楊　陸　武

(北京奧瑞安能源技術(shù)開發(fā)有限公司，北京　100195)

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難動(dòng)用煤層氣資源的高產(chǎn)開采技術(shù)研究
——論煤層氣資源的特殊性及其開發(fā)工程中的“窗-尾效應(yīng)”

楊陸武

(北京奧瑞安能源技術(shù)開發(fā)有限公司，北京100195)

摘要:針對(duì)中國煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展中,工程成功率和產(chǎn)量達(dá)成率雙底以及開采難動(dòng)用資源缺乏有效技術(shù)的兩大難題,提出了解決兩大難題的基本技術(shù)思路，建立了1套新的資源認(rèn)識(shí)標(biāo)準(zhǔn),并在這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)下探討如糾偏并設(shè)計(jì)更有效的開發(fā)技術(shù)路徑和實(shí)施辦法。研究發(fā)現(xiàn)了煤層氣在賦存規(guī)律和開采技術(shù)要求上不同于其他天然氣資源的三大特殊性,第一“非氣”,典型意義上的煤層氣以特殊的固流體狀態(tài)賦存,獨(dú)立相態(tài)的氣體資源是不存在的，依據(jù)耦合動(dòng)力的不同把煤層氣資源分為四大類；第二“育采”,開采煤層氣從來都不是直接采氣，采氣之前必須先通過解構(gòu)工程把氣培育出來,要么先“采水(排水)”，要么先“采煤(掏煤)”；第三“窗-尾效應(yīng)”，難動(dòng)用煤層氣資源的開采工藝的有效性取決于儲(chǔ)層改造“時(shí)間窗”和排水“長尾”的管控效率。

關(guān)鍵詞:煤層氣；固流體；耦合；時(shí)間窗；長尾；開采

從2012年開始，中國煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展進(jìn)入新一輪平臺(tái)期，兩大難題在拷問科學(xué)家：① 工程成功率和產(chǎn)能轉(zhuǎn)化率雙低的原因究竟在哪里？統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，大量工程在投產(chǎn)的第1天就注定成為氣田開發(fā)的負(fù)資產(chǎn)，目前全國16 000口井中只有約1/3正常生產(chǎn)；各大氣田雖然設(shè)計(jì)總產(chǎn)能超過了100億m3，但投產(chǎn)后實(shí)際總產(chǎn)量不到40億m3。尷尬的數(shù)據(jù)背后是深度的技術(shù)困惑和基于這些技術(shù)困惑的管理錯(cuò)配。② 開采難動(dòng)用資源的有效技術(shù)是什么？擁有37萬億m3總資源量，但用了20 a也僅涉足了其中不到20%的資源量，產(chǎn)量突破也僅限于這些資源的極小范圍內(nèi)(沁水盆地南部和鄂爾多斯東緣北部)，各種跳出這個(gè)范圍的努力基本上都以失敗告終[1-2]。

限于篇幅，筆者不準(zhǔn)備展開描述這2個(gè)問題，本文要討論的是如何解決以上兩大難題的最基本的內(nèi)核技術(shù)邏輯：重新檢討從美國經(jīng)驗(yàn)繼承下來的關(guān)于煤層氣資源的認(rèn)識(shí)和技術(shù)邏輯，重新思考技術(shù)路徑選擇和研發(fā)的有效性[3-5]。

研究有3個(gè)重要發(fā)現(xiàn): ① 長期以來關(guān)于煤層氣資源的認(rèn)識(shí)被扭曲了，至少資源認(rèn)識(shí)的視角有問題，錯(cuò)誤的資源認(rèn)識(shí)使得很多影響資源開發(fā)的關(guān)鍵問題被忽略，造成了關(guān)鍵開發(fā)工藝的嚴(yán)重缺位或者錯(cuò)位。② 長期以來的工程手段偏離了地質(zhì)目的，尤其在地質(zhì)目的被曲解的情況下，工程手段基本上都是在盲目試錯(cuò)，甚至工程設(shè)計(jì)都是錯(cuò)誤的，丟失了“解決地質(zhì)問題需要借力地質(zhì)條件”的最大工程利器。③ 長期以來的工程實(shí)施方式錯(cuò)誤地陷入了對(duì)大量孤立細(xì)節(jié)的過度關(guān)注，奔行在無限制降低成本軌道上的切割分包快車駛?cè)肓怂篮?，?dāng)“不厭其細(xì)”地醉心于切割細(xì)分工程的時(shí)候，初心已失，甚至已經(jīng)忘記了為什么要做這些細(xì)分。

本文將在重點(diǎn)論述以上3個(gè)問題的基礎(chǔ)上建立1套新的資源認(rèn)識(shí)標(biāo)準(zhǔn)，并在這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)下探討如何糾偏并建立更有效的開發(fā)技術(shù)路徑和實(shí)施辦法，但限于篇幅本文不能展開討論非常具體的定量標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)方案，將以闡述基本的理論邏輯為主。相關(guān)研究仍在進(jìn)行中，還有很多需要繼續(xù)完善的地方，但現(xiàn)在已揭示的規(guī)律以及被驗(yàn)證的成果應(yīng)該可以基本確立一個(gè)有效的技術(shù)坐標(biāo)用于生產(chǎn)組織和技術(shù)研發(fā)參考。

文中出現(xiàn)的相關(guān)專有名詞解釋如下：

(1)固流體：在給定的溫度條件下，受壓力變量和應(yīng)力變量的共同作用，煤、水、氣不再保持獨(dú)立的相態(tài)結(jié)構(gòu)而互相耦合形成一種新型的地質(zhì)體，這個(gè)地質(zhì)體對(duì)壓力和應(yīng)力這2個(gè)變量高度敏感，敏感的程度和耦合物的狀態(tài)也會(huì)隨著煤的變質(zhì)程度和無機(jī)礦物組成、水中的化合物成分，以及氣體的組分結(jié)構(gòu)而疊加變化。

(2)固流解構(gòu)：通過改變壓力和應(yīng)力變量引導(dǎo)打破煤水氣耦合平衡，分解固流體實(shí)現(xiàn)煤水氣獨(dú)立相態(tài)回歸的過程。目前常用的手段包括排水降壓、移煤泄壓、脫附強(qiáng)化等。

(3)解吸硬化：在解構(gòu)工程的作用下，煤體結(jié)構(gòu)因甲烷解吸而釋放吸附應(yīng)變進(jìn)而實(shí)現(xiàn)基質(zhì)收縮而硬化的變化。

(4)裂隙再造：煤體在解除了應(yīng)力應(yīng)變和吸附應(yīng)變以后會(huì)出現(xiàn)大規(guī)模的裂隙再生以及基質(zhì)收縮，完成裂隙再造。

(5)顯性工程：解構(gòu)工程的一種，特指透過壓力管控打破煤水氣耦合實(shí)現(xiàn)三相分離。顯性工程的關(guān)鍵工藝包括洞穴、多分支無限導(dǎo)流、支撐壓裂等，顯性工程大多數(shù)情況下是線性解構(gòu)，當(dāng)?shù)貙拥膽?yīng)力敏感性增加的時(shí)候，可能會(huì)部分啟動(dòng)循環(huán)解構(gòu)。

(6)隱性工程：解構(gòu)工程的一種，特指透過應(yīng)力管控打破煤水氣耦合實(shí)現(xiàn)三相分離，隱性工程的關(guān)鍵工藝包括沖擊壓裂、應(yīng)力重置、移煤泄壓、脫附強(qiáng)化、解吸硬化、裂隙再造、以及井內(nèi)干擾等。隱性工程一定會(huì)啟動(dòng)循環(huán)解構(gòu)。

(7)支撐壓裂：以創(chuàng)建壓降通道的壓力管控為主要目的，通過實(shí)施主干裂縫并充填有效支撐劑實(shí)現(xiàn)主干裂縫與煤體的自然裂隙長期有效連通。

(8)沖擊壓裂：以盡可能實(shí)現(xiàn)最大范圍應(yīng)力重構(gòu)的應(yīng)力管控為主要目的，通過實(shí)施可以推進(jìn)應(yīng)力釋放和應(yīng)變恢復(fù)的沖擊性網(wǎng)狀裂隙為體積解吸和煤體裂隙再造創(chuàng)造條件。

(9)移煤泄壓：特指利用沖擊壓裂盡可能大體量地塑造煤體變形和位移甚至從近井筒向地面轉(zhuǎn)移煤體體積，達(dá)到降低作用于單位體積煤體的應(yīng)力實(shí)現(xiàn)大強(qiáng)度的應(yīng)力釋放。這里的泄壓是指泄放地壓，也就是地應(yīng)力。移煤泄壓可以釋放應(yīng)力應(yīng)變，間接促進(jìn)吸附應(yīng)變的釋放。

(10)脫附強(qiáng)化：以電磁振蕩改變影響分子極性或者物理振動(dòng)干擾弱化氣體與煤體的吸附強(qiáng)度進(jìn)而強(qiáng)化脫附作用的工程手段。

(11)最佳解構(gòu)時(shí)間窗：主要指應(yīng)力管控的最佳時(shí)間段。由于受無限地質(zhì)邊界壓力和應(yīng)力環(huán)境趨同作用的控制，依靠外來工程實(shí)現(xiàn)的應(yīng)力干涉和影響會(huì)隨著工程的結(jié)束快速消失，從鉆井到形成穩(wěn)產(chǎn)之前的這段時(shí)間是應(yīng)力影響最敏感的時(shí)間段，需要合理設(shè)計(jì)從應(yīng)力重置直到裂隙再造和滾動(dòng)擴(kuò)張的工藝銜接以及速度。

(12)解構(gòu)擴(kuò)張與最大解構(gòu)邊界：主要指應(yīng)力管控所能實(shí)現(xiàn)的最大井控面積，與科學(xué)的排采設(shè)計(jì)關(guān)系密切。

(13)井內(nèi)干擾：受應(yīng)力耦合的影響，沖擊壓裂或者類似工程所能影響的體積解吸范圍非常有限，需要加大體積解吸單元之間的干擾密度，這個(gè)大密度干擾只能透過水平井內(nèi)部的近距離分段壓裂來實(shí)現(xiàn)。

(14)井間干擾：在正常的顯性工程和隱性工程都能邊界最大化的條件下，發(fā)揮井與井之間的降壓溝通，實(shí)現(xiàn)最大能力的導(dǎo)流產(chǎn)氣。

1關(guān)于煤層氣資源的再認(rèn)識(shí)

煤層氣作為資源常被拿來和常規(guī)天然氣做對(duì)比，對(duì)比的基點(diǎn)是2者都是以甲烷為主要成分的資源，都是賦存在地下儲(chǔ)層/藏里的氣態(tài)天然氣，在以往的認(rèn)知里2者主要的不同在于煤層氣的吸附屬性。由此各種關(guān)于煤層氣成藏的研究和開采工藝技術(shù)也就在這樣的異同對(duì)比中展開了，煤層氣也從常規(guī)油氣行業(yè)調(diào)用并逐步修正完善形成了自己的理論框架，其中最著名是“排水降壓—解吸—擴(kuò)散—滲流”技術(shù)路線圖，在這個(gè)路線圖引導(dǎo)下建立了現(xiàn)在的“鉆井—壓裂—排采”的基本工程配置。

從以往的開發(fā)實(shí)踐來看，這個(gè)技術(shù)配置確實(shí)支撐了美國煤層氣產(chǎn)業(yè)的繁榮，也支持了中國前2個(gè)階段非常顯著的勘探開發(fā)部署和成果。但問題在于同樣的技術(shù)邏輯，何以美國用55 000口井支持了約476億m3的年產(chǎn)量，澳洲也僅用6 000口井獲得了96億m3的年產(chǎn)量,而我國用16 000口井僅支持了不到40億m3的年產(chǎn)量(表1,根據(jù)文獻(xiàn)[6]和王鑫錦、趙慶波教授統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)修訂)。

沿著這個(gè)巨大反差開展的研究揭開了過去關(guān)于煤層氣資源認(rèn)識(shí)的嚴(yán)重不足，需要修正的資源認(rèn)識(shí)主要表現(xiàn)在3方面(圖1的“資源認(rèn)識(shí)”部分)：

(1)盡管希望開采出煤層氣資源，但地下的煤層氣并不以嚴(yán)格意義上的獨(dú)立氣態(tài)存在，煤層甲烷、水以及煤一起耦合共生形成了1種為固流體(Soluids)的特殊物質(zhì)形態(tài)，離開這個(gè)特殊形態(tài)開展的煤層氣資源研究和開發(fā)工程實(shí)際上不能完全覆蓋開發(fā)這個(gè)特殊類型資源的技術(shù)需求。大部分情況下開采的甲烷資源在地下其實(shí)既不是聚集氣也不是簡單的吸附于孔隙之中的流態(tài)氣，而是被束縛在1種煤、水、氣三相物質(zhì)在壓力和應(yīng)力作用下相變?yōu)椤澳阒杏形摇⑽抑杏心恪钡奶厥夤塘黧w中，氣體甲烷、固體煤以及液體水都是這個(gè)固流體的固定組成部分。在給定溫度條件下，流體中的水和甲烷分別與固體中的有機(jī)組分無機(jī)礦物在壓力及應(yīng)力作用下產(chǎn)生耦合。對(duì)這樣的耦合體，并不存在1個(gè)把氣體從煤表面分離出來的通用而簡單的辦法。固流體的極端狀態(tài)是固流完全松散耦合依托構(gòu)造高點(diǎn)形成圈閉氣和固流徹底耦合構(gòu)成固流一體的流態(tài)煤。

表1　各主要煤層氣生產(chǎn)國煤層氣年產(chǎn)量與生產(chǎn)井?dāng)?shù)量對(duì)比[6]

(2)這個(gè)特殊的固流體受壓力和應(yīng)力的雙重作用，并且隨著壓力和應(yīng)力狀態(tài)的不同而呈現(xiàn)不同的賦存狀態(tài)。其中，壓力是影響流體體積和流動(dòng)能力的主要因素，應(yīng)力是控制固體結(jié)構(gòu)和力學(xué)性質(zhì)的關(guān)鍵要素。高應(yīng)力使煤體產(chǎn)生應(yīng)力應(yīng)變、孔隙結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變異，同時(shí)使甲烷從裂隙賦存走向孔隙賦存；高壓力一方面提升甲烷賦存總量，另一方面刺激煤體產(chǎn)生吸附應(yīng)變繼續(xù)改變甲烷賦存狀態(tài)和流動(dòng)性[7]。壓力和應(yīng)力互相影響，他們之間的互動(dòng)決定了固流體的固流耦合狀態(tài)。

在這個(gè)特殊的固流體中，流體包含了氣和水2種流態(tài)的物質(zhì)，固體則以有機(jī)組分為主并在不同的變質(zhì)程度條件下呈現(xiàn)不同的孔徑結(jié)構(gòu)組合；除了有機(jī)組分以外，還含有各種不同成分的無機(jī)礦物。有機(jī)組分決定了煤體與氣體的結(jié)合狀態(tài)和結(jié)合能力，無機(jī)礦物則與水有著不同形式的化學(xué)反應(yīng)。氣體在由承壓水貢獻(xiàn)的流體壓力作用下吸附在煤體孔隙表面或以游離狀態(tài)聚集在裂隙裂縫中；固體則由于有機(jī)顯微組分極其豐富的孔徑結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出與地應(yīng)力的高度敏感性。特定的地質(zhì)環(huán)境下，壓力和應(yīng)力會(huì)表現(xiàn)出有規(guī)律的互動(dòng)，應(yīng)力作用下的應(yīng)力、應(yīng)變與壓力作用下的吸附應(yīng)變會(huì)互相疊加，這個(gè)疊加會(huì)隨著固體變質(zhì)程度及其孔徑結(jié)構(gòu)和裂隙狀態(tài)不同而對(duì)吸附于其中的流體流動(dòng)性產(chǎn)生不同影響，也對(duì)固體的導(dǎo)流能力產(chǎn)生影響，在工程參數(shù)上表現(xiàn)為含氣量和滲透率的深度差異[8]。

(3)由于最終的開采對(duì)象煤層氣資源和其特殊的載體固流體其實(shí)不可分割，對(duì)煤層氣資源的評(píng)估必須從過去簡單地關(guān)注氣態(tài)資源轉(zhuǎn)移到對(duì)固流體的評(píng)估上來。以下是固流體評(píng)估的2個(gè)原則(圖1)：① 圍繞實(shí)際的地下資源對(duì)象——“固流體”展開評(píng)估。煤層氣資源以固流體的狀態(tài)賦存，評(píng)估氣體資源，需要首先評(píng)估固流體的體積、邊界以及內(nèi)在的固流耦合控制條件，由此構(gòu)成三元評(píng)估：流體、固體、固流耦合關(guān)系；依據(jù)三元評(píng)估把煤層氣固流體資源分為兩大類(壓力耦合、應(yīng)力耦合)、四小類(I/II型壓力氣、I/II型應(yīng)力氣)。② 圍繞工程目的——“如何從固流體中分離出天然氣”展開評(píng)估。研究資源的最終目的是開采，因此評(píng)估結(jié)果必須能夠延伸為可實(shí)施工程和可管控工藝，評(píng)估的關(guān)鍵要聚焦到可解構(gòu)的耦合關(guān)系上；固流耦合的過程就是地質(zhì)演化的過程，固流解構(gòu)的過程就是工程開采的過程；這個(gè)延伸會(huì)重新檢討過去開采工藝的盲點(diǎn)——嚴(yán)重忽略了以解構(gòu)應(yīng)力耦合為標(biāo)志的著力于放大解吸和擴(kuò)散能力并引導(dǎo)實(shí)現(xiàn)滲流反作用于解析擴(kuò)散過程的技術(shù)手段。

考慮到溫度在地質(zhì)環(huán)境中強(qiáng)烈趨同能力，本文僅討論給定溫度環(huán)境下壓力和應(yīng)力對(duì)固流體的改造作用，但顯然深部地層或者特殊地?zé)岘h(huán)境下的溫度變異必然帶來巨大的固流體內(nèi)部作用變化，這個(gè)變化留待今后研究和論述。

2關(guān)于煤層氣開發(fā)技術(shù)的再理解

開采煤層氣的過程就是解構(gòu)固流耦合的過程，鑒于地下固流體的特殊賦存狀態(tài)和賦存特點(diǎn)，解構(gòu)活動(dòng)貫穿于煤層氣生產(chǎn)的全周期，解構(gòu)工程除了鉆井和壓裂等短周期作業(yè)以外，煤層氣的排采活動(dòng)所表現(xiàn)的解構(gòu)效應(yīng)長周期活躍，是煤層氣解構(gòu)工程中的長尾工程。研究發(fā)現(xiàn)，過去的短周期作業(yè)基本忽略了時(shí)間窗效應(yīng)，長周期工程錯(cuò)誤地放棄了長尾效應(yīng)。

解構(gòu)工程本質(zhì)上是對(duì)地質(zhì)過程的逆向回放(圖1的“解決方案”部分)。圍繞固流耦合的控制要素，解構(gòu)工藝有兩大類，一類管控壓力，負(fù)責(zé)解構(gòu)壓力耦合，直接管控對(duì)象是流體；一類管控應(yīng)力，負(fù)責(zé)解構(gòu)應(yīng)力耦合，直接管控對(duì)象是固體。對(duì)于典型的壓力耦合固流體，解構(gòu)工程可以非常簡單，I型壓力氣采用顯性工程通過簡單的線性解構(gòu)就可以完全釋放地層產(chǎn)能(線性解構(gòu)表現(xiàn)為直接管控流體通過強(qiáng)化滲流作用推進(jìn)“排水降壓—解吸—擴(kuò)散—滲流”過程，典型的壓力耦合條件下依靠地層自身導(dǎo)流能力即可實(shí)現(xiàn)快速的壓降傳遞和氣體流動(dòng))；II型壓力氣部分激發(fā)循環(huán)解構(gòu)(圖1)就會(huì)有非常顯著的產(chǎn)能釋放效果。而應(yīng)力耦合固流體則必須借助隱性工程(圖1)充分激發(fā)循環(huán)解構(gòu)，循環(huán)解構(gòu)實(shí)際上是一個(gè)聯(lián)動(dòng)的雙循環(huán)系統(tǒng)[1,9]，內(nèi)外2個(gè)循環(huán)分別在應(yīng)力釋放和流壓突變的時(shí)候被激發(fā)。但由于無限地質(zhì)邊界強(qiáng)大的耦合趨同能力，有限井控范圍內(nèi)通過應(yīng)力管控實(shí)現(xiàn)解構(gòu)效應(yīng)最大化是存在非常有限的時(shí)間窗，這個(gè)時(shí)間窗已經(jīng)被奧瑞安在山西里必的高產(chǎn)4G工程完全證實(shí)，里必的4G高產(chǎn)井位于沁水深部，該井充分利用了地層能量設(shè)計(jì)和實(shí)施了隱性工程，不但解構(gòu)了應(yīng)力耦合而且最大程度地實(shí)現(xiàn)了滾動(dòng)解構(gòu)擴(kuò)張，獲得了單井日產(chǎn)25 000 m3的穩(wěn)定氣流。

圖1的循環(huán)解構(gòu)示意圖中，雙循環(huán)模型由內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)2個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成。紅色的內(nèi)循環(huán)是應(yīng)力應(yīng)變循環(huán)，由壓降、應(yīng)力應(yīng)變以及滲透率變化互動(dòng)構(gòu)；藍(lán)色的外循環(huán)是吸附應(yīng)變循環(huán)，透過壓降、解吸、吸附應(yīng)變、以及滲透率變化實(shí)現(xiàn)。在這個(gè)模型中溫度、壓力、以及應(yīng)力3個(gè)外部參數(shù)的任意一個(gè)變化理論上都可以帶動(dòng)內(nèi)外2個(gè)循環(huán)。如果固流體沒有應(yīng)力耦合，圖中最下端的直線P-C-q就是線性解構(gòu)。

當(dāng)固流體處在應(yīng)力耦合狀態(tài)的時(shí)候，只有在有效時(shí)間窗內(nèi)啟動(dòng)內(nèi)外2個(gè)循環(huán)并透過足夠規(guī)模的應(yīng)力釋放，才能實(shí)現(xiàn)解構(gòu)擴(kuò)張。

有5個(gè)長期以來被錯(cuò)誤理解并且大規(guī)模推廣實(shí)施的行業(yè)問題：① 為解構(gòu)工程設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，張冠李戴地為應(yīng)力氣配置顯性工程是過去大面積犯錯(cuò)的地方。② 為忽略隱性工程時(shí)間窗,浪費(fèi)了可以最大程度釋放產(chǎn)能的機(jī)會(huì)，因?yàn)檫@個(gè)時(shí)間窗的直接作用對(duì)象是固流體中的固體部分。③ 為片面追求切割分包，追求低成本工程效益，完全不顧分包工程的核心質(zhì)量要求以及分包工程之間的輸入輸出關(guān)系，造成了大量病/廢工程。④ 為理解排采在解構(gòu)作用中的長尾效應(yīng)，一味求快或求慢，造成了因?yàn)榕挪山鈽?gòu)的錯(cuò)誤配置徹底葬送了上游解構(gòu)工程的成果。⑤ 為以井間干擾代替井內(nèi)干擾，不但徹底抑制了單井產(chǎn)量，而且導(dǎo)致工程報(bào)廢。

表2是對(duì)當(dāng)前煤層氣行業(yè)主要開發(fā)技術(shù)及其適應(yīng)性的描述。經(jīng)過30 a的試錯(cuò)沉淀，大概有六大類有效開采技術(shù)已經(jīng)或正在被行業(yè)廣泛應(yīng)用。表2中第5和第6項(xiàng)技術(shù)是中國的重大技術(shù)創(chuàng)新。對(duì)比這些技術(shù)和發(fā)現(xiàn)，由于北美和澳洲特殊的煤層氣生產(chǎn)和儲(chǔ)存的地質(zhì)歷史，幾乎全部的產(chǎn)量都來自相對(duì)依托簡單線性解構(gòu)的顯性工程，美國約50%以上的產(chǎn)量來自圣胡安盆地，澳洲更是70%以上的年產(chǎn)量來自蘇拉特盆地，他們的共同特點(diǎn)是開采工藝簡單、開采成本低、單井產(chǎn)量高。本文研究的應(yīng)力管控在有著煤層氣規(guī)模產(chǎn)量的國家是見不到的，至少在當(dāng)前的天然氣供需關(guān)系條件下是不必要的。通常強(qiáng)調(diào)的中國煤層氣資源條件，不同于北美和澳洲的說法，深層的原因是耦合條件的差異，這個(gè)差異要求必須正視中國約2/3以上資源對(duì)特殊開采技術(shù)的需求，基于應(yīng)力管控的隱性工程創(chuàng)新是面臨的重大產(chǎn)業(yè)任務(wù)。

圖1　煤層氣固流體分類與開采關(guān)鍵技術(shù)邏輯關(guān)系Fig.1　Classification of CBM soluids and key developing technologies

技術(shù)體系技術(shù)描述解構(gòu)要求關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)適用資源特點(diǎn)(三元評(píng)估)氣體資源豐度儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)壓力/應(yīng)力耦合應(yīng)用實(shí)例經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)垂直井/(叢式)定向井1煤層段裸眼完井+洞穴雙循環(huán)解構(gòu)壓力收放與水力循環(huán)單層豐度高原生結(jié)構(gòu)高壓耦合中國境內(nèi)暫無成功實(shí)例,考慮到壓力耦合資源的稀缺性,這套工藝大規(guī)模使用的前景不大1.20世紀(jì)90年代初河南滎鞏錯(cuò)誤地選擇了應(yīng)力耦合資源2.20世紀(jì)90年代末依蘭簡易造穴工藝缺陷3.2000年準(zhǔn)南錯(cuò)誤地選擇了造穴工藝2煤層段裸眼+礫石充填完井線性解構(gòu)沒有難度豐度高,不要求垂向集中原生結(jié)構(gòu)且天然裂隙發(fā)育壓力耦合中國暫無可適用的資源發(fā)現(xiàn),也沒有相應(yīng)的應(yīng)用實(shí)踐3套管完井+頂?shù)鬃鈮毫?(定向井無桿泵)智能化排采+井間干擾單循環(huán)解構(gòu)支撐壓裂與降壓擴(kuò)張速度豐度高且垂向集中,不超過2個(gè)單層最好煤體結(jié)構(gòu)完整壓力耦合為主沁心盆地南部、鄂爾多斯東緣北部應(yīng)用成功,單井日產(chǎn)量超過2000/3000m3是我國主要產(chǎn)量貢獻(xiàn)技術(shù)之一沁水盆地北部壽陽和中深部鄭莊、夏店、鄂東南緣韓城應(yīng)力耦合影響嚴(yán)重區(qū)域幾乎全軍覆沒,約5000口單井平均日產(chǎn)量不到300m34套管完井+連續(xù)管拖動(dòng)壓裂+(定向井無桿泵)智能化排采+井間干擾單循環(huán)解構(gòu)連續(xù)油管連續(xù)壓裂、支撐壓裂與降壓擴(kuò)張速度豐度高但垂向分散,有超過3個(gè)以上的單層/段或者煤系產(chǎn)層無論是否破碎至少保留層理壓力耦合為主新疆準(zhǔn)南阜康單井高產(chǎn)平均6000m3以上二連霍林河連續(xù)管壓裂在解構(gòu)工藝上出現(xiàn)了失誤,不但不能解構(gòu)反而由于入井材料不當(dāng)改變了流體屬性加劇了耦合5裂隙帶篩管懸掛+負(fù)壓抽采雙循環(huán)解構(gòu)井筒抗變形與負(fù)壓疊加強(qiáng)度與速度控制煤礦采煤工作面煤厚大或者上覆煤系氣發(fā)育不要求不要求遼寧鐵法和安徽淮南單井日產(chǎn)都超過10000m3(叢式)水平井/順煤層斜井62.5G:多分支+清水進(jìn)尺+主井眼非金屬篩管+(單井筒無桿泵)智能化排采+井間干擾單循環(huán)解構(gòu)依賴多分支無限導(dǎo)流系實(shí)現(xiàn)持續(xù)解構(gòu)擴(kuò)張單層豐度高最好煤體結(jié)構(gòu)完整壓力耦合為主占全國2%的水平井貢獻(xiàn)了超過20%的產(chǎn)量,其中發(fā)揮作用最大的井型是2.5G,8年前創(chuàng)下的全國最高產(chǎn)的日產(chǎn)10萬m3記錄仍由這個(gè)井型保持。潘莊以及三交地區(qū)當(dāng)之無愧的主力井型潘莊從2014年開始錯(cuò)誤地拋棄了行之有效的高產(chǎn)井型2.5G、兩年來大量投資的各種新井型未竟一功。樊莊因?yàn)榻鈽?gòu)工藝設(shè)計(jì)和解構(gòu)擴(kuò)張控制的失誤造成了大約1/3的2.5G產(chǎn)能抑制甚至滅失;鄭莊深部應(yīng)力耦合環(huán)境下不當(dāng)實(shí)施的同類井型成功率不到1/374G:單支鋼套管+連續(xù)管多級(jí)壓裂+(單井筒無桿泵)智能化排采+井內(nèi)干擾+井間干擾雙循環(huán)解構(gòu)在應(yīng)力管控時(shí)間窗內(nèi)完成應(yīng)力重置和移煤泄壓以及脫附疊強(qiáng)并通過科學(xué)排采實(shí)現(xiàn)續(xù)解構(gòu)擴(kuò)張單層豐度高煤體破碎但保留層理(碎裂煤)或者層理完全滅失(糜棱煤)應(yīng)力耦合或者應(yīng)力耦合為主沁水中深部里必實(shí)現(xiàn)了25000m3日產(chǎn),趙莊構(gòu)造煤獲得了6000m3穩(wěn)產(chǎn),鶴壁粉煤通過移煤泄壓獲得了穩(wěn)定的3000m3產(chǎn)量。這套技術(shù)是各類難動(dòng)用資源將來大規(guī)模投入開發(fā)的希望所在馬必、柿莊北4G在解構(gòu)應(yīng)力耦合以及解構(gòu)連續(xù)性、特別是應(yīng)力管控的時(shí)間窗管理上出現(xiàn)了失誤造成產(chǎn)能釋放被完全抑制;里必同類井在時(shí)間窗管理不同的情況下出現(xiàn)了巨大的產(chǎn)能釋放反差

3結(jié)論

煤層氣資源及其開采有三大特殊性:

(1)“非氣”，煤層氣以特殊的固流體狀態(tài)賦存，獨(dú)立相態(tài)的氣體資源是不存在的。

從開采評(píng)估的角度來說，既不能把煤層氣資源看作是煤孔隙中聚集的游離氣，也不能簡單地理解為吸附在煤基質(zhì)顆粒表面的氣態(tài)膜。煤層氣資源是一種非常特殊的資源，在通過工程手段開采之前，這種資源以一種特殊的固流體狀態(tài)在地下賦存。極端情況下固流體演變?yōu)楣塘鞣蛛x的圈閉氣和固流合一的流態(tài)煤，前者是以煤為儲(chǔ)層的常規(guī)天然氣，后者是煤礦瓦斯突出的最大危險(xiǎn)目標(biāo)。

固流體作為煤層氣資源的開采價(jià)值取決于固流體的體積、邊界以及固流耦合的物理或化學(xué)條件。可以按照固體、流體以及固流耦合關(guān)系對(duì)固流體3個(gè)維度對(duì)固流體展開地質(zhì)評(píng)估(三元評(píng)估)，并依據(jù)耦合關(guān)系把煤層氣資源劃分為4類。

(2)“育采”，開采煤層氣從來都不是直接采氣，采氣之前必須先把氣培育出來，要么先“采水”，要么先“采煤”。

“采水育氣”工程稱之為顯性工程，它依靠強(qiáng)化滲流作用促進(jìn)提產(chǎn)；“采煤育氣”工程稱之為“隱性工程”，它依托激發(fā)解吸擴(kuò)散過程啟動(dòng)滲流并開啟解吸和滲流雙循環(huán)實(shí)現(xiàn)提產(chǎn)。

應(yīng)力作用于固體，壓力作用于流體，應(yīng)力和壓力互動(dòng)共同決定固流耦合關(guān)系。固體中的有機(jī)組分和無機(jī)礦物分別在壓力/應(yīng)力作用下與流體中的氣體和水發(fā)生物理吸附或者化學(xué)反應(yīng)，這些物理吸附或者化學(xué)反應(yīng)反過來又改變固體結(jié)構(gòu)和力學(xué)性質(zhì)；流體內(nèi)部的氣體和水在高壓環(huán)境中也會(huì)形成水溶氣。耦合關(guān)系的不同將決定未來煤層氣資源的開采對(duì)象具體是氣、還是氣+水、或是氣+水+煤，采出對(duì)象越多，開采工藝越復(fù)雜。

煤層氣資源開采工程實(shí)際上就是對(duì)煤水氣耦合物的解構(gòu)，這個(gè)解構(gòu)過程是煤層氣成藏地質(zhì)過程的逆向反演。壓力耦合條件下，采用顯性工程開采，采出物主要是氣或氣+水，解構(gòu)過程是通過先采水然后采氣在滲流階段實(shí)現(xiàn)線性擴(kuò)張的；應(yīng)力耦合條件下，采用隱性工程開采，采出物多是氣+水+煤，解構(gòu)過程通過先移煤在解吸擴(kuò)散階段激發(fā)雙循環(huán)從而實(shí)現(xiàn)循環(huán)擴(kuò)張，典型應(yīng)力氣的開采依賴于雙循環(huán)解構(gòu)的滾動(dòng)擴(kuò)張。排水降壓和移煤泄壓是線性解構(gòu)和循環(huán)解構(gòu)的典型工藝代表。

(3)“窗尾效應(yīng)”，煤層氣開采工程既要關(guān)注“時(shí)間窗”，又要關(guān)注“長尾”。

循環(huán)解構(gòu)存在非常重要的時(shí)間窗，離開這個(gè)時(shí)間窗，隱性工程實(shí)施效果大打折扣甚至毫無價(jià)值。開采以應(yīng)力耦合為主的煤層氣資源，需要全周期的解構(gòu)管控，尤其需要管控隱性工程時(shí)間窗。排采活動(dòng)是解構(gòu)工程非常重要的長尾，鉆井壓裂排采需要一體化組織并且排采活動(dòng)需要借助智能化工具做科學(xué)管控，重視時(shí)間窗和長尾工程是煤層氣資源開發(fā)完全不同于其他油氣資源的又一個(gè)典型特點(diǎn)。

沖擊壓裂和移煤泄壓工藝是應(yīng)力氣開采的主要技術(shù)，也是未來推翻深部、軟煤、高應(yīng)力3座大山的主力技術(shù)。以移煤泄壓和循環(huán)解構(gòu)為主要標(biāo)志的隱性工程特別強(qiáng)調(diào)工程實(shí)施的連續(xù)性，唯有連續(xù)性和一體化設(shè)計(jì)施工才能有效利用地質(zhì)環(huán)境解決地質(zhì)問題，從而降低成本提高開采活動(dòng)的經(jīng)濟(jì)空間，長期以來大量過度的切割細(xì)分低價(jià)分包的工程組織方式是煤層氣特別是應(yīng)力氣開采的人禍。

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Produce high rate gas from poor CBM reservoir-Study on CBM resource types and “Window-Longtail Effects” of reservoir during delivering gas

YANG Lu-wu

(BeijingOrionEnergyTechnologyDevelopmentCo.,Ltd.,Beijing100195,China)

Abstract:It is found that there are two difficult problems in China CBM industry.The one is that not only the success rate of drilling and fracking is very low but also gas rates from more than 50% of those producing wells are far less than they are originally designed.The other is that almost all the production activities happen in a very concentrated small area,leaving more than 80% of China CBM resources far away from commercial potentials.A new model of CBM resource classification is established after a full discussion is made on how a soluid of coal-water-gas is built in the long geology history.And technologies applicable to produce gas from the 4 types of reserves in the model is accordingly recommended.Further studies in this paper concludes that CBM resources are different from other natural gas by three aspects.Firstly it is “Non-gas” in underground.Typical CBM is presented in four kinds of Soluids,in which coal-water-gas are coupled together driven by a combination energy of “pressure” and “stress”.Secondly gas has to be “Separated and Fostered” before it is drained to the surface.Actually a real independent gas flow cannot be normally delivered from seam until an effective process of “dewater” or “de-coal” is done.Thirdly there is a strong “window-longtail effects” in poor CBM reservoir.No appreciable gas could be drained if there is no good engineering control over “time window” on reservoir stimulation,neither is there any sustainable gas flow if “pumping longtail” is not well managed.

Key words:coalbed methane；soluids；coupling process；time window；longtail

中圖分類號(hào):P618.11

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):0253-9993(2016)01-0032-08

作者簡介:楊陸武(1968—),男，安徽池州人，高級(jí)工程師，博士。Tel:010-52707777，E-mail: yangluwu@vip.163.com

收稿日期:2015-07-07修回日期:2015-09-28責(zé)任編輯:許書閣

楊陸武.難動(dòng)用煤層氣資源的高產(chǎn)開采技術(shù)研究——論煤層氣資源的特殊性及其開發(fā)工程中的“窗-尾效應(yīng)”[J].煤炭學(xué)報(bào),2016,41(1):32-39.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2015.9011

Yang Luwu.Produce high rate gas from poor CBM reservoir-Study on CBM resource types and “Window-Longtail Effects” of reservoir during delivering gas[J].Journal of China Coal Society,2016,41(1):32-39.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2015.9011