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煤层气成藏条件_开采特征及开发适用技术分析_赵庆波

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煤层气 条件 开采 特征 开发 适用 技术 分析 赵庆波
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中国煤层气技术进展煤层气成藏条件、 开采特征及开发适用技术分析赵庆波 孙粉锦 李五忠 李贵中 孙陈 刚 孔祥文 勃 孙钦平廊坊 层气成藏模式可划分为自生自储吸附型、 自生自储游离型 、 内生外储型层气成藏期可划分为早期成藏、 后期构造改造成藏和开采中二次成藏, 特别指出了开采中二次成藏的条件。 利用沉积相分析厚煤层的层内微旋回 , 细划分出优质煤层富含气段 一步利用沉积相探索成煤母质类型及其对煤层气高产富集控制作用 述了构造应力场及水动力汁煤层气成藏的作用机理。 总结了煤层气开采特征 出了煤层气井开采中的阻碍、 畅通、 欠饱和三个开采阶段, 并认为欠饱和阶段可划分为多个阶梯状递减阶段构造部位和层内非均质性的差异形成自给型、 外输型和输入型三类开采特征。 根据地质条件分析了二维地震、 定向羽状水平井、 超短半径水力喷射、 井、 井钻井技术的适用性及国内应用效果。关键词 层气 成藏模式 成煤母质 高产富集 开采特征 适用技术 ! ∀ ∃% & ∋ (∃ & ) ∋ % + ! # + ∀ − ∃& 庆波, 1 9 50 年生 , 教授级高级工程师, 中国石油天然气集团公司高级技术专家, 中国地质大学(武汉) 兼职教授; 中国石油学会煤层气学组副组长;主要从事煤层气勘探开发工作 , 编写专著17 部, 发表学术论文50余篇。 地址:河北省廊坊市万庄科号信箱煤层气所。 电话: (010) 69213108 E 一 m zh q p e h O n· 了口 ·一 y e al yz g s ed n an d fu rt he r m e rm in g s o u r e e s t y p d i o l in g o n e n e e e a n e h m e n t 15 ex p lo re on be d e ac lo an du n s a t u r a t ed e t i o n s a n s a t t a g e 1 5 e o n s d iv in t o s e v t i o n s an d e e x th e 叩瓜 p i n n a t e h o 6 z o n t al m u l t i l at e l l, ul d iu d Vt we l d ri l in g t e i q u e 15 a yz fo rm in g s o u 犯功层气成藏模式划分为三类自生自储吸附型:煤层气大部分以吸附态存在于煤层中, 构造相对稳定的斜坡带富集。如沁水盆地南部潘庄水平井单井平均日产气3万 m, ; 郑试印井3弃煤埋深1337 m , 日产气2(X刃 生自储游离型:煤层吸附气与游离气多少是相对的, 多为同源共生互动, 煤层气一部分以游离态存在于煤层中, 有的局部构造高点占主体, 早期煤层埋藏深、 生气量高, 后期抬升煤层变浅压实弱, 次生割理发育渗透性好, 两翼又是烃类供给指向, 在有利封盖层条件下局部高点形成高渗透的高产富集区。 准噶尔盆地彩南地区彩5以井 , 构造发育的断块高点煤层次生割理裂隙发育物性好, 游离气与吸附气同源共储, 煤层深25 75 m , 日产气650 砰。内生外储型:煤层作为烃源岩, 生成的气体向上部或围岩运移, 在有利的圈闭条件下在砂岩、 灰岩中形成游离气藏, 使吸附气、 游离气具有同源共生性、 伴生性、 转换性和叠置性, 可在平面上叠加成大面积分布。 鄂尔多斯盆地东缘韩城地区W 皿 一01 5 日产气240 耐。层气成藏期划分为三类早期成藏:随着沉积作用的进行, 煤层埋深逐渐增加, 大量气体持续生成。 充分的生气环境, 良好的运聚势能, 足够的吸附作用, 有利的可封闭、 高饱和、 高渗透成藏条件,为早期成藏奠定了基础 。 这类气藏困, c , 相对重 (表1), 表现为原生气藏特征。构造改造后期成藏: 系统的动平衡一旦被构造断裂活动打破, 即煤层气藏将被水打开, 煤层割理被方解石脉充填, 则能量将再调整 、 烃类再分配, 古煤层气藏遭受破坏, 新的高产富集区块开始形成 (图2)。受构造抬升后在局部出现断裂背斜构造, 抬升使煤层压力降低, 气体发生解吸, 构造运动产生的裂隙又沟通了低部位的气体, 使之向局部构造高点运移聚集。 当盆地沉降接受沉积时, 压力逐渐增大, 再次生气, 背斜翼部气体再吸附聚集, 这类气藏多为次生型,占,, e, 相对轻 (表l)。表1 不同类型气藏量及口3C:分布表成藏类型 地区 井号 层位 (% 占13C 一/输早期成藏 吉县 吉试5 3 1. 2合阳 合试2 3 14 3 3 德 保2 后期成藏昌吉 昌试1 试2 6 2临汾 吉试12 5,0 3一 56 . 3开采中 铁法 60二次成藏 阜新 五龙 K 48阳泉 五矿 0 层气运聚成藏过程开采中二次成藏:煤层气原始状态为吸附态, 开采中压力降至临界点后打破原平衡状态转变为游离态 , 气水将重新分配 , 解吸气窜层或窜位, 从而形成煤层气开采中的二次成·1 2·一 煤层气产业发展战略和趋势藏, 这是常规油气不具备的条件。 煤矿区这类气藏由于邻近采空区量较低。( l) 煤层气二次成藏中的窜位窜位是指煤层气开采中气向高处或高渗区运移, 水向低部位运移, 形成煤粉、 气、 水三相流, 再开发几年进人残余态 , 微小孔隙、 深部气大量产出。 煤层气开采过程中, 在同一地区, 有些井高产, 有些井低产, 这与他们所处的构造部位有关, 解吸气向构造顶部或高渗通道差异流向或 “游离成藏” , 煤层气发生窜位, 使得高点气大水少, 甚至后期自喷, 向斜水大气少。 如蒲池背斜煤层气的开发实例 (图3, 表2)。该地区早期整体排水降压单相流, 中期气、 水、 煤粉三相流, 后期低部位降压, 高部位自喷高产气井单相流 , 4 年后基本保持现状。 区块中47 口直井和57 口水平井已开采4年多, 目前产气不产水直井、 水平井分别为29 % 、 , 产水不产气分别为12 % 、 19 % 。(2) 煤层气二次成藏中的窜层窜层是指煤层气开采中或煤层采空区上部塌陷中解吸气沿断层裂隙或后期开发中形成的通道等向上再聚集到其他层位。 主要有五种情况:¹ 原断层早期是封闭的, 压力下降到临界点后是开启的; º 水平井穿透顶底板和断层;» 压裂压开顶底板;¼ 开采应力释放产生裂缝使解吸气穿透顶底板进人砂岩、 灰岩形成游离气;½ 煤层采空后顶板坍塌应力释放, 底部出现裂隙带。典型实例分析:¹ 阜新煤矿区开采应力释放导致二次成藏采动、 采空区: 阜新钻井 7 口 , 2 . 巧万 耐 , c 量大于50 % 。 生产1年, 单井累计产气折纯最高260 万m , ;厅 , 90 % 是邻层抽采;铁法70 % 煤层气是采动区采出 (图4)。图3 蒲池背斜煤层气开发特征图一 煤层气产业发展战略和趋势藏, 这是常规油气不具备的条件。 煤矿区这类气藏由于邻近采空区量较低。( l) 煤层气二次成藏中的窜位窜位是指煤层气开采中气向高处或高渗区运移, 水向低部位运移, 形成煤粉、 气、 水三相流, 再开发几年进人残余态 , 微小孔隙、 深部气大量产出。 煤层气开采过程中, 在同一地区, 有些井高产, 有些井低产, 这与他们所处的构造部位有关, 解吸气向构造顶部或高渗通道差异流向或 “游离成藏” , 煤层气发生窜位, 使得高点气大水少, 甚至后期自喷, 向斜水大气少。 如蒲池背斜煤层气的开发实例 (图3, 表2)。该地区早期整体排水降压单相流, 中期气、 水、 煤粉三相流, 后期低部位降压, 高部位自喷高产气井单相流 , 4 年后基本保持现状。 区块中47 口直井和57 口水平井已开采4年多, 目前产气不产水直井、 水平井分别为29 % 、 , 产水不产气分别为12 % 、 19 % 。(2) 煤层气二次成藏中的窜层窜层是指煤层气开采中或煤层采空区上部塌陷中解吸气沿断层裂隙或后期开发中形成的通道等向上再聚集到其他层位。 主要有五种情况:¹ 原断层早期是封闭的, 压力下降到临界点后是开启的; º 水平井穿透顶底板和断层;» 压裂压开顶底板;¼ 开采应力释放产生裂缝使解吸气穿透顶底板进人砂岩、 灰岩形成游离气;½ 煤层采空后顶板坍塌应力释放, 底部出现裂隙带。典型实例分析:¹ 阜新煤矿区开采应力释放导致二次成藏采动、 采空区: 阜新钻井 7 口 , 2 . 巧万 耐 , c 量大于50 % 。 生产1年, 单井累计产气折纯最高260 万m , ;厅 , 90 % 是邻层抽采;铁法70 % 煤层气是采动区采出 (图4)。图3 蒲池背斜煤层气开发特征图一 煤层气产业发展战略和趋势图5 l 、 F z 周3一 3 水平井轨迹示意图的生成、 储集、 保存和渗透性能的影响是通过控制储层物质组成来实现的, 层内的非均质性和煤质的微旋回性受控于沉积环境, 并控制层内含气性和渗透性的非均质变化。平面上:河间湾相煤层厚、 煤质好、 含气量高、 单井产量高, 河边高地和湖洼渴湖相相反 (表3)。表3 那东气田据表沉积相 典型井 煤层厚 丛分 镜质组含量 含气量 日产气 % m3/t 试1 20/2 0~84 21 2847河边高地 合1一 1 3 ~ 5 / 2 2 7 . 7 ~ 60 2 ~ 5 5 0湖洼沼泽 楼1 2~4 ~8 2沉积环境影响, 厚煤层往往纵向上形成夹研、 暗煤、 亮煤几个沉积旋回,亮煤镜质组含量高、 渗透率高、 含气量高。 不同的煤岩组分受成煤母质类型的控制 , 高等植物丰富 , 经凝胶化作用形成的亮煤, 灰分低、 镜质组高、 割理发育、 含气量高;碎屑物质、 水溶解离子携人或草本成煤环境的暗煤相反。武试1井9# 煤可划分为4个层内微旋回 (图6)。 灰分含量: 暗煤14 % 一巧% , ; 镜质组含量: 暗煤23 % 一49 % , 亮煤6 % 一79 % 。造应力场对煤层气成藏的控制作用古应力场高值区断裂发育, 水动力活跃, 煤层矿化严重, 含气量低;低值区则煤层割理发育, 处于承压水封闭环境, 煤层气保存条件好, 含气量高。 局部构造高点也往往是应力场相对低值区, 并且煤层渗透率高、 单井产量高, 煤层气保存条件好, 煤层没被水洗刷, 含气量高。m 1林m 中孔为主 , 一般在80 % 以上, 中、 微孔是煤层气主要吸附空间, 靠次生割理、 裂隙疏通运移;·I 万 。中国煤层气技术进展低煤阶以>1林m 大孔和中孔为主, 演化程度低, 裂隙不发育, 大孔是吸附气、 游离气主要储集空间和扩散、 渗流和产出通道;中煤阶以中、 大孔为主, 中、 大孔是煤层气扩散、 渗流通道。核磁共振:煤层气藏储层的T:弛豫时间谱, 为特征的双峰结构 , 与常规低渗透储层煤层气储层的两个峰之间有明显的间隔, 这说明对于煤层气储层 ,束缚水与可动流体并不能有效沟通 。 然而不同煤阶煤储层这源于不同的孔隙结构 (图7 、 图8), 低煤阶以大孔为主 、 高煤阶以微孔小孔为主 , 高煤阶曲线峰值煤层左峰高右峰低, 峰值中间零值, 低煤阶相反, 左峰为不可流动孔隙, 右峰为可流动的次生割理裂隙储集体;高煤阶右峰可流动峰值越高 (割理发育), 气井产量越高 (图9)。动力场对煤层气藏的控制作用局部构造高点滞留水区低产水高产气, 向斜承压区高产水。 地下水一般在斜坡沟谷活跃, 符合水往低处流 、 气向高处运移的机理。 樊庄区块滞流一弱径流区域多为>25 0 m, /隙刑储层 高煤阶:裂缝型储层图7 高、 低煤阶孔隙结构特征一 煤层气产业发展战略和趋势图8 不同煤阶孔隙分布特征图150侧 10理:晋试7井3’煤(高煤阶)八产气”8’m’ : 晋试1井3‘煤(高煤阶)日产气1185m,3025胡1理侧J....,的 !(眨(旧 n l 10 10 1侧刃 1〕洲X】几弛豫时间/弛豫时间/康区块(低煤阶日产气20骡丫}~ 丫一’~ ’10 100几弛豫时间/同煤阶煤储层爪弛豫时间谱高产井;东部地下水补给区含气量柳林 井煤层厚4 m , 厅 , 稳产160天递减, 日产气2807m, , 累计121万 m, 。( 6 ) 含气量>15m , / t : 潘庄东部s m,八 (盖层厚2 一s m ) , 北部15 一2 2 m , / t ( 盖层厚>10 m), 尽管东部比北部浅100 一 Z o m, 而北部6 东部7 口为1869m , , 最高3697m , , 相距6井产量差20倍。( 7 ) 主分支平行煤层或上倾:单井平均日产气、 阶段累计和地层下降1水平井轨迹:平行煤层产状最好, 其次上倾, 下倾差; “凸” “ 凹” 型最差。( 8) 煤层有效进尺>30 0 m :水平段煤层进尺85 % : 10 口井煤层钻遇率<85 % , 并投产 单井平均日产气80 衬 , 最高<2《衬 , 阶段平均累计采气27 万 澎。短半径水力喷射钻井适用条件我国利用该技术已钻煤层气井23 口以上 , 效果均不理想。 主要原因为低渗透, 喷孔直径小、 弯曲大, 前喷后堵;水力喷射开窗直径28 孔径小, 排采中易被煤粉和水堵塞。 可进行旋转式大口径喷咀和裸眼喷射试验。” 型井、U 型井、V 型井钻井适用条件由于中国煤层气藏具有低渗透的特点 , 且多属断块气藏, U 型水平井沟通煤层面积小, 应用效果较差。 我国钻U 型水平井16 口以上, 增产效果不明显。 2一1 井分段压裂日产气稳产1750 砰 , 开采3个半月后已递减。 水平段下油管、 玻璃钢管都取得成功, 低渗透气藏效果差。 较高渗透区 「(xl 拜m , 」效果好:彬长、 一 厅。今后可进行l 口水平井穿多个直井的 “ 山” 字型井组试验, 目前国外利用该技术开发盐岩已成功 。4 结论(l) 根据中国煤层气勘探开发实践认识将煤层气成藏模式划分为自生自储吸附型、·2 1·中国煤层气技术进展自生自储游离型 、 内生外储型三类; 同时, 认为煤层气成藏期划分早期成藏、 后期构造改造成藏和开采中二次成藏三类, 开采中二次成藏将是煤层气开发二次井网的主要产量接替领域。(2) 利用沉积相分析厚煤层、 优质煤层和高产富集区; 分析厚煤层的层内微旋回,成煤母质控制煤岩组分和单井产量, 高等植物丰富, 经凝胶化作用形成的亮煤, 灰分低、镜质组高、 割理发育、 含气量高, 是高产富集段;碎屑物质、 水溶解离子携人或草本成煤环境的暗煤相反。( 3) 古应力场低值区则煤层割理发育, 处于承压水封闭环境, 煤层气保存条件好,含气量高;滞留水区低产水高产气, 向斜承压区高产水。( 4) 由构造部位和层内非均质性的差异形成自给型 、 外输型和输人型三类开采特征,由降压速率不同形成畅通型、 阻碍型和超临界型三类开采效果。( 5) 高产井强即亮点中的强点;低产井弱常, 为低含气 、 低饱和、 低渗透特征。 定向羽状水平井在适用的地质条件和钻井方式下才能取得较好的开发效果;超短半径水力喷射应首选渗透率较高、 煤层构造相对稳定、 含气量和饱和度较高煤层应用;U 型、 V 型水平井钻井技术在低渗透气藏中效果差, 高渗透区效果好。参考 文 献陈刚, 赵庆波, J]6 ( 3 ): 1 5 ~20陈振宏, 贾承造, 宋岩等. 20 低煤阶煤层气藏储集层物性的影响 34( 4 ): 4 6 1 一464陈振宏, 王一兵, 影响煤层气井产量的关键因素分析—以沁水盆地南部樊庄区块为例 「J〕30 ( 3 ): 4 0 9 一 412邓泽, 康永尚, . 开发过程中煤储层渗透率动态变化特征 〔J」34 ( 7 ):947 一9 51康永尚, 邓 泽, . 我国煤层气井排采工作制度探讨 「J]. 天然气地球科学, 19 ( 3 ) : 4 23一426李金海, 苏现波, J]34 ( 3 ): 376一 380乔磊, 申瑞臣, 黄洪春等. J]28 ( 3 ) : 1 12 一 高德利, 煤层气定向羽状水平井开采机理与应用分析 [J〕25 (1):1 1 4~1 1 7赵庆波, 陈刚, 中国煤层气富集高产规律、 开采特点及勘探开发适用技术 〔J〕29( 9 ): 1 3 一 ]9赵庆波, 李贵中, M〕油工业出版社de p o si t s an d d e p o s n al e n v n m e n p ri n g a 一2 22 2
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