楊 勇 崔樹清 郎淑敏 王風銳 張艷玲

（中國石油華北油田分公司，河北任丘 062550）

我國煤層氣藏特征及提高地面抽采效果的方法

楊 勇 崔樹清 郎淑敏 王風銳 張艷玲

（中國石油華北油田分公司，河北任丘 062550）

煤層氣藏與常規(guī)天然氣藏相比，其賦存狀態(tài)、成藏過程、氣藏邊界以及開采規(guī)律存在著本質差別，根據(jù)近年來我國煤層氣開發(fā)的探索與實踐，提出了依“勢”布井的理念，應利用煤層中水的“重力勢能”，根據(jù)煤層重力場、地應力場、壓力場的分布特征，合理選擇井型，部署井網(wǎng)，提高地面抽排煤層氣效果；認為對于煤層氣多分支水平井，高的煤層鉆遇率未必能夠帶來高的煤層氣產(chǎn)量，實鉆中的井眼軌跡控制應以井眼光滑、總體上傾為原則，避免出現(xiàn)“波浪狀”井眼。分析認為，通過提高儲層溫度來提高煤層氣產(chǎn)氣量，以及開展構造煤的鉆井技術研究，是今后煤層氣開發(fā)的重要研究方向之一。

煤層氣；氣藏特征；布井原則；井眼軌跡控制

我國煤層氣藏具有低含氣飽和度、低滲透率、低儲層壓力（儲層能量）、低資源豐度、高地應力、強烈的非均質性［1-2］等特點，在煤層氣水平井鉆井施工以及地面抽排過程中，煤層井眼垮塌，造成鉆井過程中卡鉆事故頻發(fā)，排采過程中井眼不能重入，無法進行后續(xù)維護性作業(yè)，嚴重影響了單井產(chǎn)氣量和水平井采氣壽命。同時，與常規(guī)油氣藏儲層相比，煤層氣儲層物性也有很大的區(qū)別［3-4］，表現(xiàn)在：煤層的彈性模量比一般的砂巖或石灰?guī)r儲層低，一般小于一個數(shù)量級，而壓縮系數(shù)高；氣水共存；煤層氣藏壓力低；煤層易損害；煤層天然裂縫發(fā)育。近年來，我國煤層氣勘探開發(fā)取得重大進展，煤層氣多分支水平井從無到有，成為煤層氣地面抽采的主要井型之一。但是，在井型選擇、水平井井眼軌跡控制等方面存在著一些誤區(qū)，提高煤層氣地面抽采效果任重道遠。

1 我國煤儲層的物性特征

煤儲層物性特征主要包括孔隙度、滲透率以及裂隙、割理的發(fā)育特征，煤儲層物性特征的好壞是決定地面抽排煤層氣井產(chǎn)氣量高低的關鍵。

1.1 煤儲層的滲透率

根據(jù)現(xiàn)有資料，我國煤層氣滲透率一般都低于1 mD，較好的煤儲層一般在1～10 mD，大于10 mD的儲層很少。根據(jù)《中國煤層氣資源》（葉建平等，1998）數(shù)據(jù)統(tǒng)計，我國煤儲層滲透率變化為0.002～16.17 mD，平均為1.273 mD。其中，滲透率小于0.10 mD的煤層數(shù)占35%；0.1～1.0 mD之間的煤層數(shù)占37%；大于1.0 mD的煤層數(shù)占28%。我國煤層滲透率普遍較低，目前已投入商業(yè)化開發(fā)的沁水盆地東南部的滲透率一般為1～10 mD，較低的煤層滲透率影響了煤層氣的解吸、擴散和滲流，也直接影響到煤層中壓降的大小和壓降在煤層中傳播的距離［5］，進而直接影響到煤層氣的地面抽排情況。

1.2 煤儲層的孔隙特征

煤層是一種雙重孔隙介質，屬裂縫—孔隙型儲層［6］。割理將煤分割成若干基質塊，基質塊中包含大量的微小孔隙，相對于常規(guī)油氣，煤層氣儲層中這些微小孔隙對滲透率的貢獻較小，但是這些孔隙系統(tǒng)是煤層氣滲流的必經(jīng)通道，也是煤層氣存儲的主要空間［7］，其發(fā)育程度影響煤層氣的滲流能力，也直接影響地面抽排煤層氣井的產(chǎn)能。

割理是煤層中的次要孔隙系統(tǒng)，但卻是煤層中流體（氣和水）滲流的主要通道。美國不同煤階（Rmax=0.28%～3.86%）的煤層，在煤壁上觀察到面割理密度是0.5～50條/10 cm，面割理密度平均為1.2～16條/10 cm，與我國主要礦區(qū)煤層的大、中型面割理密度比較接近。美國礦業(yè)局的資料顯示，面割理方向與端割理方向的煤層滲透率之比達到17:1時，垂直面割理方向的地面抽排煤層氣產(chǎn)量是平行面割理方向的3～10倍［8-9］?？梢姡罾矸较蚴堑孛娉榕琶簩託獠季畷r必須要考慮的重要因素之一。

2 煤層氣藏與常規(guī)油氣藏的差異

煤層氣是一種吸附氣，其在煤層中的賦存狀態(tài)、成藏過程、氣藏邊界以及開采規(guī)律與常規(guī)天然氣相比，具有本質性差別。

2.1 賦存狀態(tài)不同

常規(guī)天然氣是以游離狀態(tài)儲集在儲層的孔隙空間之中，其聚集量主要與孔隙空間的大小有關。而煤層氣以吸附態(tài)、溶解態(tài)和游離態(tài)3種狀態(tài)存在于煤層之中，煤層氣的吸附量取決于煤層孔隙的壓力、溫度、煤變質程度、比表面積等，往往遠大于孔隙空間的體積。

2.2 成藏過程不同

常規(guī)天然氣由源巖生成后，經(jīng)初次運移、二次運移在儲層中聚集成藏，天然氣運移方向受流體動力場控制。而煤層氣由煤源巖生產(chǎn)后直接被煤層吸附而聚集，這種聚集不受流體動力場控制而受溫度場、壓力場影響，相同的煤質和煤階的煤層，隨壓力增大含氣量增大，隨溫度升高含氣量降低。

2.3 氣藏邊界不同

常規(guī)天然氣藏受圈閉條件控制有明顯的氣藏邊界，氣藏內(nèi)外含氣具有“有”和“無”的質的變化。而煤層氣藏無明顯的氣藏邊界，只要有煤就有煤層氣的存在，煤層氣藏內(nèi)外只有含氣豐度的差別。

2.4 開采規(guī)律不同

常規(guī)天然氣藏的開采主要依靠彈性驅動、水壓驅動，還可以通過人工注水、注氣來補充地層能量的虧空，一般在開發(fā)初期產(chǎn)氣量最高，隨著儲層壓力的降低產(chǎn)氣量逐漸降低。而煤層氣產(chǎn)出需經(jīng)過降壓—解吸—擴散—滲流過程，其產(chǎn)出特征如圖1，一般是在經(jīng)歷短暫高峰產(chǎn)量（如控制排采則不出現(xiàn)這一特征）即進入負增長階段，經(jīng)過漫長的增產(chǎn)過程后，達到高峰產(chǎn)量階段，然后緩慢遞減。煤層氣藏的這些特征，決定了煤層氣地面抽采不同于常規(guī)天然氣，具有其特殊性。

圖1 煤層氣井典型生產(chǎn)曲線（以山西晉城350 m×350 m井網(wǎng)為例）

3 提高煤層氣地面抽排效果的方法探討

我國的煤層氣儲量約為36.8萬億m3，占全球總量的 15%，位居世界第3位［10］，但卻具有世界上最為復雜的地質環(huán)境。一直以來由于煤層易破碎、斷層復雜、滲透率低等特點，單井產(chǎn)氣量難以達到預期，尋求適合我國地質特點的煤層氣地面抽排技術是解決制約煤層氣發(fā)展問題的重要手段之一。

3.1 依“勢”布井，充分利用煤層氣解吸的天然能量

煤儲層的增滲、卸壓、置換和促進煤層氣解吸，是高效開發(fā)煤層氣的4大基本原理［11-12］。在煤層氣地面抽排過程中，沒有常規(guī)天然氣藏中的彈性驅動、溶解氣驅動、水壓驅動、氣壓驅動等天然能量，也不能進行人工注水補充能量。目前現(xiàn)場應用中促使煤層氣解吸的唯一能量就是煤儲層中的水在自身重力作用下排出后，煤儲層壓力降低而產(chǎn)生的解吸作用。因此，煤層氣地面抽排中的井型的選擇應充分利用煤層中水的“重力勢能”，根據(jù)煤層中的重力場（有利于煤層水的排出）、地應力場（煤層中的割理、裂縫方向取決于古地應力方向）、壓力場（人工抽排產(chǎn)生壓降漏斗）的分布特征，結合煤儲層產(chǎn)狀以及多分支水平井、U型水平井、直井（叢式井）的鉆井工藝特點，合理選擇井型，部署井網(wǎng)，提高地面抽排煤層氣效果。圖2是一種理想狀態(tài)下的復合布井模型，對于地層傾角大于8°的較陡儲層（D區(qū)），宜部署U型井；地層傾角介于2～8°之間的單斜儲層以及地層傾角介于2～8°之間的褶曲構造轉折端的兩側（C區(qū)、C'區(qū)、C''區(qū)），宜選用多分支水平井開采；對于水平地層、傾角小于2°的平緩地層（B區(qū)），宜選用直井（或叢式井）開采，也可選擇多分支水平井開采；對于地層傾角變化較大的褶曲帶（A區(qū)），宜選用直井（或叢式井）開采。

圖2 煤層氣開發(fā)復合布井模型

實鉆過程中，在煤層傾角大于2°的地區(qū)部署多分支水平井或U型井，水平井主支、分支應沿煤層上傾方向展布，其排采井應位于水平井主支的低部位，有利于煤層氣抽排過程中的排水采氣（圖3）。在水平煤層、煤層傾角較?。ㄐ∮?°）的地區(qū)，或者由于地面原因，水平井地面井位只能位于煤層高部位的下傾煤層，部署多分支水平井時，為有利于排水降壓，水平井的著陸點可設在煤層底板泥巖中，根據(jù)煤層傾角變化情況，確定水平井著陸點深度，以確保水平井主支、分支井斜角始終大于90°為原則，其排采井應位于水平井主支的低部位。

圖3 煤層氣多分支井示意圖

3.2 改變過于追求煤層鉆遇率的觀念，為煤層氣排采提供良好通道

“鉆遇率”是指在鉆井時對油層或其他礦產(chǎn)鉆遇的概率?！懊簩鱼@遇率”的概念是由常規(guī)油氣水平井“油層鉆遇率”演化而來，這一概念一直是國內(nèi)外考核煤層氣多分支水平井鉆井技術的一個重要指標。為提高煤層鉆遇率，煤層氣多分支水平井鉆井施工過程中，借用了常規(guī)油氣水平井的導向方法，利用隨鉆測量（MWD）、隨鉆測井（LWD）等精確定向控制技術，甚至將地質導向技術應用于煤層氣多分支水平井。這些軌跡控制方法，在實鉆過程中一旦遇到煤層傾角局部發(fā)生變化時，往往會鉆遇煤層頂板或底板。為確保高的煤層鉆遇率，當鉆遇煤層頂板時，就要降斜進入煤層；當鉆遇煤層底板時，就要增斜進入煤層。從而，造成實鉆井眼軌跡呈“波浪狀”起伏（圖4）。

圖4 煤層氣多分支水平井主支“波浪狀”井眼示意圖

由于過于追求煤層鉆遇率而造成的“波浪狀”井眼，在排水降壓采氣過程中，以滑動、滾動、跳躍等方式搬運的較大煤灰顆粒就會在波谷處滯留，不斷積聚，進而堵塞井眼，形成殘留水塞過濾效應，最終導致煤層氣多分支水平井產(chǎn)量降低?？梢?，高的煤層鉆遇率未必能夠帶來高的煤層氣產(chǎn)量，反而易造成“灰堵”。為防止“灰堵”的發(fā)生，煤層氣水平井實鉆中的井眼軌跡控制不能以提高煤層鉆遇率為目的，而應根據(jù)煤層的實際展布情況，合理部署井位，在保證一定煤層鉆遇率的前提下，以井眼光滑、總體上傾為原則，避免出現(xiàn)“波浪狀”井眼。

3.3 利用溫度對煤層氣解吸的影響，提高地面抽排效果

溫度是煤層氣吸附、解吸、滲流作用的一個重要影響因素，溫度升高是促使煤層氣解吸作用的內(nèi)在動力。此外，在進入正常的排水產(chǎn)氣階段，解吸作用是一個吸熱過程，由于解吸的持續(xù)進行，必然導致煤儲層溫度的小范圍降低，從而阻礙解吸作用的進行。因此，通過人工手段提高煤層溫度，可加快煤層氣解吸速度，增加解吸量，提高煤層氣采收率。注熱開采是油田稠油增產(chǎn)的成熟技術，將這一技術應用到煤層氣地面抽排過程中，通過間歇注熱，使煤層溫度不斷改變，煤層氣發(fā)生非等溫解吸，提高煤層氣的井筒產(chǎn)量。通過提高儲層溫度來促進解吸過程，在理論上是可行的，建議加強生產(chǎn)可行性論證。

3.4 適用于構造煤的鉆井技術亟待突破

構造煤是指煤層中分布的軟弱分層，是煤層在構造應力作用下發(fā)生破碎或強烈的韌、塑性變形及流變遷移的產(chǎn)物。國內(nèi)外大量觀測研究表明，煤與瓦斯突出事故都發(fā)生在有一定厚度的構造煤［13-14］，構造煤中的煤層氣含量不可忽視。對構造煤中的煤層氣開采，不僅可以得到可觀的煤層氣清潔能源，也有利于減少瓦斯突出事故，確保煤礦安全。

在構造煤發(fā)育的軟煤層中進行鉆井施工，一直是個難題。因地應力大、瓦斯壓力大、煤層松軟，順煤層鉆孔時容易出現(xiàn)井眼垮塌、卡鉆事故，成孔率低。我國地質構造條件復雜，構造煤發(fā)育。因此，適用于軟煤層的鉆井工藝亟待突破。

4 結論

（1）煤層氣地面抽采技術是一項復雜的系統(tǒng)工程，涉及到煤田地質、鉆完井工程、排采工藝等方面，我國煤層氣藏的特殊性，決定了我國的煤層氣開采必須要具有針對性措施，需要煤田地質學與天然氣地質學緊密結合、煤儲層理論與常規(guī)天然氣藏工程技術緊密結合、煤層氣排采技術與鉆完井緊密結合。

（2）煤層氣地面抽排中，應充分利用煤層中水的“重力勢能”，根據(jù)煤層重力場、地應力場、壓力場的分布特征，合理選擇井型，提高地面抽排煤層氣效果。

（3）煤層氣水平井實鉆中的井眼軌跡控制不應以提高煤層鉆遇率為目的，而應根據(jù)煤層的實際展布情況，合理部署井位，在保證一定煤層鉆遇率的前提下，以井眼光滑、總體上傾為原則，避免出現(xiàn)“波浪狀”井眼。

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（修改稿收到日期 2013-11-01）

〔編輯 付麗霞〕

Research on coalbed methane reservoir characteristics and the methods of improving surface extraction effect

YANG Yong,CUI Shuqing,LANG Shumin,WANG Fengrui,ZHANG Yanling
（Huabei Oilfield Company,CNPC,Renqiu062550,China）

Compared to conventional gas reservoirs,the coalbed methane (CBM) reservoirs are essential different from the former in its occurrence state,accumulation process,gas reservoir boundary and production law.According to the practice and exploration of CBM development in China in recent years,the idea of wells distribution in accordance with “the potential” was proposed,which means using “gravity potential energy” of water in coalbed as well location principle.Based on the distribution characteristics of coalbed gravitational field,in-situ stress field and pressure field,reasonable well type and well network were selected to improve ground CBM drainage effect.For CBM multi-branch horizontal wells,high coalbed drilling rates may not be able to bring high coalbed gas production.So the actual drilling of borehole trajectory control should follow the principle of smooth wellbore and overall angled up,to avoid "wavy" well eye.Analysis figures out that by increasing the temperature to rise CBM reservoir gas production,as well as to carry out drilling technology research for tectonic coal are main research direction of CBM development for future.

CBM;gas reservoir characteristics;well distribution principle;wellbore trajectory control

楊勇，崔樹清，郎淑敏，等.我國煤層氣藏特征及提高地面抽采效果的方法［J］.石油鉆采工藝，2013，35（6）：66-69.

TE37

：A

1000-7393（2013）06-0066-04

10.13639/j.odpt.2014.01.017

國家科技重大專項“山西沁水盆地煤層氣水平井開發(fā)示范工程”（編號：2011ZX05061）。

楊勇，1958年生?，F(xiàn)任中國石油華北油田分公司總工程師，教授級高級工程師。通訊作者：崔樹清，電話：0317-2722842。E-mail：bh_cui@petrochina.com.cn。