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煤层气开采技术综述

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煤层气 开采 技术 综述
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煤层气开采技术综述 1, 喻高明 1, 于能文 2, 周玉衡 1, 吴建成 3(1. 长江大学石油工程学院 , 湖北 荆州  434023; 2. 吐哈油田公司三塘湖采油厂 , 新疆 哈密  839009;3. 大庆油田第九采油厂工程技术大队 , 黑龙江 大庆  163853)摘 要 : 煤层气又称煤层甲烷 , 是非常规天然气 , 煤层气的勘探开发已在国际上引起广泛的关注。我国煤层气资源十分丰富 , 但是目前我国的天然气勘探开发还处于起步阶段。本文介绍了目前煤层气开采的几种技术。关键词 : 煤层气 ; 开采 ; 超短半径水平井 ; 定向羽状水平井煤层气俗称瓦斯 , 是一种新型洁净的能源。美国、加拿大等先后开展了一系列煤层气的勘探试验。我国煤层气资源十分丰富 , 如能很好的开发利用 , 将对我国今后的天然气工业有很大的帮助 , 但勘探试验工作起步较晚。合理开发煤层气资源 , 不仅能为国民经济的发展提供优质能源 , 而且对保护生态环境、解决煤炭开采与重大工程建设的安全问题 , 都具有十分重要的意义。1 超短半径水平井超短半径水平井是指曲率半径远比常规的短曲率半径水平井更短的一种水平井 , 也称之为超短半径径向水平井 , 简称 U 。利用超短半径水平钻井技术 , 在垂直井内对煤层打水平孔 , 即沿煤层水平钻进形成井眼开采煤层气 , 具有以下突出优点 :①井眼方位与煤层层理垂直交汇 , 能最大限度沟通煤层天然裂缝 , 煤层气通过裂缝经通道流至开采井 , 在很大程度上缩短了在煤层中裂缝射流运动的距离 〔 1〕 ;②在煤层中钻长孔 , 孔与煤层的接触面积增大 ,因而单位时间涌入钻孔的煤气量增加 ;③煤层钻孔后 , 钻空周围煤层应力降低 , 裂纹增加 , 渗透率也随之增加。超短半径水平井钻井成本并不很高 , 且工艺简单 , 成功率高 , 已应用于石油天然气开采 , 单井产量有很大提高 , 最高达 20 倍 , 已是成熟的技术 , 只需要根据煤层的特点在工艺上予以改进 , 特别是强烈吸水或遇水膨胀而难以采用水力压裂的煤层和低渗透煤层。2 地面和地下抽放井下煤层气抽放目前主要为煤矿安全服务 , 抽出的煤层气大多排入大气 , 仅有小部分被利用。井下煤层气抽放法可分为采前预抽和采空区抽放。地面煤层气抽放技术主要包括地面垂直钻孔抽放和定向钻孔抽放。而后者目前仅处于试验阶段。定向钻孔技术与井下水平长孔及地面垂直钻孔相比 , 既能大大减少占地面积 , 又可免去井下瓦斯抽放管道系统和煤层内的巷道工程。地面抽放煤层气有利于从根本上改善煤矿安全 , 并能形成大规模开采。据美国黑勇士煤田橡树林沟煤矿的实测资料 , 原始煤层气含量为 14. 2m 3 t,在采气 11 年后 , 降到 3. 8m t, 抽出率达到 73% , 从根本上消除了矿井瓦斯灾害的隐患。3 定向钻井技术定向钻井系统技术的发展为含瓦斯矿井实施煤层气抽放创造了一些新的可行方法。定向本煤层长钻孔可有效地减少开采前方大面积煤体内的煤层气含量 , 无论是透气性差的煤层 , 还是透气性好的煤层都有效果。凭借长孔钻井能力 , 钻井工能有效地抽放本煤层和邻近层的煤层气。对于特殊的地质条件和储气条件 , R E 确定钻孔间距和抽放时间。在不可能布置垂直采空区气井的地方 , 以及在多水平开有作业中 , 采用的垂直于走向巷道或上覆采空区瓦斯回收技术效果不佳或成本太高时 , 钻机能够定向地控制水平采空区钻孔 , 使之越过将来开采的长壁盘区。4 注气开采注气开采煤层气就是向储层注入 N 2, , 烟道气等气体 , 其实质是向煤层注入能量 , 改变压力传导特性和增大或保持扩散速率不变 , 从而达到提高单产量和回收率的目的。依据扩散渗流理论和多组分吸附平衡理论 , 对先注气后采气的间断性注气模76  2007 年第 5 期             内蒙古石油化工X 收稿日期 : 2006- 11- 12作者简介 : 张娜 , 女 , 1982 年生 , 长江大学在读硕士。© 1994 ①间断性注气吸附平衡以后煤层部分采气区的原始压力增加 , 开采时压力梯度增大 , 渗流速度增大 , 衰减时间延长 ; 连续性注气保持了维持煤层气流动的压力梯度不变 , 相对提高了渗流速度。另一方面注气造成的渗流速度增大又引起裂隙系统中煤层气分压下降速度加快 , 由此引起更多的吸附煤层气参与解吸 , 解吸扩散速率的增大 , 反过来又促使渗流速度加快。②当注气压力较大时 , 还可能在煤层内形成新的裂隙 , 使渗透率即压力传导系数增大 , 从而引起渗流速度增大。③煤是一种具有较高剩余表面自由能的多孔介质 , 由于煤的剩余表面自由能总量 (吸附空位 )一定 ,所以煤层与混合气体达到吸附平衡后 , 每一组分的吸附量都小于其在相同分压下单独吸附时的吸附量。注气后 , 竞争吸附置换 , 必然使一部分吸附的甲烷解吸扩散 , 从而引起扩散速率、渗流速度和回收率提高。注气增加储层能量 , 提高储层压力传导系数并产生竞争吸附置换效应 , 从而提高煤层气开采时的单产量及回收率。5 定向羽状水平井定向羽状水平井是在常规水平井和分支井的基础上发展起来的 , 是指在一个主水平井眼的两侧再钻出多个分支井眼作为泄气通道。为了降低成本和满足不同需要 , 有时在一个井场朝对称的 3 或 4 个方向各布一组水平井眼 , 有时还利用上下 2 套分支同时开发 2 层煤层。该技术是美国 司的专利技术。定向羽状水平井的增产机理在于 : 分支水平井在煤层形成相互连通的网络。最大限度地沟通煤层裂隙和割理系统 , 大大降低了煤层裂隙内流体的流动阻力 , 提高煤层排水降压速度和煤层气解吸运移速度 , 进而增加煤层气产量 , 提高采出程度 , 缩短采气时间极大地提高煤层气开发经济效益。 〔 2〕定向羽状水平井技术的优点主要有以下几点 :①增加有效供给范围。羽状水平井在煤层中呈网状分布 , 将煤层分割成很多连续的狭长条带 , 从而大大增加煤层气的供给范围 ; ②提高了导流能力。分支井眼与煤层割理的相互交错 , 煤层割理与裂隙更畅通 ,就提高了裂隙的导流能力 ; ③减少了对煤层的伤害。采用定向羽状水平井钻井完井方法 , 避免了固井和水力压裂作业 , 这样只要在钻井时设法降低钻井液对煤层的伤害 , 就能满足工程要求 ; ④单井产量高 ,经济效益好。单井成本比直井高 , 但在一个相对较大的区块开发 , 就减少了钻井数量、钻前工程、钻井完井材料消耗等 , 综合成本就下降了 , 而且产量是常规直井的 3~ 10 倍 , 采出程度平均高出 2 倍 ; ⑤有利于环境保护。钻定向羽状水平井的井场只相对于常规井的三分之一 , 占地面积很小 , 在煤层侧钻水平井 ,便于绕过山地、沼泽和重要建筑物。 〔 3〕6 结束语煤层气的开采利用有广阔的前景 , 煤层气的开采技术也取得了可喜的成果。但是由于对煤层气的研究起步较晚 , 一些技术还不成熟 , 还需要进一步深入研究。〔参考文献〕\[1 \]  王瑞和 . 油气井工程高压水射流技术研究[M \]. 北京 : 石油大学出版社 , 1998.\[2 \]  鲜保安 , 高德利 , 陈彩红 , 王宪花 . 煤层气高效开发技术 , 2004 (4).\[3 \]  鲜保安 , 高德利 , 李安启 , 赵庆波 , 曹雯 . 煤层气定向羽状水平井开采机理与应用分析 . 天然气工业 , 2005.\[4 \]  侯玉品 , 张永利 , 章梦涛 . 超短半径水平井开采煤层气的探讨 . 河南理工大学学报 , 2004 (1).\[5 \]  孙茂远 , 黄盛初 , 朱超 . 世界煤层气开发利用现状 . 世界煤炭 .\[ 6 \]  [美 ]丹尼尔·布鲁纳 , 杰弗里·施沃贝 . 新的定向钻孔技术 . 中国煤层气 , 1999 (1).\[ 7 \]  吴世跃 , 郭勇义 . 注气开采煤层气增产机制的研究 . 煤炭学报 , 2001 (2).\[ 8 \]  张亚蒲 , 杨正明 , 鲜保安 . 煤层气增产技术 . 特种油气藏 , 2006 (1)T he w as m lo en t of on in w sp in O u is ex bu t p t ou r lo en t T h is in k of of lo at lo ho w w u sh s; w 蒙古石油化工            2007 年第 5 期 © 1994
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