陳貞龍

(中國石油化工股份有限公司華東油氣分公司，江蘇 南京 210011)

目前，國內(nèi)外主要國家的煤層氣勘探開發(fā)目的煤層埋深主要集中在1 000 m以淺，然而在世界范圍內(nèi)有超過47.6萬億m3的煤層氣資源賦存在1 000 m以深；據(jù)自然資源部新一輪全國油氣資源評價(jià)成果，我國2 000 m以淺煤層氣資源量為30.05萬億m3，而1 000～2 000 m范圍內(nèi)的煤層氣資源量為18.87萬億m3，占總資源量的62.8%[1]。隨著淺部已探明可動用儲量的減少，深部煤層氣的有效動用將成為非常規(guī)天然氣勘探開發(fā)的一個(gè)新領(lǐng)域。但深部煤層氣面臨儲層非均質(zhì)性強(qiáng)、應(yīng)力大、壓力高、可改造性差等諸多挑戰(zhàn)，由于地質(zhì)工程不匹配未形成一體化的勘探開發(fā)技術(shù)，造成儲量動用程度低、單井產(chǎn)能低、穩(wěn)產(chǎn)周期短、長期低效或者不產(chǎn)氣等問題；目前國內(nèi)僅延川南氣田實(shí)現(xiàn)了深部煤層氣商業(yè)開發(fā)，而在柿莊、鄭莊、大城等區(qū)塊僅有部分井取得進(jìn)展，但仍未形成規(guī)模。

目前國內(nèi)在煤層氣效益開發(fā)、低效治理方面也在積極探索并取得了初步成效。通過調(diào)整井網(wǎng)井型，采取疏導(dǎo)式儲層改造技術(shù)和高效排采管控模式可實(shí)現(xiàn)低效產(chǎn)能耦合盤活[2-3]；大量室內(nèi)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了強(qiáng)沖擊波的煤巖增滲機(jī)理及可行性[4]，現(xiàn)場試驗(yàn)方面也取得部分成效，并確立了沖擊波煤儲層增滲作業(yè)工藝[5-7]；研究并提出了沁水盆地柿莊南區(qū)塊低產(chǎn)井原因及針對性技術(shù)對策：針對鉆井污染嚴(yán)重井采用酸化解污+常規(guī)水力壓裂方式增產(chǎn)，煤體結(jié)構(gòu)較差的井采用加深泵掛、煤粉堵塞采用循環(huán)洗井等方式治理[8-9]；氮?dú)馀菽瓑毫丫哂忻簝訚B透性改造的作用，通過解決裂縫煤粉堵塞問題，以達(dá)到增產(chǎn)增效目的，且在沁水盆地樊莊區(qū)塊、鄭莊區(qū)塊、潞安礦區(qū)等低產(chǎn)井改造中展示出其可觀潛力[10-12]。深部煤層氣儲層U型水平井壓裂改造方案可在延川南區(qū)塊進(jìn)行應(yīng)用[13]，國內(nèi)煤層氣增效技術(shù)主要集中在淺部煤層氣開發(fā)治理階段，并且低產(chǎn)、低效地質(zhì)原因和增產(chǎn)提效工程工藝二者尚未形成較好的匹配；針對深部煤層氣效益開發(fā)、低效治理方面鮮有系統(tǒng)性的論述。

筆者以延川南煤層氣田為研究對象，通過采取“多要素耦合劃分單元”理念，基于開發(fā)單元地質(zhì)屬性找準(zhǔn)制約產(chǎn)量的關(guān)鍵因素，明確地質(zhì)適用條件以及工藝參數(shù)匹配關(guān)系，提出了地質(zhì)工程一體化增效技術(shù)，以期為該區(qū)及相似地區(qū)煤層氣高效開發(fā)提供借鑒。

1 延川南煤層氣田地質(zhì)概況

延川南煤層氣田構(gòu)造上位于鄂爾多斯盆地東南緣，處于陜北斜坡、晉西撓褶帶和渭北隆起的過渡地帶，表現(xiàn)為過渡性質(zhì)的盆緣構(gòu)造類型。2013年啟動產(chǎn)能建設(shè)，2015年全面投入開發(fā)，二疊系山西組2號煤作為主力開發(fā)煤層，整體為一傾向北西的單斜構(gòu)造，中部西掌斷裂帶將氣田分為譚坪、萬寶山2個(gè)構(gòu)造帶(圖1)。主力煤層埋深800～1 600 m，煤層埋深總體上自東南向西北呈逐步加深的趨勢，其中，譚坪構(gòu)造帶主力煤層埋深淺于1 000 m，平均深約880 m，萬寶山構(gòu)造帶主力煤層埋深1 000～1 550 m，平均埋藏深度約1 280 m(圖2)。

圖1 延川南煤層氣田2號煤層頂面高程等值線Fig.1 Top elevation contour of No.2 coal seam in Southern Yanchuan Block

圖2 延川南煤層氣田2號煤層埋深等值線Fig.2 Buried depth contour of No.2 coal seam in Southern Yanchuan Block

根據(jù)實(shí)際鉆孔數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，2號煤層發(fā)育穩(wěn)定、連續(xù)性較好，煤層厚度2.8～6.9 m，平均厚度4.6 m(表1)。煤層鏡質(zhì)組體積分?jǐn)?shù)為70%～82%，平均75%，鏡質(zhì)體最大反射率1.9%～3.2%；灰分產(chǎn)率為5.4%～36.0%，平均值為12.4%，屬于特低灰-低灰煤；含氣量8～22 m3/t，平均約12 m3/t，總體上隨深度增加逐漸增大。氣田處于弱徑流-滯流水動力環(huán)境下[14]，壓力系數(shù)為0.6～0.8，受埋深影響煤儲層低孔、低滲，孔隙率一般3%～6%，滲透率普遍小于1×10-3μm2，總體上屬于低孔、低滲、低壓的深層煤層氣田。目前氣田投入生產(chǎn)井908口，其中，埋深大于1 000 m的井超過700口，占比74%，是目前國內(nèi)投產(chǎn)商業(yè)開發(fā)最深的煤層氣田，氣田日產(chǎn)氣量104萬m3，平均單井日產(chǎn)1 145 m3，2017年進(jìn)入上產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)階段，實(shí)現(xiàn)了3 a上產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。

2 多要素耦合開發(fā)地質(zhì)單元劃分

延川南煤層氣田在建產(chǎn)的過程中，采用規(guī)?；匦尉W(wǎng)，井型主要為直井，采用活性水壓裂方式對儲層進(jìn)行改造。氣田進(jìn)入開發(fā)階段以來，不同地質(zhì)條件下煤層氣井產(chǎn)能差異大顯得較為突出，表現(xiàn)出深部煤儲層較強(qiáng)的非均質(zhì)性、地應(yīng)力變化較大、單井產(chǎn)能差異較大等問題，勢必要求深化深部煤層氣藏開發(fā)地質(zhì)認(rèn)識[15-16]。因此，提出的開發(fā)地質(zhì)單元，系指煤層氣地質(zhì)特征和開發(fā)規(guī)律相似的地質(zhì)塊段，目的是基于地質(zhì)屬性匹配更為適用的工程技術(shù)措施實(shí)現(xiàn)高效開發(fā)。根據(jù)延川南深部煤層氣地質(zhì)特點(diǎn)和勘探開發(fā)實(shí)踐，筆者將深部煤層氣富集高產(chǎn)成藏規(guī)律總結(jié)為“五要素”協(xié)同控制理論[17]，依據(jù)“沉積控煤、構(gòu)造控藏、水動力控氣[18-19]、地應(yīng)力控滲、物性控產(chǎn)”，采用“多要素耦合氣藏控制單元”理念，將關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行疊加，實(shí)現(xiàn)氣田開發(fā)地質(zhì)單元的精細(xì)劃分，并深入厘清各開發(fā)地質(zhì)單元關(guān)鍵地質(zhì)屬性以及開發(fā)制約條件(圖3，表2)。

表1 延川南區(qū)塊煤儲層基礎(chǔ)參數(shù)Table 1 Basic parameters of coal reservoir in Southern Yanchuan Block

1) 萬寶山南區(qū)、譚坪區(qū)

平均煤層厚度大，約4.5 m。其中，萬寶山南區(qū)滲透率較高(0.2～0.8)×10-3μm2，平均日產(chǎn)液量0.45 m3，穩(wěn)定日產(chǎn)氣量1 500～1 600 m3，礦化度50～80 g/L；譚坪主體區(qū)煤層厚度5.0 m，含氣量中等(10～12 m3/t)，但由于整體埋深較淺(＜1 000 m)，與深部煤層氣地質(zhì)特征上表現(xiàn)出明顯的差異，滲透性較好(0.2～0.8)×10-3μm2，礦化度較低3～5 g/L，穩(wěn)定日產(chǎn)氣量1 000 m3，平均日產(chǎn)液量0.8 m3。壓裂施工顯示兩區(qū)施工壓力較為平穩(wěn)，反映出儲層改造與地質(zhì)條件基本適應(yīng)，但萬寶山由于礦化度較高，部分井在近井地帶結(jié)垢導(dǎo)致氣井產(chǎn)量驟降(圖4)。

圖3 延川南氣田平面分區(qū)Fig.3 Plane division of Southern Yanchuan Block

表2 延川南區(qū)塊開發(fā)地質(zhì)單元劃分Table 2 Division of development geological units of Southern Yanchuan Block

圖4 萬寶山南區(qū)Y6井生產(chǎn)曲線Fig.4 Production curves of well Y6 in south area of Wanbaoshan

2) 萬寶山北區(qū)

萬寶山北區(qū)小斷層發(fā)育，平均日產(chǎn)液量0.43 m3，穩(wěn)定日產(chǎn)氣量1 000～1 200 m3；煤體結(jié)構(gòu)較為破碎，局部發(fā)育碎粒-糜棱煤，地層中煤粉運(yùn)移易造成滲流通道堵塞[20]，氣井產(chǎn)量呈現(xiàn)持續(xù)遞減趨勢(圖5)。

圖5 延川南區(qū)塊萬寶山南區(qū)Y21井生產(chǎn)曲線Fig.5 Production curves of well Y21 in the north of Wanbaoshan，Southern Yanchuan Block

3) 萬寶山西區(qū)

萬寶山西區(qū)礦化度大于80 g/L，處于滯流水環(huán)境；保存條件較好，含氣量高，為12～19 m3/t；壓裂施工壓力高、易砂堵，地層供液能力極低，平均日產(chǎn)液量0.26 m3，穩(wěn)定日產(chǎn)氣量低于量700 m3；數(shù)值模擬結(jié)果顯示，該區(qū)單井壓降漏斗呈陡直狀，僅近井筒附近降壓解吸，遠(yuǎn)端煤層未有效降壓，結(jié)合特征曲線分析壓裂有效半縫長30～50 m(圖6)，難以形成面積降壓，儲量動用率低。

圖6 延川南區(qū)塊萬寶山西區(qū)剩余地質(zhì)儲量數(shù)值模擬分布Fig.6 Numerical simulation distribution map of remaining geological reserves in Southern Yanchuan Block

4) 萬寶山東區(qū)及斷裂帶

萬寶山東區(qū)及斷裂帶水侵區(qū)，靠近氣田中部大斷層，在埋深1 200～1 500 m范圍內(nèi)產(chǎn)出水礦化度僅為2～5 g/L，反映出該區(qū)保存條件較差，含氣量僅8～12 m3/t；但地層供液能力較強(qiáng)，普遍在2 m3以上，該區(qū)煤層氣井穩(wěn)定日產(chǎn)氣量580 m3；斷裂帶內(nèi)部溝通外來水，壓裂曲線顯示施工壓力陡降，反映壓竄裂縫、溝通含水層，停泵壓力低，該區(qū)氣井啟抽液面低，平均日產(chǎn)液量大于8 m3，部分井達(dá)幾十方，基本不產(chǎn)氣。

3 地質(zhì)工程一體化增效策略

通過前文論述，基本明確了延川南深部煤層氣開發(fā)地質(zhì)單元，表現(xiàn)出顯著的分區(qū)性，明確了六大開發(fā)地質(zhì)單元4種地質(zhì)、生產(chǎn)特征與煤層氣有效開發(fā)之間的四大矛盾：一是排水降壓和深部煤層高礦化度近井地帶易結(jié)垢的矛盾；二是卸壓半徑持續(xù)擴(kuò)大和層內(nèi)煤粉運(yùn)移阻礙滲流通道的矛盾；三是壓裂造長縫遠(yuǎn)支撐和深部煤層高應(yīng)力難改造的矛盾；四是緩慢有效降壓和臨近斷層高產(chǎn)液難降壓的矛盾。針對上述四大矛盾，進(jìn)一步分析延川南氣田開發(fā)地質(zhì)單元煤儲層地質(zhì)特性與治理方式的匹配性，提出深部煤層氣地質(zhì)工程一體化增效技術(shù)思路(圖7)。

圖7 延川南地質(zhì)工程一體化增效技術(shù)體系Fig.7 Technical system of geological engineering integration and efficiency enhancement in Southern Yanchuan Block

3.1 近井地帶結(jié)垢：沖擊波解堵增透

2010年以來，邱愛慈院士團(tuán)隊(duì)在國際上首先提出采用可控沖擊波激勵(lì)煤層的設(shè)想，并已在華北、晉煤、中國石油等多個(gè)煤層氣區(qū)塊進(jìn)行了試驗(yàn)，取得了初步效果。其工作原理是通過水中高壓放電的脈沖大電流或金屬絲電爆炸，在局部形成能量快速沉積產(chǎn)生等離子體，使放電通道劇烈膨脹擴(kuò)張，從而推動水介質(zhì)形成沖擊波，對煤層進(jìn)行破裂增透。

該措施具有作業(yè)周期短、成本相對較低的優(yōu)勢，針對研究區(qū)共實(shí)施沖擊波解堵24口井，初期見效井20口，單井日增產(chǎn)氣量105～2 069 m3，平均850 m3(圖8)。為了進(jìn)一步深化措施適用地質(zhì)條件，優(yōu)化工藝參數(shù)，開展了3個(gè)階段的礦場試驗(yàn)：一是針對高產(chǎn)區(qū)堵塞井論證增產(chǎn)技術(shù)可行性；二是通過開展不同沖擊部位、沖擊強(qiáng)度以及不同次數(shù)多組對比試驗(yàn)，基本明確了經(jīng)濟(jì)有效的施工方案：沖擊部位優(yōu)選煤層中部、采用增強(qiáng)型，單層沖擊次數(shù)為5次左右；三是落實(shí)了適用的地質(zhì)條件，即位于高富氣高滲區(qū)、原生-碎裂煤、礦化度大于10 g/L，其措施適應(yīng)性較好(圖9)。

農(nóng)民急于出售，采摘過早，影響干果品質(zhì)和產(chǎn)量，收不到應(yīng)有的效益。雖然擁有豐富的核桃資源，但是沒有脫皮、制干設(shè)備和深精加工企業(yè)，生產(chǎn)的核桃大多是現(xiàn)收現(xiàn)賣，附加值低。

圖8 延川南區(qū)塊沖擊波實(shí)施前后日產(chǎn)氣量對比Fig.8 Comparison of daily gas production before and after shock wave implementation in Southern Yanchuan Block

圖9 延川南區(qū)塊沖擊波現(xiàn)場階段試驗(yàn)井?dāng)?shù)以及效果對比曲線Fig.9 Test well number and effect comparison curve of shock wave field stage in Southern Yanchuan Block

3.2 層內(nèi)煤粉阻礙滲流解吸：氮?dú)鈹_動

1) 技術(shù)原理及適用條件

氮?dú)鈹_動技術(shù)不同于高壓氮?dú)鉅F井以及氮?dú)馀菽瓑毫训燃夹g(shù)，是通過地面增壓系統(tǒng)，把煤層壓力提高到一定數(shù)值，然后逐漸釋放壓力，當(dāng)壓力降到一定數(shù)值時(shí)，再進(jìn)行增壓，以此反復(fù)工作，核心是重復(fù)注氮、負(fù)壓擾動，使壓力往復(fù)式變化疏通堵塞通道的煤粉，達(dá)到煤層氣快速解吸目的(圖10)。較常規(guī)增產(chǎn)措施，該技術(shù)對儲層幾乎沒有破壞，無起下管柱作業(yè)等操作，氮?dú)庾⑷雺毫νǔＰ∮? MPa，安全穩(wěn)定、成本低，施工見效快。適用于中高富集高滲區(qū)原生-碎裂煤，初期水力壓裂改造到位，擁有完整裂縫通道，初期產(chǎn)量較高，因?qū)觾?nèi)煤粉運(yùn)移阻礙解吸而造成遞減率較高的低產(chǎn)、低效或躺停井。

圖10 氮?dú)鈹_動設(shè)備原理及施工模式Fig.10 Principle and construction mode of nitrogen disturbance equipment

2) 現(xiàn)場應(yīng)用及效果

共實(shí)施氮?dú)鈹_動增產(chǎn)井21口，見效19口，有效率90%，單井日增產(chǎn)氣量400 m3，單井措施成本在5～6萬，總體上產(chǎn)氣較為穩(wěn)定。為了進(jìn)一步驗(yàn)證產(chǎn)氣增量的品質(zhì)，分析產(chǎn)出氣組分，顯示措施后氣體組分甲烷體積分?jǐn)?shù)保持在90%以上(圖11)。

圖11 延川南區(qū)塊Y8井實(shí)施氮?dú)鈹_動前后生產(chǎn)曲線Fig.11 Production curves of well Y8 before and after nitrogen disturbance in southern Yanchuan Block

3.3 深煤層高應(yīng)力難改造：有效改造

1) 面臨的問題及挑戰(zhàn)

深部煤層氣表現(xiàn)出較強(qiáng)的儲層非均質(zhì)性，因此適用于特有地質(zhì)條件的配套開發(fā)工程工藝技術(shù)就顯得尤為重要。地質(zhì)工程一體化研究在萬寶山西區(qū)有效開發(fā)上表現(xiàn)更為突出，含氣量高達(dá)16 m3/t以上，滲透率小于0.1×10-3μm2，初次壓裂施工壓力高，易砂堵，加砂困難，難形成有效的導(dǎo)流裂縫，這對有效實(shí)現(xiàn)深部煤儲層改造的工程工藝技術(shù)及參數(shù)優(yōu)化提出了挑戰(zhàn)。常規(guī)水力壓裂曲線顯示破裂壓力高、施工壓力上升、加砂困難、停泵壓力高的特征，這類煤層氣井卸壓半徑擴(kuò)展有限，壓降空間無法有效拓展，呈現(xiàn)出長期低效生產(chǎn)，自投入排采以來日產(chǎn)氣量長期維持300～400 m3，達(dá)不到預(yù)期效果[21-23]。

2) 有效改造攻關(guān)探索

由于煤層“低彈性模量、高泊松比”的物性特征，常規(guī)壓裂方式裂縫延伸難，支撐劑運(yùn)移距離短，裂縫單一。有效改造就是要研制出適用于深部煤層氣開發(fā)的新型壓裂體系，一方面提高液體性能，增加支撐劑輸送距離，另一方面又要有效提高支撐縫長，達(dá)到長距離遠(yuǎn)支撐。

圖12 延川南區(qū)塊Y25井生產(chǎn)曲線Fig.12 Production curves of well Y25 in Southern Yanchuan Block

3.4 斷裂帶高產(chǎn)液：提液降壓

斷裂帶水侵區(qū)大液量井礦化度低、施工壓力低、停泵壓力低，難降壓、不產(chǎn)氣，利用廢棄井大抽油機(jī)、加工皮帶輪等方式開展提液降壓。共實(shí)施18口井，增產(chǎn)井8口(占比44%)，平均單井日增產(chǎn)氣量450 m3，累增產(chǎn)量171萬m3。通過對比分析增產(chǎn)效果，該區(qū)措施適用的地質(zhì)條件：距斷層距離大于400 m，礦化度大于10 g/L，施工壓力大于20 MPa，同時(shí)，高產(chǎn)液量井的提液有利于鄰井降壓提產(chǎn)，增產(chǎn)效果進(jìn)一步顯現(xiàn)(圖13)。

圖13 延川南區(qū)塊單井增產(chǎn)效果與礦化度關(guān)系Fig.13 Relationship between single well stimulation effect and mineralization degree in Southern Yanchuan Block

4 結(jié)論

a.提出了“多要素耦合開發(fā)地質(zhì)單元劃分”思路，依據(jù)“沉積、構(gòu)造、水動力、地應(yīng)力、物性”等關(guān)鍵參數(shù)疊加實(shí)現(xiàn)開發(fā)地質(zhì)單元精細(xì)劃分，并深入厘清了各開發(fā)地質(zhì)單元關(guān)鍵地質(zhì)屬性以及開發(fā)制約條件。

b.基本明確了制約延川南區(qū)塊深部煤層氣開發(fā)效益的4個(gè)方面：一是深煤層高礦化度近井地帶易結(jié)垢，造成排采中斷；二是層內(nèi)煤粉運(yùn)移阻礙滲流通道，導(dǎo)流能力變差、卸壓半徑難以持續(xù)擴(kuò)大；三是深煤層高應(yīng)力難改造，導(dǎo)致改造范圍有限、氣井低產(chǎn)低效；四是臨近斷層區(qū)域高產(chǎn)液難降壓，增加了單井排采控制的難度。

c.建立了由4方面構(gòu)成的地質(zhì)工程一體化增效技術(shù)體系：以提高資源動用程度為核心，實(shí)施可控沖擊波解除深煤層礦化度高易結(jié)垢堵塞難題；采取“氮?dú)鈹_動”形成壓力波擾動，疏通堵塞通道煤粉，達(dá)到快速解吸及滲流產(chǎn)出的目的；以實(shí)現(xiàn)資源有效動用為目標(biāo)，通過深部煤儲層有效壓裂改造提高難動儲量的效益開發(fā)；在高液量中優(yōu)選潛力井提液降壓挖潛提產(chǎn)。一體化增效關(guān)鍵技術(shù)體系的研發(fā)成功，為國內(nèi)深部煤層氣效益開發(fā)起到了帶動和示范作用。