馬俊強(qiáng)，張光偉，李海斌，張建國(guó)

(中國(guó)煤炭地質(zhì)總局廣東煤炭地質(zhì)局勘查院，廣東 廣州 510440)

致密砂巖氣藏是我國(guó)非常規(guī)氣藏的一種，儲(chǔ)集層特征與常規(guī)天然氣明顯不同，具有低孔低滲現(xiàn)象明顯特征，致密砂巖氣儲(chǔ)層滲透率低于1×10-3μm2以下、孔隙度在5%左右。在開(kāi)采致密砂巖氣藏時(shí)，由于儲(chǔ)層空間被地層水充填，致密砂巖氣只能驅(qū)替較大孔隙的自由水，從而形成小孔隙的地層水；地層水與致密砂巖氣共同存在，儲(chǔ)層中原始含水飽和度較高的致密砂巖氣藏是導(dǎo)致致密砂巖氣開(kāi)采量不高、難度大的重要原因[1-3]。

1 致密砂巖氣開(kāi)采過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)分析

1.1 環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)分析

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們意識(shí)到了能源短缺問(wèn)題的重要性，如今致密砂巖氣在能源供應(yīng)方面發(fā)揮的作用不斷增強(qiáng)[4]。一般情況下，我國(guó)致密砂巖氣藏主要分布在沙漠及荒漠化地區(qū)、地形復(fù)雜的山區(qū)，位置偏僻且環(huán)境惡劣。在傳統(tǒng)人工值守方式下，人們需要對(duì)致密砂巖氣井場(chǎng)進(jìn)行24h監(jiān)控，定期查看儀表設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，記錄數(shù)據(jù)信息，這樣的管理方式需要投入大量資源才能維護(hù)致密砂巖氣正常開(kāi)采，但隨著勞動(dòng)強(qiáng)度的加大，數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性無(wú)法保障，很多開(kāi)采問(wèn)題無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)，從而給致密砂巖氣的安全環(huán)保開(kāi)采帶來(lái)影響[5]。我國(guó)致密砂巖氣藏儲(chǔ)量豐富，在致密砂巖氣開(kāi)采時(shí)也會(huì)給環(huán)境造成一定的破壞，為了保護(hù)生態(tài)環(huán)境，有必要確立相應(yīng)的安全環(huán)保管理標(biāo)準(zhǔn)，明確開(kāi)采中的風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題，對(duì)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)綜合分析。

致密砂巖氣開(kāi)采會(huì)造成水資源的浪費(fèi)和污染，隨著水平井開(kāi)采技術(shù)和多段壓裂技術(shù)的廣泛應(yīng)用，致密砂巖氣層和井眼之間的接觸面積擴(kuò)大廣泛，這有效提高了采收效率，降低了開(kāi)采成本。大規(guī)模水力壓裂將壓裂液全部注入致密砂巖層，使層間裂隙擴(kuò)大，再用支撐劑穩(wěn)定層間裂隙，目前該方法被用于低滲透率的致密砂巖氣開(kāi)采中[6]。實(shí)際上，壓裂技術(shù)的應(yīng)用會(huì)引發(fā)水資源污染，壓裂時(shí)需要大量使用水資源。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，水平井技術(shù)和水力壓裂技術(shù)的耗水量分別達(dá)到4 000 m3和18 000 m3以上，可見(jiàn)致密砂巖氣的開(kāi)采對(duì)水資源十分依賴。開(kāi)采時(shí)為提高產(chǎn)量，水力壓裂時(shí)會(huì)應(yīng)用化學(xué)物質(zhì)，其中包含了黏土穩(wěn)定劑和活性劑，開(kāi)采后這類化學(xué)物質(zhì)會(huì)被遺留下來(lái)，給地下水資源帶來(lái)污染。

1.2 地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)分析

對(duì)致密砂巖氣開(kāi)采可能產(chǎn)生的地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行分析。①致密砂巖氣開(kāi)采會(huì)引發(fā)地質(zhì)滑坡災(zāi)害，由于致密砂巖氣開(kāi)采深度存在差異，開(kāi)采時(shí)需要用到不同的技術(shù)，比如直井開(kāi)采、水平井開(kāi)采以及水力壓裂開(kāi)采等技術(shù)，前兩者會(huì)破壞巖層結(jié)構(gòu)一部分應(yīng)力，而水力壓裂開(kāi)采會(huì)直接破壞砂巖層地質(zhì)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致該處原有的應(yīng)力結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，甚至引發(fā)地質(zhì)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)松動(dòng)后果。②致密砂巖氣開(kāi)采會(huì)引發(fā)地質(zhì)巖層破壞。鉆井期間地層結(jié)構(gòu)受到破壞影響，在沒(méi)有支撐的時(shí)候巖層應(yīng)力很快釋放，隨后就會(huì)出現(xiàn)巖層結(jié)構(gòu)變化的現(xiàn)象[7]。比如水平鉆井期間，井壁四周巖層孔隙壓力快速變化，巖層間摩擦力降低，導(dǎo)致鉆孔周邊產(chǎn)生大量裂縫，面對(duì)這一地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)，如果不及時(shí)采取補(bǔ)救措施，水平井的孔壁將有可能坍塌。

1.3 鉆井風(fēng)險(xiǎn)分析

鉆孔鉆進(jìn)時(shí)必定會(huì)鉆開(kāi)多套地層，鉆井液漏失是鉆孔鉆進(jìn)過(guò)程中常見(jiàn)風(fēng)險(xiǎn)類型，鉆井液漏失通常會(huì)增加鉆進(jìn)投入，嚴(yán)重情況下甚至需要重新開(kāi)孔鉆機(jī)。在一般地質(zhì)鉆孔鉆進(jìn)中，鉆井液漏失多是增加經(jīng)濟(jì)投入，基本不會(huì)存在安全風(fēng)險(xiǎn)[8]；但是油氣井在鉆進(jìn)過(guò)程中，當(dāng)出現(xiàn)鉆井液漏失時(shí)會(huì)引起有害氣體溢出、甚至噴井等事故，給現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員以及附近居民安全、生態(tài)環(huán)境等造成顯著威脅。同時(shí)鉆進(jìn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一定量的廢棄泥漿，具體山西某鉆井施工過(guò)程中排出的廢棄泥漿參數(shù)，如表1所示。從表中看出，廢棄泥漿中COD值以及色度倍等均不滿足國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，若直接外排或者填埋會(huì)造成一定的環(huán)境污染。

錄井是獲取地層資料、鉆井施工參數(shù)的主要技術(shù)手段，一般情況下采用金剛石鉆頭鉆進(jìn)，鉆進(jìn)過(guò)程中產(chǎn)生的巖屑粒徑較小，導(dǎo)致后續(xù)對(duì)巖屑分析難度較高；同時(shí)受鉆機(jī)與錄井系統(tǒng)匹配性不好等因素影響，現(xiàn)場(chǎng)錄井工作開(kāi)展較為困難。受現(xiàn)場(chǎng)施工條件限制，有害氣體監(jiān)測(cè)傳感器、泥漿液位傳感器等設(shè)備安裝位置受限，難以有效對(duì)溢流、井漏、有害氣體溢出等情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)[9-10]。

表1 廢棄泥漿污染指標(biāo)

1.4 固井風(fēng)險(xiǎn)分析

固井是致密砂巖氣開(kāi)采過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)，主要是通過(guò)充填井壁、套管間空隙，給套管以及井壁等提供密封、支撐效果，以便對(duì)不同壓力地層進(jìn)行封隔。固定施工安全會(huì)直接影響后續(xù)致密砂巖氣開(kāi)發(fā)，提高現(xiàn)場(chǎng)固井工藝水平、優(yōu)化固井作業(yè)流程、提高現(xiàn)場(chǎng)管理效率以及降低外界不利因素影響等，可在提高固井安全性的同時(shí)還起到較好的封堵效果。固井過(guò)程涉及施工前準(zhǔn)備、吹灰試壓、接固井水泥投、試運(yùn)行、注前置液、注水泥漿、壓膠塞等過(guò)程，各個(gè)環(huán)節(jié)均有一定的不安全因素，具體歸結(jié)起來(lái)的固井過(guò)程中安全風(fēng)險(xiǎn),如表2所示。

表2 固井過(guò)程中安全風(fēng)險(xiǎn)統(tǒng)計(jì)

2 致密砂巖氣開(kāi)采過(guò)程中安全環(huán)保管理要點(diǎn)

2.1 對(duì)砂巖氣地質(zhì)可行性評(píng)價(jià)，合理選用開(kāi)采技術(shù)

有時(shí)致密砂巖層和煤層需要合采，這一過(guò)程中壓力傳導(dǎo)速度將決定兩層的產(chǎn)氣能力，只有保證兩套儲(chǔ)層壓力傳遞速度一致，才能獲得最大開(kāi)采效果。如果壓力梯度不同，高流壓梯度地層水會(huì)被灌入低流壓梯度底層內(nèi)。開(kāi)采時(shí)假設(shè)致密砂巖與煤層的壓力分別是P1和P2，砂巖初始的產(chǎn)氣壓力是P10，煤層的解吸壓力是P20，二者層間巖層間距為h，且砂巖在煤層上部位置，那么致密砂巖氣與煤層合采的關(guān)系如下：

P2=P1+h/100

(1)

如果煤層比致密砂巖先解吸產(chǎn)氣，那么砂巖初始產(chǎn)氣壓力與煤儲(chǔ)層解吸壓力將會(huì)隨著液面下降，而致密砂巖層壓力將下降到0，此時(shí)致密砂巖層可以產(chǎn)氣，實(shí)現(xiàn)致密砂巖氣與煤層中煤層氣的合采。如果砂巖層處于裸露的狀態(tài)下，煤層氣還沒(méi)有得到解吸，那么合采效果就不明顯。實(shí)際致密砂巖氣開(kāi)采與生產(chǎn)過(guò)程中，為了達(dá)到最佳開(kāi)采效果，建議將砂巖氣層的壓力降到P10/2，此時(shí)煤層內(nèi)煤層氣可以解吸。煤層蘭氏體積在20.8 m3/t～38.2 m3/t，壓力在1.9 MPa～4.2 MPa范圍內(nèi)，含氣量可以達(dá)到10.8 m3/t～20.4 m3/t，計(jì)算解吸壓力，相關(guān)公式如下：

(2)

經(jīng)過(guò)計(jì)算得知P20=2.8 MPa-4.5 MPa，砂巖層長(zhǎng)期初始?jí)毫梢赃_(dá)到2.5 MPa～5.4 MPa，根據(jù)上述公式能夠計(jì)算出致密砂巖氣層與煤層合采層間跨度在155 m～180 m范圍內(nèi)。

由于層間力學(xué)性質(zhì)差異，壓裂技術(shù)應(yīng)用時(shí)同一泵柱程序能否讓裂縫同時(shí)在兩層延伸至關(guān)重要。如果跨度較大，建議采取分層壓裂方法，但合壓會(huì)產(chǎn)生層間干擾，砂巖層可能被壓開(kāi)，而煤層沒(méi)有被破壓，建議將壓力差控制在3 MPa范圍內(nèi)；當(dāng)層間厚度保持在20 m～50 m時(shí)，可采取限流法分層壓裂工藝，一次施工可以壓開(kāi)多層；隔層厚度低于50 m時(shí)候，可采用多層合壓工藝，不僅施工簡(jiǎn)單，成本也比較低；當(dāng)層間厚度>50 m時(shí)，建議采取下分割器分層壓裂方法，以此保證致密砂巖氣的開(kāi)采效果。

2.2 應(yīng)用致密砂巖氣井場(chǎng)智能監(jiān)控系統(tǒng)

致密砂巖氣井場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)包含數(shù)據(jù)采集、視頻監(jiān)控以及光伏離網(wǎng)供電系統(tǒng)3部分。系統(tǒng)在致密砂巖氣開(kāi)采中的應(yīng)用功能如下：①數(shù)據(jù)采集監(jiān)控功能。該功能的實(shí)現(xiàn)離不開(kāi)現(xiàn)場(chǎng)儀表、控制柜的應(yīng)用，現(xiàn)場(chǎng)儀表內(nèi)的傳感器具有無(wú)線通信功能，可以將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)Zigbee通訊傳輸?shù)娇刂破鳎俳?jīng)過(guò)RS-485通訊、4G或5G網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳到云管理平臺(tái)。只要是網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地方就能建立云管理中心，將轄區(qū)范圍內(nèi)的井場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)一采集、管理。②視頻監(jiān)控功能。利用系統(tǒng)設(shè)置的高清攝像頭完成井場(chǎng)巡邏和安防管理，支持一鍵式遠(yuǎn)程巡邏，巡邏后系統(tǒng)將視頻畫面遠(yuǎn)程傳輸?shù)焦芾碇行?，減輕人工現(xiàn)場(chǎng)巡邏的工作負(fù)擔(dān)。③光伏離網(wǎng)供電系統(tǒng)。該系統(tǒng)包含太陽(yáng)能板與蓄電池組兩部分，可以按照井場(chǎng)地理位置和日照情況確定太陽(yáng)能板傾斜角度，再按照負(fù)載功率計(jì)算所需的太陽(yáng)能板數(shù)量，從而更好地為系統(tǒng)提供供電服務(wù)。

2.3 科學(xué)采取安全管理與應(yīng)急措施

對(duì)于非常規(guī)油氣資源勘探來(lái)說(shuō)，如今社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)清潔能源生產(chǎn)需求逐漸加大，所需的勘探及開(kāi)采設(shè)備數(shù)量、功率等也在增加，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的維護(hù)與管理，確保致密砂巖氣藏安全開(kāi)發(fā)，有必要制定相應(yīng)的應(yīng)急措施，具體如下：①開(kāi)發(fā)企業(yè)應(yīng)配備足夠的應(yīng)急處理安全設(shè)施，以便面對(duì)開(kāi)采中可能出現(xiàn)的潛在威脅。②企業(yè)應(yīng)配備充足的應(yīng)急人員，面對(duì)緊急事故和安全問(wèn)題及時(shí)和當(dāng)?shù)蒯t(yī)療衛(wèi)生、消防部門取得聯(lián)系。③企業(yè)內(nèi)應(yīng)建立事務(wù)安全處理部門，對(duì)各種危險(xiǎn)源予以警示。④加強(qiáng)對(duì)開(kāi)采人員開(kāi)展安全知識(shí)與技能培訓(xùn)，鞏固其致密砂巖氣安全開(kāi)采知識(shí)，傳授先進(jìn)的開(kāi)采技巧，提升技能水平，定期開(kāi)展安全演練，潛移默化中強(qiáng)化個(gè)人安全環(huán)保意識(shí)，在開(kāi)采過(guò)程中自覺(jué)保護(hù)生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)人與自然的和諧統(tǒng)一。⑤企業(yè)應(yīng)健全致密砂巖氣開(kāi)采勘探管理體系，通過(guò)制定相關(guān)管理制度做好細(xì)節(jié)化檢測(cè)工作。在工作期間對(duì)所有機(jī)械設(shè)備分類處理，每臺(tái)設(shè)備都要配備安全管理人員。強(qiáng)化員工安全工作意識(shí)，致密砂巖氣開(kāi)采時(shí)了解設(shè)備常見(jiàn)的故障情況，定期做好設(shè)備檢查與維護(hù)，及時(shí)保養(yǎng)設(shè)備。與此同時(shí)，還應(yīng)及時(shí)查看漏油、零件松動(dòng)或者脫落的情況，做好檢查記錄，以便了解致密砂巖氣藏開(kāi)采期間所有設(shè)備使用情況。

2.4 明確安全環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，降低開(kāi)采風(fēng)險(xiǎn)

為確保致密砂巖氣開(kāi)采施工安全，有必要制定安全環(huán)保管理對(duì)策，對(duì)相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)做好預(yù)防與控制研究。相關(guān)建議如下：①嚴(yán)格執(zhí)行開(kāi)采中泥漿不落地的施工工藝，即致密砂巖氣開(kāi)采期間采用稀釋、絮凝以及分離步驟，對(duì)廢棄泥漿內(nèi)的巖石、水和泥餅相互分離，經(jīng)過(guò)分離得到的巖石再經(jīng)過(guò)清洗和絮凝，將巖石變成施工材料。泥漿中存在的有害物質(zhì)經(jīng)過(guò)水洗后能夠被稀釋，應(yīng)用真空吸附和脫水工藝將有害物質(zhì)制作為泥餅，水洗之后的廢水內(nèi)含有很多雜質(zhì)，應(yīng)用反滲透技術(shù)，經(jīng)過(guò)過(guò)濾提升水清潔度，從而滿足國(guó)家提出的廢棄物安全環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)。②完善鉆井液固孔體系以及處理能力?，F(xiàn)有的鉆探固控設(shè)備存在不系統(tǒng)、不全面等問(wèn)題，應(yīng)依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆探需要逐漸完善鉆井液固控設(shè)備及相關(guān)系統(tǒng)，提高鉆井液處理能力以及鉆井液性能控制能力；進(jìn)一步完善鉆井液處理配套設(shè)備及技術(shù)，改變以往泥漿直接入坑做法，配合使用循環(huán)罐、儲(chǔ)備罐、配漿罐、加料設(shè)備以及液面監(jiān)測(cè)設(shè)備等，可實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆井液性能監(jiān)測(cè)、優(yōu)化及控制。③強(qiáng)化工作人員在油基泥漿應(yīng)用中的安全環(huán)保意識(shí)。鉆井期間產(chǎn)生的混合液就是油基泥漿，也是鉆井液，其中包含水、油以及油溶性化學(xué)處理劑，具有耐高溫和耐腐蝕的特點(diǎn)，油基泥漿可以在鉆井期間保證井壁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定并對(duì)設(shè)備具有潤(rùn)滑作用，防止開(kāi)采時(shí)對(duì)砂巖層產(chǎn)生破壞影響。開(kāi)采人員應(yīng)把握好油基泥漿使用量，不斷提升環(huán)保意識(shí)，防止油基泥漿的過(guò)度應(yīng)用引發(fā)環(huán)境污染問(wèn)題。④做好開(kāi)采時(shí)井場(chǎng)清污分流。清污分流就是對(duì)作業(yè)后高低污染水與清水分開(kāi)采集，按照污染情況采取不同的凈化手段，完成對(duì)污水二次凈化處理，降低企業(yè)污水處理成本。

3 結(jié)束語(yǔ)

致密砂巖氣屬于現(xiàn)階段常規(guī)石化能源的接替能源之一，我國(guó)儲(chǔ)量豐富，對(duì)其大力開(kāi)采能夠有效緩解我國(guó)能源壓力。如今我國(guó)致密砂巖氣藏的開(kāi)發(fā)工作已經(jīng)進(jìn)入大規(guī)模開(kāi)發(fā)階段，隨著年產(chǎn)量的增加，相應(yīng)的開(kāi)采技術(shù)得到人們的重視，為了發(fā)揮分層壓裂技術(shù)、分段壓裂技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，有必要對(duì)砂巖氣地質(zhì)進(jìn)行可行性評(píng)價(jià)，在井場(chǎng)智能監(jiān)控系統(tǒng)的作用下采取安全管理與應(yīng)急措施，明確安全環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，降低開(kāi)采風(fēng)險(xiǎn)。