣的井型目前有3 種模式^[18]。實(shí)踐表明，以直井和叢式井為主的井型能夠適應(yīng)復(fù)雜地質(zhì)條件，但難以克服復(fù)雜地表?xiàng)l件的限制，制約了地質(zhì)儲(chǔ)量的有效動(dòng)用；而水平井/ 分支井則克服了復(fù)雜地表?xiàng)l件的影響，但對(duì)煤層的要求較為苛刻，需煤層埋深淺（小于800 m）、厚度大（大于5 m）、含氣量高（高煤階，大于15 m³/t），且周邊不能有大的斷裂或者陷落柱，以及煤層要有一定的硬度。因此，建議在選擇煤層氣開發(fā)井型時(shí)首要考慮的是地質(zhì)因素，其次是地表?xiàng)l件。

3.2.3　開發(fā)井網(wǎng)

在進(jìn)行井網(wǎng)部署時(shí)，需考慮煤層氣井的井距略小于相鄰井的泄流半徑之和，以形成井間干擾^[19-20]和大面積降壓，從而實(shí)現(xiàn)開發(fā)區(qū)內(nèi)儲(chǔ)量的全面動(dòng)用。

3.2.4　合采與分采

受煤層間非均質(zhì)性強(qiáng)與各煤層等溫吸附曲線差異大的影響，煤層氣井多層合采后的層間矛盾十分突出^[21]，前人曾從開發(fā)層系合采的理論分析出發(fā)，總結(jié)出7 個(gè)不宜合采的原則^[18]。近來，結(jié)合采氣工藝技術(shù)的研究成果，認(rèn)識(shí)到將抽采泵下到最下面煤層的底部，就能夠基本消除由于各煤層等溫吸附曲線存在差異所造成的層間干擾，使煤層氣井產(chǎn)量大幅增加，解決了煤層氣井開發(fā)層系合采的難題。在沁水盆地，當(dāng)3 號(hào)煤層與15 號(hào)煤層合采（泵掛位置處于兩煤層的中間時(shí)），氣井產(chǎn)量僅占兩層單采時(shí)氣井產(chǎn)量之和的17% ；而當(dāng)泵掛位置處于下部煤層的底部時(shí)，氣井產(chǎn)量占兩層單采時(shí)氣井產(chǎn)量之和的84%（圖1）。因此，建議煤層氣的開發(fā)應(yīng)盡可能采取多層合采的方式。

圖1　沁水盆地3 號(hào)、15 號(hào)煤層合采與單采情況下單井產(chǎn)氣量對(duì)比圖

3.3　工程技術(shù)的選擇

3.3.1　儲(chǔ)層保護(hù)

煤儲(chǔ)層在鉆井過程中存在著水敏性損害和水鎖損害^[22]，容易造成儲(chǔ)層污染，需要進(jìn)行儲(chǔ)層保護(hù)。為了減少建井工程對(duì)煤層的污染，建議：①直井鉆開煤層前，應(yīng)適當(dāng)加大鉆井液黏度，控制鉆井液的固相含量，降低鉆井液的濾失量；②水平井鉆開煤層前，減少鉆井液對(duì)儲(chǔ)層的浸泡時(shí)間，水平段鉆進(jìn)時(shí)采用清水鉆井液，防止地層漏失；③固井過程中精確計(jì)算水泥用量，采用清水前置液，嚴(yán)格控制水泥漿失水量。

3.3.2　儲(chǔ)層改造

我國煤層氣井投產(chǎn)前一般需要進(jìn)行壓裂改造，已形成了一套以活性水為主體的壓裂改造技術(shù)。對(duì)于多層合采的直井，國內(nèi)使用的連續(xù)油管加水力噴射分層壓裂改造技術(shù)與國外相比，目前仍有較大差距。國外一次可以壓裂10 ～ 19 層，而國內(nèi)只能壓裂2 ～ 4層^[23-24]，還需進(jìn)一步深入研究連續(xù)油管加水力噴射分層壓裂改造技術(shù)。

3.3.3　排采工作制度

開發(fā)過程中的煤層滲透率變化受兩個(gè)因素的影響，其中煤基質(zhì)收縮效應(yīng)起正作用（隨著煤層氣解吸，煤基質(zhì)收縮，裂隙張開，滲透率升高），應(yīng)力敏感效應(yīng)起反作用（隨著地層壓力的下降，有效應(yīng)力增加，煤層裂隙壓縮閉合，滲透率降低）^[25]。受這兩個(gè)因素的綜合影響，隨地層壓力的降低，高煤階煤層的滲透率在開發(fā)初期急劇下降，中后期緩慢抬升；中低煤階煤層的滲透率隨地層壓力的降低，也呈先降后升的趨勢(shì)，但在開發(fā)全過程中，其變化幅度較?。▓D2）。在開發(fā)初期受煤層滲透率急劇下降的影響，高煤階煤層的煤層氣排采應(yīng)遵循“緩慢、連續(xù)、長期”的原則，才能獲得較好的開發(fā)效果。建議在制訂排采工作制度之前先開展煤層的壓敏實(shí)驗(yàn)與收縮實(shí)驗(yàn)。

圖2　中、高煤階煤巖滲透率變化曲線圖

注：K 表示地層壓力下煤巖滲透率；K_i 表示初始地層壓力下煤巖滲透率；p_R 表示地層壓力

3.3.4　低成本戰(zhàn)略

目前，我國已經(jīng)在鉆井井身結(jié)構(gòu)、采氣工程技術(shù)、地面工程場(chǎng)站布局、工程招投標(biāo)和質(zhì)量監(jiān)測(cè)等方面取得了一定的進(jìn)步，為煤層氣低成本開發(fā)探索出了一條有效途徑。但必須清醒地認(rèn)識(shí)到我國煤層氣開發(fā)的經(jīng)濟(jì)效益還很低，需要進(jìn)一步研發(fā)成本更低的管線材質(zhì)和場(chǎng)站設(shè)施。

4　結(jié)論

1）我國煤層氣具有資源量大、類型多、儲(chǔ)層條件較差、單井產(chǎn)量較低、產(chǎn)量爬坡期較長的特征。

2）重視開發(fā)前期評(píng)價(jià)、開發(fā)方案與調(diào)整方案的編制、開發(fā)理論與技術(shù)的創(chuàng)新，以及工程施工過程管理是開發(fā)成功的保障。

3）開發(fā)前期評(píng)價(jià)工作內(nèi)容與節(jié)奏的合理設(shè)置是煤層氣成功開發(fā)的基礎(chǔ)，針對(duì)不同的地質(zhì)條件應(yīng)有所區(qū)別。

4）儲(chǔ)層評(píng)價(jià)、動(dòng)態(tài)跟蹤評(píng)價(jià)、井網(wǎng)與井型的優(yōu)選、多層合采的選擇是編制煤層氣合理開發(fā)方案的核心。

5）儲(chǔ)層保護(hù)與改造、排采管控技術(shù)和低成本戰(zhàn)略是工程技術(shù)的發(fā)展重點(diǎn)。

基金項(xiàng)目：國家科技重大專項(xiàng)“中國煤層氣發(fā)展戰(zhàn)略與政策研究”（編號(hào)：2011ZX05043-006）、“中低煤階煤層氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)與有利儲(chǔ)層預(yù)測(cè)研究”（編號(hào)：2016ZX05041-002）。

作者簡(jiǎn)介：穆福元，1965 年生，高級(jí)工程師；長期從事煤層氣開發(fā)與相關(guān)政策等方面的研究工作。地址：（065007）河北省廊坊市廣陽區(qū)萬莊44 號(hào)信箱。電話：（010）83596621。