如何破解我国煤层气开发的技术难题——以沁水盆地南部煤层气藏为例

平均单井产量低已成为制约我国煤层气产业发展的主要瓶颈,直接导致了煤层气开发经济效益低。为此,以山西省东南部沁水盆地南部煤层气藏为例,总结了中国石油华北油田公司在该区煤层气产业的发展及技术现状,梳理了煤层气开发所存在的关键问题:①煤层气开发工程技术不适应特有的地质特征变化;②煤层气田成熟区块仍存在大量的低效区;③单纯增大压裂规模并未能有效提高单井产量;④多分支水平井单井产量高,但总体产能到位率仍偏低;⑤现场管控总体缺乏科学依据。进而对我国煤层气的后续开发提出了以下建议:①改变产能建设模式、提高产能建设效率;②改进地质研究方法,科学设计井位和井型;③用辩证思维的方式,构建主体技术;④优化水平井的设计,提高技术的适用性;⑤改变压裂改造方式,提高单井产量;⑥改变排采工艺,提高投资效益。通过采取以上措施,将有可能破解我国煤层气开发的技术难题。     

沁水盆地煤岩储层特征及有利区预测

沁水盆地是世界上储量较大的高煤阶煤层气田之一，由于该区煤岩储层的研究仍相对薄弱，煤层气的商业性开发至今未取得实质性的突破。重点描述了该区煤岩储层的宏观煤岩类型、显微组分含量、割理发育特征、孔隙结构类型、物性特征、吸附与解吸性能等，分析了对煤层气井产能的主要影响因素。采用模糊物元分析方法，对沁水盆地煤层气高产富集区进行了预测，优选出阳泉-寿阳、长子-屯留、沁水北-安泽和阳城北4个最具潜力的高产有利区，为沁水盆地煤层气后续大规模的开发指明了方向。     

煤层气藏气体产出路径研究 ——以沁水盆地南部马必东区块为例

为明确排采过程中煤层气的产出路径,以沁水盆地南部马必东区块3#煤层样品为研究对象,通过煤岩基质岩心与裂隙岩心的并联和串联实验,分析不同组合模式下气体体积流量、岩心渗透率与驱替压差的关系,探究压差作用下煤层气藏的产出机理。实验结果表明,煤层气在排采过程中存在由煤岩基质孔隙向天然微裂隙进而向人工裂隙运移的串联产出路径以及由煤岩基质孔隙+天然微裂隙+人工裂隙共同产出的并联产出路径。串联产出路径中气体产出主要受煤岩基质渗透率的影响,并联产出路径中气体产出主要受人工裂隙的影响。并联产出路径的等效渗透率远高于串联产出路径的等效渗透率。当岩心两端压差由4.5 MPa降至2 MPa时,并联产出路径的等效渗透率由串联等效渗透率的30倍降至16倍。因此,在煤层气井的排采过程中,需进一步考虑并联产出路径中煤层气的产出。     

沁水盆地北端煤层气储层特征及富集机制

煤层气的富集与储层特征密切相关,并受地质条件的制约。在详细研究煤储层特征及煤层气富集机制的基础上,对沁水盆地北端煤层气的开发前景进行了初步评价。煤岩、煤质、煤体结构及孔渗性、吸附性的观察和测试显示,该区煤层厚度大,热演化程度高,局部发育构造煤,裂隙较发育,吸附性能力强,含气量高,含气饱和度偏低,适合煤层气的开发。该区煤层气的富集主要受控于热演化史和埋藏史。在区域变质的背景上,叠加了岩浆热变质作用,生气强度大。另外,煤层的埋深、顶底板封闭性及水文地质条件都会影响煤层含气量的大小,煤层气富集是多因素有效配置的结果。     

沁水盆地南部地区煤层气储层岩石物理实验

研究煤层气储层的岩石物理特征和储层参数计算模型是实现煤层气储层高效评价的关键。以沁水盆地南部煤层气储层为研究对象,采用线切割法加工技术获得实验室用煤储层柱塞岩心,对不同温度压力条件下的煤层气储层物性、声学等参数进行系统性实验研究。沁水盆地南部地区煤层气储层总体孔隙度与渗透率均达到了I类储层评价标准,但强非均质性导致煤储层渗透率变化范围较大,部分区域具有低、特低渗透率的特征,储层孔隙结构复杂多样,以微孔和小孔为主;煤层气储层纵横波速度之间具有良好的线性关系,利用波速与密度之间的关系以及纵横波速度之间关系可以研究岩性变化和预测含气性。     

二维地震技术在煤层气勘探中存在的问题及对策

二维地震技术贯穿于煤层气勘探开发整个过程。井位部署、开发方案编制、地质分析均离不开二维地震技术所提供的成果。本文通过对沁水盆地煤层气二维地震勘探过程中出现的单炮监视记录远端接收信号弱,目的层反射波不明显、静校正、偏移成像及解释成图四个问题进行了概括,并提出了相应解决对策,在沁水盆地煤层气勘探开发过程中取得了较好的应用效果。     

沁水盆地南部煤储层裂缝测井响应与参数重构

煤层气开发效果很大程度上受控于煤层裂缝发育特征,沁水盆地南部同样如此。根据相似露头区野外地质调查、岩心观测以及成像测井、常规测井等资料,对比分析该区煤储层裂缝发育特征及其常规测井裂缝响应,建立了煤储层裂缝的常规测井识别方法,分析了该方法的应用效果。结果表明,研究区煤储层裂缝以构造剪切缝为主,发育北东—南西向、北西—南东向、近东—西向和近南—北向4组;裂缝多为有效裂缝,以高角度和倾斜裂缝为主,规模较小,密度变化大。常规测井裂缝的响应特征主要表现为低电阻、深浅侧向电阻率呈现正幅度差,三孔隙度测井向孔隙度变大偏转但不明显,高伽马值、扩径现象明显,测井曲线会出现波动。在此基础上,重构了异常变化指数,对常规测井曲线进行处理,经过加权合成裂缝预测指数对煤储层裂缝发育情况进行预测,预测结果得到了岩心及成像测井资料的验证。     

鄂尔多斯盆地陇东地区天然裂缝有效性分析

鄂尔多斯盆地陇东地区三叠系延长组长7储层岩性致密属于超低渗储层,裂缝发育、分布及地应力控制裂缝有效性已成为制约致密油气有效开发的问题之一。以取心裂缝观察描述为基础,应力张量计算得到剪应力和正应力,从而得到裂缝平面的摩擦系数,用三维莫尔圆来表示并判断其是否有效。对长7储层地应力控制裂缝有效性条件进行了评价,对天然裂缝发育和分布特征进行了定量化预测。同时计算了无效裂缝滑动临界压力梯度及无效裂缝转化条件,分析了裂缝沟通条件。结果表明,长7储层天然裂缝局部较发育,天然裂缝以高角度张性裂缝和低角度剪切缝为主。压裂改造设计中需要考虑研究区范围内的天然裂缝系统容易被改造或转变成有效裂缝。     

煤层气藏勘探开发程序研究

分析了煤层气藏与常规砂岩气藏形成的差异规律和煤层气藏独具的赋存及产出特性。根据国内外煤层气勘探开发理论与实践，结合我国含煤地层沉积构造，提出了系统的有关煤层气勘探开发程序。文中以山西、河南两个地区煤层气勘探为实例，对勘探开发详评程序进行了实际论证。最后强调指出勘探开发程序阶段节奏可以加快，但不能逾越。     

基于光学显微观测的煤层裂隙发育特征、成因及其意义——以沁水盆地南部3~#煤层为例

基于光学显微观测,分析了沁水盆地南部3#煤层煤岩显微组分与内生裂隙的关系,并对外生裂隙的继承改造进行分类研究。结果表明:内生裂隙成因主要体现在显微组分的力学强度和煤化作用过程中的内张力,均质镜质体由于结构和成分均一,微孔隙发育,显微脆度高,内生裂隙最为发育;根据继承改造的方向差异,将外生裂隙继承改造类型划分为延伸型、剪切型和拓张型,外生裂隙中,张裂隙和剪裂隙发育规模大,裂隙网络发育,对储层渗透率贡献大。裂隙发育特征、类型及其成因研究,有助于认识煤储层裂隙在煤层气富集成藏和勘探开发中的作用。     

沁水盆地南部煤层气田勘探开发技术探索与认识

为加快煤层气勘探开发的步伐,中国石油华北油田公司在沁水盆地南部樊庄区块开展了高煤阶煤层气规模开发实践,逐步形成了山地浅层二维及三维地震采集处理和精细解释、高煤阶煤层气区带评价优选、煤层气排采控制、煤层气二次压裂解堵增产、水平井设计优选、水平井钻井、适合于山区特点的煤层气低压集输工艺及自动化控制等8大技术系列。率先开展了煤层气水平井压裂解堵试验,改进了防砂、防煤粉工艺,创新提出了开发单元和开发井组,自主研发了一批专有技术（目前已申请专利11项）。总结近5年的煤层气勘探开发实践,获得以下几点经验与认识：①煤层气井钻探需要地震资料的支持;②严格遵守勘探程序是高效开发煤层气的重要保证;③煤岩煤质是煤层气富集最重要的控制因素之一;④该区埋深介于800～1 200 m的主力煤层具有良好的勘探开发前景。     

沁水盆地高阶煤煤层气开发再认识

近年来,中国的煤层气产业出现了徘徊不前的颓势,单井产量低、核心技术瓶颈没有突破是制约其发展的主要原因。为此以沁水盆地煤层气开发现状为依据,从资源的可动用性、勘探评价程序的合理性、煤层采出水与注入水的利弊、煤层气开发井型等4个方面对高阶煤煤层气开发进行了深入分析,并得到4点新认识：①我国煤层气资源评价的核心是可动用性;②煤层气资源动用的决定因素是“三性”（解吸性、扩散性和渗透性）;不同区块“三性”指标的优劣有所不同,这也表明不同区域制约煤层气高产的主控因素各不相同,既有单因素的,也有多因素耦合的结果;③要辩证看待“水力压裂”对煤层的改造与伤害,针对煤层“三性”短板特性的改造方式是提高煤层气单井产量的关键;④水平井是煤层气田高效开发最重要的手段之一,需要针对不同煤岩特点开展井型与无污染完井方式联合攻关。     

沁水盆地煤层气富集高产区定量评价

从煤层气成藏过程及其构造控制、沉积作用对储盖组合的影响、水文地质控制动态含气量、高产影响因素及控制机理5个方面,重点总结了沁水盆地煤层气富集高产地质理论新进展。研究认为：构造演化控制成藏过程、沉积及水文地质控制保存条件,进而影响煤层气富集;地层能量、渗透性及局部构造影响煤层气渗流,进而控制高产;富集与高产是煤层气勘探开发过程中的2个层次,高产分析是在富集区评价基础上开展的进一步评价。基于此,结合大量的生产实践数据分析,厘定富集、高产2个递进的评价目标、细化为4个层次共21个主控因素,采用层次分析、定量排序、模糊数学、数值模拟等方法,以沁水盆地为刻度区开展富集高产区评价,建立定量化评价指标体系,优选沁水盆地樊庄、潘庄、郑庄、马必,夏店,安泽,柿庄南7个富集有利区,以及在富集区内的潘庄、樊庄南、樊庄北、马必东,夏店南,郑庄南,安泽7个高产有利区。     

沁水盆地南部樊庄区块煤层气井增产措施与实践

沁水盆地南部煤层气田樊庄区块自规模投产以来一直受单井平均产气量低的制约,难以规模上产,随着开发实践的不断深入,逐步认识到该区块气井低产的原因及增产措施的重要性。为此,制订了针对该区低产井的改造方案,详细总结分析了解堵性二次压裂在煤层气开发中的运用效果。实践表明：系列化的水力压裂技术是该区较为有效的增产手段;电脉冲解堵、径向水力喷射技术是新的尝试、有利的补充技术,但其增产效果还有待进一步观察。上述技术用于煤层气井的增产,将加快该区煤层气产能建设的步伐。     

沁水盆地南部高煤阶煤层气评价工作及其成效——以郑庄-樊庄区块为例

为指导煤层气的有效评价和高效开发,以中国第一个整装、高丰度、高煤阶大型煤层气田--山西沁水盆地南部煤层气田郑庄-樊庄区块为例,系统总结了该区煤层气田评价工作的重点、经验与成效。勘探开发实践中形成的“少数资料井钻探井组试采提交探明储量先导试验区规模开发”工作程序,各环节互相补充,实现了资源的有效评价和开发;通过对煤储层资源参数、地质参数、物性参数的评价和分类,形成了一套适合该地区的煤储层评价技术体系,并划分出3个Ⅰ类建产区、4个Ⅱ类建产区、4个Ⅲ类建产区;评价成果为煤层气合理开发、技术、政策的制订和开发部署方案的调整提供了重要依据;认识到埋深大于1 000 m的区域不是开采禁区,仍具有较好的产气能力,甚至可以实现高产。     

规模自动化技术在煤层气田开发中的应用——以沁水盆地南部樊庄区块为例

沁水盆地南部煤层气田具有复杂山地地貌、低压生产和低成本开发等特点,在生产中存在数据获取、设备控制和安全保障等一系列问题。为此,①通过自主研发井场无线采集技术,在国内煤层气生产中率先实现了全井场生产数据的无线采集、传输,实现了橇装施工和快速链接,解决了山区复杂地貌生产数据采集及传输的布线难题,减少了现场维护工作量;②打破煤层气田生产与监控管理站点间的地域界限,应用基于ArchestrA Framework 架构的网络化监控技术进行二次开发,通过模板化开发、网络化实施、多用户协作、集中化存储,实现了煤层气自动化系统“两级三地”的远程部署、分布式监控模式;③按照“缓慢、长期、持续、稳定”的抽排基本原则,建立起了煤层气智能排采控制模型,以排采过程中液面高度、液面下降速度、井底流压、套压等为主要控制参数,采用智能排采技术,实现了排采设备的生产参数自动调整,改变了煤层气井固定的生产制度,降低了对煤层的伤害。运用以上技术,建成了管理控制521口排采井、6座集气站和1座处理中心的自动化系统,达到了平稳运行、安全生产、降低劳动强度、提高生产管理水平、实现规模效益的目的。     

沁水盆地安泽区块煤层气藏水文地质特征及其控气作用

在我国华北地区,煤层气藏的水文地质条件与煤层气的运移、散失、保存、富集等关系密切,但过去很少有学者采取 动态监测地下水特征的方式来分析其对煤层气藏的影响。为此,以山西沁水盆地安泽区块煤层气藏为研究对象,在动态监测煤层气 产出水离子浓度、水质水型及矿化度变化的基础上,结合该区煤层气井开发实际与地下水动力场分布特征,讨论了不同水文地质单 元的产气、产水情况,并利用微量元素检测结果分析了合层排采的井间干扰。最后,结合构造、煤质特征探讨了水文地质条件对煤 层气富集与产出的控制作用。结果表明：①该区主力煤层为下二叠统山西组3 号煤和上石炭统太原组15 号煤,煤层顶底板大部分为 砂岩和泥质砂岩;②煤层气产出水离子浓度和矿化度随排采时间的增加不断降低,水型以NaCl 型和NaHCO₃ 型为主;③将该区划 分为弱径流区、径流区和滞流区3 个水文地质单元,其中径流区产气量最高,滞流区产气量最低,合层排采井受15 号煤的干扰较大。 结论认为：该区煤层气的富集主要受断层及水动力条件的控制, 下一步应加大对煤层气优势富集区的开发力度。     

沁南潘河煤层气田区域地质特征与煤储层特征及其对产能的影响

沁水盆地南部（以下简称沁南）潘河煤层气田是中国最早具有良好经济效益的规模化商业开发的气田,分析其区域地质与煤储层特征,评价其煤层气可采性和生产潜力,可为选择气田井网形式、钻完井技术、增产改造技术,确定适宜的排采制度提供基础和依据。为此,充分利用该区200多口煤层气生产井资料、以往煤田地质勘探资料和煤层气参数井资料,精细描述了煤层气田区域地质和煤储层特征,分析了影响煤层气产能的地质、储层因素。结果表明：该区地质构造简单,次级褶皱构造发育;煤层发育稳定,厚度大（3^#煤层厚度为6.5 m左右）;煤变质程度高,属于无烟煤;含气性良好,含气量较高,但平面上变化较大,气体质量好,甲烷含量超过98%;含气饱和度高,介于95%~100%;渗透率相对较好,储层压力较高。总体上,地质和储层特征参数显示该区具有煤层气富集和高产的有利条件。根据PH1-009、TL-006、TL-007等煤层气参数井测试数据,以及潘庄一号井田的煤田勘探资料,建立了气田地质模型,以期指导今后的井网设计、工程技术选择,实现气田的高效开发。