我國(guó)煤層氣儲(chǔ)層特征及開(kāi)采技術(shù)適用性分析

我國(guó)煤層氣儲(chǔ)層特征及開(kāi)采技術(shù)適用性分析

煤層是一種新型的不規(guī)則天然氣。采礦和開(kāi)采對(duì)于優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、環(huán)境保護(hù)、促進(jìn)煤炭安全生產(chǎn)等方面發(fā)揮著重要作用。目前我國(guó)正處于由煤層氣資源大國(guó)向煤層氣生產(chǎn)大國(guó)轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵時(shí)期。雖然勘探開(kāi)采已取得顯著進(jìn)展,但要實(shí)現(xiàn)真正的高效開(kāi)采仍有很多問(wèn)題需要解決。如何提高煤層氣采收率是其中的關(guān)鍵問(wèn)題之一。采收率是計(jì)算煤層氣可采資源量的重要依據(jù),提高煤層氣采收率不僅可實(shí)現(xiàn)煤層氣增產(chǎn),減少溫室氣體排放,還可最大限度降低煤礦瓦斯事故發(fā)生概率。此外,提高采收率能有效降低煤層氣開(kāi)采成本,有利于盡快實(shí)現(xiàn)煤層氣產(chǎn)業(yè)化,取得良好的經(jīng)濟(jì)效益。1美國(guó)、加拿大等主要煤氣生產(chǎn)國(guó)的采收率從我國(guó)部分礦區(qū)所得理論采收率來(lái)看,其變化范圍在6.7%~76.5%,平均只有27.0%(圖1)。而美國(guó)、加拿大等主要煤層氣生產(chǎn)國(guó)的采收率普遍高于我國(guó)。因此,我國(guó)要實(shí)現(xiàn)煤層氣的高效開(kāi)采,就必須解決采收率過(guò)低的問(wèn)題。1.1低滲透率煤儲(chǔ)層的特征我國(guó)含煤區(qū)先后經(jīng)過(guò)了多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)改造,地質(zhì)條件復(fù)雜。斷層、褶皺以及巖漿侵入現(xiàn)象普遍存在,構(gòu)造煤發(fā)育。由于構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈,導(dǎo)致煤儲(chǔ)層中甲烷大量逸散,煤層中含氣飽和度降低;煤儲(chǔ)層原生孔裂隙系統(tǒng)被破壞,構(gòu)造應(yīng)力成為影響滲透率的關(guān)鍵因素,煤層在被重新埋藏到地下以后,地應(yīng)力增大使得滲透率急劇下降。目前多數(shù)含煤區(qū)儲(chǔ)層滲透率在0.5×10-3μm2以下,屬超低滲透煤層;過(guò)低的含氣飽和度以及超低的滲透率都不利于儲(chǔ)層壓力增加。煤儲(chǔ)層本身的沉積特征和區(qū)域小構(gòu)造發(fā)育導(dǎo)致含煤區(qū)非均質(zhì)性明顯,因此煤儲(chǔ)層裂隙間的連通性很差,使煤層氣解吸和運(yùn)移通道被堵塞。在排采過(guò)程中不能形成連續(xù)、穩(wěn)定的降壓漏斗,這對(duì)煤層氣的開(kāi)采非常不利?？傊?“低含氣飽和度、低滲透率、低儲(chǔ)層壓力”的“三低”特性是我國(guó)煤儲(chǔ)層的普遍特征。除地質(zhì)構(gòu)造條件外,煤層埋深、煤階、煤厚、水文條件、沉積環(huán)境和演化歷史等諸多條件都對(duì)煤層氣的開(kāi)采環(huán)境有重要影響。不同地區(qū)各種條件綜合作用的結(jié)果不同,影響采收率的主導(dǎo)因素也不同。1.2氣氣開(kāi)采技術(shù)存在的問(wèn)題煤層氣開(kāi)采技術(shù)主要包括鉆井完井技術(shù)、強(qiáng)化增產(chǎn)措施、井網(wǎng)布置、排采工藝4個(gè)方面,其主要目的可以概括為:保護(hù)煤層自身穩(wěn)定性,確保開(kāi)采過(guò)程中不受污染和強(qiáng)烈擾動(dòng);改善煤儲(chǔ)層滲透性,提高導(dǎo)流能力;最大限度降低儲(chǔ)層壓力,促使更多煤層氣解吸,提高采收率。經(jīng)過(guò)多年的生產(chǎn)實(shí)踐和國(guó)際合作,我國(guó)成功引入美國(guó)的煤層氣開(kāi)采技術(shù),并在沁水盆地南部等地區(qū)煤層氣開(kāi)采中取得了理想效果。但由于我國(guó)煤層氣開(kāi)采條件差,現(xiàn)有技術(shù)還不能滿足煤層氣開(kāi)采的要求,所以需要有更多低成本、高可行性、效果理想的新技術(shù)為我國(guó)煤層氣開(kāi)采事業(yè)服務(wù)?？偨Y(jié)現(xiàn)行煤層氣開(kāi)采技術(shù),主要存在以下4個(gè)方面的問(wèn)題。1)鉆井成本偏高,占煤層氣開(kāi)采總成本的1/2以上。盡管采用欠平衡鉆井技術(shù)具備諸多優(yōu)點(diǎn),但選用何種鉆井液仍有待研究?？諝?、泡沫等做鉆井液只適用于淺部煤層。對(duì)于深部煤層仍宜采用泥漿鉆進(jìn)技術(shù),但操作不當(dāng)容易污染煤層,降低滲透性。能否在保證鉆井效果的前提下降低成本是解決問(wèn)題的關(guān)鍵。2)國(guó)外采用較多的垂直井技術(shù)在我國(guó)并不適用。采用的裸眼洞穴完井技術(shù)成本低、效果好,該技術(shù)在美國(guó)被廣泛應(yīng)用。但這種技術(shù)要求煤層具有滲透率高、地應(yīng)力小、煤層頂?shù)装宸€(wěn)定、煤儲(chǔ)層強(qiáng)度大等條件,否則容易造成洞穴塌陷,煤層氣運(yùn)移通道被堵塞,因此風(fēng)險(xiǎn)性很大,后期維護(hù)成本高;套管完井風(fēng)險(xiǎn)較小,可以確保穩(wěn)產(chǎn),但完井費(fèi)用較高,完井過(guò)程比較復(fù)雜,操作不當(dāng)容易引起泥漿侵入煤層造成污染。3)水力壓裂技術(shù)的局限性。水力壓裂增產(chǎn)是目前普遍采用的技術(shù),但由于煤本身質(zhì)軟,因此支撐劑容易嵌入煤中,造成孔隙閉合;某些遇水膨脹的煤層水力壓裂后滲透率會(huì)下降;選用其他壓裂液則存在低成本、低污染與高性能之間的矛盾;我國(guó)多數(shù)地區(qū)煤層不含水或含水量少,壓裂液排返率低而在煤層中滯留,易對(duì)煤層造成污染;排采過(guò)程難以控制,過(guò)快容易帶動(dòng)煤粉和支撐劑堵塞煤體孔裂隙甚至鉆孔,過(guò)慢則不利于儲(chǔ)層壓力的迅速下降,影響產(chǎn)氣速度;排采過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量污水,處理不當(dāng)會(huì)影響當(dāng)?shù)丨h(huán)境;壓裂過(guò)程需要眾多大型機(jī)械設(shè)備,目前尚需進(jìn)口,成本很高。4)注入CO2能有效提高采收率,但制備大量較純凈的CO2費(fèi)用高,且會(huì)在煤礦生產(chǎn)中隨煤重新回到地面,因此僅適用于沒(méi)有開(kāi)采價(jià)值的煤層。還有研究表明:CO2注入會(huì)導(dǎo)致煤基質(zhì)膨脹,降低煤層滲透率,存在技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。2完善天然氣開(kāi)采技術(shù)的方法2.1超短半徑徑向水平井技術(shù)各種開(kāi)采技術(shù)對(duì)煤儲(chǔ)層適用性不同,根據(jù)已研究的果分析各開(kāi)采技術(shù)適用性見(jiàn)表1,針對(duì)我國(guó)現(xiàn)有的煤儲(chǔ)層條件,單純靠一種技術(shù)開(kāi)采煤層氣還不能滿足增產(chǎn)需求。在同一地區(qū)不同的區(qū)域小環(huán)境下選擇合適的開(kāi)采技術(shù),實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益和開(kāi)采效果的最優(yōu)化是今后努力方向。裸眼完井、裸眼洞穴完井技術(shù)最初起源于美國(guó),并在圣胡安盆地取得很大成功。該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是通過(guò)裸眼或者洞穴增大了井筒與煤層的接觸面積,并最大限度地保持了煤儲(chǔ)層的原始狀態(tài),且不需要射孔、壓裂等增產(chǎn)措施,初次資金投入少。但該技術(shù)對(duì)于各方面的要求很高,主要適用于以下條件的地區(qū):(1)地質(zhì)條件相對(duì)簡(jiǎn)單,地應(yīng)力小,構(gòu)造不發(fā)育;(2)儲(chǔ)層滲透率高,煤體強(qiáng)度大,含氣量較高;(3)頂?shù)装宓姆忾]能力較好,且具有一定機(jī)械強(qiáng)度,能夠?qū)Χ囱ㄆ鸬街巫饔谩Ｔ谖覈?guó)已施工的裸眼井、裸眼洞穴井中,成功的案例較少,失敗的案例較多,其根本原因是我國(guó)多數(shù)含煤區(qū)構(gòu)造復(fù)雜,儲(chǔ)層滲透率和壓力均低,煤體破碎,容易塌孔,煤層裂隙的導(dǎo)流能力不但沒(méi)有增加反而因此下降。套管完井技術(shù)是在鉆井之后通過(guò)下入套管的技術(shù)對(duì)井筒及煤層起到支撐和保護(hù)的作用,初期投入較高,但后期維護(hù)費(fèi)用較低,因此適用范圍更加廣泛。尤其是對(duì)于埋藏較深,地應(yīng)力較大的含煤區(qū)適合采用該技術(shù),但同時(shí)也要求煤儲(chǔ)層滿足滲透率高、煤體強(qiáng)度較大以及含氣飽和度大等條件。在用套管完井之后,還必須配合壓裂措施進(jìn)行儲(chǔ)層改造,以降低表皮因子對(duì)煤層氣產(chǎn)出的不利影響。這就要求煤層的頂?shù)装鍘r性穩(wěn)定且機(jī)械強(qiáng)度高、距離上下含水層較遠(yuǎn),以降低壓裂作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)。多分支水平井在我國(guó)的應(yīng)用也較為廣泛,在沁水盆地南部煤層氣開(kāi)采中發(fā)揮了重要作用。它由垂直井段和水平井段2部分組成,其中水平井段又分為主水平井和分支水平井,形似樹(shù)葉的“葉脈”,因此又稱羽狀井。由于水平井段大幅增加了氣井與煤層的接觸面積,因此特別適合在滲透率低、儲(chǔ)層壓力小、含氣飽和度較低的煤層中使用。但同時(shí)也要求煤層埋深較淺,地應(yīng)力小,煤體強(qiáng)度大,這對(duì)保持井壁的穩(wěn)定性非常有利。水平分支井段應(yīng)與最大滲流方向垂直,并由下向上有一定角度傾斜,以便于地下水向井筒匯集,加快排水降壓速度。分支段長(zhǎng)度和分支間距都要事先做好精確測(cè)算,這樣可更有效地排出煤層中的水,增加儲(chǔ)層的降壓速度和幅度,從而提高產(chǎn)氣速度和采收率。超短半徑徑向水平井(簡(jiǎn)稱URRS,圖2)技術(shù)是一種新型鉆井完井技術(shù)。由于采用特殊的高壓水射流破巖技術(shù),它可以在很短的距離內(nèi)使井筒從垂直轉(zhuǎn)向水平。這種技術(shù)可以看作套管壓裂井與多分支水平井之間的一種過(guò)渡類型。它具有以下優(yōu)點(diǎn):(1)避免了上述水力壓裂過(guò)程的諸多缺點(diǎn);(2)有效增加了井壁與煤層的接觸面積,提高了導(dǎo)流能力;(3)相比多分支水平井,成功率較高,對(duì)各種煤層適應(yīng)能力更強(qiáng)。因此這種開(kāi)采技術(shù)可以在埋深較深、地應(yīng)力大、儲(chǔ)層滲透率和壓力均較低的煤層中收到良好的效果。在具有多煤層、易受外來(lái)污染的地區(qū)也能得到很好的應(yīng)用。各地區(qū)煤儲(chǔ)層的地質(zhì)條件和物性特征有很大不同,應(yīng)針對(duì)某一地區(qū)具體的開(kāi)采環(huán)境選擇合理的井型配置。張培河等從地質(zhì)、儲(chǔ)層、地形、投資等方面對(duì)此類問(wèn)題進(jìn)行了研究,并針對(duì)各主要含煤區(qū)的地質(zhì)條件、地形條件提出了相應(yīng)的煤層氣開(kāi)采技術(shù)。2.2種完井技術(shù)綜合運(yùn)用效果我國(guó)煤層滲透率普遍偏低,煤層非均質(zhì)性強(qiáng)。垂直井技術(shù)與水平井技術(shù)相比影響范圍更小,不適合在我國(guó)大范圍應(yīng)用。而多分支水平井是以“面”為單位,影響范圍較廣,2種完井技術(shù)綜合運(yùn)用可使煤層整體導(dǎo)流能力增加。針對(duì)不同地區(qū)含氣性不同合理布置井網(wǎng)密度,采用新型注氣驅(qū)潛技術(shù)將使煤層氣采收率得到明顯提高。新型注氣驅(qū)潛技術(shù)是以注入混合氣體為主,它以N2為主要成分,還混有一定量的CO2、空氣、煙道氣等成分。這種氣體來(lái)源廣泛,能大幅節(jié)約成本;煤基質(zhì)不會(huì)因吸附過(guò)多CO2而導(dǎo)致體積膨脹;混合氣體注入后可以配合生物固氮酶技術(shù)產(chǎn)生NH3進(jìn)一步促進(jìn)煤層氣解吸;采煤時(shí)煤層中氣體突出危險(xiǎn)性相比CO2和CH4明顯減小,如圖3所示。2.3煤儲(chǔ)層壓裂工藝1)固氮酶增產(chǎn)技術(shù)。該技術(shù)是指通過(guò)生物科學(xué)方法生產(chǎn)出具有良好熱穩(wěn)定性的固氮酶,這種酶可以被送到地下天然或人工產(chǎn)出的裂縫中,在原地溫度下將注入到煤層混合氣體中的N2快速轉(zhuǎn)化成NH3。煤體對(duì)NH3的吸附性要明顯高于CO2,且可以一直吸附在煤體表面,不影響后續(xù)驅(qū)潛;固氮酶轉(zhuǎn)化效率高、存活時(shí)間長(zhǎng)、對(duì)煤層無(wú)污染,因此對(duì)于提高采收率有重要意義。不足之處是NH3對(duì)人體刺激作用很大,應(yīng)用過(guò)程中是否會(huì)對(duì)井下生產(chǎn)環(huán)境帶來(lái)不利影響還有待研究。2)多級(jí)強(qiáng)脈沖加載壓裂技術(shù)。該技術(shù)是石油與常規(guī)天然氣開(kāi)采中經(jīng)常使用的壓裂方法。其原理是通過(guò)全隔斷式延時(shí)點(diǎn)火裝置控制壓裂藥燃燒順序,在預(yù)先射孔的基礎(chǔ)上使燃燒釋放的高壓脈沖波沿著射孔有序傳遞到煤層中,并產(chǎn)生壓裂效果。經(jīng)過(guò)多級(jí)高壓脈沖波的沖擊,可以在煤層形成多條有效裂縫,并形成裂縫體系,從而明顯提高煤儲(chǔ)層滲透率。與水力壓裂相比,該技術(shù)適用性更強(qiáng)、操作簡(jiǎn)單、成本也更低、安全可靠;因不需壓裂液從而減少了煤層污染;但由于煤本身質(zhì)地軟弱,在沒(méi)有支撐劑的情況下直接對(duì)煤層進(jìn)行壓裂難免產(chǎn)生裂隙重新閉合的問(wèn)題,因此可以采用多級(jí)強(qiáng)脈沖壓裂與“虛擬產(chǎn)層”相結(jié)合的方法。3)“虛擬產(chǎn)層”技術(shù)。該技術(shù)是把煤層的頂板或底板看作“虛擬產(chǎn)層”,對(duì)煤層和圍巖同時(shí)壓裂。因?yàn)槊簩訃鷰r與煤體本身相比具有更好的可壓裂性,從而能獲得更好的壓裂效果。圍巖壓裂后產(chǎn)生的裂隙能夠延伸到煤層中,且不易再次閉合,煤層氣可以沿著煤層與圍巖接觸面逐漸滲流泄放到井筒附近并最終被抽出到地表。該技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn):(1)圍巖壓裂所得裂隙延伸更遠(yuǎn),有利于煤層氣的滲流和運(yùn)移。(2)減少鉆井和壓裂對(duì)煤層的傷害,保證原始滲透率的最大化。(3)避免降壓排采過(guò)程中對(duì)煤層的擾動(dòng),保持煤層裂縫穩(wěn)定性。(4)縮短了煤層氣運(yùn)移距離,提高產(chǎn)氣速度?！疤摂M產(chǎn)層”技術(shù)有2個(gè)問(wèn)題需要考慮:一是壓裂過(guò)程要嚴(yán)格控制,壓裂程度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致煤層氣逸散;二是對(duì)煤層頂?shù)装暹M(jìn)行壓裂時(shí)要避開(kāi)煤層上部或下部的含水層,防止壓裂后導(dǎo)通含水層造成重大損失。應(yīng)盡量選擇在煤層底板壓裂,這樣更有利于排水降壓,提高煤層氣解吸速率,并削弱后期采煤過(guò)程中對(duì)頂板支護(hù)帶來(lái)的不利影響。通過(guò)上述分析可以看出,“虛擬產(chǎn)層”技術(shù)配合新型壓裂方法將有更廣闊的應(yīng)用前景。3開(kāi)采