國家級煤層氣示范工程建設(shè)的啟示
——沁水盆地南部煤層氣開發(fā)利用高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化示范工程綜述

吳建光 孫茂遠(yuǎn) 馮三利 郭本廣 葉建平 范華

中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司

國家級煤層氣示范工程建設(shè)的啟示
——沁水盆地南部煤層氣開發(fā)利用高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化示范工程綜述

吳建光 孫茂遠(yuǎn) 馮三利 郭本廣 葉建平 范華

中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司

山西沁水盆地南部(以下簡稱沁南)煤層氣開發(fā)利用高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化示范工程是國家發(fā)展和改革委員會(huì)于2004年12月正式批準(zhǔn)實(shí)施的第一個(gè)國家級煤層氣開發(fā)示范工程項(xiàng)目。中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司作為項(xiàng)目主管單位和建設(shè)單位,積極推進(jìn)項(xiàng)目建設(shè),2009年10月,示范工程一期150口井氣田建設(shè)全面竣工投產(chǎn),達(dá)到了1×108m3/a的產(chǎn)能建設(shè)規(guī)模。這標(biāo)志著中國煤層氣地面開發(fā)正式步入快速發(fā)展的大規(guī)模商業(yè)化軌道,為沁南煤層氣的商業(yè)開發(fā)起到了示范和推動(dòng)作用,加速了中國煤層氣產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程。該示范工程采用現(xiàn)代化的項(xiàng)目管理模式,進(jìn)行了較好的項(xiàng)目組織管理及工程質(zhì)量控制,形成了“300 m×300 m井網(wǎng)部署”、“空氣鉆井技術(shù)”、“微珠低密度固井技術(shù)”、“清水加砂壓裂技術(shù)”、“氮?dú)馀菽瓑毫鸭夹g(shù)”、“分片集輸一級增壓地面集輸技術(shù)”、“穩(wěn)控精細(xì)排采技術(shù)”、“無煙煤儲(chǔ)層生產(chǎn)特征分析”等8項(xiàng)適合于沁南高階煤的技術(shù)系列,并得到了推廣應(yīng)用。另外還對新材料、新裝備進(jìn)行了試驗(yàn)應(yīng)用,并制訂了煤層氣兩個(gè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和兩個(gè)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn),對國內(nèi)煤層氣田直井開發(fā)具有借鑒和示范作用。

沁水盆地 南部 煤層氣 地面開發(fā) 產(chǎn)業(yè)化 示范工程 技術(shù)系列 標(biāo)準(zhǔn)制訂

1 示范工程概況

1.1 示范工程立項(xiàng)及建設(shè)概況

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和對能源需求量的不斷增長,煤層氣作為一種寶貴的、不可再生的潔凈能源,越來越受到各界的關(guān)注。煤層氣既是一種高效潔凈能源,其開發(fā)利用又能減少煤礦瓦斯危害和大氣污染,因此,受到國家的高度重視[1]。在此背景下,中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司(以下簡稱“中聯(lián)公司”)于2004年11月25日向國家發(fā)展和改革委員會(huì)上報(bào)了《關(guān)于中國煤層氣開發(fā)現(xiàn)狀和“沁南煤層氣開發(fā)利用高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化示范工程項(xiàng)目”的報(bào)告》。該報(bào)告建議在山西省沁水盆地南部(以下簡稱沁南)已獲煤層氣探明儲(chǔ)量區(qū)內(nèi),部署909口煤層氣井,分3期實(shí)施,其中第一期完成鉆井150口井,建成年產(chǎn)1×108m3的煤層氣開發(fā)示范基地;第二期鉆井400口,第三期鉆井359口,最終達(dá)到煤層氣年產(chǎn)量6.9×108m3。

為了推進(jìn)我國煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展,國家發(fā)展和改革委員會(huì)于2004年12月22日以發(fā)改辦高技[2004] 2395號文件正式批準(zhǔn)中聯(lián)公司實(shí)施“山西省沁水盆地南部煤層氣開發(fā)利用高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化示范工程”(以下簡稱“示范工程”),明確支持中聯(lián)公司開展該示范工程的前期準(zhǔn)備工作。

2004年底,第一批40口井先導(dǎo)性試驗(yàn)工程正式開工,到2005年11月1日,完成了鉆井、壓裂、排采和地面集輸工程,建設(shè)了4座閥組、1個(gè)集氣站和1個(gè)供氣站(CNG站),開始商業(yè)性試生產(chǎn)。

到2009年10月25日,完成了沁南示范工程一期全部150口井的鉆井、壓裂、排采和地面集輸工程,建設(shè)了國家煤層氣開發(fā)利用示范工程——潘河增壓站,供氣能力為50×104m3/d,標(biāo)志著示范工程正式投入商業(yè)化生產(chǎn)階段(圖1)。

圖1 示范工程實(shí)施過程圖

示范工程的建設(shè)投產(chǎn),是我國煤層氣產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的一個(gè)里程碑。通過示范工程項(xiàng)目建設(shè),形成了8項(xiàng)創(chuàng)新性技術(shù),并進(jìn)行了新材料、新裝備的試驗(yàn),擁有了煤層氣自主創(chuàng)新性的新技術(shù)體系;同時(shí),形成4項(xiàng)技術(shù)和安全規(guī)范、規(guī)程,開創(chuàng)了我國煤層氣重大建設(shè)項(xiàng)目的技術(shù)、工藝體系和規(guī)范化管理的先河。

示范工程在國家發(fā)展和改革委員會(huì)的精心指導(dǎo)和高度重視下,在山西省各級政府和股東單位的大力支持下,經(jīng)過中聯(lián)公司的不懈努力以及項(xiàng)目設(shè)計(jì)、建設(shè)、施工、監(jiān)理、質(zhì)量監(jiān)督等相關(guān)單位的通力合作,最終實(shí)現(xiàn)了順利建成投產(chǎn),標(biāo)志著我國煤層氣產(chǎn)業(yè)步入快速發(fā)展的軌道,尤其是單井高產(chǎn)量和良好的經(jīng)濟(jì)效益,極大地推動(dòng)了沁水盆地南部煤層氣開發(fā)熱潮,加速了我國煤層氣產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程。

1.2 示范工程實(shí)施概述

示范工程位于沁水盆地南部,隸屬山西省沁水縣嘉峰鎮(zhèn),面積24.2 km2,動(dòng)用煤層氣探明儲(chǔ)量35.5× 108m3,可采儲(chǔ)量19.28×108m3。

區(qū)塊總體為單斜構(gòu)造,傾向西北,地層平緩,傾角介于5°～10°,區(qū)內(nèi)構(gòu)造簡單,主要為寬緩褶曲,斷層稀少,有利于煤層氣的富集成藏。

示范工程主要目標(biāo)煤層為二疊系山西組的3#煤層。3#煤位于山西組的下部,發(fā)育穩(wěn)定,區(qū)內(nèi)埋深260～550 m,一般在400 m左右。厚度較大,結(jié)構(gòu)簡單,平均厚6.30 m,變質(zhì)程度高,屬于無煙煤。煤層含氣量高(一般在10～30 m3/t之間),主要成分為甲烷,濃度在95%以上;3#煤儲(chǔ)層壓力2.1～4.3 MPa,壓力梯度平均為0.78 kPa/m;區(qū)內(nèi)煤層含氣飽和度較高,達(dá)到95%;煤儲(chǔ)層滲透性較好(3#煤層滲透率一般在0.65～2.00 mD之間),較好的煤儲(chǔ)層特征有利于形成高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的煤層氣田[2]。

示范工程第一階段潘河先導(dǎo)性試驗(yàn)項(xiàng)目有40口井,于2005年11月進(jìn)入試生產(chǎn),取得了顯著的效果,目前單井平均日產(chǎn)氣量已超過4 800 m3,創(chuàng)國內(nèi)煤層氣單井產(chǎn)量之最。2010年,示范工程150口井已累計(jì)產(chǎn)氣3.26×108m3,年銷售量為1.2×108m3,近幾年的產(chǎn)銷量情況見圖2。

圖2 示范工程煤層氣產(chǎn)銷量圖

示范工程項(xiàng)目建設(shè)形成了從生產(chǎn)到集輸再到銷售的完整的煤層氣產(chǎn)、供、銷一體化系統(tǒng)(圖3),實(shí)現(xiàn)了較大規(guī)模的商業(yè)性生產(chǎn)和銷售利用,產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益,起到了顯著的示范作用。

圖3 50×104m3/d增壓站站場圖

2 示范工程勘探開發(fā)及建設(shè)方式

國家重視和支持煤層氣開發(fā)利用,旨在通過示范工程的實(shí)施,引導(dǎo)煤層氣產(chǎn)業(yè)向商業(yè)化和規(guī)?；l(fā)展,解決煤層氣開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)難題。中聯(lián)公司不斷推進(jìn)技術(shù)創(chuàng)新,在開發(fā)方案、鉆完井技術(shù)、增產(chǎn)改造、氣田集輸工藝、數(shù)據(jù)采集傳輸監(jiān)測等技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)集成,在設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)理、工程質(zhì)量監(jiān)督等項(xiàng)目建設(shè)管理方面積累了經(jīng)驗(yàn),形成了規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)體系。示范工程的實(shí)施,對煤層氣建設(shè)項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益給予了一次全面而系統(tǒng)的客觀評價(jià),為制定國家煤層氣開發(fā)戰(zhàn)略和開發(fā)規(guī)劃提供了依據(jù),為煤層氣項(xiàng)目投資決策提供了評價(jià)范例。

在示范工程獲得國家發(fā)展和改革委員會(huì)正式批準(zhǔn)初期,國內(nèi)尚無煤層氣商業(yè)化開發(fā)建設(shè)先例可資借鑒,在國際上也沒有無煙煤儲(chǔ)層煤層氣開發(fā)成功先例。因此,沁南煤層氣開發(fā)利用高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化示范工程總體開發(fā)方案,按照“分步實(shí)施、滾動(dòng)開發(fā)、商業(yè)規(guī)模”的指導(dǎo)思想,分3期實(shí)施:第一期,部署150口井試驗(yàn)井網(wǎng),面積24.2 km2,動(dòng)用儲(chǔ)量24×108m3(3#煤層氣儲(chǔ)量),實(shí)現(xiàn)煤層氣年產(chǎn)量1×108m3;第二期和第三期工程將根據(jù)第一期工程的成果逐步擴(kuò)展[3]。

2.1 選區(qū)方法及原則

根據(jù)煤層氣賦存狀況和煤層氣前期勘探成果,以潘莊一號井田煤層氣探明儲(chǔ)量區(qū)作為先導(dǎo)性試驗(yàn)的優(yōu)選區(qū)域。

潘莊一號井田已經(jīng)達(dá)到精查勘探階段,煤炭地質(zhì)勘探程度高,煤田地質(zhì)條件簡單,煤層厚度穩(wěn)定、斷層不發(fā)育。因此以含氣性、資源條件、地質(zhì)條件作為選區(qū)要素,結(jié)合地形地貌特點(diǎn),選擇了含氣量高、資源豐度高、勘探(控制)程度高、地形比較開闊平緩的區(qū)塊。

在此基礎(chǔ)上,針對本區(qū)地質(zhì)構(gòu)造簡單、煤層穩(wěn)定、埋深淺、滲透性較好等特點(diǎn),對井網(wǎng)部署方案布井密度進(jìn)行了認(rèn)真研究和論證,并進(jìn)行模擬優(yōu)化,對氣藏工程、鉆井工程、采氣工程、地面工程進(jìn)行多方案的綜合優(yōu)選。根據(jù)開發(fā)方案,對地面工程方案的建設(shè)規(guī)模、投資大小、主體技術(shù)、主要設(shè)備、建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)、占地面積、系統(tǒng)工程等做出總體優(yōu)化,以節(jié)約成本,控制投資總額。進(jìn)行項(xiàng)目的財(cái)務(wù)評價(jià)和經(jīng)濟(jì)評價(jià),確保煤層氣開發(fā)取得良好的經(jīng)濟(jì)效益[4]。

2.2 項(xiàng)目組織管理及質(zhì)量控制

2.2.1 勘查

根據(jù)總體部署,分4個(gè)階段對示范工程一期150口井進(jìn)行野外踏勘、布井,第一階段10口,第二階段30口,第三階段60口,第四階段50口。

2.2.2 設(shè)計(jì)

按沁南示范工程部署方案要求,對生產(chǎn)井、參數(shù)暨生產(chǎn)試驗(yàn)井進(jìn)行鉆井地質(zhì)工程設(shè)計(jì)、壓裂設(shè)計(jì)、排采設(shè)計(jì)、地面建設(shè)設(shè)計(jì),經(jīng)中聯(lián)公司審批后實(shí)施。

2.2.3 施工組織

按示范工程部署方案要求,對各單項(xiàng)工程鉆井、測井、固井、壓裂、地面集輸及設(shè)備采購進(jìn)行招標(biāo)。根據(jù)工程進(jìn)度的要求逐步與各經(jīng)認(rèn)定具備資質(zhì)及施工能力的單位簽訂工程合同。

2.2.4 項(xiàng)目管理及質(zhì)量控制

為保障項(xiàng)目的順利實(shí)施,實(shí)現(xiàn)計(jì)劃目標(biāo),中聯(lián)公司推行現(xiàn)代化管理模式,簡化管理層次,強(qiáng)化項(xiàng)目管理和技術(shù)管理體系。實(shí)行項(xiàng)目經(jīng)理負(fù)責(zé)制,遴選出具有豐富現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)和項(xiàng)目管理能力的相關(guān)專業(yè)技術(shù)人員組成項(xiàng)目經(jīng)理部,后期為了加強(qiáng)項(xiàng)目組織建設(shè),又組建了分公司。

施工過程中,嚴(yán)格執(zhí)行工程監(jiān)理制度,優(yōu)選具有豐富經(jīng)驗(yàn)的高級技術(shù)人員擔(dān)任現(xiàn)場工程監(jiān)理,同時(shí)委托專業(yè)監(jiān)理公司進(jìn)行地面集輸系統(tǒng)施工監(jiān)理。委托中國石油天然氣華北工程質(zhì)量監(jiān)督站對該示范工程進(jìn)行質(zhì)量監(jiān)督,較好地進(jìn)行了工程設(shè)計(jì)審查、工程開工驗(yàn)收、中間階段驗(yàn)收、竣工驗(yàn)收和最終成果驗(yàn)收等工作(圖4)。

圖4 項(xiàng)目組織管理示意圖

示范工程在建設(shè)過程中,按照國家基本建設(shè)程序,實(shí)行建設(shè)項(xiàng)目法人責(zé)任制、資本金制、招投標(biāo)制、建設(shè)工程監(jiān)理制、合同管理制,通過了工程質(zhì)量監(jiān)督認(rèn)證。2009年10月,中國石油天然氣華北工程質(zhì)量監(jiān)督站對該工程進(jìn)行了驗(yàn)收,并出具《工程質(zhì)量監(jiān)督報(bào)告》,沁南煤層氣開發(fā)利用高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化示范工程按照批準(zhǔn)的設(shè)計(jì)內(nèi)容全部建成,工程實(shí)體質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)圖紙和相關(guān)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)要求,工程合格率達(dá)100%,工程質(zhì)量評定為優(yōu)良,符合國家有關(guān)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),滿足使用要求,同意投產(chǎn)使用。通過試生產(chǎn)的檢驗(yàn),增壓站、集氣站、CNG站生產(chǎn)能力滿足設(shè)計(jì)要求,煤層氣集輸系統(tǒng)運(yùn)行正常,生產(chǎn)能力和產(chǎn)品質(zhì)量符合設(shè)計(jì)要求,實(shí)現(xiàn)了較大規(guī)模的煤層氣商業(yè)性生產(chǎn)和銷售利用。

在2010年11月召開的第十二屆中國國際高技術(shù)成果交易會(huì)上,“沁南煤層氣高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化示范工程”被國家發(fā)展和改革委員會(huì)正式授牌,被授予“國家高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化示范工程”稱號。

3 技術(shù)的集成創(chuàng)新

沁南示范工程一期的建設(shè)投產(chǎn),是中國煤層氣產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的一個(gè)里程碑。通過示范工程項(xiàng)目建設(shè),探索并形成了一系列有特色的適合沁南地區(qū)煤層氣開發(fā)的技術(shù)體系,并得到了推廣應(yīng)用。

3.1 創(chuàng)新性地采用300 m×300 m正方形井網(wǎng)部署

井間距是產(chǎn)量預(yù)測和經(jīng)濟(jì)評估的重要參數(shù),它決定著煤層氣開發(fā)的經(jīng)濟(jì)效益和煤層氣資源的回收率。井間距的大小取決于地質(zhì)條件、儲(chǔ)層性質(zhì)和生產(chǎn)規(guī)模對經(jīng)濟(jì)性的影響。為確定該區(qū)煤層氣開發(fā)合理的井網(wǎng)和井距,在儲(chǔ)層評價(jià)和歷史擬合的基礎(chǔ)上,利用先進(jìn)的儲(chǔ)層模擬軟件分別模擬了不同井間距的煤層氣產(chǎn)能(圖5)。針對不同井間距的布置,綜合應(yīng)考慮本區(qū)構(gòu)造裂隙和煤層主裂縫發(fā)育方向、煤層氣井產(chǎn)氣高峰期到達(dá)時(shí)間、氣井產(chǎn)能和煤層氣最終采收率等主要因素,對比分析并考慮經(jīng)濟(jì)評價(jià)的結(jié)果,在該地區(qū)采用300 m×300 m正方形井距布井最為經(jīng)濟(jì)合理,井網(wǎng)方位確定為N60°E方向和N30°W,在實(shí)際應(yīng)用中取得良好的效果,并在柿莊南、樊莊等地進(jìn)行推廣應(yīng)用。

圖5 不同井距的日產(chǎn)氣量模擬結(jié)果圖

3.2 首次大規(guī)模采用空氣鉆井技術(shù)

空氣鉆井主要采用空氣或空氣泡沫作為循環(huán)介質(zhì),潛孔錘沖擊鉆進(jìn)工藝。該技術(shù)具有鉆進(jìn)速度快、效率高、鉆壓低、井身質(zhì)量好、無循環(huán)液漏失等優(yōu)點(diǎn),既保護(hù)了儲(chǔ)層,又節(jié)省了工程成本,提高了效益,從而能高質(zhì)量地完成鉆井施工任務(wù),具有明顯的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。潘河示范項(xiàng)目首次大規(guī)模使用該項(xiàng)技術(shù),成效顯著。在沁南示范工程采用空氣、空氣泡沫鉆井?dāng)?shù)約占總井?dāng)?shù)的60%,大幅縮短了建井周期,有效保護(hù)了煤儲(chǔ)層原生結(jié)構(gòu),在工程質(zhì)量、施工效率、施工成本上顯示了極大的優(yōu)越性,在保證潘河示范項(xiàng)目順利建設(shè)投產(chǎn)中具有重要作用。

3.3 微珠低密度固井技術(shù)減輕了對煤層的傷害

采用微珠低密度水泥漿固井可以降低環(huán)空的液柱壓力,既可以減輕對煤儲(chǔ)層的傷害,又可以減少固井水泥漿的漏失。生產(chǎn)套管固井水泥漿密度控制在1.60 g/cm3±0.05 g/cm3,抗壓強(qiáng)度達(dá)到12 MPa以上,經(jīng)測井檢測,合格率達(dá)到100%,其中優(yōu)良率為84%。

3.4 清水加砂壓裂技術(shù)得到了大規(guī)模的應(yīng)用

示范工程中有148口井采用清水加砂壓裂技術(shù),占壓裂井?dāng)?shù)的98.7%,平均產(chǎn)氣量2 540.77 m3/d。清水加砂壓裂技術(shù)對煤層傷害較小、成本較低、配液工藝簡單。該技術(shù)在沁南示范工程的應(yīng)用中取得了良好的效果。在實(shí)際應(yīng)用中,一方面掌握了該項(xiàng)技術(shù)的設(shè)計(jì)、施工、現(xiàn)場問題處理等一系列技術(shù)工藝,同時(shí)也檢驗(yàn)了清水加砂壓裂工藝技術(shù)的可行性,也可以為該技術(shù)在其他地區(qū)的推廣應(yīng)用提供良好的技術(shù)支撐。

3.5 首次將煤層氣“氮?dú)馀菽瓑毫鸭夹g(shù)”應(yīng)用于工業(yè)試驗(yàn),并獲得了成功

選擇2口井,適時(shí)將國家“十五”科技攻關(guān)成果——“氮?dú)馀菽瓑毫鸭夹g(shù)”進(jìn)行工業(yè)試驗(yàn)。根據(jù)泡沫壓裂液配伍性研究,選用無固相傷害的表面活性劑+氮?dú)獾膲毫岩后w系,應(yīng)用三維壓裂設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行裂縫計(jì)算與施工模擬,優(yōu)選施工參數(shù),實(shí)現(xiàn)了適宜的增產(chǎn)改造技術(shù)的探索,提高了單井產(chǎn)能。

氮?dú)馀菽瓑毫丫哂袎毫岩吼ざ雀?、攜砂能力強(qiáng)的特點(diǎn),可有效降低壓裂液的濾失性,控制裂縫形態(tài)的發(fā)育;壓裂用液量少,對煤層污染較小,壓裂后返排速度快,產(chǎn)氣速度快。試驗(yàn)結(jié)果表明氮?dú)馀菽瓑毫丫谂挪?～2 d即產(chǎn)氣。通過對周圍地質(zhì)條件相似井的產(chǎn)量對比分析發(fā)現(xiàn),在生產(chǎn)前期,2口氮?dú)馀菽瓑毫丫惹逅由皦毫丫骄债a(chǎn)氣量提高3倍以上,氣量穩(wěn)定在較高水平上,增產(chǎn)效果顯著。

3.6 分片集輸一級增壓地面集輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)了技術(shù)創(chuàng)新,并填補(bǔ)了我國煤層氣集輸領(lǐng)域的空白

采用“分片集輸一級增壓”的集輸工藝,減少了中間場站增壓集輸環(huán)節(jié),優(yōu)化了集輸工藝,從而使采氣半徑大幅度增加,由相關(guān)規(guī)范上界定的“不宜大于5 km”,增加到了17 km,技術(shù)取得創(chuàng)新性重大突破,在相同規(guī)模氣田建設(shè)條件下,實(shí)現(xiàn)了由閥組代替集氣站,閥組與閥組之間的串聯(lián)枝狀布置,大大簡化了集輸設(shè)施,從而大幅度降低項(xiàng)目投資。這種集輸工藝在煤層氣田建設(shè)中首次應(yīng)用,取得了巨大成功,已申報(bào)國家發(fā)明專利(圖6)。

3.7 探索出適合本區(qū)儲(chǔ)層條件的煤層氣穩(wěn)控精細(xì)排采技術(shù)

針對無煙煤儲(chǔ)層的特點(diǎn),探索了一套適宜的煤層氣井排采技術(shù)。在泵型選擇、泵掛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、地面單井流程方面提出一整套工藝流程。制訂合理的排采制度,處理好液面、套壓、產(chǎn)量的關(guān)系,控制一定的井底壓力,保持合理的壓差,控制煤粉產(chǎn)出和壓裂砂返吐。實(shí)踐表明,通過這一整套先進(jìn)的技術(shù)控制,取得了煤層氣單井平均產(chǎn)量超過4 800 m3/d的成果。

圖6 集輸系統(tǒng)示意圖

3.8 分析煤層氣生產(chǎn)規(guī)律,提出無煙煤儲(chǔ)層煤層氣生產(chǎn)曲線類型和生產(chǎn)階段劃分認(rèn)識

根據(jù)單井產(chǎn)氣量大小的階段變化規(guī)律,將沁南示范工程煤層氣井排采曲線分為5類典型特征:中高產(chǎn)—低產(chǎn)—高產(chǎn)型;中高產(chǎn)—高產(chǎn)型;中高產(chǎn)—低產(chǎn)型;高低重復(fù)型;高產(chǎn)水型等。

煤層氣井一般經(jīng)歷單相流、非飽和流、兩相流階段,本示范區(qū)的煤層氣井經(jīng)過5年的排采,許多井處于氣體單相流動(dòng)狀態(tài)。

在煤層氣井產(chǎn)氣后,地層含水飽和度的變化、氣水兩相相對滲透率的變化是氣井生產(chǎn)特征變化的關(guān)鍵因素,充分理解這些參數(shù)的變化,是解釋煤層氣井各階段生產(chǎn)特征的關(guān)鍵。

3.9 新材料、新裝備的試驗(yàn)應(yīng)用

3.9.1 聚乙烯管線首次在煤層氣田應(yīng)用

按照低成本開發(fā)戰(zhàn)略和煤層氣多井、低壓的特點(diǎn),對于適合于煤層氣田采氣管線的非金屬管材如聚乙烯管(PE)、鋼骨架塑料(鋼絲網(wǎng))復(fù)合管、鋼骨架塑料(孔網(wǎng)狀)復(fù)合管、柔性復(fù)合管,經(jīng)過性能和經(jīng)濟(jì)方面的比較,認(rèn)為聚乙烯管和柔性復(fù)合管均能很好地解決金屬管道耐壓不耐腐、非金屬管道耐腐不耐壓的缺點(diǎn),剛度和柔度好,抗蠕變性強(qiáng),耐磨,內(nèi)壁光滑且不結(jié)垢,節(jié)能節(jié)材效果好,且壓力損失小,無污染,施工維修方便,使用壽命長,適應(yīng)于煤層氣田的開發(fā)。

通過管徑與管線總投資關(guān)系的研究,當(dāng)采氣、集氣管道的公稱直徑小于等于200 mm時(shí),采用PE管道,投資低;當(dāng)采氣、集氣管道的公稱直徑大于200 mm時(shí),采用鋼制管道,投資低(圖7)。本示范工程中公稱直徑在200 mm以下管線均采用PE100聚乙烯管線。

圖7 管道經(jīng)濟(jì)性對比圖

3.9.2 氣動(dòng)機(jī)研制試驗(yàn)

首次在沁南示范工程采用氣動(dòng)機(jī)作為煤層氣抽采的動(dòng)力設(shè)備,利用氣井自產(chǎn)氣為燃料,既減少了動(dòng)力成本,又可以避免繁瑣的配套工程建設(shè)。氣動(dòng)機(jī)的應(yīng)用,極大地簡化了煤層氣井生產(chǎn)的建設(shè)工序,加快了投產(chǎn)進(jìn)程,具有較高的靈活性和方便性。隨著氣動(dòng)機(jī)設(shè)備的不斷更新完善,在煤層氣生產(chǎn)中的應(yīng)用也將逐步上升(圖8)。

圖8 氣動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)煤層氣生產(chǎn)照片

3.10 制訂了煤層氣兩個(gè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和兩個(gè)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

1)制訂了兩個(gè)煤層氣安全行業(yè)標(biāo)準(zhǔn):《煤層氣地面開采防火防爆安全規(guī)程》Q/CUCBM 1301—2008和《煤層氣集輸安全規(guī)程》Q/CUCBM 1302—2008,填補(bǔ)了煤層氣行業(yè)安全標(biāo)準(zhǔn)的空白,改變了煤層氣勘探開發(fā)無安全規(guī)程可執(zhí)行的現(xiàn)狀。安全標(biāo)準(zhǔn)的制訂,可以規(guī)范煤層氣開采安全生產(chǎn),為政府有關(guān)管理部門依法行政、安全生產(chǎn)監(jiān)管提供依據(jù),為煤層氣企業(yè)安全生產(chǎn)提供技術(shù)保障,促進(jìn)煤層氣產(chǎn)業(yè)健康、快速發(fā)展。

2)制訂了《煤層氣開發(fā)方案編制規(guī)范》Q/CUCBM 1305—2008、《煤層氣地面工程設(shè)計(jì)規(guī)范》Q/CUCBM 1306—2008兩個(gè)煤層氣技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),為指導(dǎo)煤層氣田開發(fā)方案編制、地面工程設(shè)計(jì)、施工作業(yè)、工程質(zhì)量、資料匯交和驗(yàn)收等提供了依據(jù),為煤層氣行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的建立作出了貢獻(xiàn)。

4 社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益及產(chǎn)業(yè)示范效應(yīng)

4.1 經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)效益

示范工程共投資3.5億元人民幣,目前日均產(chǎn)量48×104m3,2010年銷售量達(dá)到1.2×108m3,全部投資內(nèi)部收益率(稅后)為12.13%,經(jīng)濟(jì)效益顯著。

4.1.1 國民經(jīng)濟(jì)效益

沁南示范工程的煤層氣開發(fā)利用,作為一項(xiàng)重大的潔凈能源基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè),將直接拉動(dòng)國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。該項(xiàng)目的建成將帶動(dòng)道路、鋼鐵、水泥、化工等相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,增加勞動(dòng)力的需求量,擴(kuò)大就業(yè)機(jī)會(huì),促進(jìn)地方經(jīng)濟(jì)乃至國民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。以單位國內(nèi)生產(chǎn)總值能耗的簡單類比方法測算,全國城市單位國內(nèi)生產(chǎn)總值1 t煤能耗產(chǎn)生3 731元生產(chǎn)總值。如果通過煤層氣利用,能耗降低部分即為生產(chǎn)總值可以增加部分,1 m3煤層氣=1.33 kg標(biāo)準(zhǔn)煤,即1 m3煤層氣能耗產(chǎn)生4.96元生產(chǎn)總值。按沁南示范工程年銷售量1.2×108m3估算,煤層氣開發(fā)的國民經(jīng)濟(jì)拉動(dòng)效益將達(dá)到5.95億元。

4.1.2 增加能源供給

隨著我國對能源的需求量日益增大,應(yīng)不斷加快煤層氣的開發(fā)步伐,增加市場能源供應(yīng),對于保證能源需求及社會(huì)發(fā)展意義重大[5]。

4.1.3 環(huán)保與安全效益

開采煤層氣有利于從根本上減少煤礦瓦斯事故發(fā)生的頻率,改善煤礦的安全生產(chǎn)條件,同時(shí)還能大大降低煤礦安全投入,降低生產(chǎn)成本,提高煤礦的生產(chǎn)效率以及經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)可以減少甲烷、二氧化碳、總懸浮顆粒物、硫化物和氮氧化物排放(煤層氣的利用可以減少煤炭的利用量,從而可以減少二氧化碳、總懸浮顆粒物、硫化物和氮氧化物生成量)造成的溫室效應(yīng)及大氣污染,對于建設(shè)和諧環(huán)境、綠色能源經(jīng)濟(jì)具有重要作用。

4.1.3.1 煤礦安全貢獻(xiàn)

據(jù)2008年度煤礦瓦斯事故直接和間接損失與生產(chǎn)煤炭中煤層氣含量,可以得到開采煤層氣對煤礦安全生產(chǎn)貢獻(xiàn)直接與間接經(jīng)濟(jì)價(jià)值為0.23元/m3[3]。按沁南示范工程年產(chǎn)量1.40×108m3估算,則可以得出開發(fā)沁南示范工程煤層氣對煤礦安全生產(chǎn)貢獻(xiàn)的年度經(jīng)濟(jì)價(jià)值約為3 220萬元。

4.1.3.2 環(huán)境效益貢獻(xiàn)

按照國際市場上溫室氣體減排權(quán)交易來計(jì)算煤層氣開發(fā)的環(huán)境效益貢獻(xiàn)值,可以得出開發(fā)利用煤層氣減排的效益約為0.21元/m3,以沁南示范工程年煤層氣排放(采氣)量1.40×108m3估算,則可以計(jì)算出開發(fā)沁南示范工程煤層氣的環(huán)境效益年均約為2 940萬元。

4.1.4 人才培養(yǎng)

沁南示范工程從開始實(shí)施到竣工投產(chǎn)的5年時(shí)間內(nèi),不但高質(zhì)量地完成了示范工程項(xiàng)目,同時(shí)形成了多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)體系和規(guī)程規(guī)范,培養(yǎng)了大批工程、預(yù)算等管理人才和鉆井、壓裂、排采、地面建設(shè)等一系列技術(shù)人才。

4.2 示范工程的示范效應(yīng)

沁南示范工程極大地推動(dòng)了煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展進(jìn)程。示范工程中形成的技術(shù)體系、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)程、規(guī)范化管理制度、規(guī)?；\(yùn)營模式保證了工程的順利投產(chǎn)運(yùn)行,對于煤層氣開發(fā)工程建設(shè)具有借鑒意義。

4.2.1 直井開發(fā)示范效應(yīng)

沁南示范工程全部投資內(nèi)部收益率(稅后)達(dá)12%以上,表明了直井開發(fā)煤層氣的可行性,同時(shí)也檢驗(yàn)了煤層氣直井開采的技術(shù)可行性、經(jīng)濟(jì)可行性及現(xiàn)實(shí)適用性。

4.2.2 行業(yè)帶動(dòng)效應(yīng)

沁南示范工程是第一個(gè)國家級煤層氣開發(fā)示范工程,是煤層氣規(guī)模化商業(yè)開發(fā)的試點(diǎn),也是國家給予中聯(lián)公司的重大任務(wù)和考驗(yàn)。示范工程的成敗關(guān)系到國家對煤層氣的戰(zhàn)略定位,是對國內(nèi)煤層氣商業(yè)開發(fā)的技術(shù)和管理的檢驗(yàn),在一定程度上也決定著煤層氣行業(yè)的發(fā)展前景。示范工程的成功,是對國家煤層氣戰(zhàn)略的最好回報(bào)和支撐,表明了我們已經(jīng)完全掌握了適合國內(nèi)煤層氣商業(yè)開發(fā)的專業(yè)技術(shù),具備了規(guī)模化開發(fā)煤層氣的能力,對于促進(jìn)煤層氣行業(yè)的健康、快速發(fā)展提供了可靠例證。

至2010年底,沁南示范工程總產(chǎn)氣量超過3.26 ×108m3,在沁南示范工程帶動(dòng)下,沁水盆地鉆井?dāng)?shù)量(主要區(qū)塊工作量)由2005年底的325口增加到2009年底的3 034口,產(chǎn)氣量則由0.2×108m3增加到10 ×108m3(表1)。沁水盆地煤層氣開發(fā)規(guī)模不斷擴(kuò)大,依托沁南示范工程項(xiàng)目技術(shù)及經(jīng)驗(yàn),中聯(lián)公司在沁水盆地、鄂爾多斯盆地東緣的沁水、陽城、長子、壽陽、柳林等區(qū)塊實(shí)施勘探開發(fā)項(xiàng)目,煤層氣規(guī)?；虡I(yè)開發(fā)拉開了序幕。

表1 沁水盆地鉆井?dāng)?shù)和產(chǎn)氣量表

4.2.3 成功經(jīng)驗(yàn)

1)國家對煤層氣行業(yè)的高度重視及相關(guān)部委和山西省各級政府的大力支持、社會(huì)各界對煤層氣行業(yè)的關(guān)注以及項(xiàng)目協(xié)作單位的積極配合與辛苦付出,為沁南示范工程的順利實(shí)施營造了良好的外圍環(huán)境。

2)中聯(lián)公司員工的艱苦奮戰(zhàn)、不懈努力,為沁南示范工程的順利實(shí)施提供了人力、物力、財(cái)力保障。

3)項(xiàng)目中形成的技術(shù)體系和技術(shù)規(guī)程,為沁南示范工程的順利實(shí)施提供了技術(shù)支撐。

4)煤層氣生產(chǎn)、運(yùn)輸、銷售協(xié)調(diào)發(fā)展,為沁南示范工程的順利實(shí)施提供了良好的支持。

5)規(guī)范化的管理模式,為沁南示范工程的高效、有序運(yùn)作提供了保證。

4.2.4 技術(shù)應(yīng)用及推廣

通過示范工程項(xiàng)目建設(shè),形成了配套技術(shù)體系,并得到了推廣應(yīng)用。如300 m×300 m正方形井網(wǎng)部署方式、空氣鉆井技術(shù)、活性水加砂壓裂技術(shù)、氮?dú)馀菽瓑毫鸭夹g(shù)、穩(wěn)控精細(xì)排采技術(shù)、分片集輸一級增壓地面集輸技術(shù)等,既形成了適合本地區(qū)地質(zhì)條件的煤層氣開發(fā)技術(shù)工藝,又產(chǎn)生了具有創(chuàng)新性的可推廣的新技術(shù)。尤其在工程設(shè)計(jì)施工、管理等方面,積累了豐富的經(jīng)驗(yàn),造就了大批專業(yè)技術(shù)人才。

以沁南示范工程技術(shù)體系為支撐,可有效避免重復(fù)探索,提高效率,經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益突出。可為其他地區(qū)的煤層氣勘探開發(fā)提供經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)借鑒,對促進(jìn)我國煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有積極的示范作用。

[1]翟光明,何文淵.中國煤層氣賦存特點(diǎn)與勘探方向[J].天然氣工業(yè),2010,30(11):1-3.

[2]中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司.沁南煤層氣開發(fā)高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化示范工程——潘河先導(dǎo)性試驗(yàn)項(xiàng)目第一期第一階段工程技術(shù)總結(jié)報(bào)告[R].北京:中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司,2006.

[3]中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司.沁南煤層氣開發(fā)利用高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化示范工程和技術(shù)研發(fā)報(bào)告[R].北京:中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司,2010.

[4]葉建平,范志強(qiáng).中國煤層氣勘探開發(fā)利用技術(shù)進(jìn)展.中國煤層氣勘探開發(fā)利用技術(shù)進(jìn)展:2006年煤層氣學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集[M].北京:地質(zhì)出版社,2006.

[5]中國煤炭學(xué)會(huì)煤層氣專業(yè)委員會(huì),中國石油學(xué)會(huì)石油地質(zhì)專業(yè)委員會(huì).2008年煤層氣學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集[M].北京:地質(zhì)出版社,2008.

10.3787/j.issn.1000-0976.2011.05.003

2011-03-11 編輯 趙 勤)

吳建光等.國家級煤層氣示范工程建設(shè)的啟示——沁水盆地南部煤層氣開發(fā)利用高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化示范工程綜述.天然氣工業(yè),2011,31(5):9-15.

國家發(fā)展和改革委員會(huì)國家高技術(shù)發(fā)展專項(xiàng)“沁南煤層氣開發(fā)利用高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化示范工程”(編號:高技[2004] 2395)。

吳建光,1962年生,教授級高級工程師,博士;中國煤炭工業(yè)協(xié)會(huì)煤炭地質(zhì)分會(huì)理事,中國石油地質(zhì)學(xué)會(huì)煤層氣學(xué)組委員,中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司總工程師;現(xiàn)從事煤層氣勘探開發(fā)技術(shù)管理工作。地址:(100011)北京市東城區(qū)安外大街甲88號。E-mail:wujgchinacbm@263.net