探討分析低滲透中高煤階致密煤層氣開發(fā)技術(shù)瓶頸與對策

徐 耀 孫 濤 李傳亮

(1．河南省煤層開發(fā)利用有限公司，河南 450016；2. 西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室，四川 610500)

探討分析低滲透中高煤階致密煤層氣開發(fā)技術(shù)瓶頸與對策

徐 耀1孫 濤1李傳亮2

(1．河南省煤層開發(fā)利用有限公司，河南 450016；2. 西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室，四川 610500)

低滲透中高煤階致密煤層氣開發(fā)目前處在井?dāng)?shù)增多但產(chǎn)量增加不多且很大一部分井未達到工業(yè)氣流的狀態(tài)，遇到了“儲層含氣量高，而開發(fā)出氣量小甚至不出氣”的技術(shù)瓶頸。本文綜合國內(nèi)外地面煤層氣開發(fā)和煤礦井下瓦斯治理的經(jīng)驗以及解吸理論，從煤儲層的化學(xué)結(jié)構(gòu)著手，借助Kozeny方程深入分析導(dǎo)致目前低滲透中高煤階致密煤層氣開發(fā)瓶頸的原因，結(jié)合解吸機理的新認知提出了相關(guān)開發(fā)對策。

低滲透 中高煤階 煤層氣 瓶頸 對策

1 概述

上個世紀在美國黒勇士、圣胡安兩大盆地煤層氣地面開發(fā)成功的鼓舞下，國際上許多國家紛紛開展了本國的煤層氣開采試驗，主要在高滲透的低煤階盆地獲得了成功，比如美國的粉河、尤因塔、拉頓等盆地，加拿大的阿爾伯塔等盆地，澳大利亞的蘇拉特等盆地，在滲透好的中高煤階煤儲層也有開發(fā)成功的盆地，如美國的阿巴拉契盆地，但是低滲透(滲透率小于0.1mD)的中高煤階致密煤儲層世界各地區(qū)的開發(fā)均是失敗的，主要表現(xiàn)為煤儲層含氣量高，單井產(chǎn)量低，低于基本的工業(yè)標(biāo)準，或初產(chǎn)較高，但迅速降低至無開采價值，這已成為低滲透中高煤階煤層氣開發(fā)的瓶頸。中國鄂爾多斯盆地部分地區(qū)及河南等地區(qū)低滲透中高煤階儲層的地面開發(fā)情況和世界情況基本一致，均未能獲得大規(guī)模的工業(yè)氣流。

井下抽放低滲透中高煤階瓦斯，其解吸條件比地面抽排解吸條件優(yōu)越得多，仍然面對同樣的一個問題：煤內(nèi)有氣卻不容易解吸出來。井下治理瓦斯是通過底板或頂板抽放巷道內(nèi)以1孔/m2的孔密進行鉆孔穿透煤層抽放，其解吸緩慢長達半年甚至一年之久，才符合煤礦瓦斯抽采標(biāo)準。

實驗室內(nèi)將井下取的低滲透中高煤階塊煤樣放在常溫常壓環(huán)境下解吸也非常緩慢，甚至數(shù)月后仍只解吸出少量氣，同一煤樣在實驗室研磨成粉末進行真空解吸，其解吸速度快，噸煤解吸氣量是自然條件下解吸氣量的3～10倍，證明煤樣里是含大量吸附氣的。常規(guī)地面抽采其經(jīng)過儲層改造后的解吸條件是遠遠達不到井下瓦斯抽放與煤樣自然解吸的條件，如要進行地面抽采，需要進行深入的分析打破地面抽采技術(shù)瓶頸，找到解決開發(fā)低滲透中高煤階煤層氣的對策。

2 煤儲層的物性分析

煤儲層的本質(zhì)屬性決定了其煤層氣的開發(fā)模式。面對低滲透中高煤階煤儲層開發(fā)的瓶頸，要更大幅度的提高煤層氣效益，至此我們要解決問題必須回到原點—吸附氣的解吸上(儲層有氣為什么不容易出來)，重新審視評判“甲烷在哪兒的問題”，也就是說煤層氣目前所處的環(huán)境和狀態(tài)的問題，是吸附在煤基質(zhì)中，基質(zhì)的物性是怎么樣，基質(zhì)的孔隙是多大，基質(zhì)的儲存能力是多大，煤骨架基質(zhì)孔隙對甲烷的束縛能力有多大，甲烷的吸附能力是多大，甲烷解吸逃逸能力又有多大，甲烷解吸逃逸所需的活化能是多大？有哪些來源的問題。解決了在哪兒的問題，才能結(jié)合其客觀物性條件進行分析，找出具有針對性的策略和工藝打開煤層氣的通道連到基質(zhì)孔隙中，給被吸附的甲烷足夠的活化能從煤基質(zhì)孔隙中解吸逃逸出來。

圖1 低煤階孔隙型儲層

圖2 高煤階裂縫型儲層

3 低滲透中高階致密煤層氣開發(fā)現(xiàn)況與分析

從煤的化學(xué)結(jié)構(gòu)可知其為一個非常巨大復(fù)雜的三維空間碳芳香格架分子結(jié)構(gòu)，以致煤基質(zhì)孔隙的微小與復(fù)雜，甲烷則吸附在這些基質(zhì)微小而復(fù)雜孔隙內(nèi)，在目前我們所進行的儲層改造主要是進行常規(guī)壓裂，增透煤儲層，通過排水降壓力求降低煤儲層內(nèi)的壓力，讓吸附的甲烷解吸，并克服由于受基質(zhì)中微小孔隙中的水鎖、氣鎖以及微孔毛管力所構(gòu)成合力的阻力，使煤層內(nèi)的吸附氣最終得以開發(fā)到地面，進行開發(fā)利用。目前國內(nèi)已經(jīng)打了數(shù)千口井開采低滲中高煤階煤層氣，很多井未達到工業(yè)氣流，至此，我們通過甲烷的吸附量與常規(guī)改造后的解吸量關(guān)系，分析目前開發(fā)低滲中高煤階煤層的瓶頸。

煤巖的比表面與孔滲參數(shù)的關(guān)系滿足Kozeny方程。煤巖的孔隙度取10%，有效解吸滲透率取1mD(有效解吸滲透率指的是能夠使得基質(zhì)中吸附氣解吸的最小滲透率)，可計算的煤巖的有效解吸比表面為3600cm2/cm3，也就是360000m2/m3，即1m3煤巖中有360000m2的有效解吸孔隙面積。甲烷分子的大小是0.4nm，甲烷分子的橫截面積大約為0.1256nm2，也就是0.1256×10-18m2。認為煤巖能夠得到有效解吸的孔隙的內(nèi)表面完全被吸附甲烷分子所覆蓋，則有效解吸滲透率為1mD的1m3煤巖的極限解吸數(shù)量為2.87×1024個，1mol氣體的分子數(shù)量為6.02×1023個，因此，有效解吸滲透率為1mD的1m3煤巖的解吸甲烷最大量為4.76mol。1mol甲烷氣體的標(biāo)準體積為22.4L，也就是0.0224m3。因此，在有效解吸滲透率為1mD時，1m3煤巖中的最大的甲烷解吸量為0.11m3。假設(shè)煤層厚為10m，井控半徑為150m，那么一口井在有效解吸滲透率為1mD時，在這口井生命期內(nèi)他能解吸的最大量為75348.84m3。同樣可以計算出有效解吸滲透率為0.1mD時，在這口井生命期內(nèi)他能解吸出的最大氣量為238273.94m3；有效解吸滲透率為0.01mD時，在這口井生命期內(nèi)他能解吸出的最大氣量為753488.37m3。按照2元/m3的價格輸入管道，其收入見表1，井的成本如表2。如果一口直井其收益為280萬元，那么這口井的解吸壽命總產(chǎn)量需要達到140萬m3的氣才能收回成本，通過計算只有將儲層進行改造使其解吸滲透率降低到0.0029mD時，才能完成目標(biāo)。

表1 煤層氣開發(fā)經(jīng)濟收益表

表2 煤層氣開發(fā)經(jīng)濟成本表

從以上分析結(jié)合國內(nèi)外各區(qū)塊低滲透中高煤階開發(fā)煤層氣井的相關(guān)數(shù)據(jù)可以看出，計算分析的解吸壽命總產(chǎn)量與目前大部分中高階致密煤儲層開發(fā)煤層氣的產(chǎn)量是相符的，證明以上理論計算數(shù)據(jù)具有真實性、可靠性。同時說明目前儲層改造后的解吸僅僅在部分得到有效改造的通道內(nèi)解吸，低于有效滲透率的基質(zhì)中所吸附的大部分煤層氣是沒有得到解吸開發(fā)的。就目前的開發(fā)方式是不足以將低滲透中高煤階煤層氣開發(fā)出來的，主要原因是煤層氣通道并沒有打開，儲層改造不徹底，不能夠建立足夠有效的通道讓煤層氣解吸運移出來，煤層氣的大部分吸附在煤基質(zhì)中，而煤基質(zhì)的孔隙非常小，在這樣的沒有得到有效改造，由于水鎖、氣鎖、毛管力等解吸阻力因素，導(dǎo)致煤基質(zhì)存在大量的氣，但是得不到有效的降壓，使得無法解吸出來，即使有小部分能夠解吸，但是由于基質(zhì)孔隙太小，其不足以克服解吸運移阻力，在沒有足夠有效的解吸滲透率條件下，吸附氣是不能運移出來。

目前開發(fā)低滲透中高煤階煤層氣大部分還是利用壓裂手段進行儲層改造，其改造后產(chǎn)量的收益與成本是不對等，可以看出按照現(xiàn)在的開發(fā)方式和技術(shù)手段進行開發(fā)低滲透中高煤階煤層氣，打的井越多造成的損失越大。因此需要對目前的開發(fā)技術(shù)進行綜合評判分析，找出適合開發(fā)低滲透中高煤階煤層氣的技術(shù)。

4 低滲透中高煤階致密煤層氣開發(fā)解決思路

借鑒防止煤層瓦斯突出的理論與技術(shù)研究成果及頁巖氣有效開發(fā)技術(shù)，有可能在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上形成將現(xiàn)在煤層氣單井產(chǎn)量成倍增加的原理和方法。低滲透中高煤階煤層氣開發(fā)遇到的問題，突出表現(xiàn)在儲層內(nèi)存在大量氣，而解吸開發(fā)出氣很困難。通過前一節(jié)的分析可以看出，開發(fā)低滲透中高煤階煤層氣的關(guān)鍵，一是建立地面至煤層基質(zhì)中的有效的甲烷解吸逃逸通道，二是增加被吸附氣體的活化能，降低基質(zhì)有效解吸滲透率，使被吸附的甲烷在微小的基質(zhì)孔隙內(nèi)克服各種阻力逃逸出去。

充分利用煤層的天然割理裂隙，并提高常規(guī)儲層改造技術(shù)，使其盡可能大的建立地面與煤層基質(zhì)中的孔隙通道。如利用水平井分段壓裂、水平分支井等。

尋找到合適的催化劑，增加吸附氣體的分子的活化能，減小基質(zhì)中微孔隙的解吸阻力，使其更多的解吸，克服基質(zhì)中微孔隙的解吸運移阻力逃逸出原始環(huán)境到達井筒。如某種氣體或者液體作為壓裂液，進行壓裂施工達到煤基質(zhì)中，充分解放常規(guī)壓裂無法改造的基質(zhì)內(nèi)的甲烷吸附氣，從而將基質(zhì)中煤層氣開發(fā)出來。

靠采空區(qū)的作用和煤的彈塑性，對煤儲層應(yīng)力分布改變，從而改變儲層的物性環(huán)境，促進煤層氣的解吸，也就是對采空區(qū)的加以利用進行地面煤層氣抽采。如目前突出礦井煤層群開采所采取的開采保護層措施，合理選擇開采保護層，對被保護層進行卸壓抽放，效果十分明顯。

分析儲層周圍環(huán)境，通過儲層附近滲透層裂隙煤層氣的開發(fā)，增加煤儲層和鄰近層的氣體壓力差，誘使煤儲層內(nèi)的氣體順著原來進入鄰近滲透層的通道進行運移，促使煤儲層降壓解吸，達到從鄰近滲透層煤層氣的開發(fā)達到間接開發(fā)煤層氣。

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(責(zé)任編輯 韓甲業(yè))

Discussion on Bottlenecks and Countermeasures of Low-permeability Medium-High Coal Rank Tight CBM Development Technology

XU Yao1, SUN Tao1, LI Chuanliang2

(1. Henan CBM Development and Utilization Co., Ltd., Henan 450016;2.State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploration of Southwest Petroleum University, Sichuan 610500)

The wells developing low-permeability medium-high coal rank tight CBM development are increasing while the output increases little. Besides, most of wells fail to reach the status of industrial gas flow, and meet the technological bottleneck of “high gas content in reservoir but little or no output”. This paper, based on domestic and foreign experiences in ground CBM development and underground gas treatment as well as desorption theory, starts from chemical structure of coal reservoir, uses Kozeny equation to deeply analyze the causes of development bottleneck and proposes relevant countermeasures for development combining the new cognition of desorption mechanism.

Low-permeability; medium-high coal rank; CBM; bottlenecks; countermeasures

徐耀，男，工程師，長期從事煤礦瓦斯治理和煤層勘探開發(fā)技術(shù)工作。