論文主題詞：煤成氣 儲(chǔ)集層 熱演化 單井產(chǎn)量 提高采收率 策略
論文摘要：中國(guó)山西河?xùn)|地區(qū)中階煤儲(chǔ)層的含氣量比較低、含氣飽和度低，而儲(chǔ)層滲透性好，儲(chǔ)層能量比較大；山西沁水盆地南部高階煤儲(chǔ)層的含氣飽和度比較低，滲透率小，儲(chǔ)層能量低。文章針對(duì)這些特點(diǎn)，進(jìn)行了精細(xì)的地質(zhì)對(duì)比研究，提出了提高氣產(chǎn)量的對(duì)策。認(rèn)為最大限度地降低儲(chǔ)層的廢棄壓力可提高采收率；應(yīng)通過(guò)改善鉆井液、采用欠平衡鉆井和羽狀水平井鉆井技術(shù)，最大限度地降低鉆井工程對(duì)煤層氣儲(chǔ)層造成的傷害；同時(shí)還要利用合理的固井程序和水泥漿、套管射孔完井技術(shù)和壓裂技術(shù)；通過(guò)排水降壓提高有效壓差及注入CO來(lái)達(dá)到加快煤層氣解吸和提高解吸量的目的。實(shí)踐表明，該技術(shù)對(duì)提高單井氣產(chǎn)量意義重大。
中階煤是指氣煤、肥煤、焦煤、瘦煤，即最大鏡質(zhì)組反射率Ro ‑‑二為0.6500^1.90%。我國(guó)中階煤分布范圍廣，煤炭資源豐富，占全國(guó)煤炭資源總量的28. 71 0o}’)。我國(guó)高階煤分布相對(duì)比較局限，以山西沁水盆地為代表。目前我國(guó)煤層氣開(kāi)發(fā)的目的層集中在中階煤和高階煤煤層中。但是煤層氣單井和先導(dǎo)性開(kāi)發(fā)井網(wǎng)的穩(wěn)定日產(chǎn)氣量普遍低，只有1000 -v2000 m3，有些更低。為此，首先對(duì)中階煤和高階煤的儲(chǔ)層特性進(jìn)行研究，針對(duì)其特點(diǎn)尋找解決方案是本文的主題。
一、中階煤和高階煤的儲(chǔ)層特性
1.吸附和解吸特性
煤層氣是一種非常規(guī)天然氣，主要以吸附狀態(tài)存在于煤基質(zhì)的孔隙中。一般而言，比表面積愈大，吸附能力愈強(qiáng)，比表面積隨著煤階的增高總體上趨于變大。微孔(孔徑1. 5 --} 0 nm)比表面積最大，可達(dá)35. 1 0 o，吸附能力最強(qiáng)，小孔(孔徑10^-100 nm)次之，為2. 5000，中孔(孔徑100--400 nm)比表面積最小，為0. 20 0 o }Z)，吸附能力也最弱，煤的比表面積通?？蛇_(dá)200 m丫g。中階煤以中孔和小孔為主，微孔次之，吸附能力中等;高階煤以微孔為主，吸附能力強(qiáng)，由煤的等溫吸附曲線也證實(shí)了這一觀點(diǎn)〔3) 因此，在其它條件相同的情況下，中階煤的吸附氣量要低于高階煤的(表1、2和圖1、2)。
解吸過(guò)程進(jìn)行的快慢由吸附時(shí)間來(lái)定量表示。吸附時(shí)間是指總的吸附氣量(包括殘余氣)的63.200被解吸出來(lái)所需的時(shí)間，可作為表征氣體從儲(chǔ)層中擴(kuò)散出來(lái)快慢的近似指標(biāo)。根據(jù)美國(guó)煤層氣資料，在煙煤和半無(wú)煙煤范圍內(nèi)，隨著煤階的增高吸附時(shí)間變長(zhǎng)(4)。吸附時(shí)間對(duì)初始?xì)猱a(chǎn)量影響很大，隨著時(shí)間的推移吸附時(shí)間對(duì)氣產(chǎn)量的影響逐漸減弱，最終消失〔4)
因此，我國(guó)山西河?xùn)|地區(qū)中階煤的吸附時(shí)間比
較短，初始單井氣產(chǎn)量比較高，逐漸達(dá)到平穩(wěn)產(chǎn)量，而山西沁水盆地南部的高階煤吸附時(shí)間較長(zhǎng)，初始單井氣產(chǎn)量比較低，隨著排采作業(yè)的進(jìn)行逐漸達(dá)到平穩(wěn)產(chǎn)量。
2.含氣性
山西河?xùn)|臨興地區(qū)東部埋深500 m左右#8煤層的含氣量為1^-5 m3八，含氣飽和度500^-4000;三交地區(qū)東部埋深500 m左右#8煤層的含氣量為8^-13 m3八，含氣飽和度一般50%左右。該地區(qū)低含氣量和含氣飽和度是制約煤層氣單井氣產(chǎn)量的最主要因素。沁水盆地南部#3煤層的含氣量一般為15^-18 m’/t，含氣飽和度50%一6000。從含氣性來(lái)看，該地區(qū)煤層氣開(kāi)發(fā)前景比較好，但必須關(guān)注含氣飽和度。
3.滲透性
根據(jù)實(shí)際資料，山西河?xùn)|地區(qū)煤層氣儲(chǔ)層的滲透率一般大于3 X 10-3 }.m2，而沁水盆地南部#3煤層的滲透率一般((1^-2) X 10-’}.m2。無(wú)論從理論上還是實(shí)踐上都證明了中階煤的滲透率大于高階煤的。因此，沁水盆地南部的滲透性是制約煤層氣單井氣產(chǎn)量的主要因素。
4.原始儲(chǔ)層壓力
河?xùn)|地區(qū)煤層氣原始儲(chǔ)層壓力比較高，尤其在中南部，500^-700 m深度的儲(chǔ)層壓力為4-}-5 MPa,壓力梯度約1 MPa/100m，顯示了較高的儲(chǔ)層能量。沁水盆地南部500^-700 m深度的儲(chǔ)層壓力為2 ^- 3MPa，壓力梯度0, 5 ^-0, 7 MPa/ 100m，顯示了比較低的儲(chǔ)層能量。
二、提高氣產(chǎn)t對(duì)策
根據(jù)我國(guó)中階煤和高階煤的儲(chǔ)層特性，山西河?xùn)|地區(qū)中階煤儲(chǔ)層的煤層厚度比較大，分布穩(wěn)定，煤巖、煤質(zhì)好，滲透性好，儲(chǔ)層能量比較大，而含氣量比較低、含氣飽和度低，導(dǎo)致單井煤層氣產(chǎn)量比較低，同時(shí)對(duì)該地區(qū)的水文地質(zhì)研究薄弱，水力封堵情況不清楚，也是出現(xiàn)單井氣產(chǎn)量低、而一些井的水產(chǎn)量很高的主要原因。山西沁水盆地南部高階煤儲(chǔ)層的煤層厚度大，穩(wěn)定分布，煤巖、煤質(zhì)好，含氣量比較高，而含氣飽和度比較低，滲透率小，儲(chǔ)層能量低，導(dǎo)致單井煤層氣產(chǎn)量比較低。
1.地質(zhì)
山西河?xùn)|地區(qū)中階煤儲(chǔ)層的有利要素為滲透性好、儲(chǔ)層能量比較大;不利要素為含氣量比較低、含氣飽和度低、水文地質(zhì)研究薄弱、水力封堵情況不清楚。水文地質(zhì)認(rèn)識(shí)欠缺是導(dǎo)致單井氣產(chǎn)量低、而一些井的水產(chǎn)量很高的主要原因。針對(duì)這些特點(diǎn)，提出了主要的解決方案。
由于高含氣量和含氣飽和度區(qū)塊主要集中在構(gòu)造相對(duì)比較穩(wěn)定、抬升緩慢、斷層不發(fā)育、蓋層條件好、水力封堵比較好的位置，這些區(qū)塊是煤層氣開(kāi)發(fā)的首選區(qū)。因此首先在該地區(qū)要進(jìn)行精細(xì)的地質(zhì)對(duì)比研究，對(duì)控制該地區(qū)含氣量和含氣飽和度的這些主要地質(zhì)因素進(jìn)行研究，主要側(cè)重于煤層氣儲(chǔ)層的主要生氣期與主要構(gòu)造運(yùn)動(dòng)期的匹配關(guān)系、煤層氣儲(chǔ)層的蓋層特性、水文地質(zhì)情況等。該地區(qū)煤層氣儲(chǔ)層主要生氣期集中在晚侏羅世一早白要世，以深成變質(zhì)作用和巖漿熱變質(zhì)作用為主，有大量的烴類(lèi)物質(zhì)產(chǎn)出。之后，由于該地區(qū)受燕山運(yùn)動(dòng)控制的呂梁隆起的影響而發(fā)生抬升作用，上覆地層遭受剝蝕，使有效蓋層厚度受到影響，生氣作用基本停止，同時(shí)由于喜山運(yùn)動(dòng)的作用發(fā)育一些正斷層，造成部分氣體發(fā)生逸散。再者需要進(jìn)行水文地質(zhì)研究，主要分析和研究水力封堵情況，發(fā)現(xiàn)水力封堵區(qū)塊。這樣，從地質(zhì)角度基本能夠保證在高含氣量和含氣飽和度區(qū)塊進(jìn)行煤層氣勘探和開(kāi)發(fā)，從而在物質(zhì)上保證了煤層氣的開(kāi)發(fā)。
山西沁水盆地南部高階煤儲(chǔ)層的含氣飽和度比較低，滲透率小，儲(chǔ)層能量低，導(dǎo)致單井煤層氣井氣產(chǎn)量比較低。針對(duì)這些情況，首先在該地區(qū)要進(jìn)行精細(xì)的地質(zhì)對(duì)比研究，對(duì)控制該地區(qū)含氣飽和度和滲透率的這些主要地質(zhì)因素進(jìn)行研究，主要側(cè)重于煤層氣儲(chǔ)層的主要生氣期與主要構(gòu)造運(yùn)動(dòng)期的匹配關(guān)系、煤層氣儲(chǔ)層的蓋層特性、斷層發(fā)育及水文地質(zhì)情況等。該地區(qū)煤層氣儲(chǔ)層主要生氣期集中在晚侏羅世，以巖漿熱變質(zhì)作用為主并伴有深成變質(zhì)作用，有大量的氣體產(chǎn)出。早白要世該地區(qū)受燕山運(yùn)動(dòng)的影響而發(fā)生抬升作用，上覆地層遭受剝蝕，有效蓋層厚度受到影響，生氣作用基本停止，同時(shí)由于喜山運(yùn)動(dòng)的作用發(fā)育一些正斷層，造成部分氣體逸散。再者需要進(jìn)行水文地質(zhì)研究，發(fā)現(xiàn)水力封堵區(qū)塊。這樣能夠發(fā)現(xiàn)構(gòu)造相對(duì)比較穩(wěn)定、抬升緩慢、斷層不發(fā)育、蓋層條件好、水力封堵比較好的區(qū)塊，從地質(zhì)角度基本能夠保證了在有利區(qū)塊內(nèi)進(jìn)行煤層氣的勘探和開(kāi)發(fā)，從而在物質(zhì)上保證了煤層氣的開(kāi)發(fā)。
2.工程
(1)煤層氣儲(chǔ)層保護(hù)
煤層氣儲(chǔ)層保護(hù)研究主要是指在煤層氣鉆井和完井工程作業(yè)過(guò)程中對(duì)煤層氣儲(chǔ)層所造成的傷害進(jìn)行預(yù)防并使傷害程度最小化，包括兩方面:①鉆井技術(shù)，通過(guò)改善鉆井液、采用欠平衡鉆井技術(shù)和羽狀水平井鉆井技術(shù)，最大限度地降低鉆井工程對(duì)煤層氣儲(chǔ)層造成的傷害;②完井技術(shù)，采用合理的固井程序和水泥漿、套管射孔完井技術(shù)。河?xùn)|地區(qū)采用600相位角，12孔/m的射孔技術(shù);沁水盆地南部采用90”相位角，16孔/m的射孔技術(shù)。
(2)煤層氣儲(chǔ)層增產(chǎn)措施
1)原地應(yīng)力相對(duì)比較低的區(qū)塊。
2)壓裂技術(shù)。壓裂技術(shù)是最有效的改善儲(chǔ)層環(huán)境、提高儲(chǔ)層導(dǎo)流能力和煤層氣單井產(chǎn)能的手段，主要考慮優(yōu)化壓裂設(shè)計(jì)、優(yōu)選壓裂液和支撐劑以及壓裂規(guī)模、時(shí)時(shí)質(zhì)量控制。河?xùn)|地區(qū)具有比較高的煤層氣儲(chǔ)層滲透率，最重要的是要有強(qiáng)導(dǎo)流能力的裂縫，而縫長(zhǎng)是次要的;沁水盆地南部煤層氣儲(chǔ)層滲透率比較低，最重要的是要有足夠長(zhǎng)的裂縫，而裂縫的導(dǎo)流能力是次要的。
3)提高有效壓差。通過(guò)提高儲(chǔ)層壓力或(和)降低井底壓力實(shí)現(xiàn)。提高儲(chǔ)層壓力主要通過(guò)注氣或注水來(lái)實(shí)現(xiàn);降低井底壓力目前最常用和最有效的技術(shù)就是排水降壓。美國(guó)目前在粉河盆地廣泛采用一種稱(chēng)之為‘’ Blower”真空泵設(shè)備，通過(guò)“Blower”在井底制造局部真空，以達(dá)到降低井底壓力的效果，增加煤層氣的產(chǎn)能。注水或注氣以及負(fù)壓抽排非常適合于我國(guó)低儲(chǔ)層壓力地質(zhì)條件的煤層氣開(kāi)發(fā)。
4)注人CO:提高產(chǎn)能。由于CO:在煤層中比CH;具有更強(qiáng)的吸附能力，基本不改變煤儲(chǔ)層壓力等儲(chǔ)層參數(shù)，注人CO:可以達(dá)到加快煤層氣解吸速率和提高解吸量以及CO:埋藏的目的。該技術(shù)對(duì)提高單井氣產(chǎn)量意義重大。
三、結(jié)論
(1)我國(guó)山西河?xùn)|地區(qū)中階煤以中孔和小孔為主，微孔次之，吸附能力中等，吸附時(shí)間比較短，初始單井氣產(chǎn)量比較高，逐漸達(dá)到平穩(wěn)產(chǎn)量;山西沁水盆地南部高階煤以微孔為主，吸附能力強(qiáng)，吸附時(shí)間較長(zhǎng)，初始單井氣產(chǎn)量比較低，隨著排采作業(yè)的進(jìn)行逐漸達(dá)到平穩(wěn)產(chǎn)量。只有最大限度地降低儲(chǔ)層的廢棄壓力，才能夠提高采收率。
(2)在河?xùn)|地區(qū)對(duì)控制含氣量和含氣飽和度、在沁水盆地南部對(duì)控制含氣飽和度和滲透率的這些主要地質(zhì)因素進(jìn)行研究，主要進(jìn)行精細(xì)的地質(zhì)對(duì)比研究，側(cè)重于煤層氣儲(chǔ)層的主要生氣期與主要構(gòu)造運(yùn)動(dòng)期的匹配關(guān)系、煤層氣儲(chǔ)層的蓋層特性、斷層發(fā)育及水文地質(zhì)情況等。
(3>河?xùn)|地區(qū)具有比較高的煤層氣儲(chǔ)層滲透率，通過(guò)壓裂最重要的是形成強(qiáng)導(dǎo)流能力的裂縫，而縫長(zhǎng)是次要的。沁水盆地南部煤層氣儲(chǔ)層滲透率比較低，壓裂最重要的是要形成足夠長(zhǎng)的裂縫，而裂縫的導(dǎo)流能力是次要的。通過(guò)排水降壓(降低液柱壓力)來(lái)降低井底壓力，通過(guò)注人CO:達(dá)到加快煤層氣解吸速率和提高解吸量，該技術(shù)對(duì)提高單井氣產(chǎn)量意義重大。
(4)通過(guò)優(yōu)化鉆井技術(shù)、合理選用完井技術(shù)，最大限度地降低鉆井、完井工程對(duì)煤層氣儲(chǔ)層造成的傷害。
