中國中階煤和高階煤的儲層特性及提高單井產量主要對策

論文主題詞：煤成氣  儲集層  熱演化  單井產量  提高采收率  策略
　　論文摘要：中國山西河東地區中階煤儲層的含氣量比較低、含氣飽和度低，而儲層滲透性好，儲層能量比較大；山西沁水盆地南部高階煤儲層的含氣飽和度比較低，滲透率小，儲層能量低。文章針對這些特點，進行了精細的地質對比研究，提出了提高氣產量的對策。認為最大限度地降低儲層的廢棄壓力可提高采收率；應通過改善鉆井液、采用欠平衡鉆井和羽狀水平井鉆井技術，最大限度地降低鉆井工程對煤層氣儲層造成的傷害；同時還要利用合理的固井程序和水泥漿、套管射孔完井技術和壓裂技術；通過排水降壓提高有效壓差及注入CO來達到加快煤層氣解吸和提高解吸量的目的。實踐表明，該技術對提高單井氣產量意義重大。
    中階煤是指氣煤、肥煤、焦煤、瘦煤，即最大鏡質組反射率Ro ‑‑二為0.6500^1.90%。我國中階煤分布范圍廣，煤炭資源豐富，占全國煤炭資源總量的28. 71 0o}’)。我國高階煤分布相對比較局限，以山西沁水盆地為代表。目前我國煤層氣開發的目的層集中在中階煤和高階煤煤層中。但是煤層氣單井和先導性開發井網的穩定日產氣量普遍低，只有1000 -v2000 m3，有些更低。為此，首先對中階煤和高階煤的儲層特性進行研究，針對其特點尋找解決方案是本文的主題。
　　一、中階煤和高階煤的儲層特性
    1.吸附和解吸特性
    煤層氣是一種非常規天然氣，主要以吸附狀態存在于煤基質的孔隙中。一般而言，比表面積愈大，吸附能力愈強，比表面積隨著煤階的增高總體上趨于變大。微孔(孔徑1. 5 --} 0 nm)比表面積最大，可達35. 1 0 o，吸附能力最強，小孔(孔徑10^-100 nm)次之，為2. 5000，中孔(孔徑100--400 nm)比表面積最小，為0. 20 0 o }Z)，吸附能力也最弱，煤的比表面積通常可達200 m丫g。中階煤以中孔和小孔為主，微孔次之，吸附能力中等;高階煤以微孔為主，吸附能力強，由煤的等溫吸附曲線也證實了這一觀點〔3) 因此，在其它條件相同的情況下，中階煤的吸附氣量要低于高階煤的(表1、2和圖1、2)。

    解吸過程進行的快慢由吸附時間來定量表示。吸附時間是指總的吸附氣量(包括殘余氣)的63.200被解吸出來所需的時間，可作為表征氣體從儲層中擴散出來快慢的近似指標。根據美國煤層氣資料，在煙煤和半無煙煤范圍內，隨著煤階的增高吸附時間變長(4)。吸附時間對初始氣產量影響很大，隨著時間的推移吸附時間對氣產量的影響逐漸減弱，最終消失〔4)

    因此，我國山西河東地區中階煤的吸附時間比

較短，初始單井氣產量比較高，逐漸達到平穩產量，而山西沁水盆地南部的高階煤吸附時間較長，初始單井氣產量比較低，隨著排采作業的進行逐漸達到平穩產量。
    2.含氣性
    山西河東臨興地區東部埋深500 m左右#8煤層的含氣量為1^-5 m3八，含氣飽和度500^-4000;三交地區東部埋深500 m左右#8煤層的含氣量為8^-13 m3八，含氣飽和度一般50%左右。該地區低含氣量和含氣飽和度是制約煤層氣單井氣產量的最主要因素。沁水盆地南部#3煤層的含氣量一般為15^-18 m’/t，含氣飽和度50%一6000。從含氣性來看，該地區煤層氣開發前景比較好，但必須關注含氣飽和度。
    3.滲透性
    根據實際資料，山西河東地區煤層氣儲層的滲透率一般大于3 X 10-3 }.m2，而沁水盆地南部#3煤層的滲透率一般((1^-2) X 10-’}.m2。無論從理論上還是實踐上都證明了中階煤的滲透率大于高階煤的。因此，沁水盆地南部的滲透性是制約煤層氣單井氣產量的主要因素。
    4.原始儲層壓力
    河東地區煤層氣原始儲層壓力比較高，尤其在中南部，500^-700 m深度的儲層壓力為4-}-5 MPa,壓力梯度約1 MPa/100m，顯示了較高的儲層能量。沁水盆地南部500^-700 m深度的儲層壓力為2 ^- 3MPa，壓力梯度0, 5 ^-0, 7 MPa/ 100m，顯示了比較低的儲層能量。

　　二、提高氣產t對策
    根據我國中階煤和高階煤的儲層特性，山西河東地區中階煤儲層的煤層厚度比較大，分布穩定，煤巖、煤質好，滲透性好，儲層能量比較大，而含氣量比較低、含氣飽和度低，導致單井煤層氣產量比較低，同時對該地區的水文地質研究薄弱，水力封堵情況不清楚，也是出現單井氣產量低、而一些井的水產量很高的主要原因。山西沁水盆地南部高階煤儲層的煤層厚度大，穩定分布，煤巖、煤質好，含氣量比較高，而含氣飽和度比較低，滲透率小，儲層能量低，導致單井煤層氣產量比較低。
1.地質
    山西河東地區中階煤儲層的有利要素為滲透性好、儲層能量比較大;不利要素為含氣量比較低、含氣飽和度低、水文地質研究薄弱、水力封堵情況不清楚。水文地質認識欠缺是導致單井氣產量低、而一些井的水產量很高的主要原因。針對這些特點，提出了主要的解決方案。
    由于高含氣量和含氣飽和度區塊主要集中在構造相對比較穩定、抬升緩慢、斷層不發育、蓋層條件好、水力封堵比較好的位置，這些區塊是煤層氣開發的首選區。因此首先在該地區要進行精細的地質對比研究，對控制該地區含氣量和含氣飽和度的這些主要地質因素進行研究，主要側重于煤層氣儲層的主要生氣期與主要構造運動期的匹配關系、煤層氣儲層的蓋層特性、水文地質情況等。該地區煤層氣儲層主要生氣期集中在晚侏羅世一早白要世，以深成變質作用和巖漿熱變質作用為主，有大量的烴類物質產出。之后，由于該地區受燕山運動控制的呂梁隆起的影響而發生抬升作用，上覆地層遭受剝蝕，使有效蓋層厚度受到影響，生氣作用基本停止，同時由于喜山運動的作用發育一些正斷層，造成部分氣體發生逸散。再者需要進行水文地質研究，主要分析和研究水力封堵情況，發現水力封堵區塊。這樣，從地質角度基本能夠保證在高含氣量和含氣飽和度區塊進行煤層氣勘探和開發，從而在物質上保證了煤層氣的開發。
    山西沁水盆地南部高階煤儲層的含氣飽和度比較低，滲透率小，儲層能量低，導致單井煤層氣井氣產量比較低。針對這些情況，首先在該地區要進行精細的地質對比研究，對控制該地區含氣飽和度和滲透率的這些主要地質因素進行研究，主要側重于煤層氣儲層的主要生氣期與主要構造運動期的匹配關系、煤層氣儲層的蓋層特性、斷層發育及水文地質情況等。該地區煤層氣儲層主要生氣期集中在晚侏羅世，以巖漿熱變質作用為主并伴有深成變質作用，有大量的氣體產出。早白要世該地區受燕山運動的影響而發生抬升作用，上覆地層遭受剝蝕，有效蓋層厚度受到影響，生氣作用基本停止，同時由于喜山運動的作用發育一些正斷層，造成部分氣體逸散。再者需要進行水文地質研究，發現水力封堵區塊。這樣能夠發現構造相對比較穩定、抬升緩慢、斷層不發育、蓋層條件好、水力封堵比較好的區塊，從地質角度基本能夠保證了在有利區塊內進行煤層氣的勘探和開發，從而在物質上保證了煤層氣的開發。
    2.工程
    (1)煤層氣儲層保護
    煤層氣儲層保護研究主要是指在煤層氣鉆井和完井工程作業過程中對煤層氣儲層所造成的傷害進行預防并使傷害程度最小化，包括兩方面:①鉆井技術，通過改善鉆井液、采用欠平衡鉆井技術和羽狀水平井鉆井技術，最大限度地降低鉆井工程對煤層氣儲層造成的傷害;②完井技術，采用合理的固井程序和水泥漿、套管射孔完井技術。河東地區采用600相位角，12孔/m的射孔技術;沁水盆地南部采用90”相位角，16孔/m的射孔技術。
    (2)煤層氣儲層增產措施
    1)原地應力相對比較低的區塊。
    2)壓裂技術。壓裂技術是最有效的改善儲層環境、提高儲層導流能力和煤層氣單井產能的手段，主要考慮優化壓裂設計、優選壓裂液和支撐劑以及壓裂規模、時時質量控制。河東地區具有比較高的煤層氣儲層滲透率，最重要的是要有強導流能力的裂縫，而縫長是次要的;沁水盆地南部煤層氣儲層滲透率比較低，最重要的是要有足夠長的裂縫，而裂縫的導流能力是次要的。

    3)提高有效壓差。通過提高儲層壓力或(和)降低井底壓力實現。提高儲層壓力主要通過注氣或注水來實現;降低井底壓力目前最常用和最有效的技術就是排水降壓。美國目前在粉河盆地廣泛采用一種稱之為‘’ Blower”真空泵設備，通過“Blower”在井底制造局部真空，以達到降低井底壓力的效果，增加煤層氣的產能。注水或注氣以及負壓抽排非常適合于我國低儲層壓力地質條件的煤層氣開發。
    4)注人CO:提高產能。由于CO:在煤層中比CH;具有更強的吸附能力，基本不改變煤儲層壓力等儲層參數，注人CO:可以達到加快煤層氣解吸速率和提高解吸量以及CO:埋藏的目的。該技術對提高單井氣產量意義重大。
　　三、結論
    (1)我國山西河東地區中階煤以中孔和小孔為主，微孔次之，吸附能力中等，吸附時間比較短，初始單井氣產量比較高，逐漸達到平穩產量;山西沁水盆地南部高階煤以微孔為主，吸附能力強，吸附時間較長，初始單井氣產量比較低，隨著排采作業的進行逐漸達到平穩產量。只有最大限度地降低儲層的廢棄壓力，才能夠提高采收率。
    (2)在河東地區對控制含氣量和含氣飽和度、在沁水盆地南部對控制含氣飽和度和滲透率的這些主要地質因素進行研究，主要進行精細的地質對比研究，側重于煤層氣儲層的主要生氣期與主要構造運動期的匹配關系、煤層氣儲層的蓋層特性、斷層發育及水文地質情況等。
    (3>河東地區具有比較高的煤層氣儲層滲透率，通過壓裂最重要的是形成強導流能力的裂縫，而縫長是次要的。沁水盆地南部煤層氣儲層滲透率比較低，壓裂最重要的是要形成足夠長的裂縫，而裂縫的導流能力是次要的。通過排水降壓(降低液柱壓力)來降低井底壓力，通過注人CO:達到加快煤層氣解吸速率和提高解吸量，該技術對提高單井氣產量意義重大。
    (4)通過優化鉆井技術、合理選用完井技術，最大限度地降低鉆井、完井工程對煤層氣儲層造成的傷害。