中國煤層氣勘探開發工程技術進展與發展方向

摘 要

摘要：受美國、加拿大、澳大利亞等國家煤層氣快速發展的影響，加之國家出臺了一系列優惠扶持政策，我國的煤層氣業務得到了一定的發展，但工程技術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展的影響，加之國家出臺了一系列優惠扶持政策，我國的煤層氣業務得到了一定的發展，但工程技術難題在很大程度上影響和制約著我國煤層氣勘探開發的快速推進。為此，總結了近年來中石油煤層氣有限責任公司、中聯煤層氣有限責任公司等相關企業在煤層氣工程技術方面的攻關成果與技術進展，包括煤層氣地質綜合評價技術、煤層氣鉆完井技術、煤層氣壓裂改造技術、煤層氣排水呆氣技術、煤層氣地面工程技術等；進而明確提出了涉及上述5方面技術的下一步發展方向和研究目標。
關鍵詞：中國；煤層氣；地質綜合評價；鉆完井；壓裂改造；排水采氣；地面工程；技術進展；發展方向
    我國的煤層氣業務和企業近十幾年來獲得了一定的發展，但目前我國煤層氣的發展仍然面臨許多困難，除了相關政策法律、基礎設施不完善之外，工程技術難題在很大程度上影響和制約著我國煤層氣勘探開發的快速推進。經過中石油煤層氣有限責任公司(以下簡稱中石油煤層氣公司)、中聯煤層氣有限責任公司(以下簡稱中聯煤公司)等企業近年來的共同不懈努力，已經在多個方面取得了一些進展[1]；當然還有不少需要加強技術攻關的發展方向和研究目標，值得我們清楚地認識。以下分述之。
1 煤層氣工程技術進展
1.1 地質綜合評價技術進展
   經過多年的攻關研究與實踐，中石油煤層氣公司掌握了用低成本地震勘探技術確定煤層分布范圍與空間形態、識別斷裂、優化設計鉆探井位等相關技術。二維地震技術已難以滿足煤層氣勘探開發的需要，2010年該公司在韓城和沁水地區首次將三維地震技術引入到煤層氣勘探開發中，為開發方案設計提供了更可靠的依據。
   地震和測井數據信息綜合識別裂縫發育狀況的技術：利用地震屬性信息預測煤層裂縫發育特點和分布位置，利用測井資料進行裂縫識別，預測優勢滲流通道。形成了以地質綜合評價研究沉積體系，預測煤層厚度、含氣量，分析煤層氣成藏模式的評價方法。
    除了常規的煤儲層評價內容外，通過評價煤的顯微組分、揮發分、固定碳、灰分、水分、泊松比、楊氏模量等煤巖學參數，建立了以煤巖學參數與測井數據相結合來認識煤巖成分、煤型及結構，評價煤儲層物理、物性特征，確定射孔、增產改造方案以及排采制度等預測、評價技術系列。
    以煤巖學理論為指導，建立了煤層氣勘探開發選區指標體系，初步形成了煤層氣選區、選層和選井地質綜合評價配套技術，實現了從橫向、垂向、空間上對煤層氣富集區進行評價、預測的目標，建立了煤層氣富集高產評價指標體系。
1.2 鉆完井技術進展
    煤層氣開發需要鉆大量的井，叢式井的使用有利于協調地方關系、減少后期工藝費用、大量減少員工數量、有效降低生產成本。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模式。
    多分支水平井的優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流能力、提高單井產量和采收率。截至2010年底，中國煤層氣累計鉆水平井100余口，有的水平井最高日產量曾達幾萬立方米。
    澳大利亞同行結合其自身的地質特征創造發展了獨特的U形井技術。2010年中石油煤層氣公司聯合中國石油勘探開發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)鉆井液已廣泛應用于煤層氣開發作業中，目前我國煤層氣井采用的鉆井液主要有優質鉆井液、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外煤層氣井的主體完井方法。裸眼洞穴完井技術在美國圣胡安盆地低階煤層氣開發中獲得了突破，但這項技術在國內還處于試驗階段。
1.3 壓裂改造技術進展
    自2009年以來，中石油煤層氣公司借鑒美國非常規天然氣開發理念，加大了對壓裂關鍵技術攻關及現場試驗的力度，儲層改造技術取得了長足的進步。在直井壓裂方面，封隔器滑套分層壓裂技術在國內已比較成熟，在蘇里格氣田和塔里木盆地將其廣泛用于4層以內的直井壓裂。但上述技術施工排量較低，不能滿足煤層氣壓裂大排量施工的要求。連續油管噴砂射孔環空加砂壓裂技術是從國外引進的技術，采用水力噴砂射孔、環空加砂壓裂，可實現大排量施工，并且不受壓裂層數的限制。目前該技術在我國煤層氣開發中應用還不成功，正在進行技術適應性改造。此外還包括國外引進的TAP套管滑套完井分層壓裂技術，目前也正處于現場試驗階段。
    在水平井分段壓裂技術方面，目前，國內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和多級快速可鉆式橋塞分段壓裂技術均屬于國外引進技術：前者在長慶、塔里木等油田應用效果較好，但該工藝要求井壁穩定性好，基本不適合于煤儲層；后者在美國被大量應用于頁巖氣開發中。目前中石油煤層氣公司臨汾分公司已成功完成國內第一口煤層氣水平井多級可鉆式橋塞分段壓裂施工，后期排采結果表明其改造效果良好。
1.4 排水采氣技術進展
    美國是世界上最早開發煤層氣的國家，1980年形成并完善了“解吸-擴散-滲流”理論和“排水-降壓-采氣”生產流程[2]。1988年通過理論和實踐得到“井間干擾”理論與方法，形成井網排采，大幅提高了單井產能。此后，美國進入了實用技術應用和平穩發展階段。國外煤層氣生產主要劃分為3個階段：產水階段、產水量下降而產氣量上升階段、產氣量下降階段。在排采設備方面，抽油機、螺桿泵、電潛泵在美國的應用最為普遍。在黑勇士盆地和圣胡安盆地等沒有電力或電力費用較高的地方，氣舉得到了廣泛應用。澳大利亞采用天然氣發動機驅動井口動力裝置進行排水降壓，實現了煤層氣的連續生產。
    在排采理念方面，中石油煤層氣公司總結出了“緩慢、穩定、連續、長期”的排采基本原則，制訂了初期產水、穩定產水、氣水同產、穩定產氣的“四段”以及套壓、井底流壓的“兩壓”排采工作制度[3]。除了常規的排采設備外，中石油煤層氣公司改進和研制了一系列適合煤層氣井生產的新型排采設備，并已投入試用。例如傾斜式長環形齒條抽油機、電潛螺桿泵和液力驅動同心雙管攜排砂排采設備等，有效地防止了砂和煤粉等固體卡泵現象，減輕了修井對儲層造成的傷害，提高了排采連續性。
1.5 地面工程技術進展
    中聯煤公司在沁水盆地總結出了“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。中石油煤層氣公司近年來從單井串接推廣到井場串接，建設百萬立方米集氣站，取消固定式備用壓縮機，站間備用，末端成環，減少建站數量，節約了投資。
    小型站場橇裝化、模塊化、標準化，既降低了成本，又減少了現場施工量，縮短了建設周期。美國煤層氣開發廣泛采用往復式壓縮機和燃氣發動機，所有的設備幾乎全是模塊化的橇裝設備。中石油煤層氣公司韓城煤層氣項目的建設工期為10個月，而吉縣和保德先導試驗項目的建設工期已縮短為6個月以內。
2 煤層氣工程技術發展方向
2.1 地質綜合評價技術發展方向
    國內煤層氣地質綜合評價研究，逐步地從區域構造研究到煤巖結構研究。煤巖煤型越來越成為煤層氣開發關注的重點，煤巖結構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行了大量的研究，為今后工程的設計與施工提供了很好的依據。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構的影響，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越來越重要。今后將加強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化設計等方面的應用，以達到能直接預測氣井的產氣模式和開發能力的目標。
    三維地震也是下一步發展的方向之一。中石油煤層氣公司韓城分公司2010年啟動第2個5×108m3產能建設任務，用三維地震解釋結果校正井位，目前來看效益遠遠大于投資。
2.2 鉆完井技術發展方向
   根據中國的實際情況，叢式井仍然是今后的主導技術。一個井臺上叢式井井數增加，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，生產管理的成本大大降低，并且加快了施工進度。
   多分支水平井和叢式水平井技術也是主要的發展方向，但鉆完井過程中泥漿污染和井壁穩定一直是很難解決的一對矛盾，因此下一步需要發展水平井套管和篩管完井技術。水平井套管射孔完井壓裂改造技術在美國非常規氣藏開發中占據重要的地位，也是我國煤層氣開發重點關注的技術。而分支井篩管完井技術避免了井壁坍塌，保持了主井眼暢通，并且確保了良好的經濟性。
   美國在低階煤層氣開采中廣泛應用洞穴完井。中聯煤公司曾做過一些試驗，但這項技術最大的問題在于高壓高負荷作業，目前國內滿足施工條件的區塊很少，今后可以進行小范圍的試驗。
   U形井應該是中國煤層氣開發中不可缺少的高效開發技術。U形井的優點是投資小、產氣量高，并有利于后期壓裂改造，是今后重點發展的技術。
   此外，煤層氣欠平衡空氣鉆井、徑向水平井與洞穴完井技術結合、新型低傷害鉆井液體系也都是值得關注的技術研發方向和試驗對象。
2.3 壓裂改造技術發展方向
   沁水盆地15#煤層和3#煤層動力系統差別較大，適合采用單層壓裂單層排采。但韓城3#、5#、11#煤層在動力系統上比較均衡，適合合層開采，因此直井分層壓裂技術將是這個區塊的主導技術。
   美國在非常規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發展方向，創新理念，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。
   氮氣泡沫壓裂，包括二氧化碳泡沫壓裂是下一步重點發展的方向。氮氣泡沫體積壓裂技術包括壓裂規模優化、超低摩阻壓裂液、超低表面/界面張力活性劑、大排量液氮車、壓后排液制度優化。加拿大采用氮氣泡沫壓裂技術實現了干煤層煤層氣的開發突破。中聯煤公司2005年在沁水盆地實施了2口水平井氮氣泡沫壓裂，平均單井日產氣量一直保持在4000～5000m3。
   叢式水平井整體分段壓裂技術也是今后主要的發展方向之一，研究重點包括整體壓裂優化技術、分段工具國產化研究、同步壓裂技術研究、裂縫方向和規模的實時監測技術。
2.4 排水采氣技術發展方向
    煤層氣排采工作制度的制訂和排采設備的選擇主要依據以往的經驗，尚未形成一套完善成熟、針對不同地質特征的排采技術體系。下一步需要形成適應各區塊地質條件和生產特征的定量排采技術，以優勢滲流帶理論、排采動態規律為指導，逐步從單井排采控制過渡到井組、區塊排采控制，從而更好地實現面積降壓和規模排采。
    針對目前煤層氣排采設備方面出現的管桿偏磨、斷脫、卡泵、泵脫落、泵效低等問題，有針對性地改進或優化排采設備，保證排采連續穩定；加強自動化定量排采舉升設備的研究。到目前為止，國內煤層氣排采設備基本上沿用的是油田產品，今后在設備創新方面要投入更多的精力。目前傾斜式長環形齒條抽油機正在中石油煤層氣公司進行井組試驗，氣舉法也處于初步試驗階段。
2.5 地面工程技術發展方向
    針對煤層氣開發初期投資大、低壓低產、回收周期長的特點，需要在煤層氣管材、設備選型、工藝流程和數據采集等方面進行研究，優化整個集輸系統，盡量降低投資。需要大力推廣站場設備橇裝化、模塊化和標準化，發展“井口計量、井間串接、低壓集氣、非金屬管集輸、集中增壓”配套技術，根據煤層氣特點簡化集輸工藝，優化集輸參數，降低煤層氣開發建設投資，堅持煤層氣田低成本開發戰略。
3 結束語
    我國煤層氣資源豐富，發展潛力大，前景十分樂觀。實踐表明，技術進步對煤層氣產業發展起著巨大的推動作用。我國煤層氣勘探開發處于起步階段，需要進一步加強對國外成熟技術的消化和吸收，以及對新型工藝技術的研發和創新。在國家政策的鼓勵扶持下，加大研發力度，推進勘探開發工程技術的進步，這將大大促進煤層氣產業的形成和快速發展，對緩解我國能源短缺的局面將發揮越來越重要的作用。
參考文獻
[1] 接銘訓.鄂爾多斯盆地東緣煤層氣勘探開發前景[J].天然氣工業，2010，30(6)：1-6.
[2] 徐鳳銀，李曙光，王德桂.煤層氣勘探開發的理論與技術發展方向[J].中國石油勘探，2008，5(1)：1-6.
[3] 劉貽軍，李曙光.我國煤層氣勘探開發工藝技術展望[C]∥2010年全國煤層氣學術研討會論文集.北京：中國煤炭學會煤層氣專業委員會，中國石油學會石油地質專業委員會，2010.
 
(本文作者：接銘訓 葛曉丹 彭朝陽 熊先鉞 夏飛 中石油煤層氣有限責任公司)