中国煤系“三气”成藏特征及共采可能性

煤系地层中的非常规天然气资源是非常规天然气的主要组成部分。目前,对煤系地层煤层气、页岩气、致密砂岩气等非常规天然气资源的认识还较薄弱,资源勘探开发程度也都比较低。根据气藏合层开采经验,把煤系地层视作一个整体,综合勘探开发煤系煤层气、页岩气、致密砂岩气不仅可以减少勘探开发成本,增大非常规天然气总储量和技术可采资源量,还可以提高气井使用效率和单井利润。将煤系地层中的煤层气、页岩气、致密砂岩气称为"煤系三气",从煤系地层岩性分布特征、煤系气体成藏机理、不同类型含气储层特征和开采特征等方面分析煤系"三气"共采可能性及共采急需解决的难点。     

煤系气合采产出数值模拟研究

实现煤系煤层气、致密气和页岩气("三气")同井筒合采,是提高单井产能和地下资源可动用率的有效手段,但是合采条件下的气、水产出过程,特别是不同层位的气水贡献率、产气压力和含气饱和度变化均不清晰。建立煤层气和致密气协同产出的数值模型,结合现场试验井地质参数和气水产出曲线,查明了煤层气和致密气产出过程,分析了其影响因素。结果表明:合采模型可与单采模型对比验证,具有很好的适用性;可实现气井产能劈分,明确不同层位的气、水产出贡献;排采过程中压降速度降低,产气高峰推迟,但后期产气量变化不大;煤层与砂岩之间压力系统越相近,合采效果越好;改善压裂效果可短期提高产气能力,但对总产气量影响不大;煤层的基质收缩和应力敏感会影响产气效果,但深部地质条件下的变化特征有待进一步探讨。相关结果可对煤系气协同开发方案的制定和完善提供指导,并进一步推动煤系"三气"的同井筒合采。     

多储层产量伤害物理模拟系统及其在煤系气合采中的应用

煤系层薄叠置,压裂作业客观上无法规避合采。作业者主观上希望合采解决单一产层、单井产量低的难题。但是,导致这一难题的内外部因素十分复杂。传统方法中无法使用渗透率定量评价合采储层损害程度,因此,提出用合采产量评价储层伤害的思路。引入以"等当气井产量"为测试基准的多储层产量伤害物理模拟系统,在储层压力温度下测试煤系气开采过程中任意层位、开采方式的产量和压力。应用表明:(1)合采产层组合中任一储层伤害前后的气体流量伤害程度均可以很好地符合渗透率伤害程度,由此提出储层伤害流量法替代渗透率法评价合采产量伤害,解决了以往煤系气合采时产层长度和过流面积无法选择而无法获得渗透率的难题;(2)以合采测试的流量压力为边界条件,数值模拟不同产层天然气在井筒内混合后的流动状态,从能量角度建立了煤系气合采时地层与井筒中熵产计算模型,发现气体混合能量损耗致使煤系气产量降低,提出了"气体混合伤害"的产量伤害新类型;(3)利用该系统模拟评价地层压力恒定条件下工作液伤害前后气井流量变化率,优选出了适合临兴区块煤系气合采的钻完井流体。研究结果显示,多储层产量伤害物理模拟系统能够较为系统地支撑煤系天然气开采过程储层敏感类型和程度分析、机理研究以及工作流体优选,为煤系气合采技术优化及增产措施制定提供了方法和依据。     

绒囊钻完井流体在煤系三气合采中对储层伤害的研究

绒囊流体在单一煤层气藏和致密砂岩气藏等非常规储层的工程作业效果和储层伤害控制效果皆满足现场要求,但由于没有合适的评价方法,室内仍缺乏对合采储层的整体伤害试验评价应用于煤系合采地层。室内试验利用可分别计量单层和多层合采流量、压力的储层伤害评价系统,模拟临兴煤系储层压力及温度条件,选用下石盒子组致密砂岩及太原组煤岩共7枚,采用气体恒流量法,测试砂/煤单层开采模式、"砂+煤"双层合采模式及"砂+砂+煤"三层合采模式共4组试验。试验记录各层单采及多层合采伤害前后稳定时的流量共7组,稳定时的进出口压力共14组,利用达西定律计算得出7组渗透率数据,以此作为基础数据,对比流量法评价绒囊钻完井流体造成的储层整体伤害程度。试验结果表明:(1)砂、煤单层开采时,稳定流量损害率分别为7.96%和7.91%,接近渗透率损害率的8.48%和8.55%;(2)双层合采时,合采稳定流量损害率为7.24%,整体渗透率损害率不能计算,单层渗透率损害率分别为7.24%和7.81%;(3)三层合采时,合采稳定流量损害率为8.83%,整体渗透率损害率不能计算,单层渗透率损害率分别为6.48%、11.97%及9.68%。结论认为,室内用流量法评价绒囊钻完井流体多层合采储层整体伤害率满足现场控制伤害要求,且同时印证了流量法可替代渗透率法评价工作液储层伤害程度,并为现场优选技术应用提供了新的评价方法。     

临兴地区深部煤层气及致密砂岩气资源潜力评价

针对鄂尔多斯盆地东缘临兴地区主煤层埋深较深、致密砂岩产气层数较多的特点,分析了区内煤储层特征,评价了深部煤层气及致密砂岩气的资源潜力。研究表明,区内构造简单,以单斜构造为主,东中部局部地区发育断裂,煤储层相对稳定,储层压力呈欠压-常压状态,有利于煤层气的富集;深部5号和9号煤层以半亮型的肥煤到焦煤为主,储层物性较好,且9号煤层资源潜力较大,是深部煤层气勘探的主要煤层;致密砂岩展布主要受控于煤系地层沉积特征,在北部地区相对发育。研究认为,该区有利于深部煤系煤层气与致密砂岩气多层共采,而中南部地区为煤层气单采有利区。     

松河井田多煤层资源开发条件及合采储层伤害特征

为了降低煤层气井排采过程中的储层伤害,通过分析松河井田的资源开发条件及煤层气井排采数据,总结各排采阶段不合理排采控制引起的储层伤害特征,提出不同排采阶段合理的排采工艺对策。分析结果表明:松河井田煤层气资源丰度达到2.09×10^8m^3/km^2,煤层气资源开发条件较好;松河井田多煤层合层排采过程中,不合理排采控制工艺对煤层气井的产气量影响较大;排采初期以速敏伤害为主,排采中期以气锁和应力闭合伤害为主;修井作业及停抽期间,气锁效应及应力闭合对煤层造成伤害的可能性增大。合理的排采控制能够有效降低煤层气井的储层伤害,提高煤层气井产气量。     

煤-砂岩复合储层煤系气渗流模型及数值模拟研究

煤系气在复合储层中的渗流比单一储层复杂的多,目前煤系气渗流模型及规律的研究主要以单一储层为主,对煤系气在复合储层中的渗流模型及渗流规律研究较少。据此,建立煤-砂岩复合储层煤系气合采渗流模型,并采用COMSOL数值模拟软件对建立的数学模型进行了数值求解;比较有无层间窜流时煤-砂岩复合储层煤系气合采储层压力变化规律。模拟结果显示:层间窜流的存在对煤层和砂岩层储层压力变化情况均有明显影响。在近井筒区域,煤系气由砂岩层向煤层窜流,考虑层间窜流后煤层储层压力下降幅度较不考虑有明显减小,砂岩层储层压力较不考虑明显增大;在远井筒区域,煤系气由煤层向砂岩层窜流,考虑层间窜流后煤层储层压力较不考虑有明显减小,砂岩层储层压力较不考虑时有明显增大。建立的煤-砂岩复合储层煤系气合采渗流模型为研究煤系气合采问题奠定基础,具有重要的理论价值。     

延川南区块深部煤层气与致密砂岩气合采关键技术

测试资料显示延川南区块具有丰富的致密砂岩气资源,为提高研究区单井产气量和非常规天然气资源开发效益,在分析煤层气-砂岩气赋存特征及开发条件基础上总结出了砂岩气层识别特征,然后从地层压力的角度论证了深部煤层气和致密砂岩气合采地质可行性,探讨了煤系气合采的适配性技术工艺。研究表明:砂岩气层主要位于上古生界山西组和下石盒子组,岩性以长石岩屑质石英砂岩为主,具有低孔-低渗的特征;高产气层具有低GR、低DEN、低CNL、高R_T、高AC的测井响应特征,位于R_T-AC交汇图版右上部;砂岩气与煤层气合采层间跨度上限值位于155~180 m,当层间跨度20 m时适合采用合压合采方式,当层间跨度在20~50 m时,应采用限流法分层压裂工艺,当层间跨度大于50 m时,应采用下分割器分层压裂法。该技术在现场得到广泛应用,大幅提高了单井产气量。     

临兴地区非常规天然气合探共采地质条件分析

本文通过对三种非常规天然气资源勘探和开发地质条件的系统分析,结果表明,临兴地区具有煤层气、页岩气和致密砂岩气优越的成藏条件和良好的配置关系。提出了该地区非常规天然气的勘探开发可遵循以下原则: 东部浅层进行太原组煤层气、页岩气以及山西组煤层气的合探共采,西部深层集中进行山西组页岩气、致密砂岩气以及太原组致密砂岩气的合探共采。     

煤层气与相邻砂岩气藏合采数值模拟研究

借鉴现有模型,建立了煤层与相邻砂岩储气层合采的三维气-水两相流动数学模型及数值模型,并结合韩城矿区煤储层以及砂岩层的实际地质资料,开展了煤层气与相邻砂岩储气层合采条件以及显著性影响因素的数值模拟分析研究。研究结果表明,砂岩层含水饱和度对煤层气与相邻砂岩气藏合采的影响最为显著,由此确定煤层气与相邻砂岩气藏合采的首要条件为相邻砂岩储气层不含水或微含水,且仅当韩城矿区内与5号煤层相邻的山西组底部砂岩层孔隙度达到5%以上时,才具备与煤层合采的意义,此时相邻砂岩层煤成气可成为煤层气井产能的有利补充。     

煤层气和致密气合采产能方程及影响因素

煤系煤层气、致密气、页岩气("三气")资源量丰富,实现同井筒合采将极大提高资源动用率和开发经济效益,但是当前多层合采条件下气、水的流动状态并不清楚。运用等值渗流理论,建立两层气藏压裂直井模型,推导了煤层气和致密气合采产能方程,分析了排水期和气水同产期的影响因素。结果表明:借鉴电路并联原理,可以建立多层合采渗流方程,求取排水期和气水同产期的合理生产压差;在排水期,岩石压缩系数越小,排水量越大,合理的排采压差也越高,泄流半径和初始渗透率等对排水量有影响,但对排采合理压差没有影响;在气水同产期,初始渗透率和岩石压缩系数对排采合理压差有一定影响,但兰氏应变常数、裂缝导流能力和弹性模量等对排采合理压差基本没有影响。相关成果对认识多层合采条件下气、水流动过程,开展产能分析,建立合理的排采制度具有重要的指示意义。     

六盘水煤田上二叠统煤系气成藏特征及共探共采方向

六盘水煤田上二叠统含煤地层中煤层、页岩、砂岩叠置频繁,统筹勘探不同储层中的天然气有助于减少资源浪费,提高开发效益。通过对煤系气储层岩相、厚度、源岩地化、储层物性及空间赋存规律的研究,分析了六盘水煤田煤层气、煤系页岩气和煤系致密气成藏潜力,讨论了煤系气的空间叠置关系和勘探前景。结果显示:区内晚二叠世煤层煤种齐全,厚度较大,变质程度普遍偏高,含气显示优越;页岩和砂岩累计厚度大,有机地球化学和储集物性参数良好;不同岩性的区域和层位分布差异较大,组合类型多样,空间配置关系有利于发育垂向多套天然气藏。煤系页岩气最有利勘探层位为龙潭组下段,煤层气和煤系致密气最有利层位为汪家寨组和龙潭组上段;以此为基础,总结提炼出"源储一体型"独立煤系页岩气藏、"源储紧邻型"煤系"三气"组合气藏、"下生上储型"煤系"两气"组合气藏共3种气藏类型。初步认为晴隆向斜深部为煤系页岩气优先勘探区,青山向斜深部适合煤层气和煤系页岩气共探共采,盘关向斜和格目底向斜深部适合煤层气和煤系致密砂岩气共探共采。     

电性抑制与中性润湿协同增强煤系地层井壁稳定性的实验研究

利用正电胶抑制黏土矿物和煤岩水化,结合表面活性剂增强岩样疏水性,对能增强"三气"共采条件下煤系地层井壁稳定性的水基钻井液性能进行了综合评价。结果表明:(1)无机正电胶MMH-1具有良好的电性抑制能力;(2)复合表面活性剂溶液与煤岩的接触角达102°,与页岩的接触角达91°,能显著增强煤岩和页岩的疏水性;(3)与清水相比,复合表面活性剂和无机正电胶MMH-1可显著阻缓煤岩和页岩孔隙压力传递速率,岩样渗透率降低率在99%以上;(4)无机正电胶MMH-1、复合表面活性剂与水基钻井液配伍性良好,优选的钻井液与煤岩和页岩的接触角分别为77.5°和66.5°,有良好的抑制性、抗温和抗污染(无机盐、钻屑)能力,对原状煤岩岩芯的伤害程度仅为3.8%。研究成果可为煤系"三气"共采条件下的钻井液设计提供参考。     

软硬煤复合的煤层气水平井分段压裂技术及应用

针对软硬煤复合煤层的煤层气抽采效率低、煤层纵向剖面上抽采不均衡等问题,为了实现大面积快速、整体高效抽采煤层气,以沁水盆地赵庄井田3号煤层为例,对软硬煤分层特征进行精细评价,优化了软硬煤复合煤层中的局部硬煤段,研究了硬煤层中不固井水平井分段压裂开发煤层气技术方法,在对水平井压裂裂缝扩展规律研究的基础上,研究了分段压裂水平井开发煤层气技术对策。研究结果表明:3号煤层软硬煤结构分层明显,软硬煤存在明显的自然伽马和电阻率测井响应特征;硬煤层中水平井压裂能形成一条复杂不规则的垂直裂缝,裂缝易于沿脆性较强的顶板岩层扩展延伸,裂缝能够扩展延伸进入软煤层,提高软硬煤的压裂增产效果;硬煤层中水平井位置和压裂施工排量是影响裂缝扩展效果的两个因素,压裂施工排量影响程度较大、水平井位置影响程度较小。针对这一特点,进一步研究了硬煤层中不固井水平井分段压裂开发煤层气4个关键技术:①水平井射孔、压裂段优选工艺技术;②油管拖动大排量水力喷射防窜流工艺技术;③"大排量、大规模、中砂比"的段塞式清水携砂压裂工艺技术;④气/水分井同步生产精细化排水采气技术。工程试验证明,该技术能大幅度提高煤层气水平井单井产量,突破了软硬煤复合煤层低产技术瓶颈,为软硬煤复合煤层的煤矿区煤层气抽采和瓦斯灾害治理提供了技术途径。     

沁水盆地南部致密砂岩和页岩的气测显示与气藏类型

煤系本身及其上覆地层能够形成具有工业开发价值的致密砂岩和页岩气藏,综合勘探这些非常规天然气资源将有助于提高煤层气开发效益。依托17口井的气测录井资料,分析了沁水盆地南部石炭二叠纪煤系及其上覆地层致密砂岩和页岩的气测显示规律,讨论了致密砂岩气与页岩气的赋存方式和勘探前景。结果显示:区内砂岩和页岩的气测显示十分普遍,区域和层位显示差异较大;砂岩气发现几率相对较高,页岩气品位相对较好;下石盒子组具有砂岩气和页岩气的勘探潜力,太原组具有页岩储层厚度品位,山西组具有砂岩储层厚度品位。研究认为,页岩气最有利勘探层位为太原组,砂岩气最有利层位是下石盒子组,山西组也有一定的砂岩气和页岩气勘探潜力。以此为基础,初步划分出独立砂岩气、独立页岩气、煤-页岩-砂岩互层气组合3种气藏类型,认为砂岩气和页岩气有利区主要位于盆地中央地带,总体上沿复向斜轴部呈NNE向展布。其中,沁源区块中—南部、郑庄区块-马必区块-沁南区块结合部、柿庄北区块西北部3个核心区值得关注。     

沁水盆地煤系非常规天然气共生聚集机制

沁水盆地煤系非常规天然气(煤系"三气")资源丰富,研究煤系非常规天然气的共生聚集机制有助于天然气资源的综合利用。依托煤系有机地化与储层物性相关测试数据,分析了煤系非常规天然气的生烃物质基础与储层特征;基于典型钻孔的沉积序列、岩性组合和气测资料,建立了三类煤系非常规天然气共生模式并探讨了其在层序格架内的分布特征;通过成藏过程和成藏动力分析,评估了盆地内煤系非常规天然气的共采前景。研究认为:沁水盆地煤系非常规天然气生烃物质基础雄厚,天然气生成、运聚的宏观动力条件和储层条件时空配置得当,共生成藏条件良好;石炭-二叠系山西组与太原组发育"三气"共生和两种"二元"气藏共生组合,联合勘探开发前景较好,页岩气和致密砂岩气单独开发风险较大。     

碎软低渗煤层顶板水平井分段压裂煤层气高效抽采模式

碎软低渗煤层的煤层气高效抽采一直是制约我国煤层气产业化发展和煤矿瓦斯灾害防治的技术瓶颈。以安徽淮北矿区芦岭煤矿8号碎软低渗煤层为研究对象,通过开展现场调研、分析测试、理论分析、水力压裂物理模拟和数值模拟等工作,提出了碎软低渗煤层的煤层气顶板岩层水平井分段压裂高效抽采模式,揭示了该模式下水力压裂裂缝的扩展延伸规律及控制机理,构建了该模式实施的主要工艺流程。研究结果表明:顶板岩层相对脆性、裂缝扩展压力较高,碎软煤层相对塑性、裂缝扩展压力低。在顶板岩层水平井进行套管射孔和水力压裂,顶板岩层中产生的压裂裂缝,在垂向上向下扩展伸延并穿入碎软煤层;同时在水平方向上也快速扩展延伸,由此产生的牵引作用撕裂下部碎软煤层形成较长的压裂裂缝。数值模拟结果显示,在给定的压裂施工参数条件下,顶板岩层中压裂在碎软煤层中形成的压裂裂缝长度,是直接在碎软煤层中压裂形成的压裂裂缝长度的6.7倍。碎软煤层和顶板岩层中形成的这些压裂裂缝在后续加砂压裂过程中被充填,成为煤层气从下部煤层向顶板岩层水平井运移的导流通道。显然,采用这种抽采模式,碎软低渗煤层可以获得良好的压裂改造效果。研究成果应用于淮北矿区芦岭煤矿煤层气顶板岩层水平井抽采示范工程,取得了很好的产气效果,水平井单井曾连续3,6,12个月平均日产气量分别为10 358,9 039,7 921 m3,截至2017-11-16,已累计产气500万m3,日产气量仍在3 200 m3以上,创造了我国碎软低渗煤层的煤层气水平井气产量的新记录。     

鄂尔多斯盆地东缘临兴地区煤系气富集的构造-热作用控制

鄂尔多斯盆地东缘的临兴地区是我国煤系三气勘探开发的重点地区之一,从构造-热作用控制的角度,探讨临兴地区煤系气共生富集规律及其控制因素。受紫金山岩体侵入影响,区域单斜构造格局分划为中央隆起带、环形褶皱带和单斜构造带3个次级构造单元,各次级构造单元构造变形特征差异,决定了煤系气共生组合类型和煤系气富集规律。煤系地温梯度和储层压力梯度由中央隆起带向外逐渐降低,导致煤层气、页岩气等吸附气含气量依次降低,致密砂岩气则呈现出相反趋势。地下水矿化度分布特征表明环形褶皱带内水动力条件最弱,有利于吸附气保存。根据不同次级构造单元内煤系气富集主控因素特征,提出与中央隆起带、环形褶皱带、单斜构造带相对应的"岩浆侵入型→向斜与水力封堵型→缓倾单斜与岩性封堵型"的煤系气富集成藏模式。