青海木里地區(qū)天然氣水合物和煤層氣聯(lián)合開發(fā)可行性分析

白玉湖

(中海油研究總院有限責(zé)任公司 北京 100028)

天然氣水合物因其儲(chǔ)量巨大、分布廣泛、清潔，被認(rèn)為是一種很有潛力的未來(lái)能源。據(jù)估計(jì)，全球27%的陸地面積和90%的海域均有天然氣水合物的存在。我國(guó)青藏高原具有廣泛分布的永凍土帶，符合天然氣水合物的賦存條件。2008年在青海省天峻縣祁連山脈的木里地區(qū)鉆探了陸地永久凍土帶天然氣水合物調(diào)查科學(xué)試驗(yàn)井，首次在我國(guó)永久凍土帶證實(shí)了天然氣水合物的存在。2010年，我國(guó)首次在青海木里水合物發(fā)現(xiàn)區(qū)實(shí)施了開采試驗(yàn)井施工、開采裝置和開采工藝的試驗(yàn)。2011年，我國(guó)首次成功實(shí)施了陸域凍土天然氣水合物開采試驗(yàn)，證實(shí)了降壓、加熱、控制方法、監(jiān)測(cè)、記錄、天然氣采集等方案的可行性[1]。針對(duì)青海木里天然氣水合物，研究人員圍繞天然氣水合物氣源[2-3]、成因[4-5]、分布[6]、成藏模式[7]、資源量[8-9]、穩(wěn)定帶厚度[10]、勘探部署[11]、開采試驗(yàn)和裝備及開采方法[1,12]等開展了大量的研究工作，并取得一定進(jìn)展，為未來(lái)天然氣水合物開發(fā)提供借鑒和參考。

青海木里水合物區(qū)煤層發(fā)育，部分區(qū)域是目前的煤礦開采區(qū)。針對(duì)該區(qū)煤層氣的勘探開發(fā)潛力，邵龍義 等[13]采用模糊數(shù)學(xué)方法對(duì)木里煤田中低煤階煤層氣資源勘探開發(fā)潛力進(jìn)行了評(píng)價(jià)，認(rèn)為江倉(cāng)礦區(qū)是木里煤層氣勘探開發(fā)的最佳試驗(yàn)區(qū)。郭晉寧 等[14]對(duì)聚乎更礦區(qū)的煤層地質(zhì)、煤巖煤質(zhì)特征、煤層割理及裂隙、煤層孔滲、吸附條件、煤儲(chǔ)層壓力、水文地質(zhì)等進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)分析，認(rèn)為煤層氣是該地區(qū)今后勘探開發(fā)重點(diǎn)研究區(qū)域。從現(xiàn)有認(rèn)識(shí)來(lái)看，木里地區(qū)水合物和煤層氣兩種資源具備同時(shí)賦存的條件，因此，如果能夠同時(shí)開發(fā)這兩種資源，則會(huì)降低開采成本，提高開發(fā)效益。雖然木里地區(qū)沒有實(shí)際的煤層氣勘探開發(fā)實(shí)踐，但考慮到未來(lái)的水合物開發(fā)，筆者提出了木里地區(qū)天然氣水合物和煤層氣聯(lián)合開采的概念模式，并對(duì)聯(lián)合開發(fā)的可行性進(jìn)行分析，以期為后續(xù)的天然氣水合物和煤層氣的綜合勘探開發(fā)提供參考。

1 水合物降壓法開采潛力評(píng)價(jià)

2008年木里地區(qū)鉆探取樣實(shí)踐證明了水合物的埋藏深度范圍在133 m(DK-1井)～396 m(DK-3井)。中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局地科院力學(xué)所對(duì)祁連山木里DK-9孔進(jìn)行了510 m深度范圍的溫度連續(xù)觀測(cè)，確定木里聚乎更礦區(qū)凍土層厚達(dá)160 m，凍土層和凍土層下地溫梯度分別為1.38 ℃/100 m和4.85 ℃/100 m；根據(jù)天然氣水合物相圖估算的天然氣水合物穩(wěn)定帶底界深為510～617 m，厚度為485～607 m。部分學(xué)者對(duì)該地區(qū)的天然氣水合物的分布范圍及資源量情況進(jìn)行了計(jì)算[9]，認(rèn)為水合物中的天然氣總量可達(dá)(2.710～2.991)×1011m3，是煤層氣地質(zhì)資源量(9.144×109m3)的30倍，顯示了木里煤田凍土帶天然氣水合物的巨大資源潛力。下面對(duì)木里天然氣水合物的降壓法開采潛力進(jìn)行評(píng)價(jià)。

利用降壓法開采水合物藏，1口直井鉆穿水合物層，結(jié)合現(xiàn)有認(rèn)識(shí)，考慮3組分(水合物、甲烷氣和水)及四相(氣相、水相、水合物相、冰相)。模型中引入基本假設(shè)：①只考慮甲烷氣形成的SI型水合物，不考慮鹽的影響；②冰的成分為純水，氣相中只含有甲烷氣體；③水相和氣相的滲流符合達(dá)西定律；④不考慮分子擴(kuò)散及水動(dòng)力學(xué)擴(kuò)散。則有

氣相控制方程

(1)

水相控制方程

(2)

水合物相控制方程

(3)

能量方程

(4)

飽和度方程

sw+sg+sh+sI=1

(5)

毛管力方程

pc=pw-pg

(6)

假定儲(chǔ)層的巖石和流體是微可壓縮的，則水相和巖石狀態(tài)方程為

(7)

邊界條件

(8)

初始條件

(9)

由于天然氣水合物的特殊性，需要考慮一些描述水合物分解特殊機(jī)理的方程，包括水合物分解動(dòng)力學(xué)方程、水合物和水的相平衡方程、水合物分解吸熱模型、考慮水合物影響的儲(chǔ)層絕對(duì)滲透率模型與相對(duì)滲透率模型等，具體參見文獻(xiàn)[15]。模擬計(jì)算中采用基本變量轉(zhuǎn)換法處理水合物分解過(guò)程中出現(xiàn)的復(fù)雜相態(tài)過(guò)程,采用有限差分方法對(duì)控制方程進(jìn)行離散，具體離散形式及求解步驟見文獻(xiàn)[16-17]。結(jié)合對(duì)木里水合物現(xiàn)有認(rèn)識(shí)，給定主要參數(shù)見表1，其中水合物飽和度參數(shù)是非常重要的參數(shù)，但目前尚未有共識(shí)，本研究分別取20%、30%進(jìn)行產(chǎn)量預(yù)測(cè)對(duì)比，結(jié)果如圖1所示。

表1 降壓法開采天然氣水合物模型中基本參數(shù)取值 (針對(duì)青海木里地區(qū))Table 1 Main parameters value in the model of gas hydrate exploited by depressurization(aiming at Muli area of Qinghai province)

圖1 天然氣水合物飽和度分別為20%、30%時(shí)降壓法開采 的產(chǎn)氣量和累計(jì)產(chǎn)氣量(針對(duì)青海木里地區(qū))Fig .1 Comparison of gas rates and cumulative gas volume under the conditions of 20% and 30% gas hydrate saturation (aiming at Muli area of Qinghai province)

由圖1a可以看出，不同水合物飽和度下產(chǎn)氣量隨時(shí)間變化呈現(xiàn)相同的規(guī)律，可明顯分為2個(gè)階段。第1個(gè)階段為產(chǎn)氣量上升階段：在降壓開始階段，由于地層中含有水合物，儲(chǔ)層滲透率較低，壓力波及范圍較小，且壓力前沿向地層中傳播較慢，因此初期產(chǎn)氣量較低；隨著降壓的進(jìn)行，壓力波及范圍逐漸增大，水合物分解的范圍也逐漸變大，產(chǎn)量逐漸增加；當(dāng)壓力波及到井控邊界時(shí)，壓力波及范圍達(dá)到最大值，水合物分解范圍也達(dá)到最大值，產(chǎn)氣量達(dá)到峰值。第2個(gè)階段為產(chǎn)量遞減階段：隨著壓力波及到邊界后，地層流體流動(dòng)進(jìn)入擬穩(wěn)態(tài)流動(dòng)階段，由于水合物分解吸熱，儲(chǔ)層溫度降低，水合物分解速度也隨之降低；同時(shí)由于地層壓力的消耗，水合物分解驅(qū)動(dòng)壓差也逐漸減小；水合物分解速度以及分解驅(qū)動(dòng)壓力的降低導(dǎo)致了水合物分解產(chǎn)氣量減小。由圖1a中還可發(fā)現(xiàn)，水合物飽和度越高，產(chǎn)氣量峰值到達(dá)的時(shí)間越晚，這是因?yàn)殡S著水合物飽和度增加，地層滲透率降低，從而在同樣生產(chǎn)壓差下，壓力在地層內(nèi)部波及減慢，壓力前沿到達(dá)井控邊界的時(shí)間也就越長(zhǎng)，從而產(chǎn)氣峰值出現(xiàn)的時(shí)間就越晚。但隨著水合物飽和度增加，產(chǎn)氣量峰值增加，這是因?yàn)樗衔镲柡投仍黾?，單位?chǔ)層體積內(nèi)的含氣量就增大。

由圖1b可以看出，累計(jì)產(chǎn)氣量隨著水合物飽和度增加而增加，在生產(chǎn)的第11年末，當(dāng)水合物飽和度為20%、30%時(shí)，累計(jì)產(chǎn)氣量分別為213×104m3、269×104m3?？梢?，采用降壓法可以從水合物層中開采出天然氣，但由于儲(chǔ)層能量的限制，中后期產(chǎn)氣速度較低。因此，在開采天然氣水合物時(shí)，僅依靠單一的降壓法開采效率受限，應(yīng)考慮降壓、注熱及注化學(xué)劑等方法的綜合應(yīng)用，以提高采氣速度和開采效率。上述分析可見，木里地區(qū)天然氣水合物的開采會(huì)為煤層氣開發(fā)增加額外產(chǎn)量，提高開采單一煤層氣資源的經(jīng)濟(jì)效益。

2 煤層氣勘探開發(fā)潛力分析

已有研究[13-14]表明木里煤田含有豐富的煤層氣。該地區(qū)成煤時(shí)代為中侏羅世，屬擠壓背景下的內(nèi)陸坳陷型盆地沉積，湖泊相沉積發(fā)育，發(fā)育厚—巨厚煤層，煤層結(jié)構(gòu)以較簡(jiǎn)單—較復(fù)雜為主。煤巖顯微組成以鏡質(zhì)組為主，大多介于40%～80%。煤質(zhì)特征以低—中灰、中高揮發(fā)分、特低—低硫?yàn)樘卣鳌儆谥械兔弘A煤，煤體結(jié)構(gòu)以原生結(jié)構(gòu)和碎裂結(jié)構(gòu)為主，區(qū)內(nèi)光亮煤和亮煤割理發(fā)育，密度范圍為3～30條/5 cm，以孤立網(wǎng)狀割理組合為主，且由于后期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響，煤層外生裂隙普遍發(fā)育，有利于煤層滲透率的提高。以小孔和微孔為主，并有少量中孔，有利于儲(chǔ)層對(duì)甲烷的吸附作用?？紫抖绕毡檩^高，大中孔對(duì)孔隙度貢獻(xiàn)較大。滲透率較好，有利于煤層氣的開采。平衡水蘭氏體積介于17.25～24.04 m3/t，表明木里煤田具有較強(qiáng)的儲(chǔ)氣能力[14]。

郭晉寧 等[13]研究表明，木里聚乎更礦區(qū)主要含煤地層為中侏羅統(tǒng)木里組，煤層厚度大，平均厚度為175.4 m，含下1、下2兩層可采煤層，其中下1煤層厚0.72～32.25 m，平均厚8.41 m；下2煤層厚1.98～46.92 m，平均厚12.06 m。變質(zhì)程度一般在氣煤—焦煤，鏡質(zhì)組質(zhì)量分?jǐn)?shù)普遍較高(達(dá)60%～80%)，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單—較復(fù)雜，煤儲(chǔ)層微觀結(jié)構(gòu)以小孔和微孔為主，割理裂隙發(fā)育。等溫吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，煤儲(chǔ)層平衡水蘭氏體積為20.5～21.79 m3/t，蘭氏壓力為2.84～4.75 MPa，該區(qū)蘭氏體積偏低，而蘭氏壓力偏高，煤層吸附特性為中—好級(jí)別，頂?shù)装宸忾]性好，地下水活動(dòng)弱，有利于煤層氣的形成與賦存。區(qū)內(nèi)下1煤層含氣量在0.05～5.52 m3/t，下2煤層含氣量在0.05～11.14 m3/t，含氣量普遍偏低可能與后期構(gòu)造活動(dòng)使得煤層埋深變淺導(dǎo)致儲(chǔ)層壓力降低、煤層甲烷大量解吸有關(guān)。儲(chǔ)層吸附特性為中—好級(jí)別，表明該區(qū)煤層氣含量較為豐富。由于煤變質(zhì)程度較低，而煤儲(chǔ)層孔隙度普遍較高，為2.7%～4.4%，煤儲(chǔ)層滲透率也同樣普遍較高，煤儲(chǔ)層水平滲透率為0.304～1.51 mD，煤儲(chǔ)層垂直滲透率為0.339～0.928 mD，較有利于煤層氣的開發(fā)[13]。

經(jīng)初步估算，木里煤田總的煤層氣地質(zhì)資源量為91.44×108m3，平均資源豐度為0.96×108m3/km2。由于目前木里煤田沒有煤層氣開發(fā)試驗(yàn)井，對(duì)于煤儲(chǔ)層參數(shù)的認(rèn)識(shí)還屬于靜態(tài)認(rèn)識(shí)，按照國(guó)內(nèi)煤層氣開發(fā)井井距300 m計(jì)算，每平方千米部署開發(fā)井11口，因此平均單井控制儲(chǔ)量約為870×104m3，按照采收率40%～60%估算，單井控制可采儲(chǔ)量約為348×104～522×104m3，因此具有一定的開發(fā)潛力。但考慮到木里地區(qū)煤層氣資源規(guī)模較小，僅開展煤層氣勘探開發(fā)還是具有一定限制。

3 水合物和煤層氣聯(lián)合開發(fā)可行性分析

3.1 聯(lián)合開發(fā)概念模式的提出

前人研究[2-4]表明木里地區(qū)天然氣水合物部分氣源來(lái)源于煤層氣，說(shuō)明水合物和煤層氣具有共生共存關(guān)系，煤層氣下伏在水合物層之下。前述分析也表明，如果能夠把天然氣水合物和煤層氣進(jìn)行聯(lián)合開發(fā)，即在同一口井中同時(shí)實(shí)現(xiàn)水合物和煤層氣的開采，則能大幅度降低開發(fā)成本，提高開采效率，并使得多種資源能夠同時(shí)得到充分利用。本文提出利用直井和水平井聯(lián)合開發(fā)水合物和煤層氣的概念模式(圖2)。由圖2a可以看出，利用直井開發(fā)時(shí)，1口直井鉆穿水合物層和煤儲(chǔ)層，可以根據(jù)煤儲(chǔ)層、水合物層物性情況確定是否壓裂。按照木里煤層物性，應(yīng)需進(jìn)行壓裂開采；而對(duì)于水合物儲(chǔ)層，也可以采用壓裂方式，增加降壓速度，促進(jìn)水合物分解。采用單井直井開采時(shí)，由于降壓及加熱在水平輻射區(qū)域效果是有限的，結(jié)合油氣及煤層氣開采經(jīng)驗(yàn)，可以考慮采用多分支水平井開發(fā)模式，增加水合物分解釋放的自由度，使得降壓和加熱的作用覆蓋到更多的區(qū)域，這無(wú)疑會(huì)增加水合物的開采效率。同樣，水平井對(duì)于煤層氣開采也有成功的經(jīng)驗(yàn)。

由圖2b可以看出，利用水平井開發(fā)時(shí)，先打1口導(dǎo)眼井鉆穿水合物層和煤儲(chǔ)層，然后在水合物層進(jìn)行側(cè)鉆水平井，在煤儲(chǔ)層也進(jìn)行側(cè)鉆水平井，形成兩分支或者多分支水平井。根據(jù)水合物層、煤儲(chǔ)層的物性、厚度、儲(chǔ)量豐度等情況，確定是否進(jìn)行壓裂作業(yè)。對(duì)于厚煤層或者多套煤層，可以適當(dāng)考慮使用水平井多段壓裂的開發(fā)模式。由于開發(fā)模式的選擇與儲(chǔ)層物性及經(jīng)濟(jì)效益有關(guān)，可以把圖2所示的2種開發(fā)模式進(jìn)行結(jié)合，即采用直井和水平井相結(jié)合的方式，如主井眼為直井、水合物層或煤儲(chǔ)層可以是水平井。

圖2 利用直井、水平井聯(lián)合開發(fā)水合物和煤層氣(針對(duì)青海木里地區(qū))Fig .2 Commingled production of CBM and gas hydrate with vertical well and horizontal well (aiming at Muli area of Qinghai province)

3.2 聯(lián)合開發(fā)可行性分析

1) 資源富集模式分析?，F(xiàn)有研究[4]表明木里地區(qū)水合物和煤層氣具有疊置賦存模式，煤儲(chǔ)層演化過(guò)程中產(chǎn)生大量的天然氣，天然氣在向上運(yùn)移過(guò)程中遇到低溫富水條件便可生成水合物，隨著水合物生成的增多，水合物儲(chǔ)層滲透率降低，阻礙了天然氣繼續(xù)向上運(yùn)移，導(dǎo)致天然氣在水合物層中壓力逐漸增大，從而保障了水合物進(jìn)一步持續(xù)生成。而目前研究已經(jīng)證明，該地區(qū)水合物層之下的煤儲(chǔ)層仍具有一定的含氣量。因此，從該地區(qū)水合物和煤層氣的賦存模式及資源情況而言，聯(lián)合開發(fā)是可行的。

2) 聯(lián)合開發(fā)原理可行性。一般而言，水合物開發(fā)會(huì)采用降壓法、注熱法、注化學(xué)劑法，或者是其中2種或者3種方式的組合，而煤層氣的開發(fā)方式是排水降壓法。因此，如果采用降壓法進(jìn)行聯(lián)合開發(fā)，不會(huì)涉及到兩層的干擾問(wèn)題，既使煤層氣排水，由于其溫度高于水合物層，且含有一定礦化度，煤層水不會(huì)對(duì)水合物層造成傷害，甚至可以作為溫水或者其中含有的鹽類能作為化學(xué)劑起到促進(jìn)水合物分解的作用。如果采用注熱法或者注化學(xué)劑方法開采水合物，可以考慮采用適當(dāng)?shù)牟蓺夤に嚋p少或者避免干擾。

3) 聯(lián)合開發(fā)井型可行性。對(duì)于直井聯(lián)合開發(fā)，無(wú)論是從鉆井工藝或者完井方式來(lái)看，都具有可實(shí)施性。如果煤層壓裂，可以采用分層壓裂工藝實(shí)現(xiàn)壓裂開發(fā)。對(duì)于多分支水平井，在煤層氣開發(fā)中已具有較為成熟的技術(shù)，在水合物層也成功實(shí)施過(guò)水平井工藝[12]。

3.3 聯(lián)合開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)

1) 聯(lián)合開發(fā)資源評(píng)價(jià)及選區(qū)。聯(lián)合開發(fā)資源評(píng)價(jià)及選區(qū)技術(shù)是聯(lián)合開發(fā)的第一步，需要從地震、地質(zhì)、測(cè)井、地化、沉積等方面對(duì)木里地區(qū)進(jìn)行詳實(shí)的研究，優(yōu)選出水合物和煤層氣共存的有利區(qū)。

2) 聯(lián)合開發(fā)壓裂增產(chǎn)及采氣工藝。木里地區(qū)海拔高，水資源有限，而大規(guī)模壓裂開發(fā)煤層氣及水合物會(huì)涉及到大量用水問(wèn)題，因此可以考慮二氧化碳?jí)毫?、氮?dú)馀菽瓑毫训确绞剑瑴p少規(guī)模開發(fā)對(duì)水資源的依賴。二氧化碳?jí)毫衙簩託庖呀?jīng)被證實(shí)具有可行性；同樣，二氧化碳?jí)毫阉衔飳釉谠砩弦彩强尚械?，這是因?yàn)槎趸季哂兄脫Q天然氣水合物中甲烷的作用，在壓裂過(guò)程中二氧化碳比甲烷氣更加容易形成水合物，而且形成水合物過(guò)程所放出的熱量超過(guò)甲烷水合物分解所吸收的熱量，因此，二氧化碳?jí)毫褜?duì)于聯(lián)合開發(fā)水合物是較好的選擇。當(dāng)然，如果水合物采用注熱、注化學(xué)劑等方式開采，則需要在井筒采氣工藝上進(jìn)行創(chuàng)新，比如需要實(shí)現(xiàn)同井注采工藝等。

3) 聯(lián)合開發(fā)的環(huán)境保護(hù)。木里地區(qū)地處高寒地帶，生態(tài)環(huán)境極其脆弱，一旦破壞，則很難恢復(fù)，因此，如何在規(guī)模開發(fā)時(shí)保護(hù)好環(huán)境是重中之重，包括如何處理鉆屑、返排水的處理、水資源節(jié)約利用和保護(hù)、植被保護(hù)及復(fù)原等。這些環(huán)境保護(hù)問(wèn)題一定要在聯(lián)合開發(fā)之前得到徹底解決，保證環(huán)境安全是高效、經(jīng)濟(jì)聯(lián)合開發(fā)水合物和煤層氣的前提。

4 結(jié)論

1) 青海木里地區(qū)天然氣水合物資源豐富，具有一定的煤層氣勘探開發(fā)潛力，但單一開采水合物或者煤層氣都面臨著效益偏低的問(wèn)題。本文提出了在青海木里地區(qū)采用直井或者水平井進(jìn)行天然氣水合物和煤層氣聯(lián)合開發(fā)的概念模式，并從這兩種資源的賦存模式、開采原理、開發(fā)技術(shù)等方面論證了聯(lián)合開發(fā)是可行的。

2) 基于本文提出的木里地區(qū)天然氣水合物和煤層氣聯(lián)合開發(fā)模式，分析了聯(lián)合開發(fā)資源評(píng)價(jià)及選區(qū)、聯(lián)合開發(fā)壓裂增產(chǎn)、聯(lián)合開發(fā)的環(huán)境保護(hù)等聯(lián)合開發(fā)關(guān)鍵性技術(shù)，為實(shí)現(xiàn)該地區(qū)天然氣水合物和煤層氣的聯(lián)合開發(fā)提供了參考依據(jù)。