作者简介:刘贻军,1968年生,博士;主要从事石油天然气、煤层气的地质研究和区域评价工作,以及煤层气储层特性和开发潜力研究;已公开发表论文十余篇。
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中国煤层气储层特征及开发技术探讨刘贻军 娄建青(中联煤层气有限责任公司)刘贻军等.中国煤层气储层特征及开发技术探讨.天然气工业,2004;24(1):68~71摘 要 中国煤层气储层具有独特性,由于成煤期后构造破坏强烈,构造煤发育,所以具有煤层气储层低含气饱和度、低渗透率以及低压力的/三低0特性;煤层气储层的原地应力比较大;目前的煤层气开发以中、高阶煤为主;中、高阶煤具有非常强烈的非均质性。
针对中国煤层气储层的基本特性,文章提出了煤层气的开发技术,主要包括/动中之静0概念在煤层气选区评价中的应用;研究了煤层气储层封盖条件,主要包括煤层气储层的区域盖层研究和地下水动力学研究;煤层气储层保护研究,主要是指在煤层气钻井和完井工程作业过程中对煤层气储层所造成的伤害进行预防并使伤害程度最小化;煤层气储层增产措施研究,指建立有效的原地应力释放区、井间干扰效果明显、提高储层的导流能力以及有效压差;加快煤层气解吸速率和提高解吸量的研究。
主题词 中国 煤成气 储集层特征 开发 技术我国的煤层气研究始于80年代初,而煤层气地面钻井的勘探和开发始于90年代初,至2001年底已完成煤层气勘探和先导性开发试验井210余口,形成了十多个煤层气先导性开发试验井组,获得了探明地质储量。
目前,煤层气的研究11~102和勘探、开发非常活跃。
从目前煤层气勘探和开发的情况来看,尽管有些煤层气单井的日产气量峰值超过10000m 3,但是煤层气单井和先导性开发井网的稳定日产气量普遍低。
如何预测煤层气的高渗富集区,以及提高煤层气单井稳定日产气量和增大煤层气井网的井间干扰效果,这是我国目前煤层气开发的关键之所在。
笔者通过分析我国煤层气储层特点,结合美国煤层气开发的成功经验,有针对性地提出在未采区进行地面垂直钻井开发煤层气的关键技术。
中国煤层气储层特征在借鉴美国煤层气勘探开发理论和经验,总结我国近二十年来取得的煤层气研究、勘探、先导性开发试验等实践经验基础上,总结出了我国煤层气储层的基本关键特点。
1.成煤期后构造破坏强烈,使煤的原生结构遭到严重破坏,构造煤发育,严重阻碍了煤层气的解吸,并且难以有效实施储层的增产措施中国的含煤盆地具有复杂的演化史和变形史,构造样式多样、盆地原型众多、后期改造严重。
含煤盆地在中、新生代经历了印支、燕山和喜山三大构造运动,在中、西部受特提斯构造体系域控制,在东部受环西太平洋构造体系域的控制1112。
在中-西部主要为前陆盆地演化阶段,构造变形以台阶状逆断层及其相关褶皱为特征;中部以克拉通内坳陷为主体;东部以裂谷盆地发育为主体,伴有强烈的岩浆活动。
其中对煤层气的形成和保存起关键作用的是燕山运动,这一阶段是中国煤层气的主要生气期,也是控制煤变质程度的主要阶段。
因此,在美国没有经过强烈构造变形的含煤原型盆地发展起来的煤层气勘探、开发理论和技术,不完全适用于中国复杂原型的含煤盆地,需要找到适合我国复杂含煤盆地煤层气开发的理论和技术。
2.煤层气储层低含气饱和度、低渗透率、低压力的/三低0特性极大地制约了煤层气的开发含气饱和度、渗透性和储层压力是控制煤层气可采性的最重要地质参数,/三低0是影响我国煤层气单井和先导性开发试验井组稳定日产气量低的最重要因素。
如何解决/三低0的制约是当前煤层气研究和开发的关键。
3.煤层气储层的原地应力比较大煤层气储层的原地应力比较大,阻碍了裂隙的发育以及割理和裂隙之间的连通,降低了储层的渗透性,影响排水采气效果。
我国鄂尔多斯盆地东缘68开发试采 天 然 气 工 业 2004年1月河东地区原地应力比较低,储层渗透性比较好,而滇东黔西地区原地应力比较高,导致储层渗透性比较低。
4.中阶煤和高阶煤是目前我国煤层气勘探和开发的主要煤阶我国低阶煤(褐煤和长焰煤等)和高阶煤(贫煤和无烟煤)的煤层气资源量占全国煤层气资源总量的2/3以上,而中阶煤(气煤、肥煤、焦煤和瘦煤)的煤层气资源量仅占1/3或更少162。
开发高阶煤和低阶煤煤层气资源潜力巨大,而且在沁水盆地勘探、开发高阶煤(无烟煤)煤层气已取得非常宝贵的经验,获得了比较理想的成果,同时也在探索低阶煤区煤层气的开发。
中阶煤虽然在我国煤层气资源总量中所占的分量比较低,但它主要位于华北石炭)二叠纪和华南二叠纪赋煤地层中,主要分布在华北地台中西部的鄂尔多斯盆地东南缘的河东煤田和渭北煤田、华北地台东南部的两淮煤田、以及华南的上扬子地台的滇东黔西地区,煤层气地质条件好,是我国目前煤层气勘探、开发最活跃的地区。
因此,开发中阶煤煤层气可以借鉴美国煤层气开发的成功经验,开发高阶煤煤层气可以参考美国的经验,主要依靠自力更生。
5.煤储层具有非常强烈的非均质性煤层气储层的非均质性主要指在小范围内煤层气储层特性发生改变,即含气性、渗透性、压力系统等发生变化。
由沉积特征控制的煤层本身以及由构造特征控制的小规模构造边界是造成煤层气储层非均质性的两个主要因素:沉积特征控制包括对煤层厚度、煤质、煤阶等煤层气储层参数的控制,这些参数的变化可以导致煤层气储层的非均质性出现。
构造特性主要是指在成煤期后由于构造运动在煤层气储层内部以及贯穿邻层形成了小型断层,也包括一些大的节理系统,这些构成了小规模构造边界。
主要因为煤层气储层与常规砂岩储层相比,厚度很小,敏感性很强,这些小型构造边界能够引起渗透性、含水性和压力系统的改变。
煤层气储层的非均质性导致同一煤层在一小范围内的储层特性发生改变,引起井网的井间干扰效应降低,在有限的开发范围内不能够形成有效的压降漏斗,达不到预期的干扰效果,使井网内单井产量相差很大,在沁南地区表现的比较明显。
中国煤层气开发技术1./动中之静0概念及其应用我国的含煤盆地在成煤期后遭到严重破坏,支离破碎,在此背景下寻找构造活动相对比较稳定的区块是煤层气选区评价的关键。
由此发展了/动中之静0概念,在活动区内寻找相对稳定的区块。
/动中之静0概念:在进行含煤盆地煤层气资源评价研究时,以大地构造学、区域地层学、沉积地质学和层序地层学为指导,结合盆地分析手段,首先进行区域地质研究,掌握成煤前、成煤期和成煤后区域构造和沉积演化以及地层展布特性,在此基础上,运用沉积学、高分辨率层序地层学、构造地质学等研究含煤盆地内部成煤前、成煤期和成煤后的沉积特性、地层叠合及空间展布以及构造演化,着重了解成煤期和成煤后的沉积、地层和构造特性,详细研究和划分影响煤层气基本地质参数的构造期次,并关注主要构造期次和影响范围,以及由此产生的主要断裂和褶皱的基本特性。
通过上述分析,在比较活动的含煤盆地内可以发现相对比较稳定的、煤层气基本地质参数比较好的区块。
2.煤层气储层封盖条件研究主要包括两方面的内容:第一是煤层气储层的区域盖层研究;第二是地下水动力学研究。
煤层气储层的区域盖层是煤层气能否被保存的最关键因素之一。
通过研究煤层气储层的直接顶板和区域盖层的岩性特征、厚度和区域展布,寻找煤层气开发最有利的分布区。
地下水运动对煤层气储层含气性的影响很大,美国水压型煤层气藏是重要的、开发最成功的煤层气藏类型。
当煤储层处于或邻近地表补给区时,由于大气降水或(和)地表水系沿裂隙向煤储层深部运移,将溶解于水中的煤层气带走,造成煤层气的散失。
当煤储层处于地下水的径流区和排泄区时,由于地下水的流动将溶解于水中的煤层气带走,造成煤层气的散失,煤储层的含气量降低。
地下水流量越大,煤层气散失量也越多。
而当煤储层处于地下水的滞留区或贫水区时,地下水仅仅影响煤层气在煤储层中的平衡状态,有利于煤层气的保存和富集。
因此,在地下水滞留区或贫水区,煤储层的含气量高。
3.煤层气开发工程技术研究主要包括煤层气储层保护研究、增产措施研究、煤层气解吸速率和解吸量研究等。
(1)煤层气储层保护研究煤层气储层保护研究主要是指在煤层气钻井和69第24卷第1期天然气工业开发试采完井工程作业过程中对煤层气储层所造成的伤害进行预防并使伤害程度最小化。
1)钻井技术。
采用常规钻井技术施工煤层气井时,主要是钻井液对煤层气储层的伤害,采用的主要措施包括:¹选择的钻井液与煤层气储层具有很好的配伍性;º采用清水钻井液,如果井壁稳定性差,可采用近无固相钻井液,密度必须小于1.05g/cm3,在钻井液中尽量少加或不加KCl,pH值保持在7.5 ~8;»保持平衡或近平衡钻井。
同时,积极探索欠平衡钻井技术,以泡沫或空气为钻井液的煤层气钻井技术在美国已经比较成熟,可以借鉴已有的技术和经验开拓中国煤层气钻井新技术。
2)完井技术。
包括:¹固井技术,合理设计固井程序,采用低密度水泥浆的固井技术;º完井方式,主要完井方式有裸眼完井(目前基本不采用)和套管完井;»射孔技术,目前在我国最常用、最成功、比较成熟的射孔技术是在中阶煤区采用60b相位角、12孔/m;在高阶煤区采用90b相位角、16孔/m。
(2)煤层气储层增产措施研究煤层气储层增产措施研究主要是指建立有效的原地应力释放区、井间干扰效果明显、提高储层的导流能力以及有效压差,使煤层气单井日产气量得到提高。
1)建立有效原地应力释放区。
洞穴完井是未采区原地应力释放的最有效手段,但该技术对地质条件要求严格,目前只有在美国圣胡安盆地的Fairw ay 地区取得成功,在世界其它地区均未取得成功,根据我国独特的地质环境,目前不适合试验该技术,应积极寻找原地应力相对比较低的区块。
2)井间干扰效果明显。
煤层气开发必须建立井间干扰效应。
首先根据地质环境进行模拟以寻找最佳井间间距,然后通过先导性开发试验来完善模拟结果,为进入正式开发提供正确的参数。
井间间距过大则达不到预期的干扰效果,过小则经济性差。
3)提高煤层气储层的导流能力。
导流能力是控制煤层气开发的主要因素之一,只有提高导流能力才有可能提高煤层气单井产量。
在美国的中阶煤地区目前基本采用压裂技术来降低表皮系数,改善储层环境,提高煤层气储层产能。
我国目前采用压裂技术改善储层环境已取得很大成绩,特别是在无烟煤地区采用该技术已积累了丰富经验。
采用压裂技术改善储层环境主要考虑以下因素。
¹优化压裂设计。
压裂设计是实施压裂作业的关键,需要周密地考虑储层特性、井筒设计、压裂方法、压裂设备、压裂液和支撑剂等方面的资料。
对于低渗储层,最重要的是要有足够长的裂缝,而对于高渗储层,最重要的是要有强导流能力的裂缝。
º优选压裂液。
首先所选择的压裂液必须与储层具有良好的配伍性;其次必须能够造成足够宽的裂缝来容纳支撑剂,同时具有强的携砂能力。