準(zhǔn)噶爾盆地南緣煤層氣地質(zhì)研究及技術(shù)進(jìn)展

周梓欣 張 偉

(1.新疆煤田地質(zhì)局,新疆 830091；2.新疆煤田地質(zhì)局綜合地質(zhì)勘查隊(duì),新疆 830009)

新疆2000m以淺煤層氣資源量7.51×1012m3，占全國(guó)資源總量(30.05×1012m3)的25%?！笆濉薄笆濉睍r(shí)期，新疆共投入約25億元，以準(zhǔn)噶爾盆地南緣和庫(kù)拜煤田為重點(diǎn)開(kāi)展勘查和先導(dǎo)試驗(yàn)建設(shè)，截至目前，全疆現(xiàn)有煤層氣生產(chǎn)井280余口，最高年產(chǎn)氣量8235×104m3，單直井峰值日產(chǎn)量達(dá)到2.8×104m3，水平井峰值日產(chǎn)量達(dá)到3.5×104m3。準(zhǔn)噶爾盆地南緣作為新疆煤層氣最具代表性的區(qū)域，針對(duì)煤層氣富集主控因素等地質(zhì)特征開(kāi)展了大量的研究，并通過(guò)先導(dǎo)試驗(yàn)建設(shè)和科技攻關(guān)初步形成了適應(yīng)其地質(zhì)特點(diǎn)的開(kāi)發(fā)技術(shù)體系。

1 煤層氣地質(zhì)特點(diǎn)

準(zhǔn)噶爾盆地南緣煤層氣地質(zhì)特征除了具有國(guó)內(nèi)高煤階的“三低”(低飽和度、低滲透率、低壓力)特征外，同時(shí)還具有地層傾角大、煤層厚度大、煤層層數(shù)多、風(fēng)化帶深度大的特殊地質(zhì)特點(diǎn)(表1)。

表1 準(zhǔn)噶爾盆地南緣煤層氣基礎(chǔ)地質(zhì)特征

2 地質(zhì)研究及技術(shù)進(jìn)展

在煤層氣勘查和先導(dǎo)試驗(yàn)建設(shè)中，針對(duì)大傾角、多厚煤層、中低煤階地質(zhì)特點(diǎn)和遇到的難題開(kāi)展了大量的研究和攻關(guān)試驗(yàn)，初步形成了一套較為系統(tǒng)的理論和工藝技術(shù)體系。

(1)煤層氣地質(zhì)研究進(jìn)展

以準(zhǔn)噶爾盆地南緣為對(duì)象，研究構(gòu)造、沉積環(huán)境、水文地質(zhì)、煤層氣成因特征，分析各因素對(duì)煤層氣富集的影響，研究認(rèn)為盆地周緣構(gòu)造隆升、水力逸散、煤層氣風(fēng)化帶深延是制約煤層氣資源分布和勘探開(kāi)發(fā)潛力的不可忽略的地質(zhì)因素；提出了三種煤層氣富集成藏模式：水動(dòng)力滯留區(qū)封存性原生生物氣成藏模式、水動(dòng)力滯留區(qū)微生物改造熱成因氣成藏模式、水動(dòng)力活躍區(qū)淺層生物氣補(bǔ)給-深部熱成因氣逸散成藏模式三種煤層氣富集成藏模式?；谝陨厦簩託赓x存地質(zhì)規(guī)律研究成果，分勘探和開(kāi)發(fā)兩個(gè)階段，分別優(yōu)化評(píng)價(jià)參數(shù)和權(quán)重，制定了《新疆地區(qū)中低煤階煤層氣地質(zhì)選區(qū)評(píng)價(jià)方法》，在準(zhǔn)噶爾盆地南緣優(yōu)選出烏魯木齊河?xùn)|、阜康四工河、吉木薩爾水西溝等煤層氣開(kāi)發(fā)有利區(qū)，并針對(duì)各有利區(qū)優(yōu)選了甜點(diǎn)段(目標(biāo)煤層段或目標(biāo)煤層段組合)，有效指導(dǎo)了準(zhǔn)噶爾盆地南緣的煤層氣開(kāi)發(fā)部署。

通過(guò)煤層含氣性及氣成分展布規(guī)律研究，剖析氣體成因及煤層氣風(fēng)化帶形成演化過(guò)程，首次提出“以外源性N2為評(píng)價(jià)指標(biāo)”的新疆中低煤階風(fēng)化帶深度劃定標(biāo)準(zhǔn)，即滿足經(jīng)濟(jì)邊界的前提下，以“氮?dú)鉂舛刃∮诘扔?0%”作為劃定煤層氣風(fēng)化帶下限的評(píng)價(jià)依據(jù)，在煤層氣開(kāi)發(fā)的井位部署中得到廣泛應(yīng)用，如依據(jù)該煤層氣風(fēng)化帶劃定方法，烏魯木齊河?xùn)|礦區(qū)目的層深度淺部邊界由以往的650m調(diào)整到450m，相應(yīng)部署的煤層氣井產(chǎn)氣量在排采3個(gè)月后迅速達(dá)到2000m3/d以上，獲得較好排采效果，釋放了較大的可供煤層氣開(kāi)發(fā)的區(qū)域。

通過(guò)對(duì)煤體結(jié)構(gòu)、孔裂隙發(fā)育特征、煤層礦物組分等的研究，對(duì)主要礦區(qū)的主要可采煤層的可改造性進(jìn)行評(píng)價(jià)，提出針對(duì)不同特性儲(chǔ)層的改造方案(表2)，有效指導(dǎo)了各開(kāi)發(fā)區(qū)塊的壓裂施工，獲得較為理想的儲(chǔ)層改造效果。

表2 研究區(qū)壓裂增產(chǎn)措施方案

(2)鉆井技術(shù)

為適應(yīng)大傾角、多煤層、厚煤層的地質(zhì)特點(diǎn)，節(jié)約土地資源和方便管理，形成以叢式井為主，水平井為輔的開(kāi)發(fā)模式，其中，叢式井包括直井和定向井，水平井包括順煤層井、L型井單分支水平井、多分支水平井3種井型。同時(shí)，為了解決多個(gè)主力煤層的等間距控制問(wèn)題，創(chuàng)新研發(fā)五段制定向井；在保證快速鉆完井方面，通過(guò)數(shù)學(xué)建模等手段，開(kāi)展鉆機(jī)、泥漿泵、固控設(shè)備和鉆頭選型優(yōu)選，研發(fā)低固相低傷害強(qiáng)抑制水基/鉀基鉆井液和無(wú)固相低傷害鉆井液體系，提高了穩(wěn)定性能、抑制性能、封堵性能和儲(chǔ)層保護(hù)性能；井身質(zhì)量控制方面，開(kāi)展了井眼軌跡優(yōu)化設(shè)計(jì)和井眼軌跡控制理論技術(shù)研究，建立軌跡優(yōu)化設(shè)計(jì)模型和底部鉆具組合受力模型，優(yōu)化設(shè)計(jì)和底部鉆具組合，減少摩阻，達(dá)到井身質(zhì)量控制的目的。針對(duì)900m以深煤層地質(zhì)控制程度低的問(wèn)題，為提高水平井鉆遇率，引進(jìn)優(yōu)化地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)，提出并試驗(yàn)了“井眼軌道控制原則”與“主動(dòng)探頂技術(shù)與側(cè)鉆開(kāi)分支技術(shù)”(圖1)。

圖1 主動(dòng)探頂技術(shù)施工示意圖

(3)壓裂技術(shù)

為解決大傾角地層壓裂裂縫上部支撐難，厚煤層難以充分改造，目的煤層多，活性水光套管注入填砂分層的方式對(duì)層間距要求高且施工周期長(zhǎng)等難題，研發(fā)出低傷害、低摩阻高效壓裂液體系，具有較好的攜砂性能和降摩阻和降濾失的作用；形成多、厚煤層壓裂選段原則，保障所選層段的資源和儲(chǔ)層條件均較優(yōu)；引進(jìn)并優(yōu)化水力噴砂射孔+連續(xù)油管底封拖動(dòng)壓裂技術(shù)，單層平均施工周期為2.74層/天；引進(jìn)并優(yōu)化帶壓射孔+全可溶橋塞層間分層壓裂技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了短期內(nèi)大排量、大液量、大砂量高效充分壓裂(表3)。

表3 單井壓裂改造規(guī)模及效果

(4)排采技術(shù)

為解決排采管桿偏磨和腐蝕、出砂、出粉問(wèn)題，多層和采分層產(chǎn)能貢獻(xiàn)不清問(wèn)題及大傾角煤層排采壓降等規(guī)律不清問(wèn)題，研究腐蝕機(jī)理，優(yōu)選緩釋劑，形成添加緩蝕劑排采防腐技術(shù)；利用陰極保護(hù)技術(shù)原理設(shè)計(jì)兩套保護(hù)系統(tǒng)，形成陰極保護(hù)器排采防腐技術(shù)；建立三維井眼軌跡描述與三維力學(xué)模型，形成基于三維桿柱力學(xué)的綜合防偏磨優(yōu)化設(shè)計(jì)方法；通過(guò)對(duì)煤粉的形貌特征及運(yùn)動(dòng)特征研究，形成主動(dòng)脈沖式排采煤粉防控工藝技術(shù)，通過(guò)對(duì)管柱及撈砂工具優(yōu)化，形成針對(duì)L型水平井的撈砂技術(shù)；通過(guò)在多層排采叢式井開(kāi)展分布式光纖溫壓多參數(shù)監(jiān)測(cè)，開(kāi)展多層合采產(chǎn)能計(jì)算模型與算法研究，開(kāi)發(fā)煤層氣井多層合采產(chǎn)能剖面定量解釋軟件，可以對(duì)單采、合采煤層氣井產(chǎn)量歷史進(jìn)行擬合，對(duì)多層合采產(chǎn)量及各層產(chǎn)量貢獻(xiàn)率進(jìn)行預(yù)測(cè)；基于大傾角儲(chǔ)層排采特征研究，結(jié)合前期排采井的經(jīng)驗(yàn)，提出了“五段三點(diǎn)兩控排采法(五個(gè)階段、三個(gè)節(jié)點(diǎn)、兩個(gè)控制關(guān)鍵)”(圖2)，并開(kāi)發(fā)排采智能管理系統(tǒng)軟件，為試驗(yàn)井連續(xù)平穩(wěn)排采和增產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。

圖2 五段三點(diǎn)兩控制排采法

3 地質(zhì)及技術(shù)攻關(guān)方向

地質(zhì)研究和技術(shù)攻關(guān)有力支撐了各先導(dǎo)試驗(yàn)的開(kāi)發(fā)建設(shè)，建成準(zhǔn)噶爾盆地南緣煤層氣產(chǎn)業(yè)化基地的核心區(qū)，實(shí)現(xiàn)新疆煤層氣的突破性進(jìn)展，但要實(shí)現(xiàn)規(guī)模有效開(kāi)發(fā)還需大力推進(jìn)技術(shù)創(chuàng)新，大幅提高單井產(chǎn)量和降低綜合開(kāi)發(fā)成本,探索煤層氣精準(zhǔn)評(píng)價(jià)體系，尋找提高單井增產(chǎn)新技術(shù)，準(zhǔn)確確定目的煤層的開(kāi)發(fā)時(shí)序，切實(shí)提高煤層氣抽采率。需要攻克的主要地質(zhì)和技術(shù)難題如下：

(1)地質(zhì)精準(zhǔn)選區(qū)和精細(xì)評(píng)價(jià)技術(shù)、地質(zhì)與工程配套勘查開(kāi)發(fā)工程技術(shù)是迫切需要解決的問(wèn)題。雖然在阜康、烏魯木齊河?xùn)|等多個(gè)區(qū)塊獲得了單井高產(chǎn)突破，但高產(chǎn)井與穩(wěn)產(chǎn)井總數(shù)偏少，低產(chǎn)井占有一定的數(shù)量，使得整個(gè)區(qū)塊單井平均產(chǎn)量偏低。分析原因主要是由于當(dāng)前新疆煤層氣勘查開(kāi)發(fā)的有利區(qū)多處于山前構(gòu)造擠壓帶，地質(zhì)條件復(fù)雜，煤層非均質(zhì)強(qiáng)。這就要求我們?cè)诘刭|(zhì)研究時(shí)進(jìn)行橫向、縱向上的精細(xì)描述和分區(qū)分類評(píng)價(jià)，提高選區(qū)和井位部署的有效性，并選擇與地質(zhì)條件相適應(yīng)的井型和井網(wǎng)和儲(chǔ)層改造方式等，確保施工成功率。

(2)儲(chǔ)層充分有效改造技術(shù)急需有新的突破。針對(duì)新疆地層傾角大、煤層厚度大的特點(diǎn)，為實(shí)現(xiàn)對(duì)煤層的充分動(dòng)用，采用L型水平井和多裂縫、全切割連續(xù)油管體積壓裂工藝，實(shí)現(xiàn)了對(duì)煤層的充分改造，但后期排采中吐砂、吐粉嚴(yán)重，影響排采的連續(xù)性，產(chǎn)氣效果沒(méi)有達(dá)到預(yù)期，因此在實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)層充分改造的技術(shù)和工藝上還需研究探索；在當(dāng)前已進(jìn)行排采試驗(yàn)的區(qū)塊中，部分區(qū)塊如準(zhǔn)噶爾盆地南緣的后峽區(qū)塊、呼圖壁區(qū)塊煤層含氣量大、滲透率高，具有較好的資源基礎(chǔ)和開(kāi)采條件，但由于煤層頂板多為含水層，加之煤層的傾角較大，儲(chǔ)層改造中極易壓穿上部含水層，導(dǎo)致排水降壓失效，煤層有氣但抽采不出來(lái)，如何實(shí)現(xiàn)該類儲(chǔ)層的改造尚需攻克。

(3)合層排采層段優(yōu)選和單層有序開(kāi)發(fā)還需研究和創(chuàng)新。新疆煤層氣資源量大，除了由于煤層分布廣、煤層厚度大以外，另一個(gè)重要因素是煤層層數(shù)多，但在阜康礦區(qū)、烏魯木齊河?xùn)|礦區(qū)的煤層氣開(kāi)發(fā)中，采用2層或3層合采的排采井，雖然增加了動(dòng)用煤層和建井成本，但部分合采井的產(chǎn)氣效果并不理想，甚至低于單層排采井，因此，合層排采的選層及與地質(zhì)條件的適應(yīng)性還需研究，另一方面，因?yàn)樾陆畣蚊簩雍穸绕毡檩^大，單一煤層即可為排采提供充足的資源，未來(lái)為實(shí)現(xiàn)對(duì)新疆煤層氣的充分動(dòng)用，可能的發(fā)展方向?yàn)榈刭|(zhì)條件滿足的情況下，臨近薄煤層與薄煤層合采、臨近薄煤層與厚煤層合采或厚煤層單采，如果以上三種情況逐層開(kāi)采，如何有序開(kāi)發(fā)尚未進(jìn)行研究。

4 結(jié)論

(1)地質(zhì)規(guī)律和成藏特征認(rèn)識(shí)更加準(zhǔn)確，有效指導(dǎo)了開(kāi)發(fā)部署。主要地質(zhì)認(rèn)識(shí)和進(jìn)步如下：明確了構(gòu)造、水文地質(zhì)、煤層氣成因是準(zhǔn)噶爾盆地南緣煤層氣富集成藏的主控因素，基于富集成藏認(rèn)識(shí)和大傾角、多厚煤層、風(fēng)化帶深度大的典型地質(zhì)特點(diǎn)，優(yōu)化評(píng)價(jià)參數(shù)和權(quán)重，制定《新疆地區(qū)中低煤階煤層氣地質(zhì)選區(qū)評(píng)價(jià)方法》，提出以“氮?dú)鉂舛刃∮诘扔?0%”作為劃定煤層氣風(fēng)化帶下限的評(píng)價(jià)依據(jù)和針對(duì)不同特性儲(chǔ)層的改造方案等，有效指導(dǎo)了各開(kāi)發(fā)區(qū)塊的井位部署和壓裂施工，獲得較好開(kāi)發(fā)效果，釋放出較大的可供煤層氣開(kāi)發(fā)的區(qū)域。

(2)通過(guò)開(kāi)展勘查和先導(dǎo)試驗(yàn)建設(shè)，從地質(zhì)選區(qū)到鉆、壓、排初步形成了一套較為系統(tǒng)的工藝技術(shù)體系：鉆井技術(shù)方面采用定向井、水平井多種井型，優(yōu)化鉆井設(shè)備選型，研發(fā)出低固相和無(wú)固相鉆井液體系，優(yōu)化井眼軌跡和鉆具組合，創(chuàng)新地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)；壓裂技術(shù)方面研發(fā)了高效壓裂液體系、制定了壓裂層段選層方法，引進(jìn)并優(yōu)化水力噴砂射孔+連續(xù)油管底封拖動(dòng)壓裂技術(shù)和帶壓射孔+全可溶橋塞層間分層壓裂技術(shù)；排采技術(shù)方面形成了緩蝕劑、陰極保護(hù)器綜合防腐和基于三維桿柱力學(xué)的防腐蝕防偏磨技術(shù)與排采控制方法等，開(kāi)發(fā)工藝技術(shù)與新疆地質(zhì)特點(diǎn)適應(yīng)性進(jìn)步增強(qiáng)。

(3)要實(shí)現(xiàn)新疆煤層氣的規(guī)模有效開(kāi)發(fā)，還需創(chuàng)新和突破以下主要關(guān)鍵技術(shù)：研究攻克地質(zhì)精準(zhǔn)選區(qū)和精細(xì)評(píng)價(jià)技術(shù)、地質(zhì)與工程配套技術(shù)，解決構(gòu)造復(fù)雜、儲(chǔ)層非均質(zhì)性強(qiáng)的問(wèn)題；創(chuàng)新或優(yōu)化儲(chǔ)層改造工藝，細(xì)化儲(chǔ)層改造方案，解決排采中的吐砂吐粉難題，在保證頂?shù)装灏踩那疤釋?shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)層的充分改造；創(chuàng)新多煤層有序開(kāi)發(fā)技術(shù)和合層排采層位優(yōu)選方法，實(shí)現(xiàn)多煤層的充分、有效、低成本動(dòng)用。