李愛(ài)榮朱海濤，何廷鵬

(1.西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系，陜西 西安710069;2.西安石油大學(xué)地學(xué)院，陜西 西安710065;3.延長(zhǎng)油田股份有限公司，陜西 延安，716000;4.重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院，四川 重慶400000)

煤層氣俗稱“瓦斯”，是與煤炭伴生、以吸附或游離狀態(tài)儲(chǔ)存于煤層內(nèi)的非常規(guī)天然氣，主要成份是甲烷(CH4)。其熱值是通用煤的2－5倍，與天然氣熱值相當(dāng)，可以與天然氣混輸混用，是上好的工業(yè)、化工、發(fā)電和居民生活的潔凈燃料;當(dāng)煤層氣空氣濃度達(dá)到5%～16%時(shí)，遇明火就會(huì)爆炸，這是煤礦瓦斯爆炸事故的根源;煤層氣直接排放到大氣中，其溫室效應(yīng)約為二氧化碳的21倍，對(duì)生態(tài)環(huán)境破壞性極強(qiáng)。因此，從能源、安全和環(huán)保的角度看，煤層氣的開(kāi)采具有重要意義[1－4]。

1 中國(guó)煤層氣資源潛力

我國(guó)煤層氣資源豐富，埋深2 000 m以內(nèi)煤層氣地質(zhì)資源量約36.81×1012m3，與常規(guī)的天然氣資源量相當(dāng)，約占世界煤層氣總資源量的10%，僅次于俄羅斯和加拿大[3]。目前，中國(guó)煤層氣可采資源量約10×1012m3，累計(jì)探明煤層氣地質(zhì)儲(chǔ)量1 023×108m3，可采儲(chǔ)量約470×108m3。全國(guó)95%的煤層氣資源分布在晉陜內(nèi)蒙古、新疆、冀豫皖和云貴川渝等四個(gè)含氣區(qū)[5－6]。

我國(guó)煤層氣地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，部分含煤盆地后期改造較強(qiáng)，構(gòu)造形態(tài)多樣，煤層及煤層氣資源賦存條件在鄂爾多斯等大中型盆地較為簡(jiǎn)單，在中小盆地較為復(fù)雜。東北賦煤區(qū):部分上覆地層厚度較大或煤層氣封蓋條件較好，有利于煤層氣開(kāi)發(fā)。華北賦煤區(qū):呂梁山以西的鄂爾多斯盆地東緣及呂梁山與太行山之間的山西斷隆(包括沁水盆地)，構(gòu)造條件有利于煤層氣開(kāi)發(fā);太行山以東華北盆地，煤層氣開(kāi)發(fā)困難。西北賦煤區(qū):西北塔里木陸塊、準(zhǔn)噶爾及伊犁盆地，煤層氣開(kāi)發(fā)條件較好。華南賦煤區(qū):煤層氣資源開(kāi)發(fā)條件較復(fù)雜。滇藏賦煤區(qū):煤層氣保存的構(gòu)造條件差。中國(guó)五大聚煤區(qū)因地質(zhì)條件的差異導(dǎo)致煤層氣資源分布差異甚大(見(jiàn)圖1)。我國(guó)煤層氣資源以華北和西北聚煤大區(qū)為主，分別占全國(guó)總資源量的62.7%和28.0%，其次為華南聚煤大區(qū)，東北聚煤大區(qū)煤層氣資源量相對(duì)較低，滇藏聚煤大區(qū)煤層氣資源量極少[8]。

我國(guó)煤層氣儲(chǔ)層壓力以欠壓煤儲(chǔ)層為主，部分煤儲(chǔ)層壓力較高，儲(chǔ)層壓力梯度最低為2.24千帕/米，最高達(dá)17.28千帕/米。我國(guó)煤層滲透率較低，平均在0.002～16.17毫達(dá)西。其中，滲透率小于0.10毫達(dá)西的占35%;0.1～1.0毫達(dá)西的占37%;大于1.0毫達(dá)西的占28%;大于10毫達(dá)西的較少。

圖1 中國(guó)五大聚煤區(qū)煤層氣資源分布圖

2 煤層氣的增產(chǎn)措施

我國(guó)的煤層氣藏普遍存在“三低一高”(壓力較低、飽和度低、滲透率低和吸附性高)的特點(diǎn)，這種特點(diǎn)造成煤層氣勘探開(kāi)發(fā)難度較大，如果只采用抽排煤層中的承壓水來(lái)降低煤層壓力的方法，使煤層中吸附的甲烷氣釋放出來(lái)，而不采取任何增產(chǎn)措施，不僅煤層氣單井產(chǎn)量較低，而且許多井將失去開(kāi)采的價(jià)值。目前國(guó)內(nèi)外煤層氣增產(chǎn)措施有水力壓裂改造技術(shù)、注氣增產(chǎn)技術(shù)、多分支水平井技術(shù)、復(fù)合射孔壓裂技術(shù)、采煤采氣一體化技術(shù)和洞穴完井技術(shù)等。

2.1 叢式井與羽狀水平井

叢式井是指在一個(gè)井場(chǎng)上有計(jì)劃地鉆出兩口及以上的定向井組，該技術(shù)是隨著鉆井技術(shù)和工藝的發(fā)展大規(guī)模應(yīng)用于地面條件差，井場(chǎng)不便的地區(qū)。國(guó)內(nèi)，長(zhǎng)慶油田和延長(zhǎng)油礦大規(guī)模應(yīng)用于低滲油氣田勘探開(kāi)發(fā)[7－9]，同時(shí)灘海和海上鉆井平臺(tái)也大量使用，降低鉆井綜合成本，提高經(jīng)濟(jì)效益[10－11]。華北油田在沁水盆地部分區(qū)域進(jìn)行了大量使用[12]，同時(shí)煤層氣公司韓城分公司在2008年施工了叢式井組，排采效果也較好。韓城、三交及大寧吉縣地區(qū)地面地形條件較差，征地和道路修整困難，大部分區(qū)域較適合采用叢式井技術(shù)開(kāi)發(fā)煤層氣田。

定向羽狀水平井是在常規(guī)水平井和分支井的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，是指在一個(gè)主水平井眼的兩側(cè)再鉆出多個(gè)分支井眼作為泄氣通道(見(jiàn)圖2)。定向羽狀水平井極大地增加了煤層的裸露面積，溝通了煤內(nèi)的割理、裂隙系統(tǒng)，擴(kuò)展了煤層流體的泄流范圍，可形成大面積壓降區(qū)域，進(jìn)而達(dá)到高產(chǎn)的目的。另外，定向羽狀水平井通過(guò)破壞煤層的原始結(jié)構(gòu)狀態(tài)，打破煤層的原始地應(yīng)力分布，促進(jìn)井眼附近裂隙擴(kuò)張，提高裂隙的導(dǎo)流能力，改善煤儲(chǔ)層的滲透性，獲得高產(chǎn)氣量。

圖2 定向羽狀分支水平井示意圖

2.2 水力壓裂增產(chǎn)法

水力壓裂增產(chǎn)技術(shù)是開(kāi)采煤層氣、致密砂巖氣及頁(yè)巖氣的必要的有效增產(chǎn)措施，美國(guó)90%以上的煤層氣井是由水力壓裂改造的，目前我國(guó)幾乎所有產(chǎn)氣量在1 000 m3/d以上的煤層氣井都是通過(guò)水力壓裂改造而獲得的[11]。通過(guò)高壓驅(qū)動(dòng)水流擠入煤中，壓開(kāi)煤層裂縫，加入支撐劑，進(jìn)而在煤中產(chǎn)生更多的延伸很遠(yuǎn)的次生裂縫與裂隙，增加煤層的透氣性。最后通過(guò)排水－降壓－解吸的過(guò)程，達(dá)到正常排氣的目的。目前，國(guó)內(nèi)外煤層氣井的壓裂方法有凝膠壓裂、加砂水壓裂、不加砂水壓裂、泡沫壓裂、清水壓裂等。

水力攜砂壓裂技術(shù)是煤層氣增產(chǎn)的首選方法，美國(guó)對(duì)于水力壓裂技術(shù)研究最早，經(jīng)水力壓裂后的煤層，能夠產(chǎn)生眾多且延伸很遠(yuǎn)的裂縫，其產(chǎn)量較壓裂前增加了5～20倍，效果非常顯著。我國(guó)含煤地層一般都經(jīng)歷了成煤后的強(qiáng)烈構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，煤層的原始結(jié)構(gòu)往往遭到很大破壞，塑性大大增強(qiáng)，導(dǎo)致水力壓裂時(shí)，往往既不能進(jìn)一步擴(kuò)展原有的裂隙和割理，也不能產(chǎn)生新的較長(zhǎng)的水力裂縫，使得壓裂效果并不理想，需要一定的措施以保證效果[12]。

2.3 氣體驅(qū)替增產(chǎn)法

注氣驅(qū)替增產(chǎn)法是一種新型的煤層氣增產(chǎn)方法，它是通過(guò)向煤層中注入CO2、N2等氣體來(lái)獲得增產(chǎn)的。

由于煤層對(duì)不同氣體的吸附能力不同，從強(qiáng)到弱依次為CO2、CH4和 N2。CO2可促進(jìn)煤層內(nèi)甲烷的解吸和擴(kuò)散[13－16]。由于煤層對(duì) CO2的吸附作用大于 CH4，當(dāng)向煤層中注入 CO2時(shí)，將排擠吸附在煤層里的 CH4，使其解吸，而CO2則被吸附到煤表面，這種作用被稱為競(jìng)爭(zhēng)吸附置換作用;氮?dú)怛?qū)替原理則明顯不同，由于煤對(duì)N2的吸附能力比對(duì)CH4弱，N2是不能與CH4競(jìng)爭(zhēng)吸附的，只能在等壓狀態(tài)下通過(guò)降低游離甲烷的分壓來(lái)影響其吸附等溫線，促使吸附的CH4被置換出來(lái)。但是，氣體在煤層中的吸附能力越強(qiáng)，它對(duì)煤層形變、孔隙度、和滲透率的影響也越大。注入CO2到煤層中，會(huì)產(chǎn)生煤基質(zhì)膨脹、應(yīng)力增大及滲透率降低的現(xiàn)象;注入N2到煤層中，雖然不會(huì)對(duì)煤層物性產(chǎn)生負(fù)面影響，但N2的優(yōu)先遷移方向是沿著主要滲透率方向，會(huì)降低區(qū)域驅(qū)氣效率。鑒于上述驅(qū)替原理和煤層與氣體相互影響，可采用多種氣體混合驅(qū)替，克服單種氣體驅(qū)替產(chǎn)生一些矛盾。

3 國(guó)內(nèi)煤層氣開(kāi)發(fā)前景

華北中、高煤階區(qū)仍是煤層氣勘探開(kāi)發(fā)的主戰(zhàn)場(chǎng)。華北地區(qū)預(yù)測(cè)煤層氣遠(yuǎn)景資源量為17.13×1012m3，占全國(guó)62.7%，其中在中、高煤階區(qū)的遠(yuǎn)景資源量123×108m3，占全國(guó)44%。這類煤階一般煤層割理發(fā)育，煤儲(chǔ)層物性好，封蓋條件好，保存條件有利，高產(chǎn)條件優(yōu)越[17]。

東北、西北低煤階煤層氣的勘探。東北、西北的侏羅系－下第三系，廣泛沉積一套陸相低煤階中小型含煤盆地，在連續(xù)沉積較大型盆地的斜坡帶，尋找古水動(dòng)力場(chǎng)相對(duì)穩(wěn)定、原生割理發(fā)育和優(yōu)質(zhì)巨厚煤層分布區(qū)，即尋找高飽和生物降解型煤層氣田，這類地區(qū)盡管含氣量低，但煤層巨厚、物性好、含氣飽和度高，可形成高產(chǎn)區(qū)。據(jù)預(yù)測(cè)，低煤階煤層氣遠(yuǎn)景資源量約為8×1012m3，約占全國(guó)總資源量的近30%。近幾年美國(guó)粉河、尤因塔等盆地發(fā)現(xiàn)這類高產(chǎn)煤層氣田。

南方殘留型含煤盆地，約有23個(gè)含煤盆地，煤層氣遠(yuǎn)景資源量約為2.15×1012m3，占全國(guó)8%;其中貴州六盤(pán)水盆地煤層厚15～25 m，含氣量10～35 m3/t，9個(gè)殘余向斜面積達(dá)4 355 km2，煤層氣遠(yuǎn)景資源量約(7 000～9 000)×108m3。江西萍樂(lè)地區(qū)煤層氣也比較富集，有利勘探面積2 400 km2，煤層氣遠(yuǎn)景資源量約400×108m3。對(duì)這些有利目標(biāo)應(yīng)深化研究煤層氣成藏條件，優(yōu)選有利區(qū)塊進(jìn)行鉆探。南方還有一些巨厚煤層分布的小盆地，如云南省一些第三系小盆地，也是低煤階煤層氣勘探有利地區(qū)。

4 結(jié)語(yǔ)

中國(guó)煤層氣資源潛力非常巨大，有著良好的勘探開(kāi)發(fā)前景。從可持續(xù)發(fā)展的能源戰(zhàn)略看，煤層氣可以作為天然氣的現(xiàn)實(shí)接替能源，從而改善中國(guó)不合理的以煤炭為主的能源結(jié)構(gòu)，保證國(guó)民經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)定、快速、健康發(fā)展。由于中國(guó)的煤層氣藏普遍具有低壓、低滲透、低飽和及高吸附性的特點(diǎn)，造成其開(kāi)采難度大，如何提高煤層氣開(kāi)采的回收量和回收率，是中國(guó)煤層氣開(kāi)采的關(guān)鍵問(wèn)題。

煤層氣增產(chǎn)措施有水力壓裂改造技術(shù)、注氣增產(chǎn)技術(shù)、多分支水平井技術(shù)、復(fù)合射孔壓裂技術(shù)、采煤采氣一體化技術(shù)和洞穴完井技術(shù)。其中羽狀水平井技術(shù)、水力壓裂改造技術(shù)和多元?dú)怏w混注驅(qū)替增產(chǎn)技術(shù)是目前開(kāi)采煤層氣的主要的增產(chǎn)措施。根據(jù)中國(guó)煤層氣藏的特點(diǎn)，利用并優(yōu)化現(xiàn)有的增產(chǎn)技術(shù)，研究適合我國(guó)煤層氣儲(chǔ)層特點(diǎn)的增產(chǎn)技術(shù)是以后研究的方向[18]。

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