深煤層煤層氣開發有效途徑展望

張守仁

(中聯煤層氣有限責任公司, 北京 100011)

1 我國深煤層煤層氣資源開發潛力巨大

據我國2006 年完成的新一輪全國煤層氣資源評價結果 (國土資源部油氣資源戰略研究中心,2010) , 我國埋深2000m 以淺的煤層氣資源量為36．81×1012m3, 超過了天然氣資源總量 (35 ×1012m3) , 其中埋深在1000～2000m 的煤層氣資源量為22．54×1012m3, 占2000m 以淺資源總量的61．23%。在我國煤層氣勘探開發程度較高的沁水盆地, 埋深大于1000m 的煤層氣地質資源量占全盆地總資源量的47%, 在鄂爾多斯盆地, 埋深大于1000m 的煤層氣地質資源量占全盆地總資源量的72%。因此,我國深煤層煤層氣資源量大, 資源開發前景極其廣闊。

2 我國深煤層煤層氣資源開發呈大勢所趨

近年來, 在國家政策的大力支持下, 我國煤層氣產業取得了快速發展。2010 年我國煤層氣新增探明儲量1121．55 ×108m3, 占累計探明儲量的39%。截至2009 年底, 全國已累計鉆煤層氣井近3900 口 (含水平井102 口) , 煤層氣地面開發產量10．15×108m3, 2010 年煤層氣井數量達到4200 余口, 全國已建成煤層氣產能25 ×108m3/a, 煤層氣產量達15．67×108m3。到“十二五”末, 我國將新增煤層氣探明儲量預計可達10000×108m3, 地面開發煤層氣產能可達140×108m3, 產量預計可達90～100×108m3。

但是, 我國煤層氣勘探開發歷程已達20 多年,絕大部分在1000m 以淺地區。到2010 年底, 我國煤層氣探明儲量為2902．75×108m3, 資源探明率為8‰, 探明儲量主要分布在沁水盆地南部和鄂爾多斯盆地東緣, 其它地區占很小比例。盡管如此, 沁水盆地和鄂爾多斯盆地煤層氣資源探明率仍然很低, 僅占1．85%, 勘探范圍主要集中在盆地邊淺部地區, 1000m 以深的深部地區較少涉足。

隨著煤層氣勘探開發工作的不斷深入, 我國煤層氣產業發展重心逐漸向深部發展, 開發重點由最初主要集中在埋深在500m 左右的煤層, 逐漸轉向埋深在800～1000m 左右的煤層, 如最近兩年開發工程比較集中的沁水盆地南部的柿莊地區、棗園地區、樊莊地區以及鄂爾多斯盆地東緣的大寧—吉縣地區, 煤層埋深多在800～1000m。

與淺煤層相比, 深煤層煤層氣開采條件發生了改變, 深部煤層具有“地應力高、孔隙壓力高、溫度高”的地質特征, 具有“滲透性差、抗壓強度較低、煤層容易破碎”等物性特征, 使得深煤層煤層氣開發難度更大。由于深煤層地應力大、井壁穩定性差, 使得煤層氣開發方式 (如多分支水平井) 受到限制; 由于深煤層井壁穩定性差、裂縫延伸更加復雜, 使得壓裂改造過程中動態縫長難以保證; 由于深煤層滲透率低、塑性變形強, 使得壓裂過程中支撐劑的有效輸運難度更大、儲層污染風險更高,裂縫導流能力難以建立。

因此, 深煤層特殊的地質條件和儲層物性, 使得目前適用于我國淺部煤層氣特點的開發工藝技術, 并不完全適用于深部, 從而導致了目前我國深煤層煤層氣井單井產量普遍較低 (表1) 。

表1 深煤層煤層氣井開發效果統計表

因此, 為了我國煤層氣產業持續發展, 有必要探索深煤層煤層氣開發的有效途徑, 在常規排水降壓采氣方式的基礎上, 輔助解決深煤層煤層氣開發難度大的問題, 為解放我國巨大的深煤層煤層氣資源提供技術支撐。

3 有效途徑之一： 煤層氣與煤系地層砂巖游離氣共采

深煤層“三高一低”的儲層特征, 使得深煤層煤層氣開發難度更大已成共識。但目前深煤層煤層氣開發在國內外也不乏取得成功的實例, 如美國皮申斯盆地, 煤層埋藏深度2340～2415m, 滲透率低, 但White River Dome 氣田先導性項目95 口井的平均單井產氣量為2688m3/d; 再如美國懷俄明大格林河盆地, Mesaverde 煤層埋深963～1298m, 編號為49- 007- 22885 的煤層氣井單井日產量達2×104m3; 還有我國彩南地區彩504 井, 煤層埋深2567～2583m, 單井日產氣量可達7300m3。調研得知, 上述地區深煤層煤層氣開發無一例外均采用煤層氣與煤系地層砂巖游離氣共采的開發方式, 而且我國近幾年也越來越重視這方面的研究, 加強了煤系地層段砂巖游離氣藏勘探步伐, 沁水盆地南部樊莊地區、鄂爾多斯盆地東緣神木地區分別進行了探索性研究, 并進行了3 口井煤系地層游離氣的試氣試驗, 中國煤炭地質總局最近研發出了測井資料解釋煤系地層砂巖游離氣的專利方法。

煤層氣地面開發, 實際上就是間斷性地打破煤層中地下壓力平衡狀態, 使得在地下壓力狀態在達到新的平衡過程中, 達到吸附于煤顆粒表面的甲烷氣體不斷解吸、滲流、擴散的目的。煤層氣與煤系地層砂巖游離氣共采技術, 主要是通過砂巖中游離氣或地層水的抽采, 從而使得煤層能夠大面積卸壓, 改善煤儲層滲透性, 達到煤層氣更容易降壓解吸、滲流運移的目的。

煤層氣與煤系地層砂巖游離氣共采技術的可行性, 不僅目前國內外有成功的實例可證明, 而且煤礦防治煤與瓦斯突出的保護層開采技術也可以佐證。雖然所采用的方式不同, 但原理相同。保護層開采技術主要包括兩方面技術, 一是保護層的開采技術, 二是被保護層的卸壓瓦斯抽采技術。保護層開采技術原理為通過保護層的開采, 頂底板巖層發生移動變形, 使被保護煤層發生卸壓、膨脹, 煤層透氣性增加, 吸附瓦斯解吸, 同時采用預先施工好的鉆孔或是巷道抽采卸壓瓦斯, 有效降低煤層瓦斯含量, 消除煤層的突出危險性, 將高瓦斯突出煤層轉變為低瓦斯非突出煤層, 實現被保護煤層的安全高效開采。實踐證明, 上保護層開采前后, 被保護煤層滲透性的變化極大, 主要原因是由于卸壓而導致的應變釋放過程中有裂隙張開和由膨脹核的體積膨脹而形成新裂隙。在沈陽紅菱煤礦上保護層開采試驗中, 被保護煤層的透氣性由0．014m2/ (MPa2·d) 增加到14．14m2/ (MPa2·d) , 提高了1010 倍。

煤層氣與煤系地層砂巖游離氣共采技術, 在我國僅僅處于初期探索階段, 各個環節均需進一步加強研究。在具體實施過程中, 除了要考慮兼顧煤層氣與砂巖氣的井位優選和儲層改造外, 更重要的是要選擇合適的抽采方式, 使得砂巖氣的抽采能夠起到促進煤層氣解吸滲流的目的。對于這一前瞻性技術的研究, 中聯煤層氣有限責任公司作為一個研究內容在國家科技重大專項進行了申報, 并通過了論證。該項技術的成功, 必將為我國煤層氣產業的發展起到極大的推動作用。

4 有效途徑之二： 注CO2 提高煤層氣采收率技術

煤層是一種復雜的雙孔隙天然氣儲層, 既含有原生孔隙系統 (小于10nm 的微孔隙、10～100nm的小孔和100～1000nm 的中孔隙) , 又含有次生孔隙系統 (大于1000nm 的大孔隙和自然裂隙) 。煤層中幾乎沒有自由流動的氣體, 多以吸附狀態存在于煤層中。煤層氣地面開采目前普遍采用的方式是排水降壓, 通過煤層中水的不斷排出, 煤層中壓力逐步降低, 在達到解吸壓力后, 甲烷氣體從煤表面解吸并擴散到附近的割理中, 最終滲流運移到附近的井筒, 達到最終抽采煤層氣的目的。由于儲層壓力的降低使煤儲層中的流體喪失了其流到井筒所必需的能量, 使得排水降壓抽采煤層氣的效率不高, 特別是對于具有特殊地質條件和儲層物性的深煤層煤層氣開發, 更是如此。

實驗研究成果顯示, 煤對CO2的吸附能力遠強于對CH4的吸附能力。研究認為, 在1．3MPa 的煤層壓力條件下, 中國沁水盆地南部無煙煤對CO2的吸附能力是CH4的1．5 倍, 而且儲層壓力越大, 吸附能力越強; 而美國粉河盆地低階煤對CO2的吸附能力可達到CH4的8～10 倍。由于CO2的吸附能力顯著強于CH4, 向煤層中注入CO2, 利用CO2的高吸附能力置換CH4提高煤層氣的采收率, 這種技術稱為注CO2提高煤層氣采收率 (CO2- ECB) 技術。

CO2- ECB 技術已在美國、加拿大、波蘭、日本等多國進行過先導性試驗, 我國也在沁水盆地南部的TL - 003 井和SX- 001 井進行過單井試驗,CO2置換CH4提高煤層氣的采收率的效果明顯, 美國井組注入較我國單井吞吐效果更好。

由于深煤層埋藏深度大, 短期內不會采掘利用煤炭資源而釋放被埋藏的CO2, 因此深煤層中注入CO2, 不僅可以起到提高煤層氣采收率的作用, 而且也可以起到埋藏CO2從而達到節能減排的目的。

5 結論

我國深煤層煤層氣資源開發潛力巨大, 我國煤層氣產業的快速發展預示著深煤層煤層氣開發勢在必然。但由于深煤層具有較淺煤層更差的儲層物性, 使得深煤層煤層氣開發難度更大, 有必要在常規排水降壓采氣開發方式基礎上, 探索新方式以輔助解決深煤層煤層氣開發難度大的問題。目前的研究成果顯示, 煤層氣與煤系地層砂巖游離氣共采技術、注CO2置換CH4提高煤層氣采收率技術將是輔助解決深煤層煤層氣開發難度大的有效方式。

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