朱慶忠 楊延輝 左銀卿 張學(xué)英 張俊杰 宋 洋 郎淑敏

1.中國(guó)石油華北油田公司 2. 中國(guó)石油天然氣集團(tuán)有限公司煤層氣開采先導(dǎo)試驗(yàn)基地 3.中國(guó)石油華北油田公司勘探開發(fā)研究院

中國(guó)煤層氣規(guī)模開發(fā)雖然起步晚，但探明儲(chǔ)量、產(chǎn)能建設(shè)的速度并不低，截至2016年底，累計(jì)探明地質(zhì)儲(chǔ)量6 928×108m3，尤以“十二五”期間全國(guó)新增探明地質(zhì)儲(chǔ)量超過(guò)累計(jì)總量的50%，年產(chǎn)能建設(shè)也超過(guò)了100×108m3。近3年探明儲(chǔ)量與產(chǎn)量的比例150∶1遠(yuǎn)高于同期美國(guó)的11∶1，中國(guó)煤層氣的產(chǎn)能轉(zhuǎn)化率僅40%左右，中國(guó)煤層氣開發(fā)呈現(xiàn)“一大四低”的現(xiàn)象（資源量大、有效動(dòng)用率低、產(chǎn)能轉(zhuǎn)化率低、單井產(chǎn)氣量低、開發(fā)利潤(rùn)低），與預(yù)期相差較遠(yuǎn)。因此，如何增加單井產(chǎn)量、提高綜合效益是中國(guó)煤層氣產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展急需突破的技術(shù)難題。

1 沁水盆地煤層氣開發(fā)所面臨的問(wèn)題及挑戰(zhàn)

1.1 工程技術(shù)如何有效提高單井產(chǎn)量

中國(guó)煤層氣地質(zhì)條件復(fù)雜，煤層地質(zhì)的差異性一定程度上決定了煤層氣井增產(chǎn)改造技術(shù)不能簡(jiǎn)單復(fù)制，鄭莊、鄭北區(qū)塊的后期擴(kuò)建工程中應(yīng)用了相同技術(shù)系列，平均單井產(chǎn)氣量同樊莊相比，相同階段遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)指標(biāo)，由此可見(jiàn)煤層地質(zhì)特征參數(shù)的變化對(duì)產(chǎn)量的影響較大，工程技術(shù)須適應(yīng)主體改造對(duì)象的基本特征[1-3]。

在尋找適應(yīng)煤層氣工程技術(shù)道路上，中國(guó)石油華北油田公司（以下簡(jiǎn)稱華北油田）不僅從優(yōu)選適宜地質(zhì)條件開發(fā)的井型及井型組合設(shè)計(jì)、鉆完井工藝[4-8]、多種增產(chǎn)改造技術(shù)[9-11]等方面進(jìn)行了探索（表1），多種改造增產(chǎn)技術(shù)從規(guī)模大小、工藝設(shè)計(jì)等也進(jìn)行了技術(shù)研究與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，從失敗中總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，從成功中尋求更好，尤其在2013年進(jìn)入煤層氣產(chǎn)業(yè)的低潮期，突破煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展瓶頸的唯一出路是提高單井產(chǎn)量，但是，如果仍沿用以往思路能否解救近1/2的低效區(qū)？前期的開發(fā)實(shí)踐一直都從壓裂技術(shù)上找原因，缺少?gòu)拿簩託忾_發(fā)機(jī)理上梳理問(wèn)題，難以取得突破?！笆濉焙笃?，煤層氣開發(fā)采取辯證思維的方式，引進(jìn)了矛盾論和實(shí)踐論的觀點(diǎn)，對(duì)煤層改造的工程技術(shù)要由改造向疏導(dǎo)思路轉(zhuǎn)移的新認(rèn)識(shí)，提出儲(chǔ)層改造要解決3個(gè)物理矛盾，即減少壓力的抬升、減少水體進(jìn)入、減少對(duì)煤層壓實(shí)。

表1 近年來(lái)煤層氣增產(chǎn)技術(shù)試驗(yàn)表

工程技術(shù)如何解決3個(gè)物理矛盾，有效增產(chǎn)？首先需要地質(zhì)認(rèn)識(shí)突破常規(guī)，重新認(rèn)識(shí)煤層氣，透過(guò)現(xiàn)象看本質(zhì)，查找問(wèn)題，才能尋找破解之策。煤層氣與常規(guī)天然氣相比，其賦存的巖石類型、氣體的儲(chǔ)存特征、流體開發(fā)規(guī)律不同：①常規(guī)天然氣以游離態(tài)賦存在無(wú)機(jī)質(zhì)巖石孔隙中，主要成分是甲烷；而80%以上的煤層氣以吸附態(tài)賦存在煤層中[12]，以甲烷為主，煤巖灰分介于10%～25%，揮發(fā)分介于35%～40%，固定碳介于45%～50%。②兩者賦存巖石力學(xué)性質(zhì)的差異較大（表2），煤巖的楊氏模量遠(yuǎn)低于石英砂巖及泥巖，但泊松比高，因此煤儲(chǔ)層難造長(zhǎng)縫。③天然氣是經(jīng)過(guò)多次運(yùn)移聚集成藏，有明顯油、氣、水界面；而煤層氣是經(jīng)過(guò)多次運(yùn)移后的殘存氣體，氣水同在。④常規(guī)天然氣產(chǎn)出是滲流—擴(kuò)散—再滲流的過(guò)程，天然氣采出依靠地下天然能量驅(qū)動(dòng)，開采過(guò)程中，隨著地下壓力不斷降低，能量不足時(shí)，采取注水、注氣或蒸汽驅(qū)等；而煤層氣產(chǎn)出是解吸—擴(kuò)散—滲流的過(guò)程[12-15]，煤層氣開發(fā)通過(guò)整體降壓才能夠提高采收率。因此，煤層氣與常規(guī)天然氣在儲(chǔ)層、開發(fā)方式上存在著本質(zhì)上的區(qū)別。

經(jīng)過(guò)幾年實(shí)踐，形成了支撐煤層氣開發(fā)技術(shù)系列，產(chǎn)能建設(shè)選區(qū)已有較大進(jìn)步，低成本可控水平井技術(shù)也在探索中取得初步成效，改造增產(chǎn)技術(shù)以直（叢式）井為主體的采用水力壓裂技術(shù)也實(shí)現(xiàn)了更新?lián)Q代見(jiàn)到成效[6]，但仍然面臨著有效提高單井產(chǎn)量的巨大挑戰(zhàn)，煤層氣井增產(chǎn)改造仍未達(dá)預(yù)期效果。

1.2 現(xiàn)有低效區(qū)如何有效恢復(fù)產(chǎn)能

沁水盆地南部高階煤儲(chǔ)層壓力低、以欠壓為特征，滲透率普遍低于國(guó)外開發(fā)盆地煤儲(chǔ)層，“十一五”到“十二五”前期，國(guó)內(nèi)對(duì)煤層氣的勘探開發(fā)沒(méi)考慮到煤儲(chǔ)層的差異性，導(dǎo)致整體平均單井產(chǎn)量低、開發(fā)效益差。已經(jīng)成熟開發(fā)的沁水煤層氣田樊莊區(qū)塊整體處于穩(wěn)定產(chǎn)氣階段，但仍存在近1/3的低效區(qū)；后續(xù)開發(fā)的煤儲(chǔ)層更為復(fù)雜的鄭莊區(qū)塊，低效區(qū)的范圍更大，近2/3開發(fā)井屬于低產(chǎn)井。國(guó)內(nèi)其他主要開發(fā)煤層氣單位的開發(fā)區(qū)塊也存在類似的問(wèn)題（如古交、和順、柿莊等區(qū)塊），無(wú)疑降低了煤層氣田整體的開發(fā)效益。

目前中國(guó)煤層氣建設(shè)年產(chǎn)能超過(guò)100×108m3，40%的產(chǎn)能建設(shè)到位率，沒(méi)有考慮不同的地質(zhì)特征采取差異化的技術(shù)系列，仍有超半數(shù)的產(chǎn)能處于低效開發(fā)，這些區(qū)域已經(jīng)建成配套管網(wǎng)，設(shè)施較為齊全，儲(chǔ)量落實(shí)，急需針對(duì)性技術(shù)措施徹底恢復(fù)產(chǎn)能，實(shí)現(xiàn)效益開發(fā)。因此，提升現(xiàn)有低效區(qū)產(chǎn)能是煤層氣開發(fā)面臨的另一大挑戰(zhàn)。

近年來(lái)，華北油田在低效已開發(fā)區(qū)采取疏導(dǎo)式開發(fā)工程技術(shù)，現(xiàn)場(chǎng)先導(dǎo)試驗(yàn)可控水平井技術(shù)、耦合降壓排采技術(shù)、低前置比快速返排壓裂等技術(shù)，目前試驗(yàn)的新井單井具有見(jiàn)氣時(shí)間短、提產(chǎn)能力強(qiáng)、達(dá)產(chǎn)時(shí)間短的產(chǎn)氣特征（圖1～3），先導(dǎo)試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)單井日增產(chǎn)氣量介于200～1 000 m3（圖4、5）。試驗(yàn)見(jiàn)到了一定的效果，但與實(shí)現(xiàn)低效區(qū)塊的產(chǎn)能整體提升、扭虧為盈，還有很大的差距。

1.3 實(shí)現(xiàn)煤層氣產(chǎn)業(yè)持續(xù)效益開發(fā)的挑戰(zhàn)

按照國(guó)家煤層氣“十三五”規(guī)劃，到2020年，全國(guó)煤層氣年產(chǎn)量計(jì)劃100×108m3，其中沁水煤層氣年產(chǎn)量54.3×108m3，占當(dāng)年總產(chǎn)量的54%，2016年中國(guó)煤層氣年產(chǎn)量45×108m3，其中沁水煤層氣年產(chǎn)量32.7×108m3，占到當(dāng)年總產(chǎn)量的73%，在煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展中占有重要地位，但實(shí)現(xiàn)“十三五”規(guī)劃的年產(chǎn)量發(fā)展目標(biāo)還有近20×108m3的差距，一部分寄希望于低效區(qū)塊產(chǎn)能的提升，另一部分新建生產(chǎn)能力。目前煤層埋深800 m以淺的煤層氣資源大部分動(dòng)用，而中國(guó)近80%的煤層氣資源分布在800 m以深的區(qū)域[16-17]，“十三五”期間，動(dòng)用的資源埋深均大于800 m，這些資源地質(zhì)條件更加復(fù)雜、對(duì)技術(shù)創(chuàng)新要求更高。

中深層煤層氣效益開發(fā)至關(guān)重要。華北油田目前實(shí)施的示范區(qū)建設(shè)深度介于900～1 200 m，其高效開發(fā)的成功，將對(duì)于中國(guó)高效開發(fā)中深層煤層氣意義重大，極具挑戰(zhàn)性。

圖1 鄭莊Ⅱ類區(qū)某直井采用低前置比快速返排技術(shù)的產(chǎn)量曲線圖

圖2 F71P2單支水平井采用篩管完井技術(shù)的產(chǎn)量曲線圖

圖3 單支水平井多段壓裂后的產(chǎn)量曲線圖

圖4 樊莊新井與鄰井同期產(chǎn)量對(duì)比圖

圖5 鄭莊新井與鄰井同期產(chǎn)量對(duì)比圖

2 沁水盆地煤層氣開發(fā)的技術(shù)策略

華北油田煤層氣從2006年投入開發(fā)，2009年實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，產(chǎn)業(yè)規(guī)模從無(wú)到有，至目前近10×108m3的年產(chǎn)氣量規(guī)模，與國(guó)家政策對(duì)煤層氣產(chǎn)業(yè)化的支持及煤層氣開發(fā)技術(shù)的進(jìn)步息息相關(guān)。

2008年以后是煤層氣技術(shù)快速發(fā)展時(shí)期，煤層氣開發(fā)技術(shù)從最初的引進(jìn)、模仿，到自主研發(fā)、具備完整技術(shù)系列，經(jīng)歷初步形成期（2006—2012年）、轉(zhuǎn)型升級(jí)期（2013年至今），支撐了煤層氣建設(shè)初期的快速擴(kuò)張。但是，隨著煤層氣儲(chǔ)量、產(chǎn)能規(guī)模的擴(kuò)大，已有的開發(fā)技術(shù)難適宜不同地質(zhì)條件，影響了后續(xù)建產(chǎn)區(qū)塊的效益開發(fā)進(jìn)程，也使煤層氣開發(fā)轉(zhuǎn)入了低潮期，這促使了對(duì)開發(fā)煤層氣理論與技術(shù)的深化認(rèn)識(shí)：①加深地質(zhì)特征的差異性、儲(chǔ)量的可采性、工程技術(shù)的適應(yīng)性及科學(xué)技術(shù)的重要性的認(rèn)識(shí)，簡(jiǎn)單復(fù)制開發(fā)設(shè)計(jì)、工程技術(shù)導(dǎo)致了整體效益低的結(jié)果；②必須依靠創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)建立適用技術(shù)體系，提出了“勘探評(píng)價(jià)向控制高效優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)量精準(zhǔn)選區(qū)轉(zhuǎn)變、產(chǎn)能建設(shè)由整體推進(jìn)向?qū)ふ腋咝^(qū)開發(fā)轉(zhuǎn)變、工程技術(shù)由改造向疏導(dǎo)轉(zhuǎn)變”的技術(shù)策略。

具體工作中需要重點(diǎn)解決好3個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：高效產(chǎn)能建設(shè)的選區(qū)問(wèn)題、提高產(chǎn)量的工程技術(shù)問(wèn)題、降低運(yùn)行成本的建設(shè)問(wèn)題。夯實(shí)的地質(zhì)基礎(chǔ)、適宜的工程技術(shù)、簡(jiǎn)潔的地面集輸工藝、科學(xué)排采的有機(jī)結(jié)合，是支撐解決3個(gè)問(wèn)題的關(guān)鍵，近3年已見(jiàn)到初步成效。而煤層氣開發(fā)的技術(shù)管理需要：①改變以往的煤層氣勘探、開發(fā)評(píng)價(jià)程序；②補(bǔ)充煤層氣開發(fā)工程技術(shù)適用性評(píng)價(jià)方法，強(qiáng)化高效動(dòng)用儲(chǔ)量的可采性論證及不同地質(zhì)條件優(yōu)選工程技術(shù)環(huán)節(jié)，深化科學(xué)排采控制理論認(rèn)識(shí)。

3 結(jié)束語(yǔ)

據(jù)資料顯示，頁(yè)巖氣單井投資介于5 000萬(wàn)元～7 000萬(wàn)元，單井日產(chǎn)氣約6×108m3；而煤層氣單井投資介于300萬(wàn)元～800萬(wàn)元，單井日產(chǎn)氣介于0.4×104～1.6×104m3，中國(guó)頁(yè)巖氣開采的成本明顯高于煤層氣，且煤層氣穩(wěn)產(chǎn)期、生產(chǎn)期長(zhǎng)，煤層氣從最初試生產(chǎn)階段的開采成本從1元/m3降到了目前商業(yè)化穩(wěn)定開發(fā)階段0.53元/m3，隨著煤層氣技術(shù)升級(jí)及頂層設(shè)計(jì)的實(shí)施，建設(shè)新區(qū)開采成本與目前相比，預(yù)計(jì)至少下降10%的幅度，這將極大促進(jìn)經(jīng)濟(jì)效益的提高。中國(guó)頁(yè)巖氣開發(fā)熱對(duì)煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展既是考驗(yàn)也是機(jī)遇。

[ 1 ] 朱慶忠, 左銀卿, 楊延輝. 如何破解我國(guó)煤層氣開發(fā)的技術(shù)難題——以沁水盆地南部煤層氣藏為例[J]. 天然氣工業(yè), 2015,35(2): 106-109.Zhu Qingzhong Zuo Yinqing & Yang Yanhui. How to solve the technical problems of coalbed methane development: Taking coalbed methane fi eld in the south of Qinshui Basin as an example[J]. Natural Gas Industry, 2015, 35(2): 106-109.

[ 2 ] 崔思華, 王勃, 苗書雷, 趙洋, 熊波, 王赟, 等. 吐哈盆地沙爾湖地區(qū)煤層氣鉆完井適用技術(shù)探討[J]. 河南理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2012, 31(3): 299-304.Cui Sihua, Wang Bo, Miao Shulei, Zhao Yang, Xiong Bo, Wang Yun, et al. Research on appropriate exploration technology of coalbed gas of Shaerhu District,Tuha Basin[J]. Journal of Henan Polytechnic University (Natural Science), 2012, 31(3): 299-304.

[ 3 ] 付利, 申瑞臣, 屈平, 夏健, 楊恒林, 韓敬. 基于層次分析法的煤層氣鉆完井方式優(yōu)選[J]. 石油鉆采工藝, 2011, 33(4): 10-14.Fu Li, Shen Ruichen, Qu Ping, Xia Jian, Yang Henglin & Han Jing. Selection of CBM drilling & completion methods by hierarchical analysis[J]. Oil Drilling & Production Technology, 2011,33(4): 10-14.

[ 4 ] 龍志平, 沈建中. 煤層氣“井工廠”鉆井模式設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].石油機(jī)械, 2016, 44(6): 19-23.Long Zhiping & Shen Jianzhong. CBM "well factory" drilling pattern design and application[J]. China Petroleum Machinery,2016, 44(6): 19-23.

[ 5 ] 楊勇, 崔樹清, 倪元勇, 王風(fēng)銳, 楊益涵, 郎淑敏. 煤層氣仿樹形水平井的探索與實(shí)踐[J]. 天然氣工業(yè), 2014, 34(8): 92-96.Yang Yong, Cui Shuqing, Ni Yuanyong, Wang Fengrui, Yang Yihan & Lang Shumin. A new attempt of a CBM tree like horizontal well: A pilot case of Well ZS 1P-5H in the Qinshui Basin[J].Natural Gas Industry, 2014, 34(8): 92-96.

[ 6 ] 楊勇, 崔樹清, 王風(fēng)銳, 張彬, 倪元勇, 沈家訓(xùn), 等. 煤層氣多分支水平井雙管雙循環(huán)井眼清潔技術(shù)[J]. 天然氣工業(yè), 2017,37(1): 112-118.Yang Yong, Cui Shuqing, Wang Fengrui, Zhang Bin, Ni Yuanyong, Shen Jiaxun, et al. Double casing & binary circulation hole cleaning technology for CBM multi-branch horizontal wells[J].Natural Gas Industry, 2017, 37(1): 112-118.

[ 7 ] 邵兵, 閆怡飛, 張帥, 閆相禎. 雙循環(huán)鉆井?dāng)y巖系統(tǒng)CFDDEM仿真及工具優(yōu)化[J]. 石油機(jī)械, 2017, 45(8): 1-6.Shao Bing, Yan Yifei, Zhang Shuai & Yan Xiangzhen. CFDDEM coupling simulation and tool optimization of cuttings carrying system for double-circulation drilling[J]. China Petroleum Machinery, 2017, 45(8): 1-6.

[ 8 ] 鄭力會(huì), 陳必武, 張崢, 湯繼丹, 孫昊. 煤層氣絨囊鉆井流體的防塌機(jī)理[J]. 天然氣工業(yè), 2016, 36(2): 72-77.Zheng Lihui, Chen Biwu, Zhang Zheng, Tang Jidan & Sun Hao.Anti-collapse mechanism of the CBM fuzzy-ball drilling fl uid[J].Natural Gas Industry, 2016, 36(2): 72-77.

[ 9 ] 張烈輝, 單保超, 趙玉龍. 煤層氣藏縫網(wǎng)壓裂直井生產(chǎn)動(dòng)態(tài)規(guī)律[J]. 天然氣工業(yè), 2017, 37(2): 38-45.Zhang Liehui, Shan Baochao & Zhao Yulong. Production performance laws of vertical wells by volume fracturing in CBM gas reservoirs[J]. Natural Gas Industry, 2017, 37(2): 38-45.

[10] 楊勇, 崔樹清, 倪元勇, 張國(guó)生, 李立昌, 孟振期. 煤層氣排采中的“灰堵”問(wèn)題應(yīng)對(duì)技術(shù)——以沁水盆地多分支水平井為例[J]. 天然氣工業(yè), 2016, 36(1): 89-93.Yang Yong, Cui Shuqing, Ni Yuanyong, Zhang Guosheng, Li Lichang & Meng Zhenqi. Key technology for treating slack coal blockage in CBM recovery: A case study from multi-lateral horizontal wells in the Qinshui Basin[J]. Natural Gas Industry, 2016,36(1): 89-93.

[11] 朱慶忠, 楊延輝, 王玉婷, 邵國(guó)良. 高階煤層氣高效開發(fā)工程技術(shù)優(yōu)選模式及其應(yīng)用[J]. 天然氣工業(yè), 2017, 37(10): 27-34.Zhu Qingzhong, Yang Yanhui, Wang Yuting & Shao Guoliang.Optimal geological–engineering models for highly eきcient CBM gas development and their application[J]. Natural Gas Industry,2017, 37(10): 27-34.

[12] 羅平亞. 關(guān)于大幅度提高我國(guó)煤層氣井單井產(chǎn)量的探討[J].天然氣工業(yè), 2013, 33(6): 1-6.Luo Pingya. A discussion on how to significantly improve the single-well productivity of CBM gas wells in China[J]. Natural Gas Industry, 2013, 33(6): 1-6.

[13] 趙麗娟. 超聲波作用下的煤層氣吸附—解吸規(guī)律實(shí)驗(yàn)[J]. 天然氣工業(yè), 2016, 36(2): 21-25.Zhao Lijuan. Experiment on CBM adsorption-desorption rules under the eあect of ultrasonic pressure waves[J]. Natural Gas Industry, 2016, 36(2): 21-25.

[14] 朱蘇陽(yáng), 杜志敏, 李傳亮, 彭小龍, 王超文. 煤層氣吸附解吸規(guī)律研究進(jìn)展[J]. 西南石油大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）, 2017,39(4): 104-112.Zhu Suyang, Du Zhimin, Li Chuanliang, Peng Xiaolong & Wang Chaowen. The adsorption and desorption of coal bed methane: A review[J]. Journal of Southwest Petroleum University (Science &Technology Edition), 2017, 39(4): 104-112.

[15] 藺亞兵, 賈雪梅, 馬東民. 煤層氣解吸滯后效應(yīng)及其評(píng)判方法研究[J]. 煤炭科學(xué)技術(shù), 2016, 44(增刊1): 160-163.Lin Yabing, Jia Xuemei & Ma Dongmin. Research on CBM desorption hysteresis eあects and its evaluation methods[J]. Coal Science and Technology, 2016, 44(S1): 160-163.

[16] 張軍濤, 郭慶, 汶鋒剛. 深層煤層氣壓裂技術(shù)的研究與應(yīng)用[J].延安大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2015, 34(1): 78-80.Zhang Juntao, Guo Qing & Wen Fenggang. Research and application of deep coal bed methane fracturing technology[J]. Journal of Yanan University (Natural Science Edition), 2015, 34(1): 78-80.

[17] 葉建平, 楊兆中, 夏日桂, 張健, 李小剛. 深煤層水力波及壓裂技術(shù)及其在沁南地區(qū)的應(yīng)用[J]. 天然氣工業(yè), 2017, 37(10):35-45.Ye Jianping, Yang Zhaozhong, Xia Rigui, Zhang Jian & Li Xiaogang. Synchronous hydraulic conformance fracturing technology used for deep coal beds and its fi eld application in the southern Qinshui Basin[J]. Natural Gas Industry, 2017, 37(10): 35-45.