周梓欣 張 偉

(1.新疆煤田地質(zhì)局,新疆 830091；2.新疆煤田地質(zhì)局綜合地質(zhì)勘查隊,新疆 830009)

新疆2000m以淺煤層氣資源量7.51×1012m3，占全國資源總量(30.05×1012m3)的25%。“十二五”—“十三五”時期，新疆共投入約25億元，以準(zhǔn)噶爾盆地南緣和庫拜煤田為重點開展勘查和先導(dǎo)試驗建設(shè)，截至目前，全疆現(xiàn)有煤層氣生產(chǎn)井280余口，最高年產(chǎn)氣量8235×104m3，單直井峰值日產(chǎn)量達(dá)到2.8×104m3，水平井峰值日產(chǎn)量達(dá)到3.5×104m3。準(zhǔn)噶爾盆地南緣作為新疆煤層氣最具代表性的區(qū)域，針對煤層氣富集主控因素等地質(zhì)特征開展了大量的研究，并通過先導(dǎo)試驗建設(shè)和科技攻關(guān)初步形成了適應(yīng)其地質(zhì)特點的開發(fā)技術(shù)體系。

1 煤層氣地質(zhì)特點

準(zhǔn)噶爾盆地南緣煤層氣地質(zhì)特征除了具有國內(nèi)高煤階的“三低”(低飽和度、低滲透率、低壓力)特征外，同時還具有地層傾角大、煤層厚度大、煤層層數(shù)多、風(fēng)化帶深度大的特殊地質(zhì)特點(表1)。

表1 準(zhǔn)噶爾盆地南緣煤層氣基礎(chǔ)地質(zhì)特征

2 地質(zhì)研究及技術(shù)進(jìn)展

在煤層氣勘查和先導(dǎo)試驗建設(shè)中，針對大傾角、多厚煤層、中低煤階地質(zhì)特點和遇到的難題開展了大量的研究和攻關(guān)試驗，初步形成了一套較為系統(tǒng)的理論和工藝技術(shù)體系。

(1)煤層氣地質(zhì)研究進(jìn)展

以準(zhǔn)噶爾盆地南緣為對象，研究構(gòu)造、沉積環(huán)境、水文地質(zhì)、煤層氣成因特征，分析各因素對煤層氣富集的影響，研究認(rèn)為盆地周緣構(gòu)造隆升、水力逸散、煤層氣風(fēng)化帶深延是制約煤層氣資源分布和勘探開發(fā)潛力的不可忽略的地質(zhì)因素；提出了三種煤層氣富集成藏模式：水動力滯留區(qū)封存性原生生物氣成藏模式、水動力滯留區(qū)微生物改造熱成因氣成藏模式、水動力活躍區(qū)淺層生物氣補(bǔ)給-深部熱成因氣逸散成藏模式三種煤層氣富集成藏模式。基于以上煤層氣賦存地質(zhì)規(guī)律研究成果，分勘探和開發(fā)兩個階段，分別優(yōu)化評價參數(shù)和權(quán)重，制定了《新疆地區(qū)中低煤階煤層氣地質(zhì)選區(qū)評價方法》，在準(zhǔn)噶爾盆地南緣優(yōu)選出烏魯木齊河?xùn)|、阜康四工河、吉木薩爾水西溝等煤層氣開發(fā)有利區(qū)，并針對各有利區(qū)優(yōu)選了甜點段(目標(biāo)煤層段或目標(biāo)煤層段組合)，有效指導(dǎo)了準(zhǔn)噶爾盆地南緣的煤層氣開發(fā)部署。

通過煤層含氣性及氣成分展布規(guī)律研究，剖析氣體成因及煤層氣風(fēng)化帶形成演化過程，首次提出“以外源性N2為評價指標(biāo)”的新疆中低煤階風(fēng)化帶深度劃定標(biāo)準(zhǔn)，即滿足經(jīng)濟(jì)邊界的前提下，以“氮氣濃度小于等于20%”作為劃定煤層氣風(fēng)化帶下限的評價依據(jù)，在煤層氣開發(fā)的井位部署中得到廣泛應(yīng)用，如依據(jù)該煤層氣風(fēng)化帶劃定方法，烏魯木齊河?xùn)|礦區(qū)目的層深度淺部邊界由以往的650m調(diào)整到450m，相應(yīng)部署的煤層氣井產(chǎn)氣量在排采3個月后迅速達(dá)到2000m3/d以上，獲得較好排采效果，釋放了較大的可供煤層氣開發(fā)的區(qū)域。

通過對煤體結(jié)構(gòu)、孔裂隙發(fā)育特征、煤層礦物組分等的研究，對主要礦區(qū)的主要可采煤層的可改造性進(jìn)行評價，提出針對不同特性儲層的改造方案(表2)，有效指導(dǎo)了各開發(fā)區(qū)塊的壓裂施工，獲得較為理想的儲層改造效果。

表2 研究區(qū)壓裂增產(chǎn)措施方案

(2)鉆井技術(shù)

為適應(yīng)大傾角、多煤層、厚煤層的地質(zhì)特點，節(jié)約土地資源和方便管理，形成以叢式井為主，水平井為輔的開發(fā)模式，其中，叢式井包括直井和定向井，水平井包括順煤層井、L型井單分支水平井、多分支水平井3種井型。同時，為了解決多個主力煤層的等間距控制問題，創(chuàng)新研發(fā)五段制定向井；在保證快速鉆完井方面，通過數(shù)學(xué)建模等手段，開展鉆機(jī)、泥漿泵、固控設(shè)備和鉆頭選型優(yōu)選，研發(fā)低固相低傷害強(qiáng)抑制水基/鉀基鉆井液和無固相低傷害鉆井液體系，提高了穩(wěn)定性能、抑制性能、封堵性能和儲層保護(hù)性能；井身質(zhì)量控制方面，開展了井眼軌跡優(yōu)化設(shè)計和井眼軌跡控制理論技術(shù)研究，建立軌跡優(yōu)化設(shè)計模型和底部鉆具組合受力模型，優(yōu)化設(shè)計和底部鉆具組合，減少摩阻，達(dá)到井身質(zhì)量控制的目的。針對900m以深煤層地質(zhì)控制程度低的問題，為提高水平井鉆遇率，引進(jìn)優(yōu)化地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)，提出并試驗了“井眼軌道控制原則”與“主動探頂技術(shù)與側(cè)鉆開分支技術(shù)”(圖1)。

圖1 主動探頂技術(shù)施工示意圖

(3)壓裂技術(shù)

為解決大傾角地層壓裂裂縫上部支撐難，厚煤層難以充分改造，目的煤層多，活性水光套管注入填砂分層的方式對層間距要求高且施工周期長等難題，研發(fā)出低傷害、低摩阻高效壓裂液體系，具有較好的攜砂性能和降摩阻和降濾失的作用；形成多、厚煤層壓裂選段原則，保障所選層段的資源和儲層條件均較優(yōu)；引進(jìn)并優(yōu)化水力噴砂射孔+連續(xù)油管底封拖動壓裂技術(shù)，單層平均施工周期為2.74層/天；引進(jìn)并優(yōu)化帶壓射孔+全可溶橋塞層間分層壓裂技術(shù)，實現(xiàn)了短期內(nèi)大排量、大液量、大砂量高效充分壓裂(表3)。

表3 單井壓裂改造規(guī)模及效果

(4)排采技術(shù)

為解決排采管桿偏磨和腐蝕、出砂、出粉問題，多層和采分層產(chǎn)能貢獻(xiàn)不清問題及大傾角煤層排采壓降等規(guī)律不清問題，研究腐蝕機(jī)理，優(yōu)選緩釋劑，形成添加緩蝕劑排采防腐技術(shù)；利用陰極保護(hù)技術(shù)原理設(shè)計兩套保護(hù)系統(tǒng)，形成陰極保護(hù)器排采防腐技術(shù)；建立三維井眼軌跡描述與三維力學(xué)模型，形成基于三維桿柱力學(xué)的綜合防偏磨優(yōu)化設(shè)計方法；通過對煤粉的形貌特征及運動特征研究，形成主動脈沖式排采煤粉防控工藝技術(shù)，通過對管柱及撈砂工具優(yōu)化，形成針對L型水平井的撈砂技術(shù)；通過在多層排采叢式井開展分布式光纖溫壓多參數(shù)監(jiān)測，開展多層合采產(chǎn)能計算模型與算法研究，開發(fā)煤層氣井多層合采產(chǎn)能剖面定量解釋軟件，可以對單采、合采煤層氣井產(chǎn)量歷史進(jìn)行擬合，對多層合采產(chǎn)量及各層產(chǎn)量貢獻(xiàn)率進(jìn)行預(yù)測；基于大傾角儲層排采特征研究，結(jié)合前期排采井的經(jīng)驗，提出了“五段三點兩控排采法(五個階段、三個節(jié)點、兩個控制關(guān)鍵)”(圖2)，并開發(fā)排采智能管理系統(tǒng)軟件，為試驗井連續(xù)平穩(wěn)排采和增產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。

圖2 五段三點兩控制排采法

3 地質(zhì)及技術(shù)攻關(guān)方向

地質(zhì)研究和技術(shù)攻關(guān)有力支撐了各先導(dǎo)試驗的開發(fā)建設(shè)，建成準(zhǔn)噶爾盆地南緣煤層氣產(chǎn)業(yè)化基地的核心區(qū)，實現(xiàn)新疆煤層氣的突破性進(jìn)展，但要實現(xiàn)規(guī)模有效開發(fā)還需大力推進(jìn)技術(shù)創(chuàng)新，大幅提高單井產(chǎn)量和降低綜合開發(fā)成本,探索煤層氣精準(zhǔn)評價體系，尋找提高單井增產(chǎn)新技術(shù)，準(zhǔn)確確定目的煤層的開發(fā)時序，切實提高煤層氣抽采率。需要攻克的主要地質(zhì)和技術(shù)難題如下：

(1)地質(zhì)精準(zhǔn)選區(qū)和精細(xì)評價技術(shù)、地質(zhì)與工程配套勘查開發(fā)工程技術(shù)是迫切需要解決的問題。雖然在阜康、烏魯木齊河?xùn)|等多個區(qū)塊獲得了單井高產(chǎn)突破，但高產(chǎn)井與穩(wěn)產(chǎn)井總數(shù)偏少，低產(chǎn)井占有一定的數(shù)量，使得整個區(qū)塊單井平均產(chǎn)量偏低。分析原因主要是由于當(dāng)前新疆煤層氣勘查開發(fā)的有利區(qū)多處于山前構(gòu)造擠壓帶，地質(zhì)條件復(fù)雜，煤層非均質(zhì)強(qiáng)。這就要求我們在地質(zhì)研究時進(jìn)行橫向、縱向上的精細(xì)描述和分區(qū)分類評價，提高選區(qū)和井位部署的有效性，并選擇與地質(zhì)條件相適應(yīng)的井型和井網(wǎng)和儲層改造方式等，確保施工成功率。

(2)儲層充分有效改造技術(shù)急需有新的突破。針對新疆地層傾角大、煤層厚度大的特點，為實現(xiàn)對煤層的充分動用，采用L型水平井和多裂縫、全切割連續(xù)油管體積壓裂工藝，實現(xiàn)了對煤層的充分改造，但后期排采中吐砂、吐粉嚴(yán)重，影響排采的連續(xù)性，產(chǎn)氣效果沒有達(dá)到預(yù)期，因此在實現(xiàn)儲層充分改造的技術(shù)和工藝上還需研究探索；在當(dāng)前已進(jìn)行排采試驗的區(qū)塊中，部分區(qū)塊如準(zhǔn)噶爾盆地南緣的后峽區(qū)塊、呼圖壁區(qū)塊煤層含氣量大、滲透率高，具有較好的資源基礎(chǔ)和開采條件，但由于煤層頂板多為含水層，加之煤層的傾角較大，儲層改造中極易壓穿上部含水層，導(dǎo)致排水降壓失效，煤層有氣但抽采不出來，如何實現(xiàn)該類儲層的改造尚需攻克。

(3)合層排采層段優(yōu)選和單層有序開發(fā)還需研究和創(chuàng)新。新疆煤層氣資源量大，除了由于煤層分布廣、煤層厚度大以外，另一個重要因素是煤層層數(shù)多，但在阜康礦區(qū)、烏魯木齊河?xùn)|礦區(qū)的煤層氣開發(fā)中，采用2層或3層合采的排采井，雖然增加了動用煤層和建井成本，但部分合采井的產(chǎn)氣效果并不理想，甚至低于單層排采井，因此，合層排采的選層及與地質(zhì)條件的適應(yīng)性還需研究，另一方面，因為新疆單煤層厚度普遍較大，單一煤層即可為排采提供充足的資源，未來為實現(xiàn)對新疆煤層氣的充分動用，可能的發(fā)展方向為地質(zhì)條件滿足的情況下，臨近薄煤層與薄煤層合采、臨近薄煤層與厚煤層合采或厚煤層單采，如果以上三種情況逐層開采，如何有序開發(fā)尚未進(jìn)行研究。

4 結(jié)論

(1)地質(zhì)規(guī)律和成藏特征認(rèn)識更加準(zhǔn)確，有效指導(dǎo)了開發(fā)部署。主要地質(zhì)認(rèn)識和進(jìn)步如下：明確了構(gòu)造、水文地質(zhì)、煤層氣成因是準(zhǔn)噶爾盆地南緣煤層氣富集成藏的主控因素，基于富集成藏認(rèn)識和大傾角、多厚煤層、風(fēng)化帶深度大的典型地質(zhì)特點，優(yōu)化評價參數(shù)和權(quán)重，制定《新疆地區(qū)中低煤階煤層氣地質(zhì)選區(qū)評價方法》，提出以“氮氣濃度小于等于20%”作為劃定煤層氣風(fēng)化帶下限的評價依據(jù)和針對不同特性儲層的改造方案等，有效指導(dǎo)了各開發(fā)區(qū)塊的井位部署和壓裂施工，獲得較好開發(fā)效果，釋放出較大的可供煤層氣開發(fā)的區(qū)域。

(2)通過開展勘查和先導(dǎo)試驗建設(shè)，從地質(zhì)選區(qū)到鉆、壓、排初步形成了一套較為系統(tǒng)的工藝技術(shù)體系：鉆井技術(shù)方面采用定向井、水平井多種井型，優(yōu)化鉆井設(shè)備選型，研發(fā)出低固相和無固相鉆井液體系，優(yōu)化井眼軌跡和鉆具組合，創(chuàng)新地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)；壓裂技術(shù)方面研發(fā)了高效壓裂液體系、制定了壓裂層段選層方法，引進(jìn)并優(yōu)化水力噴砂射孔+連續(xù)油管底封拖動壓裂技術(shù)和帶壓射孔+全可溶橋塞層間分層壓裂技術(shù)；排采技術(shù)方面形成了緩蝕劑、陰極保護(hù)器綜合防腐和基于三維桿柱力學(xué)的防腐蝕防偏磨技術(shù)與排采控制方法等，開發(fā)工藝技術(shù)與新疆地質(zhì)特點適應(yīng)性進(jìn)步增強(qiáng)。

(3)要實現(xiàn)新疆煤層氣的規(guī)模有效開發(fā)，還需創(chuàng)新和突破以下主要關(guān)鍵技術(shù)：研究攻克地質(zhì)精準(zhǔn)選區(qū)和精細(xì)評價技術(shù)、地質(zhì)與工程配套技術(shù)，解決構(gòu)造復(fù)雜、儲層非均質(zhì)性強(qiáng)的問題；創(chuàng)新或優(yōu)化儲層改造工藝，細(xì)化儲層改造方案，解決排采中的吐砂吐粉難題，在保證頂?shù)装灏踩那疤釋崿F(xiàn)對儲層的充分改造；創(chuàng)新多煤層有序開發(fā)技術(shù)和合層排采層位優(yōu)選方法，實現(xiàn)多煤層的充分、有效、低成本動用。