致密煤層氣開發(fā)技術(shù)的可行性研究探討

致密煤層煤層氣開發(fā)技術(shù)的可行性研討

第一部分根底研討第二部分運(yùn)用實(shí)例1.地面瓦斯抽放與煤層氣開

發(fā)的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀1.1五、六十年代，美、蘇、歐等均小規(guī)模實(shí)驗(yàn)過地面抽放瓦斯。限于當(dāng)時(shí)的認(rèn)識(shí)深度和技術(shù)程度,效果不理想。1.2六、七十年代美國(guó)礦業(yè)局為改善煤礦消費(fèi)平安，對(duì)煤層瓦斯進(jìn)展系統(tǒng)研討，積累資料，增進(jìn)認(rèn)識(shí)。進(jìn)展了五點(diǎn)井網(wǎng)實(shí)驗(yàn)〔奧克格羅夫煤礦〕。兩點(diǎn)主要結(jié)論:煤層甲烷可以地面抽放煤層甲烷可以成為商品1.3奧克格羅夫煤礦地面抽放瓦斯實(shí)驗(yàn)。煤礦位于黑勇士盆地東部。開場(chǎng)于1976年,30口井的地面抽放方案。產(chǎn)氣量為每井每天數(shù)千至數(shù)萬立方英尺。

1988年鉆程度井。初產(chǎn)18萬ft3/d，是直井壓裂增產(chǎn)的三倍多。煤層程度井是可行的。10個(gè)月后，產(chǎn)量6.8萬ft3/d，共產(chǎn)氣10個(gè)月，產(chǎn)氣總量44萬ft3。

1988年在馬里利煤層鉆程度井。初產(chǎn)18萬ft3/d，是直井壓裂增產(chǎn)的三倍多。煤層程度井是可行的。10個(gè)月后，產(chǎn)量6.8萬ft3/d，共產(chǎn)氣10個(gè)月，產(chǎn)氣總量44萬ft3。地層壓力由483kpa降至120kpa，產(chǎn)出氣的甲烷純度98~99%。1.4黑勇士盆地與圣胡安盆地的煤層氣工業(yè)黑勇士盆地首先開場(chǎng)(受地面抽放勝利的鼓舞)，開場(chǎng)了一系列開采方案，開采范圍400平方英里，消費(fèi)井970口，單井產(chǎn)量2~5千立方米/天。完井CWCT

圣胡安盆地開場(chǎng)了更大規(guī)模煤層氣的開采圣胡安盆地是全美最大的煤層氣消費(fèi)基地，面積600平方英里，至91年底有1600口井投產(chǎn)，產(chǎn)氣量占全國(guó)的70％。單井產(chǎn)量14至28千立方米/天。最高40萬立方米/天。1.5美國(guó)其它盆地及世界其它地域的煤層氣開發(fā)在兩大盆地勝利的鼓舞下,全美普查?？傎Y源量410億立方英尺(埋深小于3000英尺)。

在皮申斯、阿巴拉契亞、伊利假設(shè)斯、粉河等盆地開場(chǎng)煤層氣開采，但未能勝利。煤層氣井?dāng)?shù)添加很多，但產(chǎn)氣量添加不多。國(guó)際上許多國(guó)家受美國(guó)煤層氣開采勝利的影響，也紛紛開展本國(guó)的煤層氣開采實(shí)驗(yàn)。但根本上均未勝利。

如澳大利亞的悉尼盆地。

美國(guó)其它盆地的煤層氣開發(fā)是失敗的。世界其它地域煤層氣開發(fā)根本上也是失敗的。

問題：?jiǎn)尉a(chǎn)量太低，低于根本的工業(yè)規(guī)范?；虺醍a(chǎn)較高，但迅速降低至無開采價(jià)值。1.6姿態(tài)

美國(guó)圣胡安、黑勇士?jī)纱笈璧厥莿倮模珒纱笈璧刭Y源量只占12％。其他盆地均不勝利。

中國(guó)河?xùn)|地域稍好〔但遠(yuǎn)不如美國(guó)兩大盆地〕，但河?xùn)|地域資源量只占12％，其他地域均不理想。

可見，有90％的資源地域不同于兩大盆地，不能照搬已有的勝利閱歷。美國(guó)、中國(guó)乃至世界估計(jì)均如此，稱之為難采煤層氣。1.7出路

假設(shè)真正將煤層氣作為資源利用，必不可只拿10％而放棄90％。而90％由現(xiàn)有概念、技術(shù)不奏效，因此要開展新技術(shù)，Kuskva于1992也指出靠新技術(shù)開采難采煤層氣。

開展何種新技術(shù)？首先要分析問題在哪里，應(yīng)該如何抑制！2煤層低浸透緣由及其影響

煤層供氣才干的機(jī)理。

2.1儲(chǔ)滲空間特征

煤巖是一種孔隙與裂隙都

非常發(fā)育的雙重介質(zhì)。微孔孔隙度3～5％，裂隙孔隙度2～3％，比外表積100～400m^2/g，原生正交兩組割理縫，有次生縫存在。

吸附態(tài)：吸附在煤巖宏大內(nèi)外表積上，占80～90％。

游離態(tài)：在大孔隙與裂隙中存在，自在氣態(tài)甲烷分子。

水溶氣：假設(shè)飽和水，那么每方水溶3～5方氣。

吸收態(tài)：甲烷分子〔直徑4?！?，在壓力下進(jìn)入微孔、超微孔，使煤巖膨脹〔體積膨脹率達(dá)1～2％〕，強(qiáng)度降低。反之，吸附態(tài)甲烷釋出，體積收縮。2.2甲烷賦存形狀2.3甲烷解吸滲流過程降壓解吸分散滲流

煤層供氣才干：

三個(gè)直接要素低浸透是失敗的主要緣由。低壓不能傳送到煤層內(nèi)，無法降壓、解吸、分散、流動(dòng)。

水動(dòng)力條件：排水降壓的難易。

含氣量：煤層氣開發(fā)獲利程度。

浸透率：煤層氣開發(fā)勝利與否。

煤層氣開發(fā)勝利與否與浸透率的關(guān)系：

煤巖高度發(fā)育微裂隙，理應(yīng)高浸透。但為

什么存在低浸透煤層？

3.1客觀緣由

a.裂痕性儲(chǔ)層的應(yīng)力

敏感性

3為什么存在低浸透煤層應(yīng)力敏感強(qiáng)〔弱〕，裂痕抵抗閉合才干差〔好〕。

在圍巖應(yīng)力作用下裂痕趨于閉合，浸透率降低。裂痕抵抗閉合的過程，實(shí)踐上是裂痕上下兩面凹凸不平的接觸變形過程，故：

煤巖：在一切巖體中最軟，縫面最平整光滑，因此煤巖應(yīng)力敏感性最強(qiáng)。

應(yīng)力敏感性基質(zhì)巖體的軟硬縫面支撐凸體分布水不可緊縮，有支撐作用?；|(zhì)不浸透

〔臨界毛管力〕，常壓與超壓有更好

支撐作用。

氣極易緊縮，無支撐作用?；|(zhì)浸透，

壓力無支撐作用。導(dǎo)致閉合上復(fù)巖層壓力，正比于埋深。

異常構(gòu)造應(yīng)力，源于構(gòu)造作用

抗拒閉合才干〔應(yīng)力敏感性〕。

飽和流體的種類與壓力。

圣胡安、黑勇士，淺、無異常構(gòu)造應(yīng)力，飽和超壓可動(dòng)的水，使縫堅(jiān)持一定開度，浸透性好。我國(guó)的400米以淺，多為氣飽和煤層。裂痕壓實(shí)閉合，低浸透。

我國(guó)的400米以深，雖飽和水，但嚴(yán)重欠壓〔假設(shè)裂痕閉合，此時(shí)飽和水為毛管束縛水，不可動(dòng)水構(gòu)成水鎖，更加劇了低浸透特性〕。

①超壓自在水飽和水力封鎖型，如圣胡安和

黑勇士盆地，浸透性好，采用排水降壓采

氣。

②氣飽和壓力封鎖型，我國(guó)大部分400米以淺

層、低浸透、無水可排，氣難以解吸滲流；

③欠壓束縛水飽和壓力封鎖型，我國(guó)大部分

400米以深煤層，極低浸透，有微量水但排

不出，難以解吸滲流。結(jié)論：埋深1000米以內(nèi)煤層氣儲(chǔ)層分為三種類型

在井眼翻開過程中的儲(chǔ)層損傷，更進(jìn)一步降低了浸透率。主要由于正壓差作用和自然吸水。

①液相物理損傷：毛管效應(yīng)、水鎖景象呵斥。

②固相物理損傷：微粒、膠粒呵斥的充填和堵塞。

③液相化學(xué)損傷：水敏〔粘土礦物〕、鹽敏、酸敏、

堿敏、速敏。

④固相化學(xué)損傷：吸附凝膠層、結(jié)垢等。

⑤地應(yīng)力變化：二次應(yīng)力場(chǎng)、泥頁巖水化應(yīng)力。

3.2客觀緣由

4.1做好儲(chǔ)層維護(hù)，使原始浸透率不受損傷。消除各種損傷，最好是氣體鉆井，美國(guó)90％的煤層氣井用空氣鉆井；我國(guó)全用泥漿，損傷嚴(yán)重。防止泥頁巖水化應(yīng)力作用。對(duì)氣飽和干煤層開展注氣動(dòng)態(tài)試井，防止水鎖損傷。

4提高煤層浸透率

煤巖由于圍巖應(yīng)力的擠壓作用，導(dǎo)致裂隙閉合、浸透率降低。假設(shè)能使約束應(yīng)力釋放，那么閉合的裂隙會(huì)重新張開，從而改動(dòng)浸透率。而解除約束應(yīng)力最有效的方法是使煤層中一部分體積排除出去。洞穴完井就是這個(gè)思緒。

4.2應(yīng)力釋放法提高煤層浸透率

留意應(yīng)力釋放的時(shí)間滯后。由于煤巖的滯彈性。

水力加砂壓裂，不但沒釋放煤層應(yīng)力，反而因注入壓裂液和支撐劑使煤層更加致密，雖然能壓出一兩條縫〔對(duì)構(gòu)造煤能夠連縫也不能構(gòu)成〕，但煤層浸透率也不會(huì)提高。水力壓裂僅適用于中等浸透煤層進(jìn)展連通裂隙網(wǎng)絡(luò)和添加煤體破碎程度。4.3水力壓裂對(duì)低滲煤層無效對(duì)大多數(shù)煤層而言，裸眼完井加洞穴改造，效果優(yōu)于射孔完井加水力壓裂，產(chǎn)量相差6倍。

直井洞穴完井，

一是不適于薄煤層，

二是不能構(gòu)成繼續(xù)不斷的應(yīng)力釋放。

4.4雙井動(dòng)力循環(huán)程度洞穴完井鉆程度井、裸眼完井。

鉆直井，射孔，溝通。

洞穴改造，排除煤粉。

甲烷抽放，必要時(shí)反復(fù)洞穴改造。主要工序：

抽放三層方多層煤層開采瓦斯抽放AB用于煤礦地面瓦斯抽放

抽放二層方多層煤層開采瓦斯抽放BA

抽放一層方多層煤層開采瓦斯抽放BA

抽放采空區(qū)多層煤層開采瓦斯抽放方BA致密煤層煤層氣開發(fā)技術(shù)

的可行性研討

第二部分：運(yùn)用實(shí)例平頂山煤業(yè)集團(tuán)瓦斯研討所西南石油學(xué)院油井完井技術(shù)中心1、平頂山首山一礦地質(zhì)描畫〔平局報(bào)告〕

地理位置與盆地構(gòu)造

地質(zhì)勘探：

西起溝李封斷層，東起55測(cè)線，以白石山背斜為軸的平緩開闊長(zhǎng)軸鼻狀背斜，面積27平方公里，南北各以李口向斜軸與白石山向斜軸為界。接近溝李封斷層有零星小型斷裂。構(gòu)造平緩，異常地應(yīng)力不強(qiáng)。

地質(zhì)柱狀圖與構(gòu)造剖面厚度范圍2.76～10.22米，普通5～7米，平均6.15米。

頂?shù)装鍨?～6米厚層狀泥巖、砂質(zhì)泥巖。埋深600米。地溫3.4°/百米，壓力系數(shù)0.56〔嚴(yán)重欠壓〕。

煤質(zhì)為高煤級(jí)煙煤〔少量低煤級(jí)煙煤〕。煤層氣含量4～10立方米/噸，烴氣成份85～95％。

二1煤層與煤巖根本分析〔主力煤層〕

2、煤層氣藏描畫

煤層密度與孔隙度，氦吸附與汞注入測(cè)試法。

結(jié)果見表16和表23。煤層密度1.4～1.6，設(shè)計(jì)懸浮液根據(jù)?？紫抖?～6％。氣飽和浸透率與應(yīng)力敏感性

加卸載、順序變壓氣測(cè)，CMS300型儀器。結(jié)果見表18和19

1號(hào)樣──高致密低浸透：

垂直割理方向原始浸透率0.md，按應(yīng)力敏感曲線換算到700米埋深、正常地應(yīng)力、氣飽和煤層條件下，浸透率為0.01md。應(yīng)力釋放１月后，恢復(fù)值在50％上下。

程度割理原始浸透率0.0523md，換算原地浸透率為0.004md，一月后恢復(fù)值缺乏20％。

浸透率各向異性比達(dá)2.64:1，留意方向性。

水飽和浸透率與應(yīng)力敏感性

飽和地層水〔設(shè)束縛水飽和度30％〕，加卸載、順序變壓氣測(cè)，結(jié)果見表20、表21。

３號(hào)樣──較高浸透率

垂直割理方向氣飽和原始浸透率0.3md，水飽和0.102md，換算當(dāng)?shù)亟嘎蕿?.01md。

程度割理方向氣飽和原始浸透率0.24md，水飽和為0.1md，換算當(dāng)?shù)亟嘎蕿?.007md。浸透率各向異性比為1.56:1。

含水量對(duì)浸透率的影響

固定圍壓〔當(dāng)?shù)匦螤睢?，改?dòng)含水量氣測(cè)。Corelab全直徑儀。結(jié)果見表22。

２號(hào)煤樣──高致密低浸透

程度割理方向氣飽和原始浸透率0.033md，垂直割理方向氣飽和原始浸透率0.013md。含水量的影響較大，以致出現(xiàn)完全水鎖。

束縛水飽和度：氣驅(qū)，29.63％〔程度〕，27.45％〔垂直〕。

自然吸水：２號(hào)樣，27％；３小時(shí)平衡。３號(hào)樣37％；３小時(shí)平衡。

束縛水飽和度可取為30％。

煤層孔隙構(gòu)造與超微構(gòu)造

AutoPore9200自動(dòng)壓汞儀

AutoPycnometer3200氮吸附儀

結(jié)果見圖98-105，表23、24和25。

超微構(gòu)造分析，電鏡掃描照片。

平煤1號(hào)樣:氣孔群氣孔，平3、平3、平1、平2號(hào)樣氣孔發(fā)育〔對(duì)比〕：裂痕，平3、平3、平3、平1號(hào)樣宏觀充填裂痕〔八礦〕：劇烈構(gòu)造運(yùn)動(dòng)痕跡〔對(duì)比〕：煤巖２、３號(hào)樣：微孔、小孔比較發(fā)育，有良好吸附儲(chǔ)存空間。對(duì)滲流有奉獻(xiàn)的中、大孔存在〔由電鏡可見氣孔群和微裂隙存在〕，但不太發(fā)育〔由壓汞可見占比例不大〕，屬低浸透型。鉆井液中各種尺寸微粒與膠粒能夠損傷中、大孔及縫，呵斥浸透率降低，應(yīng)予以注重。煤的構(gòu)造破壞作用不明顯，無擦痕與構(gòu)造錯(cuò)位成縫。早期構(gòu)造縫已被充填〔照片〕，且構(gòu)造環(huán)境穩(wěn)定。

敏感性礦物：

電鏡掃描發(fā)現(xiàn)伊利石、高嶺石、伊／蒙混層等粘土礦物存在。水敏是潛在損傷，能夠還存在鹽敏、酸敏、堿敏損傷。

平煤3號(hào)樣：伊/蒙粘土礦物：粘土礦物〔對(duì)比〕：裂隙發(fā)育與方位

二1煤層面割理發(fā)育，端割理不太發(fā)育。面割理密度13～21條/5厘米，端割理3～5條/5厘米，地面開度小于0.1～0.2毫米，長(zhǎng)度50～1000毫米不等。割理面走向優(yōu)勢(shì)方位NE40～60°。煤層構(gòu)造縫與割理走向大部分一致。

頂?shù)装宸治?/p>

密封性：砂質(zhì)泥巖密封性不夠好。泥巖、浸透率為微達(dá)西級(jí)，密封好。但過薄或構(gòu)造破壞時(shí)易構(gòu)成微裂痕而影響密封性。

力學(xué)強(qiáng)度

泥頁巖強(qiáng)度最低，但也數(shù)倍于煤巖。防止水化反響后可較好穩(wěn)定井壁。

泥頁巖SEM照片：完井CWCT伊利石、高嶺石為主，硬脆性泥頁巖。

水化特性

嚴(yán)重水化在厚層泥頁巖能夠產(chǎn)生至少30MPa的水化應(yīng)力，附加最高的8％的體積膨脹。會(huì)壓實(shí)煤層，呵斥低浸透。還會(huì)呵斥裸眼井井壁不穩(wěn)定。水文地質(zhì)條件

非煤巖地層屬不出水或微量出水〔8.5井眼出水量小于0.1m^3/h〕，可用空氣鉆井，輔助霧化排水。斷層處能夠遇突出水，應(yīng)采用過平衡鉆井。

底板灰?guī)r巖溶裂隙有井漏能夠，更要防止高密度壓漏地層。3、煤層氣藏開發(fā)條件

儲(chǔ)層維護(hù)

煤層壓力系數(shù)0.56，嚴(yán)重欠壓。用常規(guī)泥漿鉆井正壓差太高，損傷儲(chǔ)層并能夠壓漏。建議用空氣鉆井翻開產(chǎn)層。解吸條件

由等溫吸附線，臨界解析壓力2.5MPa；而井內(nèi)液柱壓力4～5MPa，故需排水降壓后方可解吸。

開采中排水普通用有桿泵足以排水；如遇斷層水，那么用電潛泵排水。關(guān)鍵是非煤系儲(chǔ)水層要封固良好，只排煤層水。水型與礦化度允許采用常規(guī)措施。

應(yīng)進(jìn)展試井分析和數(shù)值模擬，確定排水參數(shù)。假設(shè)屬束縛水飽和，那么應(yīng)進(jìn)展改造。

地層穩(wěn)定條件

缺乏地應(yīng)力和煤巖強(qiáng)度資料。按正常地應(yīng)力與單軸抗壓強(qiáng)度1.0