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。     

基于X射线微米CT扫描技术的煤岩孔裂隙多尺度精细表征 ——以沁水盆地南部马必东区块为例

深入探究煤层气赋存和运移机理,不仅需要分析煤岩孔裂隙结构的空间分布特征,还需对其进行定量表征。为此,以沁水盆地南部马必东区块3#煤层为研究对象,应用X射线微米CT扫描技术,先构建低精度CT扫描煤岩母样三维数字化模型,再通过高精度CT扫描构建煤岩子样三维数字化模型。在此基础上,利用Avizo图像处理软件,重构煤岩孔裂隙系统,实现煤岩孔裂隙的多尺度定量表征。研究结果表明,沁水盆地南部马必东区块3#煤层发育多尺度孔裂隙结构。煤岩孔裂隙宏观上以C型为主,微观上以E型为主。煤岩发育成孤立片状分布的宏观孔裂隙及连通性较差的孔裂隙。据子样和母样矿物含量的相关性可知,较大规模的孔裂隙多被矿物充填,限制了煤层气的渗流和产出。     

沁水盆地南部煤岩储层天然裂缝有效性及对煤层气开发的影响

沁水盆地南部煤岩储层天然裂缝普遍发育,天然裂缝有效性是决定煤岩储层渗流能力、影响煤层气井能否高产的重要因素。综合利用野外露头、岩心和扫描电镜等资料,在分析沁水盆地南部上古生界煤岩储层天然裂缝类型和发育特征的基础上,对裂缝有效性及其主控因素开展研究,并结合单井生产动态资料,探讨了裂缝有效性对煤层气开发的影响。结果表明:沁水盆地南部煤岩储层主要发育割理和构造裂缝,其中割理包括面割理和端割理,构造裂缝包括剪切裂缝和张性裂缝。受多种地质因素影响,不同类型裂缝的有效性存在明显差异。割理形成于煤化作用阶段,多被方解石和粘土矿物等全充填或半充填,整体上其裂缝有效性较差。构造裂缝多未被矿物充填,其有效性主要受控于裂缝规模、倾角、储层埋深及与现今地应力最大主应力方向夹角。构造裂缝开度大、延伸较远,裂缝有效性好;高角度构造裂缝有效性好于斜交缝;受地应力状态变化影响,随储层埋深的增加,裂缝有效性依次表现为较差、较好、较差;NE-SW向裂缝有效性最好,其次为近EW向和近NS向裂缝,NW-SE向裂缝有效性最差。相比于割理,构造裂缝在规模和裂缝有效性方面均好于前者,可作为煤层主要的渗流和产出通道,对煤层气的开发具...     

沁水盆地煤层气水平井产能影响因素分析——以樊庄区块水平井开发示范工程为例

多分支水平井是近年来发展起来的煤层气开发新技术,从沁水盆地南部已实施的60多口水平井开发效果来看,单井产量差异较大。以华北油田在樊庄区块水平井开发实践为基础,通过对单井地质条件、钻井工程和排采控制3个方面的综合研究,认为煤层含气量高低、钻井进尺多少、分支展布是否合理,以及排采过程的连续性是影响煤层气水平井产能的主要因素。根据地质条件优化井位部署和分支轨迹设计,水平分支的钻井过程注重储层保护,是煤层气水平井实现高产的重要保障。     

沁水盆地南部郑庄区块高煤阶煤层气成藏模式

为指导沁水盆地南部郑庄区块煤层气高效开发,通过综合运用钻井、地震、试井、煤岩测试及生产数据等资料,分析了研究区煤层气成藏条件和主控因素,并在此基础上研究了高煤阶煤层气成藏模式.研究发现,煤层气成藏主要受到构造、水文地质、地应力及煤变质作用控制.依据构造形态、煤层围岩和地下水动力等特征,把研究区煤层气藏划分为浅层单斜、鼻...     

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。     

影响煤层气井产量的关键因素分析——以沁水盆地南部樊庄区块为例

研究了沁水盆地南部樊庄区块煤层气投产井地质特征、压裂增产工艺、生产状况及排采技术等,分析了影响煤层气单井产量的关键因素,并讨论了提高煤层气井单井产量需要关注的问题。研究结果表明,煤层气高产井通常临界解吸压力与地层压力的比值较高,压裂施工时加砂量、用液量高;采用变排量施工工艺,控制裂缝形态,可提高压裂效果;特别是煤层气产出表现出“气、水差异流向”规律：构造高部位利于产气,构造低部位利于产水。在煤层气开发中,必须保证科学的排采制度,坚持“缓慢、长期、持续、稳定”的原则,排采早期保证液面稳定缓慢下降。在产气阶段,要保持合理套压,排采制度切忌变化频繁,避免由于煤层压力激动造成煤层坍塌和堵塞。     

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。     

无烟煤煤层气成藏与产气机理研究——以沁水盆地无烟煤为例

煤层气成藏和产气必须具备6个方面的必要条件:①生气母质;②储气空间;③吸附动力;④导流通道;⑤驱动能量;⑥煤体结构.当前的气藏潜力判定条件主要包括等温吸附性质、导流性质、含气性质和吸附与驱动能量,吸附常数、渗透率、含气量以及储层压力是4个重要的代表性参数.在以4项参数为表征时,常规无烟煤作为煤层气储层存在着很大的地质缺陷,因而无法成藏和产气.而沁水无烟煤则具备良好的沉积、构造和地热作用历史配置,用当前较为成熟的中阶煤产气理论来判定,由其4项参数所定性的气藏是典型的优质商业气藏.研究结果表明,地壳抬升造成的浅埋、莫霍面上拱造成的快速热变、区域拉张应力以及特殊的汇水构造是沁水无烟煤煤层气成藏和产气的根本原因.     

沁南潘河煤层气田煤层气直井增产改造技术

〗沁水盆地南部潘河煤层气田3^#煤层和15^#煤层的煤阶属于无烟煤,储层具有低压、低孔隙度、低渗透率的特点,煤层气井压裂前基本不产气。水力加砂压裂是该地区进行煤层气勘探开发的关键技术之一。针对该区低压致密煤层气藏的储层地质特点,通过近年来的攻关研究和现场试验,提出了经对比后效果最佳的压裂工艺技术方案--氮气泡沫压裂,大大提高了压裂改造效果,初步形成了该地区低压致密煤层气藏压裂工艺体系。应用结果表明：无烟煤煤层气增产措施增产量排序为氮气泡沫压裂＞活性水加砂压裂＞清水+氮气压裂或清水压裂;在压裂正常的情况下,前置液量大、携砂液量大,总液量在400 m³以上的压裂增产效果更好。     

沁水盆地樊庄区块煤层气高产富集规律及开发实践

为弄清沁水盆地樊庄区块煤层气的高产富集规律,根据近5年来在该区的勘探开发实践,从烃源条件、储层条件和保存条件3个方面系统分析了煤层气的成藏条件与富集规律。结果表明：该区煤层气成藏条件决定了其富集特点,即整体含气性较好,局部贫瘠,呈现“富集成片、贫瘠成带、富中有贫”的含气量分布特点;由东向西,煤层气逐渐由贫瘠变为富集,这主要是受封盖条件和构造断裂活动控制的结果。根据产气压力与理论临界解吸压力拟合关系对煤层含气量进行了预测,预测结果与实测数据基本一致,证明前者是一种可靠、实用的新方法。针对煤层气富集程度和压裂效果的差异,引入了煤层气开发单元的概念来指导生产,后期生产的效果表明,煤层气井产量的高低与开发单元的划分吻合良好。     

沁水煤层气田成藏条件及勘探开发关键技术

沁水盆地历经了油气普查和煤层气勘探开发2个阶段（共60余年）的探索，现已成为中国最大的煤层气产业化基地，也是世界上高煤阶含煤盆地煤层气成功实现商业化的典范。尽管高煤阶煤层气田具有低压力、低渗透率、低饱和度、非均质性强的"三低一强"特征，但勘探实践和研究表明，沁水盆地煤层气成藏条件优越，主力产层太原组15#煤层和山西组3#煤层为陆表海碳酸盐台地沉积体系及陆表海浅水三角洲沉积体系，煤层厚度大、多由腐殖煤类构成，主要含镜质组。受燕山期构造热事件影响，煤层煤阶高、吸附能力强、含气量大。煤层气成藏经历了两次生烃、气体相态转化和水动力控制顶、底板封闭的3个阶段。针对沁水盆地地形及高煤阶特征，形成了山地地震采集、处理和解释技术，丛式井钻完井技术，"复合V型"为主的多水平井钻完井技术，解堵性二次压裂增产技术，高煤阶煤层气排采控制工艺，煤层气集输技术等一系列关键勘探开发技术，有效支撑了沁水盆地高煤阶煤层气的规模开发和工业化发展。     

沁南潘河煤层气田空气钻井和固井技术

沁水盆地南部潘庄区块位于沁水盆地东南缘,该区总体为单斜构造,倾向西北,煤层稳定、埋藏浅且渗透性较好,大量区域地质调查资料和煤田勘探成果表明,区内断层稀少,以发育次级褶皱为主。该区钻井类型主要为钻井液钻井（煤层段清水钻进）和空气钻井。通过对比分析空气钻井、水钻井井身质量与时效平均值可知：①空气钻井在井身质量方面略优于水钻井,但相差不大,均达到设计及规范要求;②空气钻井在时效方面比水钻井效率高,其机械钻速是水钻井机械钻速的3倍多,因此,空气钻井周期短,综合经济效益较好。而微珠低密度固井技术采用优质微珠为减轻材料,水泥浆密度为1.60 g/cm³,抗压强度在15 MPa以上,满足了在确保固井强度的基础上减轻水泥浆正压差对储层污染的要求。采用上述技术使潘河煤层气田示范工程固井合格率达到100%,其中优良率为84%。     

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。     

沁水盆地南部注二氧化碳提高煤层气采收率微型先导性试验研究

在沁水盆地南部TL-003井进行了单井注入CO₂提高煤层气采收率试验。采用间歇式注入方式,共向3号煤层注入192.8t液态CO₂。生产和储层模拟评价结果表明,大部分CO₂被煤层吸附,能显著提高单井产量和采收率。多井试验模拟显示,在沁南无烟煤煤层中注入CO₂,能显著地提高煤层气采收率,同时实现了埋藏CO₂的目标。     

沁水盆地含水煤层气藏的气体渗流特征

煤层气主要以吸附状态在承压水作用下赋存在煤基质孔隙中,排水降压是其主要开采方式。煤层气藏和低渗透天然气藏相比,其初始含水饱和度往往较高。在开发过程中气水两相始终同时存在,即使是在开发的第3阶段,产水量很小,但水相饱和度还是较高。地层水的存在使得多孔介质通道狭窄,造成低渗含水气藏毛管压力普遍很高,严重影响气体的渗透率。通过对沁水盆地部分煤岩样品渗流特征的研究,将排采曲线归纳为上凸型、下凹型和复合型3种代表类型。分析结果表明,含水饱和度越大,启动压力梯度越大。这些认识对于正确制订排采工作制度、提高排采效果具有重要意义。     

国家级煤层气示范工程建设的启示——沁水盆地南部煤层气开发利用高技术产业化示范工程综述

山西沁水盆地南部（以下简称沁南）煤层气开发利用高技术产业化示范工程是国家发展和改革委员会于2004年12月正式批准实施的第一个国家级煤层气开发示范工程项目。中联煤层气有限责任公司作为项目主管单位和建设单位,积极推进项目建设,2009年10月,示范工程一期150口井气田建设全面竣工投产,达到了1×10⁸ m³/a的产能建设规模。这标志着中国煤层气地面开发正式步入快速发展的大规模商业化轨道,为沁南煤层气的商业开发起到了示范和推动作用,加速了中国煤层气产业化的进程。该示范工程采用现代化的项目管理模式,进行了较好的项目组织管理及工程质量控制,形成了“300 m×300 m井网部署”、“空气钻井技术”、“微珠低密度固井技术”、“清水加砂压裂技术”、“氮气泡沫压裂技术”、“分片集输一级增压地面集输技术”、“稳控精细排采技术”、“无烟煤储层生产特征分析”等8项适合于沁南高阶煤的技术系列,并得到了推广应用。另外还对新材料、新装备进行了试验应用,并制订了煤层气两个行业标准和两个企业标准,对国内煤层气田直井开发具有借鉴和示范作用。     

沁水盆地和顺地区煤层气储层物性特征

在对沁水盆地和顺地区煤层气有利区带的地质资料进行相关分析基础上,采集了不同煤矿井下煤样和顶板盖层样品并进行了超声波测试,初步形成了在地层温度与压力条件下的煤样采集、样品制备及测试分析等基本岩石物理参数测试技术。应用MTS岩石物理参数测试系统对该区煤样进行岩石物理参数测试,获得该区煤层气有利区带储层岩石物理参数测试数据及其分布范围,表明煤层纵横波速度之间具有良好的线性关系,煤样及盖层样在纵横波衰减方面存在-定的差异。煤层的弹性特征与盖层存在明显差异,并具有较强的各向异性和非线性特征,可为岩石物理模型、实际模型的数值模拟和波场特征分析提供依据,也为煤层气的预测提供了-种途径。