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煤层气开发技术综述

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煤层气 开发 技术 综述
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0 前言20 世纪 80 年代之前 , 人们认为煤层气只是一种对煤矿安全生产具有严重威胁的气体 , 而美国却将它作为新能源进行开发利用 , 并形成了煤层气工业 ,开创了煤层气开发的先河 。 仅在 1983 年到 1993年期间 , 美国煤层气产量就达到了国内天然气年产量的 5%。 美国煤层气的成功开发强烈地激发了全世界对煤层气开发的兴趣 , 煤炭资源丰富的中国也不例外 。 受国外成功实例的启发 ,为了满足安全 、环保 、能源接替的需要 ,我国于 90 年代向煤层气开发领域进军 。 但是由于受地质条件以及开发技术的限制 ,一直没有形成大的开发规模 。本文详细调研了国内外煤层气开采新技术 , 分析了我国煤层气开发中存在的问题 ,提出了未来的发展趋势和方向 。1 国内外煤层气开采技术煤层气区别于常规天然气的特征之一是以吸附的方式赋存于煤层中 。自从煤层气产业化以来 ,国内外都在钻井 、 完井和排采技术上不断创新以寻求最佳的经济效益 。内外煤层气钻井技术目前开采煤层气的钻井技术主要有常规直井 、丛式井和多分支水平井 。 钻井液循环介质主要有水基钻井液和油基钻井液 。随着国内外煤层气产业化的发展以及开发领域的逐渐扩大 ,开发技术也不断提高和完善 ,应运而生基金项目 :国家 973 项目 “高丰度煤层气富集机制及提高开采效率基础研究 ”(2009助 。作者简介 :康园园 (1985—),女 ,陕西榆林人 ,硕士研究生 ,主要从事油藏工程研究 。收稿日期 :2009唐锦秀煤层气开发技术综述康园园 ,邵先杰 ,石 磊 ,单 宇 ,王 萍(燕山大学石油工程系 ,河北 秦皇岛 066004)摘 要 :目前国内外煤层气开发技术主要包括钻井技术 (定向羽状分支水平井钻井技术和空气欠平衡钻井技术 )、完井技术 (裸眼洞穴完井和套管射孔压裂完井 )以及排采技术 (有杆抽油泵技术 、螺杆泵技术和潜油电泵技术 )。 在国内煤层气研究开发中仍存在如基础研究薄弱 ,没有形成从钻井 、完井 、生产到集输一体化的煤层气生产规模 ,中央企业和地方企业之间的资料和技术不共享 ,设备利用率低等诸多问题 。 定向羽状水平井 、空气钻井技术 、洞穴完井技术和压裂技术是当前煤层气开发技术的发展趋势 ,但必须加以改进使之成为适宜中国煤层气储层条件的技术 。关键词 :煤层气开发 ;羽状分支水平井 ;空气欠平衡钻井 ;完井技术 ;排采技术中图分类号 : 献标识码 : u 66004)At in In BM BM be BM be to BM 煤 炭 地 质F 2 2010第 22 卷增刊2010 年 8 月文章编号 :1674-1803(2010)043-042 卷中 国 煤 炭 地 质的新技术主要有定向羽状分支水平井技术和空气欠平衡钻井技术 。向羽状分支水平井技术 (多分支水平井技术 )煤层气定向羽状分支水平井技术是由美国际公司开发的 ,它是指在一个主水平井眼的两侧钻出多个分支井眼作为泄气通道 (图 1)。世界上第一口煤层气定向羽状分支水平井是在美国落基山盆地 , 当时是在一个井场朝四个方向钻四口羽状分支水平井和四口直井 。该技术集成了直井洞穴技术与水平井和洞穴井连通技术 。①直井洞穴技术 。 通常在直井的煤层段造一个洞穴 (图 2),主要目的是为了实现水平井和洞穴井在煤层中的对接成功并形成气液通道 。 目前有两种造穴方式 ,即水力射流造穴和机械工具造穴 。水力造穴法是利用高压水射流破碎岩石的能力破坏煤储层而形成洞穴 。 机械工具造穴是利用机械切屑原理在煤储层中造出满足需要的洞穴[1]。②水平井和洞穴井连通技术 。 在两井连通过程中 ,采用近钻头电磁测距法 (术 )。 术的硬件包括永磁短节和探管 。 永磁短节用来提供一个恒定的待测磁场 , 探管可采集永磁短节产生的磁场强度信号 , 最后通过采集软件准确计算两井间的距离和当前钻头的位置 ,通过调整工具面 ,及时地将井眼方向纠正至洞穴中心的位置[1](图 3)。羽状分支水平井的优点有 :增加有效供给范围 ,提高导流能力 ;对煤层的伤害减少 ,单井产量高 ,采出程度高 ;井场占地面积小 ,环境影响小 ,地面集输设施少 ,经济效益好[2]。美国 际公司近几年先后在西佛吉尼亚洲钻了近 69 口定向羽状分支水平井 ,投产后单井日产 煤 层 气 量 (104a 采 出 程 度 达 到85%。国内煤层气羽状分支水平井技术的研究起步较晚 ,第一口羽状分支水平井 在 2004 年 11月 28 日由北京奥瑞安能源国际有限公司设计和组织施工的 , 在山西晋城大宁矿区正式完井并投入生产 。 该井总进尺 8018m,煤层钻遇率达 90%,从以完井的十余口井来看效果较好 ,井口产气量达 3000 但是煤层气羽状分支水平井并不是在任何地质条件下都能取得很好的开发效果 , 它一般在比较厚而且呈连续分布的煤层中能起到较好的效果 ,特别是在低渗透储层中效果更好 , 但是在排水孔隙特别发育的煤层中或煤层零星分布在砂岩或石灰岩的储层中的开发效果不太好[2]。气欠平衡钻井技术煤层气以三种状态赋存与煤层中 ,即 :吸附于煤内表面 ;以游离态存在于煤的天然孔隙中 ;少量溶解在煤的地层水中 。由煤层产出气体分为三个阶段 :气体从割理表面上解吸 ; 气体通过煤岩基块想割理扩散 ;气体从天然裂隙中流出 。常规钻井液中不同粒径的固相颗粒 , 尤其是微粒和胶体颗粒会沿着煤层的割理和孔隙侵入煤层 ,对煤层气的运移通道产生填充和堵塞 。 而且由于煤图 1 煤层气羽状分支水平井示意图 A 直井洞穴技术示意图 A of 两井连通示意图 A of 层裂缝和割理发育 ,裂缝在高围压下闭合 ,这种闭合是不可能完全恢复的[3]。 如图 4 所示 ,随着煤层围压的增加 ,其渗透率呈下降趋势 。煤层气的吸附保存方式和煤层裂隙的特殊性就决定了煤层气在钻完井 、 开采过程中首先要保护煤层气储层 。基于上述考虑 ,空气欠平衡钻井技术用于开发煤层气便是自然而然的事了 。与常规钻井技术相比 , 该技术主要优点有 :(1)空气对低渗透煤层气有保护作用 ;(2) 提高机械钻速 ;(3)空气在井内循环流速快 ,能迅速将井底岩屑气举至地面 , 有利于及时准确判断井底情况 ;(4)气体介质容易制备 , 在缺水或供水困难的地区钻探煤层气可降低钻井成本 。在美国 , 空气欠平衡钻井已是一门开发煤层气很成功的钻井技术 ,其开发钻井 90%采用空气 —泡沫钻井 ,以最大限度地降低对煤储层的伤害 。对中国这种特低渗 、 低压煤层更应该考虑空气钻井技术的应用 。2003 年在新疆沙尔湖地区组织实施的沙试 4井钻井周期只有 7d,缩短钻井周期 24d,在巨厚低煤阶实现了煤层气空气钻井技术的首次成功 。但是空气钻井的主要缺点是它不能控制地层流体进入井筒 ,根据国外的经验 ,当岩屑与水体积比达到 1:岩屑结团 , 在钻具上形成岩屑环或泥饼圈 ,使环空变窄 ,阻碍了井眼的清洗 ,导致井眼净化和卡钻事故 。 因此有必要先充分研究所钻地层井壁稳定性和地层出水情况再考虑是否进行空气钻井[4]。空气潜孔锤钻井是结合了空气钻井和冲击回转钻井两大优势 ,转速低 ,扭矩小 ,钻压小 ,钻进过程中以冲击振动破碎方式为主 ,井斜易于控制 。沁水樊庄开发施工的溪 1层气井井深519m,二开使用直径 潜孔锤钻头 ,地层相对比较稳定 ,与常规钻井方式相比 ,配套后机械钻速可提高 5~11 倍 , 同时有利于井深质量控制和煤层保护 。内外煤层气完井技术开发煤层气常用的完井方式有裸眼完井 、 套管完井 、套管裸眼完井 、裸眼洞穴完井和水平井衬管完井五种 。 其中以裸眼洞穴和套管射孔压裂为主 。眼洞穴完井煤层气井裸眼洞穴完井技术起源于美国西部圣胡安盆地煤层气开发 ,该技术就是在裸眼完井后 ,人为地在裸眼段煤层部位多次注空气或泡沫憋压放喷使煤层崩落 ,形成一个稳定的大洞穴 ,同时消除可能已发生的地层损害 , 且在井眼周围形成很大面积的含有大量张性裂缝的卸载区 , 提高井筒周围割理系统的渗透性 , 使井眼与地层之间实现有效连通而达到增产的目的[3]。在美国 , 从开发最成功的 地 4000多口煤层气井来看 ,三分之一采用裸眼洞穴完井 ,且井产气量占整个盆地产气量的 76%。但是该技术仅适用于含水和高渗透率煤层 ,对含水极少或不含水的煤层实施洞穴完井将堵塞裂隙孔道 ,降低渗透率 ,对煤层的伤害污染很大 。我国的煤层渗透率通常在 (10属于特低渗透 ,因此国内很少采用裸眼洞穴完井 。管射孔压裂完井美国大多数西部煤层盆地的煤层气井都是采用下套管并压裂的钻井工艺 。 下套管完井工艺可以避免裸眼完井工艺所带来的问题 , 其主要优点是 :(1)可对不同的煤层实行单独的完井 ;(2)钻井时不会出现井壁不稳定问题 ;(3)使用钻井液钻井时可对大规模的水侵和气侵进行有效控制[5]。国内 98%的煤层气井采用套管射孔压裂完井 ,但压裂液选择不当则会造成煤孔隙的堵塞 , 对像中国这样的低压煤层气储层用泡沫压裂液就非常合适 ,可以达到快速返排的目的 。根据国内沁水盆地南部主力煤层实施的泡沫压裂试验结果 ,沫压裂效果比较好 ,返排快 ,产气相对较高 ,但压裂成本高 。内外煤层气井排采技术目前国内外煤层气的排采技术有 :有杆抽油泵 、螺杆泵以及潜油电泵 。杆抽油泵技术有杆抽油泵需要电动机作动力来带动抽油机驱动的活塞泵抽水 ,水由油管排出 ,气靠自身能量由油套环形空间排出井筒 。其优点是在各种深度和排量下都能工作 , 适应性强 ,操作简单 ,几乎不需保养 。 缺点是无法应用于斜井 、定向井以及多分支水平井 。图 4 围压与煤层渗透率的关系曲线 等 :煤层气开发技术综述45第 22 卷中 国 煤 炭 地 杆泵技术螺杆泵技术按驱动方法有地面驱动和井下驱动 。 地面驱动螺杆泵由电动机转动抽液杆使螺杆泵工作 ,将井内液体排到地面 ,煤层气由油套环形空间排出井筒 。它的优势有 :匀速运转 ,无机械和液流的惯性损失 ;低投资 ,低能耗 ;对介质适应性强 。 其不足有 :提高转抽能力有限 ,如果设定过高 ,自身可靠性将受到很大影响 ; 在水平井和斜井的应用上同样具有局限性[6]。油电泵技术潜油电泵技术是应用于油田采油的一种成熟技术 , 应用于煤层气开采已有将近 20 年的发展历程 。潜油电泵是一种多级离心泵 , 其工作原理与地面的普通离心泵一样 。潜油电泵具有排量大 、扬程高 、适用范围广 (可用于斜井 、水平井 )的特点 。自 2005 年 10 月起 ,在我国山西晋城潘河煤层气先导试验区相继投产了 4 台潜油电泵 ,每口井的累积产气量均在 106目前我国对潜油电泵在煤层气排采方面的应用还处于初级认识阶段 , 如果搬用国外的全套技术设备 ,一是成本高 ,二是适用性差 。 因此提高潜油电泵的经济性和适用性是未来发展的重要课题[7]。2 我国煤层气开采存在的主要问题综合国内外研究现状 , 我国在煤层气的基础研究还有多方面有待加强和深化 ,如 :煤层气目标区精选体系的建立 、煤层气生产中储层的动态变化 、煤层气井间压力传递规律 、煤层气井间干扰机理等 。煤层气开发方式和增产技术基础研究方面存在的主要问题有 :压裂液对煤层的伤害机理不清楚 ,缺乏有效保护煤储层的低伤害压裂液体系 ; 不同增产措施的适用条件不明确 ; 不同煤层地质条件下水力压裂裂缝展布特征有待于进一步研究 , 煤层压裂优化设计方法有待于改进 ; 对多分支水平井煤层气生产过程中的煤粉产出认识程度较低 , 多分支水平井控制的影响关键因素及作用机制不清 , 影响了多分支水平井在高煤阶煤层气开发中的应用 。我国煤盆地形成演化历史较长 ,构造样式多变 ,煤层气的地质条件复杂 ,由于基础研究尚且薄弱 ,所以煤层气勘探区块和目标严重不足 ,而且没有统一 、有效的评价方法和决策体系对已取得的区块进行开发目标精选 。煤层气的勘探开发需要特殊技术和装备 , 目前我国煤层气生产在这些技术方面尚不完善 , 需要开发适用于我国地质条件的先进的生产工艺技术 ,主要包括以下几方面 :定向羽状水平井技术 、低成本空气钻井 、洞穴完井技术 、压裂技术 、煤储层保护技术 、煤层气藏数值模拟技术等 。我国目前煤层气生产规模比较小 , 没有形成从钻井 、完井 、生产到集输一体化 ,有些矿区的井完钻了 ,也排采产气了 ,但由于集输设备不配套 ,只有就地烧掉 ,既浪费资源 ,又污染环境 。另外 ,中央企业和地方企业各自为政 ,资料和技术相互间不共享 ,存在重复性研究 ,设备利用率低 ,使资源浪费严重 ,可以利用市场机制 ,组织专业的生产队伍和财务队伍 ,发挥各自优势 ,提高专业化水平和生产效率 。3 新技术展望①定向羽状水平井是集钻井 、 完井和增产措施为一体的技术 ,是开发煤层气的主要手段之一 ,但并非所有的煤储层都适合钻羽状分支水平井 , 为了保证煤层气开发的经济效益 , 在钻井之前必须弄清楚该地区的煤层地质条件 。 国内已具备羽状分支水平井的部分关键技术 , 应加强分支侧钻的轨迹控制技术的现场实验及煤层井壁稳定性技术的研究 。 目前还没有专门描述煤层气羽状水平井开采特征的数学模型 ,更没有相应的模拟软件 ,因此应加大力度研究开发适合我国煤层气的羽状分支水平井数值模拟技术[8~10]。②空气钻井技术在美国已形成一套完整的技术 ,但国内尚处于早期试验阶段 ,目前的钻井方法几乎全采用水基钻井液常规钻井工艺 , 钻井周期长(14~125d),虽采用了保护储层的措施 ,但现场实施时往往考虑井下安全因素而提高钻井液密度 , 使煤层保护效果差 。 对中国低压煤层来说空气钻井是很好的选择 ,因此应该积极推广此项技术 。③洞穴完井技术对煤层气储层条件要求很严 ,适用于储层压力较高 , 渗透率高 , 地应力较小等条件 ,但是中国煤层属低渗储层 ,因此该项技术目前在国内处于试验期 ,不宜大规模推广 ,可作为今后中国煤层气开发的技术储备[11]。④压裂技术是目前比较完善的煤层气开发技术 ,在压裂设计 、压裂液 、支撑剂 、施工管理 、压后监测等方面都不断有改进 。泡沫压裂液 、清洁压裂液等对低压 、低渗煤层气储层比较适用 ,在沁水盆地已经取得较好的效果 。 目前该技术成本高 , 应用范围局限 ,但前景很好 ,是值得推广的适宜中国煤层气储层条件的新技术 。 (下转第 177 页 )46增 刊4 结语我国是煤炭资源大国 , 煤层气远景资源量 居世界第三 ,但其产量仅占国内天然气年产量的不到 10%。制约国内煤层气大规模开采的主要因素有 :我国煤盆地演化历史较长 ,构造破坏强烈 ,使得煤层气储层的地质条件复杂 , 且基础研究薄弱 ;没有形成从钻井 、完井 、生产到集输一体化的煤层气生产规模 ;中央企业和地方企业之间的资料和技术不共享 ,设备利用率低 。目前中央政府正投入大量的人力 、物力 、财力于煤层气开发 ,相信在不久的将来我国煤层气也能实现产业化生产 ,发展成为一个具有竞争力的主要资源 ,切实改善我国的能源结构 。参考文献 :[1] 乔磊 ,申瑞臣 ,黄洪春 ,等 J]2007,28(3):1122] 江山 ,王新海 ,张晓红 ,等 J]2004,27(2):43] 郑毅 ,黄洪春 J]2002,23(3):814] 黄洪春 ,卢红 J]2003,31(4):615] 马永峰 J]2003,25(4):326] , I, . of of on J]. 2003,(19):97647] 董振刚 ,邓辉 ,王慧先 G]//叶建平 ,范志强 北京 :地质出版社 ,2006:1838] , . 1996:19] M, R. in in J]1999:19710] J, J, P. of in ]. 1999:2311] D, M. of ]1991,(75):人工 、机械台班单价 。 充分依靠工程造价人员 , 及时收集已完工的工程结算资料信息 ,对工程成本进行综合分析 ,去粗取精 、去伪存真 ,科学测算 。 在取得足够的资料后 ,加强信息的开发与研究 ,真正做到投标前成本测算 ,施工中成本控制 ,完工后成本分析总结 ,为投标决策服务 。用不平衡报价法不平衡报价是工程量清单计价下投标决策中常用的技巧之一 ,即 :在保持总报价水平的前提下 ,将某些项目的单价定得比正常水平高些 , 而将另一些项目的单价定得比正常水平低些 , 以保证在加强报价竞争力的前提下 ,争取做到 “早收钱 ,多收钱 ”,获得更大的经济利益 。如 : 早期计量的工程项目的单价适当提高其单价 (如基础工程 ),使之有利于资金周转 ;估计施工中可能变更的项目和增加工程量的项目 , 适当提高其报价 ,这样在结算时可多赚钱 ;可能减少工程量的项目 ,应适当降低其报价 ,工程结算时损失不大 ;施工图不明 (或设计有误 )的项目 ,应估计其完善后该项工程的增减 ,决定报价的提高或降低 。5 适应新计价模式应注意的问题一是就目前环境因素所限和建筑企业的发展状况来看 ,很多企业还不具备建立企业定额的条件 ,在一定时期 , 工程量清单计价应用建设行政管理部门颁布的综合定额进行工程量清单项目综合单价计算或工料分析仍然是我们投标报价的参考依据 。二是采用工程量清单计价 , 必须重视对招标文件中施工合同的理解 。 工程量清单是施工合同文件的重要组成部分 , 可以理解每一条工程量清单项目即是一条合同条款 ,其特征就是合同条件 。因为施工合同对于工程造价的约定 ,起着很重要的作用 。施工合同可以约定因工程量变更如何调整综合单价 ;认真研究施工合同的条款 , 造价专业人员在投标时应当引起重视 。工程量清单计价法实施后 , 工程项目投标发生了一系列的变化 ,建筑企业投标能否中标 ,实际上不仅是单位经济实力的竞争 ,更是人才的竞争 ,因此投标单位要树立市场经济体制下的新观念 , 积极探求工程量清单计价法在投标工作的应用 , 进而提高企业投标的竞争力 。参考文献 :[1] 中华人民共和国建设部 设工程工程量计价规范 [S]中国计划出版社 ,2003.[2] 茹慧卿 ,齐进 增强竞争力 [J]2004,(1):333] 李希伦 M]中国计划出版社 ,2003:工程量清单计价法在工程投标中的应用::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::(上接第 46 页 )177
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