復(fù)雜地質(zhì)煤礦區(qū)煤層氣(瓦斯)高效開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用

曹運興

(河南理工大學(xué)煤層氣/瓦斯地質(zhì)工程研究中心,河南 焦作 454000)

1 煤層氣開發(fā)的現(xiàn)實背景和意義

煤炭是我國現(xiàn)階段的主體能源,且短期內(nèi)這一形勢很難發(fā)生改變。其中,山西對我國煤炭工業(yè)領(lǐng)域貢獻(xiàn)巨大。自1966年以來,山西煤炭產(chǎn)量在全國的占比保持在20%～30%之間,2022年山西煤炭產(chǎn)量達(dá)13.1億t,占全國煤炭總產(chǎn)量的28%。可以說“燃燒了山西點亮了全國”,因此在山西進(jìn)行煤炭研究具有重要的意義。

目前煤炭開發(fā)所面臨的兩個最重大的問題:一是提高產(chǎn)煤效率,保障煤炭企業(yè)經(jīng)濟效益;二是解決安全問題。煤礦安全最大威脅來自于瓦斯,近期中國瓦斯事故依舊時有發(fā)生。2023年8月21日在陜西延川縣新泰煤礦發(fā)生的重大瓦斯爆炸事故造成11人死亡。跟瓦斯突出事故不同,瓦斯爆炸的發(fā)生除與地質(zhì)要素這一天然要素有關(guān)外,還取決于煤礦瓦斯的管理措施。尤其是在低瓦斯煤礦的瓦斯爆炸事故,說明我們在瓦斯管理方面還存在很多問題,仍需要繼續(xù)努力和攻關(guān)。

從另外一個角度看,瓦斯燃燒的等當(dāng)量的熱值,其碳排放量是煤燃燒的45%左右,因此瓦斯是一種清潔能源。我國碳減排壓力巨大,據(jù)計算目前我國每年碳排放量中90%是化石燃料,其中70%是煤炭。煤層氣開發(fā)具有清潔能源供給、煤礦安全和碳減排的多重意義。全球非常規(guī)天然氣儲量豐富,已探明可采儲量達(dá)到330萬億m3,其中煤層氣占11%。我國煤層氣資源總量為80萬億m3,其中2 000 m以內(nèi)煤層氣36.8萬億m3,2 000 m以上深部煤層氣儲量為40.47萬億m3。而煤層氣資源量高達(dá)178萬億m3,是常規(guī)天然氣儲量的4～5倍。因此充分開發(fā)煤系氣資源,對改善我國能源結(jié)構(gòu)意義重大,中國煤層氣開發(fā)與碳減排大有可為。山西2 000 m以內(nèi)煤層氣資源量為8.3萬億m3,占全國資源量的23%,且目前全國煤層氣產(chǎn)量的95%開發(fā)于山西。山西在煤層氣開發(fā)領(lǐng)域的技術(shù)經(jīng)濟引領(lǐng)作用,為全國煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了寶貴經(jīng)驗。

2 中國煤層氣(瓦斯)高效開發(fā)的地質(zhì)與技術(shù)挑戰(zhàn)

在煤層氣開發(fā)領(lǐng)域我們已經(jīng)做了大量的努力,但是仍然存在一些技術(shù)挑戰(zhàn)。主要問題是我們單井產(chǎn)量比較低,截止2020年底的21 217口井,年產(chǎn)氣57.67億m3,僅占天然氣的3.07%。低產(chǎn)井普遍存在,直井平均日產(chǎn)量不到美國、加拿大、澳大利亞等國家的1/4。有氣難采出是煤層氣產(chǎn)業(yè)的共性技術(shù)難題。

地面開發(fā)和井下抽采是煤礦煤層氣開發(fā)的兩種主要方式。地面開發(fā)主要是通過鉆井技術(shù)在地面進(jìn)行煤層氣的抽取。從1996年開始發(fā)展到現(xiàn)在超過20 a時間里,進(jìn)度一直比較緩慢,主要因為中國的煤層氣儲層地質(zhì)條件復(fù)雜,且地面開發(fā)技術(shù)針對性較差。煤層氣地面開發(fā)面臨的兩個關(guān)鍵問題:第一要進(jìn)行煤層儲層的精細(xì)評斷,精細(xì)評價和診斷;第二要尋求針對性的開發(fā)技術(shù),做到辨癥施治。在中石油、中石化、中海油等天然氣開發(fā)大型企業(yè),設(shè)有地質(zhì)開發(fā)研究院和工程院,分別負(fù)責(zé)開展地質(zhì)研究和技術(shù)研究。借鑒這種模式,在煤炭行業(yè)我們提出實現(xiàn)地質(zhì)與工程一體化,以地質(zhì)評價為基礎(chǔ),然后針對不同地質(zhì)條件,尋求不同的開發(fā)技術(shù)。

3 復(fù)雜地質(zhì)條件煤層氣開發(fā)技術(shù)進(jìn)展

3.1 地面煤層氣開發(fā)

對于煤礦瓦斯治理需要兩種方法并行實施,一是地面區(qū)域治理,通過瓦斯抽采可以有效減輕煤礦瓦斯災(zāi)害。通過地面瓦斯抽采主要抽出的是游離氣和煤層中容易解吸的瓦斯部分,也是導(dǎo)致煤礦瓦斯災(zāi)害的重要組成成分。以潞安余吾煤礦南五采區(qū)為例,早期該地區(qū)瓦斯含量大約為16 m3/t,正式進(jìn)入該采區(qū)前,該地區(qū)已經(jīng)進(jìn)行了長達(dá)10 a的煤層氣地面開發(fā),盡管抽采效果不太好,但在正式進(jìn)入該采區(qū)后,測得的瓦斯含量大約為9～10 m3/t左右,其中危險性較大的游離瓦斯已經(jīng)被抽采出來,可以保證井下安全生產(chǎn)。

中國煤層氣開發(fā)有三個重要的評價參數(shù):第一是氣含量,我國一般要求煤層氣含量達(dá)到8 m3/t瓦斯可進(jìn)行開發(fā),中高煤階一般到10 m3/t以上可以進(jìn)行開發(fā);第二是滲透率,是衡量煤層氣流動性能的關(guān)鍵指標(biāo),影響著煤層氣的開發(fā)難度,除部分煤層如晉城的三號煤層滲透率較好以外,我國大部分地區(qū)煤層滲透率很差,增加了煤層氣的開發(fā)難度;第三個參數(shù)是儲層壓力,指煤層在正常未改造狀態(tài)下,煤層孔隙中水的流體壓力,對于后續(xù)開采設(shè)計和儲層保護(hù)至關(guān)重要。我國早期煤層氣開發(fā)過程中,測得的煤層氣含量相對可靠,而滲透率和儲層壓力測試結(jié)果存在較大誤差。筆者對潞安、晉城及陽泉三個礦區(qū)的滲透率和區(qū)域水文地質(zhì)條件進(jìn)行了對比,發(fā)現(xiàn)儲層壓力相差大約一半,則所推斷滲透率也欠準(zhǔn)確,因為煤層氣滲透率測試是依靠儲層壓降測試完成的。

因此受美國技術(shù)啟發(fā),團隊引進(jìn)了美國第三代測試裝備,并開發(fā)了低滲低壓煤儲層套管-射孔延時試井技術(shù)。中國煤層氣試井的規(guī)范是36～48 h,對于高滲儲層這個時間是可行的,但是對于低滲透儲層則完全行不通。通過將套管深射孔和壓降時間合理延長2～3倍,測試出無污染原始煤儲層流體的壓降時程規(guī)律,獲得準(zhǔn)確的滲透率和儲層壓力參數(shù)。潞安早期測得儲層壓力系數(shù)為0.73,使用我們開發(fā)的技術(shù)測試獲得的結(jié)果是0.4,獲得了可靠的儲層壓力參數(shù),相當(dāng)于加拿大的干儲層。我國大部分地區(qū)的煤儲層在1 000 m以內(nèi),特別是在600 m以內(nèi),大部分是欠壓儲層即超低壓儲層,這與加拿大干儲層以及美國的超壓儲層均不同,所以早期直接引進(jìn)的美國技術(shù)和加拿大技術(shù)都表現(xiàn)出“水土不服”。在這種條件下,我們就應(yīng)該開發(fā)針對該種儲層條件的技術(shù),儲層壓力低是需要保護(hù)的,而對于滲透率特別低的煤層則需要強化造縫。

中國煤層氣開發(fā)具有的至關(guān)重要的地質(zhì)特征:一是地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,這在全球獨一無二,比如說新疆地區(qū);第二構(gòu)造煤發(fā)育,存在很多構(gòu)造煤區(qū),構(gòu)造煤質(zhì)地很軟,無法成功鉆井,缺乏煤層氣滲流通道,煤層氣開發(fā)就是完全失敗的;第三是滲透率很低,儲層壓力很低。針對不同的地質(zhì)特征,我們開發(fā)了以下4種技術(shù)。

第一,團隊在潞安研發(fā)了酸化氮氣泡沫復(fù)合壓裂液體系。潞安礦區(qū)總面積有3 464 km2,為低滲低壓儲層,連續(xù)14 a前后幾輪試驗無效果,平均日產(chǎn)100～200 m3。使用新技術(shù)后,實現(xiàn)了井井產(chǎn)氣,最高單井產(chǎn)量長期穩(wěn)定在1 400～2 600 m3/d,突破煤層氣開發(fā)禁區(qū),實現(xiàn)了潞安煤層氣產(chǎn)量15 a(1997—2012年)的歷史性突破,解放煤層氣資源量3 347億m3。

第二,提出新疆大傾角厚煤層走向水平井-垂向多段壓裂改造技術(shù)。新疆煤層氣資源量是9.5萬億m3,占全國資源量的26%,國家對新疆煤層氣開發(fā)寄予厚望。從2000年到2012年12 a間,新疆進(jìn)行了多輪開發(fā),全疆58口勘探開發(fā)井日產(chǎn)均低于1 000 m3。2012年,受邀對阜康礦區(qū)煤層氣開發(fā)開展研究。阜康礦區(qū)位于準(zhǔn)噶爾盆地南緣,東西長57 km,南北寬3～15 km,面積是307 km2,煤炭84億t,煤層氣資源450億m3。該礦區(qū)煤層條件很好,煤層氣儲量高,但開采效果不佳且瓦斯災(zāi)害嚴(yán)重。2005年7月11日,神龍煤礦發(fā)生特大瓦斯爆炸事故,83人遇難;2014年7月5日,大黃山豫新煤業(yè)發(fā)生一起重大瓦斯爆炸事故,死亡17人。開采效果不佳主要原因即地質(zhì)條件和我們的開發(fā)技術(shù)不相匹配。該地區(qū)具有煤層厚、傾角大的特點,使用常規(guī)的技術(shù)壓裂有較大局限性。因此,提出了進(jìn)行直井縱向多階壓裂,且煤層沿走向設(shè)計水平井。我們設(shè)計的第一、二口直井日產(chǎn)煤層氣17 125～27 896 m3,水平井穩(wěn)定產(chǎn)量為35 000 m3,直井日產(chǎn)保持全國最高日產(chǎn)紀(jì)錄。實現(xiàn)了新疆2000—2014年共14 a歷史上技術(shù)和產(chǎn)量的雙重突破;促進(jìn)建成新疆第一個煤層氣產(chǎn)業(yè)基地,引領(lǐng)國家煤層氣開發(fā)戰(zhàn)略西移新疆。

第三,開發(fā)了低滲低壓區(qū)水平井氮氣前置-活性水多簇壓裂增產(chǎn)技術(shù)。晉城礦區(qū)陽城大寧煤礦共38 km2,中間存在斷層。斷層西部直井產(chǎn)量很低,110口直井平均日產(chǎn)量是362 m3,完全不能實現(xiàn)投入產(chǎn)出平衡。該技術(shù)基于煤儲層物性差異性分布,將裂縫簇數(shù)由常規(guī)的1簇/100 m增加到4簇/100 m,簇間距25 m,形成基于煤層割理系統(tǒng)的復(fù)雜縫網(wǎng),解決了高效增滲難題。在低滲低壓區(qū),該技術(shù)試驗水平井長期穩(wěn)產(chǎn),日產(chǎn)量是同區(qū)多分支水平井的10倍以上,是周邊119口垂直井平均日產(chǎn)量的40倍,創(chuàng)造了這類儲層的高產(chǎn)歷史紀(jì)錄。這種技術(shù)在產(chǎn)出和投入上是平衡的,是當(dāng)前煤層氣開發(fā)的主流技術(shù)。

第四,在晉城礦區(qū)還開發(fā)了雙管柱篩管完井與洗井增產(chǎn)一體化增產(chǎn)技術(shù)。外層為篩管支撐井壁防塌孔,內(nèi)層為高壓沖管沖洗井筒,解決了構(gòu)造煤發(fā)育區(qū)井壁坍塌、井眼堵塞以及鉆井液污染等技術(shù)難題。項目獲得發(fā)明專利6項,實用新型專利7項,發(fā)表論文22篇(SCI/EI收錄8篇)。

項目成果實踐證明,該技術(shù)可以在構(gòu)造煤礦區(qū)推廣。經(jīng)統(tǒng)計,2019年項目應(yīng)用于331口井,產(chǎn)量由原來的1 200 m3提高到12 000 m3,產(chǎn)量提高10倍。項目成果在6個省區(qū)得到推廣應(yīng)用,實現(xiàn)了煤層氣單井日產(chǎn)量的歷史性突破,為煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展和煤礦安全生產(chǎn)做出了重要貢獻(xiàn)。近六年,新增產(chǎn)量32億m3,占全國總年產(chǎn)量的7.3%;減排CO2>5 000萬t,為實現(xiàn)低碳發(fā)展戰(zhàn)略做出了積極貢獻(xiàn)。解放高瓦斯煤炭6.9億t和萬億方煤層氣資源量,為超前高效抽采瓦斯、減少瓦斯事故、保障煤炭安全生產(chǎn)提供有利技術(shù)支撐。

3.2 煤礦井下瓦斯高效抽采

對于井下開發(fā)團隊提出了CO2致裂技術(shù),通過加熱器將管中1～2.5 kg液態(tài)二氧化碳汽化,使其體積膨脹600倍形成高壓氣體并從噴頭噴出,在孔壁周圍形成定向密集多簇放射狀裂縫,從而形成裂縫網(wǎng)絡(luò)。通過高效造縫作用,引起局部卸壓、大幅度增透、高效解吸和高效抽采效應(yīng),能夠快速降低瓦斯含量、壓力和突出危險性。在晉城玉溪煤礦開展試驗,在1 140 m的掘進(jìn)中,CO2致裂后煤的鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1值大幅度降低,即煤層瓦斯含量快速降低,掘進(jìn)速度提高一倍左右。

4 河南理工大學(xué)瓦斯地質(zhì)與煤層氣開發(fā)

河南理工大學(xué)對于瓦斯地質(zhì)的研究具有階段性,第一階段為瓦斯突出地質(zhì)學(xué)研究;第二階段是楊力生教授帶領(lǐng)的瓦斯賦存地質(zhì)學(xué)研究,該團隊編制了《中國煤礦瓦斯地質(zhì)圖》,第一次計算了中國煤層氣資源量為31.4萬億m3,成為我國煤礦瓦斯治理和煤層氣開發(fā)的基礎(chǔ)依據(jù);現(xiàn)階段團隊將研究重點放在煤層氣開發(fā)上,把對煤儲層地質(zhì)學(xué)的認(rèn)識轉(zhuǎn)變成技術(shù)、工藝和產(chǎn)量,即追求煤層氣極限高產(chǎn),大幅度提高煤層氣產(chǎn)量。

技術(shù)是沒有窮盡的,在堅實的理論基礎(chǔ)下技術(shù)是可以一直進(jìn)步的。煤層氣開發(fā)沒有最好的技術(shù),只有最適用的技術(shù)。