準南低煤階煤層氣研究進展及認識
吳 見 王贊惟
( 中聯煤層氣有限責任公司，北京 100011)
摘 要: 我國低煤階煤層氣資源十分豐富，但目前開發效果不明顯。本文總結了低煤階煤層氣勘探開發現狀，對五個煤層氣盆地進行了特征對比。依據準南項目工作經驗，提出了低煤階煤層氣井網部署、鉆完井技術、排采技術等方面的認識。
關鍵詞: 低煤階 煤層氣 研究進展 認識
The Low Rank Coalbed Methane Research Progress and Recognition of South Junggar Basin
WU Jian WANG Zanwei
( China United Coalbed Methane Corporation Ltd. Beijing 100011)
Abstract: Low rank coalbed methane is abundant in China，but with poor developing result. This article summarizes the current situation of CBM exploration and development，and developes a characteristic contrast of five CBM basins. Based on south Junggar Basin item，this article put forward the recognition about network deploy- ment，drilling and completion and draining technology.
Keywords: South Junggar Basin; Low rank; Coalbed methane; Research progress; Recognition
作者簡介:吳見，男，(1983年生)，2009年畢業於中國礦業大學(北京)，碩士研究生，工程師，從事煤層氣資源評價等工作。地址:北京東城區安外大街甲88號，100011。E-mail:ilcby@163.com。
1 前言
低階煤是煤化作用早期階段形成的產物，通常指碳含量低、揮發份高、發熱量較低的褐煤、長焰煤和不粘煤等，煤巖鏡質體反射率Ro<0.65%。
我國煤層氣資源十分豐富，新壹輪全國油氣資源評價(2007年)結果表明:中國42個主要含煤盆地2000m以淺煤層氣資源量為36.81×1012m3，其中低階煤層氣約占煤層氣總資源量的36%。主要分布在侏羅系、下白堊統和第三系，其次為石炭二疊系。侏羅系低階煤主要分布於中國西北部的80余個不同規模的內陸坳陷盆地，如準噶爾、吐哈、伊犁、塔裏木等盆地;下白堊統低階煤主要分布於大興安嶺以西的40余個規模不等的中新生代斷陷盆地，如伊敏、霍林河、勝利、紮賚諾爾、大雁等盆地;第三系低階煤分布於沈北、琿春、舒蘭、梅河等盆地。中國低煤階煤層氣資源量巨大，形成了良好的勘探開發資源基礎。開展低煤階煤層氣資源評價研究，探索勘探開發工藝技術具有積極的意義。
2 國內外研究現狀
2.1 理論基礎
美國的煤層氣開發首先是在聖胡安和黑勇土兩個盆地的中煤階煤中取得突破，並由此形成了煤層氣產出的“排水—降壓—解吸—擴散—滲流”理論。20世紀90年代，美國又提出“生物型或次生煤層氣成藏”理論，並在尤因塔、粉河盆地上白堊統煤系地層勘探取得成功，實現了低煤階煤層氣的商業性開發。加拿大註重發展連續油管壓裂、二氧化碳註入、水平羽狀井等增產技術。澳大利亞發展了針對低滲透特點的地應力評價理論和水平井高壓水射流改造技術，均實現了煤層氣開發突破。同時，也證明了美國煤層氣理論的適用性，根據煤層氣資源條件進行借鑒應用和適宜性改進，可以促進中低煤階煤層氣資源開發。
中國實現煤層氣資源開發的突破區是高階煤，目前，中聯公司、中石油、藍焰等公司在沁水盆地實現了無煙煤煤層氣地面商業化開發，形成了創新性煤層氣開發技術體系，解決了高階煤煤層氣勘探開發的技術和模式問題，可保證煤層氣地面開發的順利進行，具有國際領先水平;在低煤階煤層氣研究方面，開展了大量的工作，比如總結出影響低階煤煤層氣富集的關鍵因素是封堵，而構造、巖性和水動力是形成煤層氣封堵的主要因素(傅小康，2006);開展了中國低煤階煤層氣藏的地質特征和成藏模式研究，提出低煤階煤層氣成藏模式(孫平，2009);介紹國外成功應用的低煤階煤層氣勘探開發技術，對我國的低煤階煤層氣資源與勘探開發前景進行了初步分析、評估和展望(李五忠，2008)。對於低煤階煤層氣資源的富集模式、成藏條件、儲層特征以及鉆完井等施工技術開展了理論研究和實踐應用總結，在準南煤層氣資源勘探開發方面，也形成了諸多研究成果，對於促進我國低階煤煤層氣資源發展起到了積極的作用。在總結國內外低煤階煤層氣研究成果的基礎上，以準南地區為對象，提出低煤階煤層氣勘探開發的壹些認識。
2.2 開發現狀
全球已有29個國家開展了煤層氣研究、勘探和開發，其中，美國、加拿大、澳大利亞、中國已形成煤層氣產業(圖1)。2009年美國煤層氣年產量542億m3，占當年美國天然氣產量的8.7%，在尤因塔、粉河盆地等的低煤階煤層氣資源開發突破，實現了煤層氣產量的大幅增長。粉河盆地主要為低煤階褐煤，深部存在高揮發分煙煤，煤層氣以生物成因氣為主且主要通過微生物發酵代謝途徑形成。富集區帶的高產是由於同時存在超壓承壓和水動力捕集致使煤層再飽和的運移熱成因氣和生物氣而造成的，煤層氣開發區位於盆地東緣淺部位。同時澳大利亞在低煤階的蘇拉特(Surat)盆地、加拿大在阿爾伯塔盆地成功實現煤層氣規模開發。國外煤層氣開采實踐已證實，低煤階煤層同樣具有產氣能力，完全可以實現規模化商業性生產。
2010年中國地面煤層氣產量僅為14.5億m3，占常規天然氣總產量的1.5%，幾乎全部來自沁水盆地無煙煤煤層氣資源開發。而美國在粉河盆地2006年底年產氣量就超過140億m3，實現了低煤階區煤層氣的大規模開發。中國低煤階煤層氣資源十分豐富，若實現技術突破推動低煤階煤層氣資源開發，中國煤層氣產量將大幅增加。
圖1 煤層氣年產量曲線
3 中國低煤階煤層氣基本特征
中國典型的低煤階含煤盆地具有煤層層數多、厚度大、分布廣泛的特點，彌補了含氣量小的缺點，使得低煤階煤層氣具有良好的勘探開發前景。低煤階煤層氣藏以美國的粉河盆地為代表，在盆地開發初期，認為低含氣量、低地層壓力將阻礙煤層氣的發展，但獨特的地質條件和煤儲集層特征、理論和技術進步帶來的全新完井工藝技術理念，推動了該盆地煤層氣商業性開發，成為低煤階煤層氣開發的示範。中國準噶爾盆地煤層氣藏與美國粉河盆地煤層氣藏的成藏特征極為相似，含氣量明顯高於粉河盆地，粉河盆地的煤層氣商業開發給準噶爾盆地煤層氣的勘探開發提供了思路和借鑒。
選擇北部的二連盆地、中部的鄂爾多斯盆地、實現高煤階煤層氣商業化開發的沁水盆地以及國外具有代表性的低煤階煤層氣區粉河盆地進行特征對比。其中北部的二連盆地群，是我國重要的低煤階聚煤區，霍林河地區是二連盆地群典型的聚煤盆地。而中部的鄂爾多斯盆地侏羅系，截至2010年5月底，***鉆煤層氣探井17口，部分井目前已獲得了工業氣流。其中銅川礦務局與煤炭科學研究總院西安研究院在焦坪礦區合作開發壹口煤層氣井，井深628米，排采壹個月後日產氣量達到了1000m3，之後產氣量維持在1000～1500m3/d。準南地區施工煤層氣井14口，阜試1井和ZN－01井獲得了連續排采數據，為準南地區排采特征的研究和排采制度的制定提供了原始數據。
相對於高煤階含氣量高的特點而言，低煤階地區具有滲透率好、煤層厚度大等特點，保證了低煤階煤層氣開發的資源條件和煤層氣產出的有利條件。比如沁水盆地主要含氣區含氣量在10m3/t以上，普遍高於低煤階幾立方米的含氣量，但低煤階煤層氣藏的滲透率壹般大於高煤階煤層氣藏，美國粉河盆地低煤階煤層氣藏滲透率壹般為35～450mD，鄂爾多斯盆地烏審旗地區、準南地區主力煤層都在10mD，而沁南高煤階煤層氣藏滲透率壹般小於2mD，同時，煤層厚度也普遍高於沁水盆地。
表1 煤層氣盆地主要特征對比表
相對於國內其他低煤階地區，準南地區具有更高的含氣量，煤層厚度適中，但地層傾角大，加大了開發難度，與粉河盆地具有諸多的相似性，煤儲層滲透率高，煤層厚度大，地層傾角大，粉河盆地成功的勘探開發模式和技術對準南地區具有更好的適用性。
4 準南煤層氣基本特征
本區含煤地層主要為侏羅系中統西山窯組(J2x)和下統的八道灣組(J1b)，煤層賦存條件相對較好的區域主要分布於瑪納斯河至阜康大黃山區段，其中八道灣組富煤帶位於阜康水西溝壹帶，西山窯組富煤帶展布於瑪納斯烏魯木齊。西山窯組可采煤層總厚度6～45.24m，八道灣組可采煤層總厚度2.50～45.32m。煤類以長焰煤、氣煤為主。含氣量較高的地區分布在烏魯木齊河白楊河區域，主可采煤層含氣量均能達到10m3/t以上;阜康大黃山和烏魯木齊礦區最高氣含量均達到15cm3/g左右。該地區孔裂隙發育，煤層滲透率高，利於煤層氣開采。儲層壓力總體處於稍欠壓和正常壓力狀態。準南地區煤層基本特征總體為高傾角、厚煤層、高含氣量、中滲透率、稍欠壓。
目前普遍認為準噶爾盆地等具有良好的煤層氣勘探前景，是我國低煤階煤層氣勘探開發潛在的接替領域，力爭在低煤階煤層氣勘探開發領域取得突破。依據《中國西部低階煤煤層氣資源調查研究成果報告》(中聯煤層氣公司，2005)，準噶爾盆地***有5個低階煤煤層氣富集區，而準噶爾盆地南緣為最具有潛力的地區，準噶爾盆地南緣是現在新疆具有較好條件的勘探開發區域。
5 準南勘探現狀
至2010年底，準南地區施工了7口參數井、3口生產試驗井、1口參數+生產試驗井，***11口井。
在準南地區實施排采的煤層氣井***有4口。2006年中石油在呼圖壁施工了昌試1井、昌試2井，套管完井，通過造穴射孔、壓裂進行儲層改造，煤層最高實測含氣量為7m3/t(深度890～1070m);2008年，新疆煤田地質局在阜康地區實施阜試1井，42號煤層為射孔高能氣體壓裂，44號煤為洞穴完井，同年11月開始排采，12月9日點火成功，在排采過程中，日最大產氣量近1000m3;2009年中聯公司與新疆煤田地質局在阜康地區實施ZN01井，是壹口套管完井的煤層氣生產井加參數井，測試42號煤層平均含氣量9.6m3/t，對42號煤層(880～888m)進行壓裂，目前正進行排采，產氣量較小。
圖2 準南地區煤層氣井分布圖
總體上，準南地區的煤層氣勘探開發處於勘探初期階段，目前已初步完成了選區評價工作，對地區煤層氣地質條件和儲層特征有了壹定認識，同時實施了十余口煤層氣井，4口井進行了生產試驗，獲取了部分煤儲層參數和生產特征數據，在煤層氣井鉆井、儲層改造、排采方面積累了寶貴經驗。勘探開發工作集中在阜康、後峽、硫磺溝瑪納斯地區，也是工作的優先區和重點區。新疆煤田地質局在阜康白楊河地區，以阜試1井、ZN01井為基礎，已開展小井網建設，擬在該地區初步建成煤層氣開發利用基地，起到示範帶動作用。
6 勘探開發建議
6.1 井網部署
由於該區地層傾角較大(阜康有利區地層傾角在45°～50°)，根據高傾角地層壓降漏鬥的特點，考慮采用三角形構成的梯形網。即布設兩條線(井距大約300m)，線距200m(垂深700m～900m)，***布置5個井(楊曙光，2010)。井網井型的確定應采用數值模擬進行優化部署，建議盡快開展數值模擬工作，以確定合理的布井間距。
6.2 鉆完井技術
(1)大傾角、高滲區:準南阜康地區煤層傾角大、滲透率偏高地區，可以采用大傾角斜井鉆井技術，以及U型水平井技術(U型定向斜井)。斜井沿煤層傾向從高向低鉆進，保證了與煤層的最大限度接觸面積，預期可實現單井產量提高3～5倍;
(2)厚煤層:阜康地區主力煤層厚度大於20米，ZN01井進行了水力攜砂壓裂，壓裂過程和壓裂曲線都比較理想，但由於地應力較高，可能裂縫壓開後，隨著井內壓力被釋放，壓開的裂縫又閉合，從而造成煤層的滲透性減弱，可試驗註N2，CO2置換工藝技術，查看實際應用效果。
(3)煤層較松軟、破裂壓力較低:煤層氣井固井壹般水泥返深在最上層煤層頂板以上200m，ZN01井目的層42號煤層距最上層煤層39號煤層100余米，煤層破裂壓力較低，可能對煤儲層造成了壹定影響。水泥返深應根據煤層埋深、破裂壓力、煤質等狀況確定，合理控制水泥漿量與頂替液量，在煤層較松軟、破裂壓力較低時，合理降低水泥返深，降低固井液密度，防止煤層在固井時壓裂，保證固井質量，保護煤儲層。
6.3 排采
煤層氣主要以吸附狀態儲存於煤層中，因此，煤層氣井的生產是通過抽排煤層或頂底板含水層的承壓水，降低煤儲層壓力，促使煤儲層中吸附的煤層氣解吸。煤層氣井的產氣量大小、生產周期則直接受控於排采制度的調整以及設備的選型。因此在排采過程中，必須選擇適合該煤層氣井地質、儲層條件和不同生產階段的排采工藝技術。
總體原則是排液應連續平穩，保持動液面平穩下降，禁止間歇間排和排量的大起大落而造成生產壓差上下波動，至使儲層激動、吐粉、垮塌。
依據中聯公司在沁南地區排采經驗，排水降壓階段，為使井底和儲層間的壓差變小，並維護煤層結構的完好，宜采用定壓排采制度，根據本區地層水的情況和煤層強度，控制適中的排采強度，保持液面平穩下降。阜康地區主力煤層埋深近900米，目的層較深，排水降壓後期液面下降每天不宜超過50m。壹方面是防止煤粉和壓裂砂抽吸過程中在井筒附近聚積堵塞煤縫隙，二是避免進入泵筒引起泵堵，因為每壹次的停泵檢修，都是對煤儲層的壹次傷害，三是如果井底壓力釋放過快，受上覆地層壓力的影響，前期改造好的氣體運移通道將受到大力擠壓，從而使通道閉合，降低滲透率;穩產階段，宜采用定產排采制度，即通過控制井底壓力來控制產氣量。通過降低套壓或降低動液面都可以達到降低井底壓力、增加產氣量的目的。
參考文獻
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