張守仁

(中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司, 北京 100011)

1 我國深煤層煤層氣資源開發(fā)潛力巨大

據(jù)我國2006 年完成的新一輪全國煤層氣資源評價結(jié)果 (國土資源部油氣資源戰(zhàn)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(fā)程度較高的沁水盆地, 埋深大于1000m 的煤層氣地質(zhì)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(zhì)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(fā)前景極其廣闊。

2 我國深煤層煤層氣資源開發(fā)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(chǎn)業(yè)取得了快速發(fā)展。2010 年我國煤層氣新增探明儲量1121．55 ×108m3, 占累計(jì)探明儲量的39%。截至2009 年底, 全國已累計(jì)鉆煤層氣井近3900 口 (含水平井102 口) , 煤層氣地面開發(fā)產(chǎn)量10．15×108m3, 2010 年煤層氣井?dāng)?shù)量達(dá)到4200 余口, 全國已建成煤層氣產(chǎn)能25 ×108m3/a, 煤層氣產(chǎn)量達(dá)15．67×108m3。到“十二五”末, 我國將新增煤層氣探明儲量預(yù)計(jì)可達(dá)10000×108m3, 地面開發(fā)煤層氣產(chǎn)能可達(dá)140×108m3, 產(chǎn)量預(yù)計(jì)可達(dá)90～100×108m3。

但是, 我國煤層氣勘探開發(fā)歷程已達(dá)20 多年,絕大部分在1000m 以淺地區(qū)。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(qū)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(qū), 1000m 以深的深部地區(qū)較少涉足。

隨著煤層氣勘探開發(fā)工作的不斷深入, 我國煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展重心逐漸向深部發(fā)展, 開發(fā)重點(diǎn)由最初主要集中在埋深在500m 左右的煤層, 逐漸轉(zhuǎn)向埋深在800～1000m 左右的煤層, 如最近兩年開發(fā)工程比較集中的沁水盆地南部的柿莊地區(qū)、棗園地區(qū)、樊莊地區(qū)以及鄂爾多斯盆地東緣的大寧—吉縣地區(qū), 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(fā)生了改變, 深部煤層具有“地應(yīng)力高、孔隙壓力高、溫度高”的地質(zhì)特征, 具有“滲透性差、抗壓強(qiáng)度較低、煤層容易破碎”等物性特征, 使得深煤層煤層氣開發(fā)難度更大。由于深煤層地應(yīng)力大、井壁穩(wěn)定性差, 使得煤層氣開發(fā)方式 (如多分支水平井) 受到限制; 由于深煤層井壁穩(wěn)定性差、裂縫延伸更加復(fù)雜, 使得壓裂改造過程中動態(tài)縫長難以保證; 由于深煤層滲透率低、塑性變形強(qiáng), 使得壓裂過程中支撐劑的有效輸運(yùn)難度更大、儲層污染風(fēng)險更高,裂縫導(dǎo)流能力難以建立。

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

表1 深煤層煤層氣井開發(fā)效果統(tǒng)計(jì)表

因此, 為了我國煤層氣產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展, 有必要探索深煤層煤層氣開發(fā)的有效途徑, 在常規(guī)排水降壓采氣方式的基礎(chǔ)上, 輔助解決深煤層煤層氣開發(fā)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(shù)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(fā)難度更大已成共識。但目前深煤層煤層氣開發(fā)在國內(nèi)外也不乏取得成功的實(shí)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(dǎo)性項(xiàng)目95 口井的平均單井產(chǎn)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(chǎn)量達(dá)2×104m3; 還有我國彩南地區(qū)彩504 井, 煤層埋深2567～2583m, 單井日產(chǎn)氣量可達(dá)7300m3。調(diào)研得知, 上述地區(qū)深煤層煤層氣開發(fā)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(fā)方式, 而且我國近幾年也越來越重視這方面的研究, 加強(qiáng)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(qū)、鄂爾多斯盆地東緣神木地區(qū)分別進(jìn)行了探索性研究, 并進(jìn)行了3 口井煤系地層游離氣的試氣試驗(yàn), 中國煤炭地質(zhì)總局最近研發(fā)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(fā), 實(shí)際上就是間斷性地打破煤層中地下壓力平衡狀態(tài), 使得在地下壓力狀態(tài)在達(dá)到新的平衡過程中, 達(dá)到吸附于煤顆粒表面的甲烷氣體不斷解吸、滲流、擴(kuò)散的目的。煤層氣與煤系地層砂巖游離氣共采技術(shù), 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(dá)到煤層氣更容易降壓解吸、滲流運(yùn)移的目的。

煤層氣與煤系地層砂巖游離氣共采技術(shù)的可行性, 不僅目前國內(nèi)外有成功的實(shí)例可證明, 而且煤礦防治煤與瓦斯突出的保護(hù)層開采技術(shù)也可以佐證。雖然所采用的方式不同, 但原理相同。保護(hù)層開采技術(shù)主要包括兩方面技術(shù), 一是保護(hù)層的開采技術(shù), 二是被保護(hù)層的卸壓瓦斯抽采技術(shù)。保護(hù)層開采技術(shù)原理為通過保護(hù)層的開采, 頂?shù)装鍘r層發(fā)生移動變形, 使被保護(hù)煤層發(fā)生卸壓、膨脹, 煤層透氣性增加, 吸附瓦斯解吸, 同時采用預(yù)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(zhuǎn)變?yōu)榈屯咚狗峭怀雒簩? 實(shí)現(xiàn)被保護(hù)煤層的安全高效開采。實(shí)踐證明, 上保護(hù)層開采前后, 被保護(hù)煤層滲透性的變化極大, 主要原因是由于卸壓而導(dǎo)致的應(yīng)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(hù)層開采試驗(yàn)中, 被保護(hù)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(shù), 在我國僅僅處于初期探索階段, 各個環(huán)節(jié)均需進(jìn)一步加強(qiáng)研究。在具體實(shí)施過程中, 除了要考慮兼顧煤層氣與砂巖氣的井位優(yōu)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(jìn)煤層氣解吸滲流的目的。對于這一前瞻性技術(shù)的研究, 中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司作為一個研究內(nèi)容在國家科技重大專項(xiàng)進(jìn)行了申報, 并通過了論證。該項(xiàng)技術(shù)的成功, 必將為我國煤層氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)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(shù)

煤層是一種復(fù)雜的雙孔隙天然氣儲層, 既含有原生孔隙系統(tǒng) (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(tǒng) (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(tài)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(dá)到解吸壓力后, 甲烷氣體從煤表面解吸并擴(kuò)散到附近的割理中, 最終滲流運(yùn)移到附近的井筒, 達(dá)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(zhì)條件和儲層物性的深煤層煤層氣開發(fā), 更是如此。

實(shí)驗(yàn)研究成果顯示, 煤對CO2的吸附能力遠(yuǎn)強(qiáng)于對CH4的吸附能力。研究認(rèn)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(qiáng); 而美國粉河盆地低階煤對CO2的吸附能力可達(dá)到CH4的8～10 倍。由于CO2的吸附能力顯著強(qiáng)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(shù)稱為注CO2提高煤層氣采收率 (CO2- ECB) 技術(shù)。

CO2- ECB 技術(shù)已在美國、加拿大、波蘭、日本等多國進(jìn)行過先導(dǎo)性試驗(yàn), 我國也在沁水盆地南部的TL - 003 井和SX- 001 井進(jìn)行過單井試驗(yàn),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(nèi)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(dá)到節(jié)能減排的目的。

5 結(jié)論

我國深煤層煤層氣資源開發(fā)潛力巨大, 我國煤層氣產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展預(yù)示著深煤層煤層氣開發(fā)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(fā)難度更大, 有必要在常規(guī)排水降壓采氣開發(fā)方式基礎(chǔ)上, 探索新方式以輔助解決深煤層煤層氣開發(fā)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(shù)、注CO2置換CH4提高煤層氣采收率技術(shù)將是輔助解決深煤層煤層氣開發(fā)難度大的有效方式。

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