中國煤層氣勘探開發(fā)工程技術(shù)進(jìn)展與發(fā)展方向

摘 要

摘要：受美國、加拿大、澳大利亞等國家煤層氣快速發(fā)展的影響，加之國家出臺了一系列優(yōu)惠扶持政策，我國的煤層氣業(yè)務(wù)得到了一定的發(fā)展，但工程技術(shù)難題在很大程度上影響和制約著我國
摘要：受美國、加拿大、澳大利亞等國家煤層氣快速發(fā)展的影響，加之國家出臺了一系列優(yōu)惠扶持政策，我國的煤層氣業(yè)務(wù)得到了一定的發(fā)展，但工程技術(shù)難題在很大程度上影響和制約著我國煤層氣勘探開發(fā)的快速推進(jìn)。為此，總結(jié)了近年來中石油煤層氣有限責(zé)任公司、中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司等相關(guān)企業(yè)在煤層氣工程技術(shù)方面的攻關(guān)成果與技術(shù)進(jìn)展，包括煤層氣地質(zhì)綜合評價技術(shù)、煤層氣鉆完井技術(shù)、煤層氣壓裂改造技術(shù)、煤層氣排水呆氣技術(shù)、煤層氣地面工程技術(shù)等；進(jìn)而明確提出了涉及上述5方面技術(shù)的下一步發(fā)展方向和研究目標(biāo)。
關(guān)鍵詞：中國；煤層氣；地質(zhì)綜合評價；鉆完井；壓裂改造；排水采氣；地面工程；技術(shù)進(jìn)展；發(fā)展方向
    我國的煤層氣業(yè)務(wù)和企業(yè)近十幾年來獲得了一定的發(fā)展，但目前我國煤層氣的發(fā)展仍然面臨許多困難，除了相關(guān)政策法律、基礎(chǔ)設(shè)施不完善之外，工程技術(shù)難題在很大程度上影響和制約著我國煤層氣勘探開發(fā)的快速推進(jìn)。經(jīng)過中石油煤層氣有限責(zé)任公司(以下簡稱中石油煤層氣公司)、中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司(以下簡稱中聯(lián)煤公司)等企業(yè)近年來的共同不懈努力，已經(jīng)在多個方面取得了一些進(jìn)展[1]；當(dāng)然還有不少需要加強(qiáng)技術(shù)攻關(guān)的發(fā)展方向和研究目標(biāo)，值得我們清楚地認(rèn)識。以下分述之。
1 煤層氣工程技術(shù)進(jìn)展
1.1 地質(zhì)綜合評價技術(shù)進(jìn)展
   經(jīng)過多年的攻關(guān)研究與實(shí)踐，中石油煤層氣公司掌握了用低成本地震勘探技術(shù)確定煤層分布范圍與空間形態(tài)、識別斷裂、優(yōu)化設(shè)計(jì)鉆探井位等相關(guān)技術(shù)。二維地震技術(shù)已難以滿足煤層氣勘探開發(fā)的需要，2010年該公司在韓城和沁水地區(qū)首次將三維地震技術(shù)引入到煤層氣勘探開發(fā)中，為開發(fā)方案設(shè)計(jì)提供了更可靠的依據(jù)。
   地震和測井?dāng)?shù)據(jù)信息綜合識別裂縫發(fā)育狀況的技術(shù)：利用地震屬性信息預(yù)測煤層裂縫發(fā)育特點(diǎn)和分布位置，利用測井資料進(jìn)行裂縫識別，預(yù)測優(yōu)勢滲流通道。形成了以地質(zhì)綜合評價研究沉積體系，預(yù)測煤層厚度、含氣量，分析煤層氣成藏模式的評價方法。
    除了常規(guī)的煤儲層評價內(nèi)容外，通過評價煤的顯微組分、揮發(fā)分、固定碳、灰分、水分、泊松比、楊氏模量等煤巖學(xué)參數(shù)，建立了以煤巖學(xué)參數(shù)與測井?dāng)?shù)據(jù)相結(jié)合來認(rèn)識煤巖成分、煤型及結(jié)構(gòu)，評價煤儲層物理、物性特征，確定射孔、增產(chǎn)改造方案以及排采制度等預(yù)測、評價技術(shù)系列。
    以煤巖學(xué)理論為指導(dǎo)，建立了煤層氣勘探開發(fā)選區(qū)指標(biāo)體系，初步形成了煤層氣選區(qū)、選層和選井地質(zhì)綜合評價配套技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了從橫向、垂向、空間上對煤層氣富集區(qū)進(jìn)行評價、預(yù)測的目標(biāo)，建立了煤層氣富集高產(chǎn)評價指標(biāo)體系。
1.2 鉆完井技術(shù)進(jìn)展
    煤層氣開發(fā)需要鉆大量的井，叢式井的使用有利于協(xié)調(diào)地方關(guān)系、減少后期工藝費(fèi)用、大量減少員工數(shù)量、有效降低生產(chǎn)成本。中石油煤層氣公司韓城分公司目前鉆了600多口叢式井，形成了以叢式井為主的煤層氣開發(fā)模式。
    多分支水平井的優(yōu)勢在于能最大限度地溝通裂縫通道、增大泄氣面積和提高煤層導(dǎo)流能力、提高單井產(chǎn)量和采收率。截至2010年底，中國煤層氣累計(jì)鉆水平井100余口，有的水平井最高日產(chǎn)量曾達(dá)幾萬立方米。
    澳大利亞同行結(jié)合其自身的地質(zhì)特征創(chuàng)造發(fā)展了獨(dú)特的U形井技術(shù)。2010年中石油煤層氣公司聯(lián)合中國石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院在保德鉆了幾口U形井，后期排采見效明顯。
    為減少對煤層的污染，“四低”(低固相、低黏度、低密度、低失水量)鉆井液已廣泛應(yīng)用于煤層氣開發(fā)作業(yè)中，目前我國煤層氣井采用的鉆井液主要有優(yōu)質(zhì)鉆井液、無黏土鉆井液、清水及空氣泡沫鉆井液。
    目前，套管射孔完井仍然是國內(nèi)外煤層氣井的主體完井方法。裸眼洞穴完井技術(shù)在美國圣胡安盆地低階煤層氣開發(fā)中獲得了突破，但這項(xiàng)技術(shù)在國內(nèi)還處于試驗(yàn)階段。
1.3 壓裂改造技術(shù)進(jìn)展
    自2009年以來，中石油煤層氣公司借鑒美國非常規(guī)天然氣開發(fā)理念，加大了對壓裂關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)及現(xiàn)場試驗(yàn)的力度，儲層改造技術(shù)取得了長足的進(jìn)步。在直井壓裂方面，封隔器滑套分層壓裂技術(shù)在國內(nèi)已比較成熟，在蘇里格氣田和塔里木盆地將其廣泛用于4層以內(nèi)的直井壓裂。但上述技術(shù)施工排量較低，不能滿足煤層氣壓裂大排量施工的要求。連續(xù)油管噴砂射孔環(huán)空加砂壓裂技術(shù)是從國外引進(jìn)的技術(shù)，采用水力噴砂射孔、環(huán)空加砂壓裂，可實(shí)現(xiàn)大排量施工，并且不受壓裂層數(shù)的限制。目前該技術(shù)在我國煤層氣開發(fā)中應(yīng)用還不成功，正在進(jìn)行技術(shù)適應(yīng)性改造。此外還包括國外引進(jìn)的TAP套管滑套完井分層壓裂技術(shù)，目前也正處于現(xiàn)場試驗(yàn)階段。
    在水平井分段壓裂技術(shù)方面，目前，國內(nèi)的雙封單卡分段壓裂工藝和不動管柱滑套分段壓裂工藝已經(jīng)比較成熟，但施工排量較低，不能滿足煤層氣壓裂的要求。裸眼封隔器分段改造技術(shù)和多級快速可鉆式橋塞分段壓裂技術(shù)均屬于國外引進(jìn)技術(shù)：前者在長慶、塔里木等油田應(yīng)用效果較好，但該工藝要求井壁穩(wěn)定性好，基本不適合于煤儲層；后者在美國被大量應(yīng)用于頁巖氣開發(fā)中。目前中石油煤層氣公司臨汾分公司已成功完成國內(nèi)第一口煤層氣水平井多級可鉆式橋塞分段壓裂施工，后期排采結(jié)果表明其改造效果良好。
1.4 排水采氣技術(shù)進(jìn)展
    美國是世界上最早開發(fā)煤層氣的國家，1980年形成并完善了“解吸-擴(kuò)散-滲流”理論和“排水-降壓-采氣”生產(chǎn)流程[2]。1988年通過理論和實(shí)踐得到“井間干擾”理論與方法，形成井網(wǎng)排采，大幅提高了單井產(chǎn)能。此后，美國進(jìn)入了實(shí)用技術(shù)應(yīng)用和平穩(wěn)發(fā)展階段。國外煤層氣生產(chǎn)主要劃分為3個階段：產(chǎn)水階段、產(chǎn)水量下降而產(chǎn)氣量上升階段、產(chǎn)氣量下降階段。在排采設(shè)備方面，抽油機(jī)、螺桿泵、電潛泵在美國的應(yīng)用最為普遍。在黑勇士盆地和圣胡安盆地等沒有電力或電力費(fèi)用較高的地方，氣舉得到了廣泛應(yīng)用。澳大利亞采用天然氣發(fā)動機(jī)驅(qū)動井口動力裝置進(jìn)行排水降壓，實(shí)現(xiàn)了煤層氣的連續(xù)生產(chǎn)。
    在排采理念方面，中石油煤層氣公司總結(jié)出了“緩慢、穩(wěn)定、連續(xù)、長期”的排采基本原則，制訂了初期產(chǎn)水、穩(wěn)定產(chǎn)水、氣水同產(chǎn)、穩(wěn)定產(chǎn)氣的“四段”以及套壓、井底流壓的“兩壓”排采工作制度[3]。除了常規(guī)的排采設(shè)備外，中石油煤層氣公司改進(jìn)和研制了一系列適合煤層氣井生產(chǎn)的新型排采設(shè)備，并已投入試用。例如傾斜式長環(huán)形齒條抽油機(jī)、電潛螺桿泵和液力驅(qū)動同心雙管攜排砂排采設(shè)備等，有效地防止了砂和煤粉等固體卡泵現(xiàn)象，減輕了修井對儲層造成的傷害，提高了排采連續(xù)性。
1.5 地面工程技術(shù)進(jìn)展
    中聯(lián)煤公司在沁水盆地總結(jié)出了“低壓集氣、單井簡易流量、多井單管串接、二次增壓、集中處理”的地面集輸工藝技術(shù)。中石油煤層氣公司近年來從單井串接推廣到井場串接，建設(shè)百萬立方米集氣站，取消固定式備用壓縮機(jī)，站間備用，末端成環(huán)，減少建站數(shù)量，節(jié)約了投資。
    小型站場橇裝化、模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化，既降低了成本，又減少了現(xiàn)場施工量，縮短了建設(shè)周期。美國煤層氣開發(fā)廣泛采用往復(fù)式壓縮機(jī)和燃?xì)獍l(fā)動機(jī)，所有的設(shè)備幾乎全是模塊化的橇裝設(shè)備。中石油煤層氣公司韓城煤層氣項(xiàng)目的建設(shè)工期為10個月，而吉縣和保德先導(dǎo)試驗(yàn)項(xiàng)目的建設(shè)工期已縮短為6個月以內(nèi)。
2 煤層氣工程技術(shù)發(fā)展方向
2.1 地質(zhì)綜合評價技術(shù)發(fā)展方向
    國內(nèi)煤層氣地質(zhì)綜合評價研究，逐步地從區(qū)域構(gòu)造研究到煤巖結(jié)構(gòu)研究。煤巖煤型越來越成為煤層氣開發(fā)關(guān)注的重點(diǎn)，煤巖結(jié)構(gòu)直接影響到后期煤層氣的壓裂和排采。最近幾年各公司在這方面進(jìn)行了大量的研究，為今后工程的設(shè)計(jì)與施工提供了很好的依據(jù)。中石油煤層氣公司在制訂壓裂方案、排采制度時考慮了煤巖結(jié)構(gòu)的影響，以確定下一步的部署方案。
    測井資料解釋對于煤層氣的勘探開發(fā)越來越重要。今后將加強(qiáng)測井解釋成果在煤層裂縫的識別、排采制度和壓裂方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)等方面的應(yīng)用，以達(dá)到能直接預(yù)測氣井的產(chǎn)氣模式和開發(fā)能力的目標(biāo)。
    三維地震也是下一步發(fā)展的方向之一。中石油煤層氣公司韓城分公司2010年啟動第2個5×108m3產(chǎn)能建設(shè)任務(wù)，用三維地震解釋結(jié)果校正井位，目前來看效益遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于投資。
2.2 鉆完井技術(shù)發(fā)展方向
   根據(jù)中國的實(shí)際情況，叢式井仍然是今后的主導(dǎo)技術(shù)。一個井臺上叢式井井?dāng)?shù)增加，造斜段曲率減小，井場更緊湊。特別是在叢式井排采問題解決之后，生產(chǎn)管理的成本大大降低，并且加快了施工進(jìn)度。
   多分支水平井和叢式水平井技術(shù)也是主要的發(fā)展方向，但鉆完井過程中泥漿污染和井壁穩(wěn)定一直是很難解決的一對矛盾，因此下一步需要發(fā)展水平井套管和篩管完井技術(shù)。水平井套管射孔完井壓裂改造技術(shù)在美國非常規(guī)氣藏開發(fā)中占據(jù)重要的地位，也是我國煤層氣開發(fā)重點(diǎn)關(guān)注的技術(shù)。而分支井篩管完井技術(shù)避免了井壁坍塌，保持了主井眼暢通，并且確保了良好的經(jīng)濟(jì)性。
   美國在低階煤層氣開采中廣泛應(yīng)用洞穴完井。中聯(lián)煤公司曾做過一些試驗(yàn)，但這項(xiàng)技術(shù)最大的問題在于高壓高負(fù)荷作業(yè)，目前國內(nèi)滿足施工條件的區(qū)塊很少，今后可以進(jìn)行小范圍的試驗(yàn)。
   U形井應(yīng)該是中國煤層氣開發(fā)中不可缺少的高效開發(fā)技術(shù)。U形井的優(yōu)點(diǎn)是投資小、產(chǎn)氣量高，并有利于后期壓裂改造，是今后重點(diǎn)發(fā)展的技術(shù)。
   此外，煤層氣欠平衡空氣鉆井、徑向水平井與洞穴完井技術(shù)結(jié)合、新型低傷害鉆井液體系也都是值得關(guān)注的技術(shù)研發(fā)方向和試驗(yàn)對象。
2.3 壓裂改造技術(shù)發(fā)展方向
   沁水盆地15#煤層和3#煤層動力系統(tǒng)差別較大，適合采用單層壓裂單層排采。但韓城3#、5#、11#煤層在動力系統(tǒng)上比較均衡，適合合層開采，因此直井分層壓裂技術(shù)將是這個區(qū)塊的主導(dǎo)技術(shù)。
   美國在非常規(guī)氣藏改造中大量采用體積壓裂工藝，形成大面積泄壓采氣。我們需要把握體積壓裂等儲層改造技術(shù)發(fā)展方向，創(chuàng)新理念，直井縱向剖面動用更多的層，水平井分更多的段，形成煤層整體改造技術(shù)。
   氮?dú)馀菽瓑毫?，包括二氧化碳泡沫壓裂是下一步重點(diǎn)發(fā)展的方向。氮?dú)馀菽w積壓裂技術(shù)包括壓裂規(guī)模優(yōu)化、超低摩阻壓裂液、超低表面/界面張力活性劑、大排量液氮車、壓后排液制度優(yōu)化。加拿大采用氮?dú)馀菽瓑毫鸭夹g(shù)實(shí)現(xiàn)了干煤層煤層氣的開發(fā)突破。中聯(lián)煤公司2005年在沁水盆地實(shí)施了2口水平井氮?dú)馀菽瓑毫?，平均單井日產(chǎn)氣量一直保持在4000～5000m3。
   叢式水平井整體分段壓裂技術(shù)也是今后主要的發(fā)展方向之一，研究重點(diǎn)包括整體壓裂優(yōu)化技術(shù)、分段工具國產(chǎn)化研究、同步壓裂技術(shù)研究、裂縫方向和規(guī)模的實(shí)時監(jiān)測技術(shù)。
2.4 排水采氣技術(shù)發(fā)展方向
    煤層氣排采工作制度的制訂和排采設(shè)備的選擇主要依據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，尚未形成一套完善成熟、針對不同地質(zhì)特征的排采技術(shù)體系。下一步需要形成適應(yīng)各區(qū)塊地質(zhì)條件和生產(chǎn)特征的定量排采技術(shù)，以優(yōu)勢滲流帶理論、排采動態(tài)規(guī)律為指導(dǎo)，逐步從單井排采控制過渡到井組、區(qū)塊排采控制，從而更好地實(shí)現(xiàn)面積降壓和規(guī)模排采。
    針對目前煤層氣排采設(shè)備方面出現(xiàn)的管桿偏磨、斷脫、卡泵、泵脫落、泵效低等問題，有針對性地改進(jìn)或優(yōu)化排采設(shè)備，保證排采連續(xù)穩(wěn)定；加強(qiáng)自動化定量排采舉升設(shè)備的研究。到目前為止，國內(nèi)煤層氣排采設(shè)備基本上沿用的是油田產(chǎn)品，今后在設(shè)備創(chuàng)新方面要投入更多的精力。目前傾斜式長環(huán)形齒條抽油機(jī)正在中石油煤層氣公司進(jìn)行井組試驗(yàn)，氣舉法也處于初步試驗(yàn)階段。
2.5 地面工程技術(shù)發(fā)展方向
    針對煤層氣開發(fā)初期投資大、低壓低產(chǎn)、回收周期長的特點(diǎn)，需要在煤層氣管材、設(shè)備選型、工藝流程和數(shù)據(jù)采集等方面進(jìn)行研究，優(yōu)化整個集輸系統(tǒng)，盡量降低投資。需要大力推廣站場設(shè)備橇裝化、模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化，發(fā)展“井口計(jì)量、井間串接、低壓集氣、非金屬管集輸、集中增壓”配套技術(shù)，根據(jù)煤層氣特點(diǎn)簡化集輸工藝，優(yōu)化集輸參數(shù)，降低煤層氣開發(fā)建設(shè)投資，堅(jiān)持煤層氣田低成本開發(fā)戰(zhàn)略。
3 結(jié)束語
    我國煤層氣資源豐富，發(fā)展?jié)摿Υ?，前景十分樂觀。實(shí)踐表明，技術(shù)進(jìn)步對煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展起著巨大的推動作用。我國煤層氣勘探開發(fā)處于起步階段，需要進(jìn)一步加強(qiáng)對國外成熟技術(shù)的消化和吸收，以及對新型工藝技術(shù)的研發(fā)和創(chuàng)新。在國家政策的鼓勵扶持下，加大研發(fā)力度，推進(jìn)勘探開發(fā)工程技術(shù)的進(jìn)步，這將大大促進(jìn)煤層氣產(chǎn)業(yè)的形成和快速發(fā)展，對緩解我國能源短缺的局面將發(fā)揮越來越重要的作用。
參考文獻(xiàn)
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(本文作者：接銘訓(xùn) 葛曉丹 彭朝陽 熊先鉞 夏飛 中石油煤層氣有限責(zé)任公司)