溫聲明 文桂華,2 李星濤,2 李 翔,2

（ 1中石油煤層氣有限責任公司; 2中聯(lián)煤層氣國家工程研究中心有限責任公司 ）

在2004年至2009年間，中聯(lián)煤層氣有限責任公司（以下簡稱中聯(lián)煤層氣公司）先后與美國德士古公司、澳大利亞必和必拓公司合作，在保德區(qū)塊進行煤層氣勘探評價，實施了13口煤層氣井，認為該區(qū)煤層氣資源豐富，在對煤層氣井試采一年多未能取得實質(zhì)性進展后，正式退出。中石油煤層氣有限責任公司（以下簡稱中石油煤層氣公司）接手以后，面臨三大方面問題：一是前期試采單井產(chǎn)水量大，單井日產(chǎn)水80～300m3，且經(jīng)長期排采液面不降、產(chǎn)水量不減、產(chǎn)氣量下降，保德區(qū)塊的煤層氣資源能不能有效動用情況不明；二是該區(qū)煤層氣資源豐富，但地質(zhì)條件有別于國外中低階煤煤層氣田[1-3]，照搬國外技術(shù)不能滿足區(qū)內(nèi)勘探開發(fā)需要，保德區(qū)塊開發(fā)面臨一系列地質(zhì)和工程技術(shù)難題；三是國內(nèi)中低階煤煤層氣尚無成功開發(fā)的先例可借鑒[4-5]。因此，地質(zhì)和工程技術(shù)人員必須進行一體化攻關(guān)研究，才能實現(xiàn)保德區(qū)塊煤層氣經(jīng)濟有效開采[6]。

1 概況

1.1 氣田基本情況

圖1 保德區(qū)塊位置圖

保德煤層氣田位于山西省保德縣和陜西省府谷縣（圖1），區(qū)內(nèi)地表多為黃土覆蓋，梁、峁、溝、壑發(fā)育，地勢東高西低，地表海拔為800～1250m。構(gòu)造位置位于鄂爾多斯盆地東緣晉西撓褶帶北段、河東煤田北部、呂梁山西側(cè)，總體構(gòu)造形態(tài)簡單，表現(xiàn)為向西傾的單斜構(gòu)造，走向近南北，斷層和褶皺不發(fā)育。主要含煤地層為山西組4+5號煤層和太原組8+9號煤層，4+5號煤層埋深在300～1100m之間，8+9號煤層埋深比4+5號煤層增加50～80m左右，煤層埋深適中[7-8]。兩套主力煤層在區(qū)內(nèi)發(fā)育廣泛，分布穩(wěn)定，煤層厚度大，山西組4+5號煤層厚3～14m，太原組8+9號煤層厚10～18m，累計煤層厚度為10～30m。宏觀煤巖類型為半暗—半亮型煤，宏觀煤巖組分以暗煤和亮煤為主，4+5號煤層Ro為0.7%～0.9%，8+9號煤層Ro為0.75%～0.98%，主力煤層演化程度低，以氣煤為主，屬于肥煤和焦煤階段，中偏低階煤[9]。4+5號煤層孔隙度在2.94%～5.03%之間，8+9號煤層孔隙度在2.84%～5.92%之間，均屬于低孔儲層；4+5號煤層滲透率在3～12m D之間，8+9號煤層滲透率在3～11m D之間。4+5號煤層含氣量一般在4.0～10m3/t之間，8+9號煤層含氣量一般在4～12m3/t之間，平面上存在著南北兩端煤層含氣量略高、中間低的分布特點，自東向西含氣量逐漸增高的趨勢[10]。煤儲層壓力系數(shù)在0.68～0.98之間，具有欠壓—常壓儲層的特點。

1.2 勘探開發(fā)歷程

保德區(qū)塊煤層氣勘探開發(fā)歷經(jīng)了以下5個階段。

煤層氣勘探前期評價（2004—2009年6月）：保德區(qū)塊煤層氣勘探始于2004年，截至2009年6月，中聯(lián)煤層氣公司與美國德士古公司、澳大利亞必和必拓公司合作勘探，完成了13口煤層氣井（含9口直井、4口U形井）的鉆探工作。9口直井均未壓裂排采，4口U形井于2007年5月—2008年7月對8+9號煤層進行了累計14個月的排采，單井產(chǎn)氣量為1600～4500m3/d，累計產(chǎn)氣量為95.6×104m3；單井產(chǎn)水量為80～300m3/d，累計產(chǎn)水量為24.4×104m3。由于4口U形水平井在顯示一定產(chǎn)氣能力的同時，產(chǎn)水量大，并且長期排采液面不下降、產(chǎn)水量不減少，看不到實質(zhì)性進展的澳大利亞必和必拓公司于2009年6月正式退出。

勘探技術(shù)試驗階段（2009年7月—2010年底）：中石油煤層氣公司接管以后，一方面重新對4口U型井進行排采，同時開始對區(qū)塊進行整體勘探評價和工程技術(shù)試驗，到2010年底，完成二維地震249.855km，鉆井37口（探井12口，楊家灣叢式井井組23口，水平井2口），投入排采井12口，楊家灣井組陸續(xù)產(chǎn)氣，井組試采取得產(chǎn)氣突破。

開發(fā)技術(shù)試驗階段（2011—2011年底）：2011年開始進行大井組試采，實施了1×108m3勘探開發(fā)一體化試采先導(dǎo)試驗，當年提交了煤層氣規(guī)模探明儲量。

規(guī)模開發(fā)階段（2012—2014年底）：2012年開展規(guī)模產(chǎn)能建設(shè)，首先啟動北部5×108m3/a煤層氣產(chǎn)能建設(shè)工程，于2013年完成。2014年，繼續(xù)由北向南滾動開發(fā)，截至2014年，共完成了7.7×108m3的產(chǎn)能建設(shè)工作量。

氣田生產(chǎn)階段（2015年至今）：2015年至今，保德煤層氣田進入穩(wěn)定產(chǎn)氣階段，產(chǎn)氣井600余口，日產(chǎn)氣160×104m3，具備了5×108m3以上年產(chǎn)能力，建成目前中國規(guī)模最大的中低階煤煤層氣田。

2 煤層氣勘探開發(fā)早期面臨的問題與技術(shù)對策

煤層氣開采機理可概括為“排水降壓，解吸，擴散，滲流”。煤層氣主要是以吸附狀態(tài)賦存在煤層中，當通過排水使儲層壓力降至臨界解吸壓力之下后，煤層氣開始解吸，并通過擴散進入裂隙系統(tǒng)產(chǎn)生流動[11-12]。由于煤層氣賦存于煤巖層的割理和基質(zhì)孔隙中，與煤層水共存，而中國煤層滲透性相對較差，因此煤層氣井（直井、定向井）開采首先要利用有效的改造技術(shù)（如壓裂、洞穴完井等）使人工裂縫盡可能地連通煤層中的天然裂隙，誘導(dǎo)煤層氣的解吸、擴散與滲流[13-14]。相對于常規(guī)油氣井來說，煤層氣賦存狀態(tài)決定了煤層氣生產(chǎn)具有單井產(chǎn)量低、生產(chǎn)周期長的特點[15-16]。

2.1 勘探開發(fā)早期面臨的問題

在2010年以前，保德區(qū)塊的煤層氣勘探開發(fā)面臨一系列技術(shù)問題[17]。

(1）地質(zhì)評價方面：煤層氣地質(zhì)情況不清，富集高產(chǎn)主控因素不明，評價方法欠缺。

(2）物探測井方面：常規(guī)二維地震技術(shù)不能精細描述儲層地質(zhì)特征，缺乏針對煤層特點的測井系列和解釋方法，不能滿足煤層評價的需要。

(3）鉆井技術(shù)方面：鉆井配套技術(shù)不完善、鉆井周期長。

(4）增產(chǎn)技術(shù)方面：煤層氣增產(chǎn)方式單一，壓裂增產(chǎn)效果不明顯。

(5）排采技術(shù)方面：缺乏煤層氣排采適用工藝和設(shè)備，影響了產(chǎn)量的提高。

(6）集輸工藝方面：國內(nèi)沒有煤層氣集輸建設(shè)標準，地面建設(shè)成本較高、周期較長。

2.2 地質(zhì)工程一體化攻關(guān)研究技術(shù)路線

針對這些技術(shù)難題，圍繞煤層氣勘探開發(fā)過程中勘探評價、試采評價、規(guī)模建產(chǎn)、氣田生產(chǎn)4個階段的地質(zhì)任務(wù)和目標，建立了集鉆井、錄井、巖心、測井、地質(zhì)、地應(yīng)力、完井、壓裂、生產(chǎn)動態(tài)等各種地質(zhì)和工程信息為一體的動態(tài)數(shù)據(jù)庫，進行地質(zhì)工程一體化研究[18]，不斷完善和優(yōu)化物探、鉆井、壓裂、排采及地面工程工藝等系列技術(shù)方案（圖2），為煤層氣的效益勘探開發(fā)提供有力支撐。

圖2 保德煤層氣田勘探開發(fā)地質(zhì)工程一體化研究技術(shù)攻關(guān)路線圖

勘探評價階段：以落實資源甜點、主體工程工藝技術(shù)為目標，開展地質(zhì)綜合評價與物探工程、鉆井工程、錄井工程、測井工程、壓裂工程、采氣工程一體化攻關(guān)研究，形成一套經(jīng)濟適用的勘探技術(shù)方法體系。

試采評價階段：以落實煤層氣產(chǎn)能、開發(fā)參數(shù)和主體開發(fā)技術(shù)為目標，開展井網(wǎng)井距論證與壓裂工程、采氣工程等開發(fā)地質(zhì)工程一體化攻關(guān)研究。

規(guī)模建產(chǎn)階段：以提高單井產(chǎn)量、資源動用率和開發(fā)效率為目標，開展氣田開發(fā)地質(zhì)動態(tài)與壓裂工程、采氣工程、地面工程方案優(yōu)化一體化攻關(guān)研究。

氣田生產(chǎn)階段：以保障氣田穩(wěn)產(chǎn)、提高氣田采收率為目標，開展氣藏精細開發(fā)動態(tài)研究，以及開發(fā)單元和優(yōu)化采氣工程優(yōu)化一體化精細研究。

3 地質(zhì)工程一體化實踐和成效

通過地質(zhì)工程信息一體化、地質(zhì)工程技術(shù)一體化攻關(guān)研究，形成了保德區(qū)塊煤層氣勘探開發(fā)適應(yīng)性系列技術(shù)，保障了氣田的高效開發(fā)。

3.1 形成了經(jīng)濟有效的煤層氣三維地震評價技術(shù)

保德區(qū)塊地震地質(zhì)條件較為復(fù)雜，研究區(qū)地表黃土較厚、溝壑縱橫；煤層厚度薄，兩層主力開發(fā)煤層累計厚度為6～30m，向南具有煤層層數(shù)增多、煤層分叉、變薄現(xiàn)象；中南部構(gòu)造較北部相對復(fù)雜，小斷層和低幅度構(gòu)造發(fā)育；常規(guī)二維地震資料信噪比、分辨率、成像及解釋精度不高，難以滿足煤層氣勘探開發(fā)的地質(zhì)需求。

為了滿足煤層氣開發(fā)精細部署的需求，適應(yīng)煤層氣“低成本勘探開發(fā)”的要求，地質(zhì)和工程技術(shù)人員一起完成了大量巖石物理實驗及物理模擬研究，深化了對煤儲層地質(zhì)特征的認識，開展了針對煤層氣地質(zhì)特點的三維地震采集處理解釋及經(jīng)濟技術(shù)一體化的技術(shù)攻關(guān)，形成了一整套具有煤層氣“非常規(guī)”特色、經(jīng)濟有效的三維地震技術(shù)：包括觀測系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計、多信息高精度激發(fā)參數(shù)設(shè)計、野外綜合靜校正的采集技術(shù)；提高分辨率、高精度成像處理技術(shù)；多屬性結(jié)合精細構(gòu)造解釋、定性與定量結(jié)合煤儲層及含氣性預(yù)測技術(shù)等。

通過技術(shù)攻關(guān)，獲得了高品質(zhì)的三維地震資料，與二維資料對比，三維地震剖面整體信噪比顯著提高，石炭系—二疊系煤層強反射特征突出，地質(zhì)現(xiàn)象清晰易于識別（圖3）。解釋成果很好地指導(dǎo)了勘探開發(fā)部署。調(diào)整開發(fā)井位64口，避免了地質(zhì)風險，降低了開采成本，提高了開發(fā)效率，三維地震項目產(chǎn)生直接經(jīng)濟效益約1.2億元，取得了顯著的經(jīng)濟效益。

圖3 保德區(qū)塊三維地震與二維地震剖面效果對比圖

3.2 形成了煤層氣有利區(qū)地質(zhì)評價技術(shù)

保德區(qū)塊是中國第一個規(guī)模探明且開發(fā)建產(chǎn)的中低階煤煤層氣田，前期地質(zhì)認識不足，多家公司在該區(qū)勘探未取得實質(zhì)性進展，對區(qū)內(nèi)煤層氣生成、保存及富集規(guī)律研究不夠，缺乏有利目標區(qū)評價的統(tǒng)一標準和規(guī)范，煤層氣地質(zhì)評價選區(qū)面臨著嚴峻的挑戰(zhàn)。中石油煤層氣公司接收該區(qū)塊后，精細研究，深入評價，建立了適合該區(qū)的煤層氣高產(chǎn)富集選區(qū)評價指標體系與劃分標準，深入分析構(gòu)造運動、沉積史、生烴史等煤層氣富集成藏的主控地質(zhì)因素，系統(tǒng)剖析上覆地層沉積厚度、瓦斯風化帶、水文條件等方面對煤層氣保存條件的影響程度[19]，綜合研究煤層厚度、變質(zhì)程度、含氣量、滲透性等煤層基本性質(zhì)[20]，全面開展煤層氣地質(zhì)選區(qū)評價工作，優(yōu)選出保德區(qū)塊北部楊家灣地區(qū)為該區(qū)的煤層氣富集“甜點區(qū)”，并實施勘探評價井組18口井，排采取得成效后，立即滾動實施勘探開發(fā)一體化試采井組150口，勘探評價與開發(fā)試采取得重大突破，揭開了保德區(qū)塊北部開發(fā)規(guī)模建產(chǎn)的序幕。

3.3 形成了適應(yīng)煤層氣地質(zhì)特點的鉆完井技術(shù)

保德區(qū)塊在鉆井實施中遇到的問題主要有：煤層松軟，井壁易垮塌，煤層埋深?。?50～900m），造斜位置淺，排水采氣時對井身質(zhì)量要求高[21]。針對以上問題，地質(zhì)和工程技術(shù)人員緊密結(jié)合，科學設(shè)計造斜點、全角變化率和穩(wěn)斜角，研發(fā)煤層氣定向井軌道設(shè)計與控制系統(tǒng)、鉆井液體系，形成了煤層氣叢式井淺造斜鉆井技術(shù)(圖4)，徹底改變了中國煤層氣開發(fā)以單直井為主的傳統(tǒng)模式。煤層氣叢式淺造斜鉆井技術(shù)的成功應(yīng)用，解決了復(fù)雜地表條件下煤層氣低成本鉆井開發(fā)難題，縮短了鉆井周期，降低了鉆井成本，大幅度地節(jié)約了井場占地，有效地降低了工程成本[22]。

3.4 形成了適合煤儲層的增產(chǎn)改造技術(shù)

針對保德氣田煤層層數(shù)多、煤巖機械強度低、壓敏突出的問題，地質(zhì)和工程技術(shù)人員共同進行了大量的分析和壓裂傷害試驗，在壓裂理念和壓裂工藝上不斷創(chuàng)新，壓裂選層從“地質(zhì)甜點”優(yōu)化到“工程甜點”，壓裂理念由“十一五”期間的“大液量、大排量、大砂量”轉(zhuǎn)變?yōu)椤斑m度液量、變排量、適度砂比”，優(yōu)化壓裂液和支撐劑，精細確定各項壓裂參數(shù)，形成了適合保德區(qū)塊煤儲層地質(zhì)特點的增產(chǎn)改造技術(shù)，并在產(chǎn)能建設(shè)中推廣應(yīng)用，取得良好效果。壓裂施工成功率由2010年的80%提高到2012年的93.4%。壓后出砂修井的井次明顯減少，排采連續(xù)性顯著增強。

圖4 保德區(qū)塊煤層氣叢式井淺造斜鉆井技術(shù)

3.5 形成了煤層氣排采關(guān)鍵技術(shù)

在深化排采理論、氣田開發(fā)地質(zhì)認識和排采動態(tài)分析的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新形成了“雙控制逐級排采法”為核心的煤層氣排采量化控制技術(shù)，在保德煤層氣開發(fā)區(qū)得到了廣泛應(yīng)用。在保德氣田開發(fā)區(qū)，通過細化排采單元,建立了不同單元、不同井區(qū)、不同單井的量化排采標準曲線和合理的排采工作制度，分區(qū)施策。在壓降連通區(qū)實施“一區(qū)一策”，在非連通區(qū)實施“一井一策”，實現(xiàn)了連片降壓、整體解吸、整體產(chǎn)氣、科學生產(chǎn)。目前，保德氣田在穩(wěn)定、連續(xù)的排采條件下，產(chǎn)量穩(wěn)定攀升，保持了良好的生產(chǎn)狀態(tài)[23]。

3.6 形成了煤層氣低成本地面集輸工藝

針對保德中低階煤煤層氣田地形復(fù)雜和氣井“低壓、低產(chǎn)、水大”等問題，開展煤層氣田地面集輸布站模式與混輸技術(shù)、低成本露點控制技術(shù)、管網(wǎng)節(jié)點增壓技術(shù)及產(chǎn)出水處理技術(shù)研究，形成了中低階煤“環(huán)網(wǎng)為主、支網(wǎng)為輔、支環(huán)結(jié)合”的煤層氣集輸新模式。優(yōu)選管材，采用性能符合要求且成本更低的PE管代替鋼管；采出水采用“氣水管網(wǎng)同溝敷設(shè)、集中處理”的方式；井場采用多井自動選井計量裝置，集氣站采用橇裝螺桿壓縮機組、恒溫露點控制橇和外輸計量橇為主的一體化集成裝置，節(jié)約了占地面積，提高了工程質(zhì)量。在保障地面系統(tǒng)工程建設(shè)高質(zhì)量、短工期完成建設(shè)任務(wù)的同時，顯著降低了工程成本[24]。應(yīng)用該技術(shù)，在保德煤層氣田建成了國內(nèi)首個氣水管網(wǎng)完備的煤層氣地面集輸系統(tǒng)，既滿足了煤層氣生產(chǎn)需要，又很好解決了采出水達標排放的環(huán)保問題。

3.7 取得了顯著的經(jīng)濟效益和社會效益

一是實現(xiàn)了煤層氣資源的科學合理利用：建成了中國第一個中低階煤煤層氣開發(fā)示范基地。保德煤層氣田目前產(chǎn)氣井數(shù)有600余口，日產(chǎn)氣量近160×104m3，累計產(chǎn)氣18×108m3，單井平均日產(chǎn)氣量為2372m3。其中81口井日產(chǎn)氣量超過5000m3，13口井日產(chǎn)氣量超過10000 m3。保德氣田的成功開發(fā)，為中國中低階煤煤層氣的開發(fā)利用起到了引領(lǐng)作用，預(yù)示著大規(guī)模開發(fā)中國潛力巨大的中低階煤煤層氣資源成為現(xiàn)實。

二是取得了令人矚目的經(jīng)濟和社會效益：

(1）經(jīng)濟效益：保德區(qū)塊煤層氣的成功開發(fā)，目前每年銷售煤層氣5×108m3，累計銷售16×108m3，取得了可觀的經(jīng)濟效益。

(2）社會效益：為保德及其周邊地區(qū)增加了每年5×108m3以上的煤層氣清潔能源，每年減少碳排放11×104t，減排效益高達數(shù)億元，有效改善了該地區(qū)能源結(jié)構(gòu)、降低了煤層中的甲烷含量、減少了溫室氣體的排放量，有效降低了采煤區(qū)的安全壓力，充分體現(xiàn)了“先采氣后采煤”科學有序的資源綜合利用模式，促進當?shù)亟?jīng)濟社會發(fā)展[25-26]，同時，該項目已修建6條公路，提高了當?shù)氐幕A(chǔ)設(shè)施水平。此外，煤層氣產(chǎn)業(yè)還為當?shù)厝嗣駝?chuàng)造了大量的就業(yè)機會。因此，保德區(qū)塊煤層氣的開發(fā)促進了能源產(chǎn)業(yè)從高碳向低碳的升級，為當?shù)厣鐣?jīng)濟發(fā)展做出了積極貢獻。

4 體會及認識

(1）煤層氣屬非常規(guī)氣體，儲層非均質(zhì)性強。同時，與國外相比，中國煤層氣地質(zhì)條件具有煤層埋藏深(平均比國外深350m)、滲透率低（僅是國外1/10～1/50）、儲層壓力低（欠壓儲層占45.3%）、含氣飽和度低（全國平均僅為70%）的特點。中國煤層氣富集條件的復(fù)雜性，增加了煤層氣開發(fā)的難度，對地質(zhì)和工程提出了更高的要求。因此，進行地質(zhì)與工程一體化攻關(guān)研究，實現(xiàn)地質(zhì)評價與物探、鉆完井、測錄井、壓裂、排采和地面工程技術(shù)方案設(shè)計有機融合，不斷地調(diào)整和完善工程技術(shù)方案，是實現(xiàn)煤層氣經(jīng)濟有效開發(fā)的保證。

(2）地質(zhì)工程一體化技術(shù)包含眾多學科和眾多工程技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用，目前油氣田企業(yè)的研究機構(gòu)中工程和地質(zhì)是相對獨立的研究部門，必須有地質(zhì)工程一體化項目研究的組織保障和高效的決策機制，才能真正實現(xiàn)以儲層地質(zhì)與物探、鉆井、壓裂、排采及地面工程多學科的地質(zhì)工程一體化系統(tǒng)研究。目前，仍需要在煤層氣開發(fā)的各個階段推進地質(zhì)工程一體化系統(tǒng)研究，尤其在煤層氣儲層改造、開發(fā)生產(chǎn)動態(tài)、氣田綜合治理方面需進一步加強工程與地質(zhì)的有效結(jié)合，才能在中國這種復(fù)雜的煤層氣地質(zhì)條件下，實現(xiàn)煤層氣效益開發(fā)；同時建議管理部門加強地質(zhì)工程一體化綜合性人才培養(yǎng)機制的建設(shè)，推動地質(zhì)工程一體化在非常規(guī)油氣勘探開發(fā)中發(fā)揮更大的作用。

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