中国中阶煤和高阶煤的储层特性及提高单井产量主要对策

作者简介：刘贻军，１９６８年生，博士；主要从事石油天然气、煤层气的地质研究和区域评价工作及煤层气储层特性和开发技术研究；已公开发表论文十余篇。地址：（１０００１１）北京市东城区安外大街甲８８号。电话：（０１０）６４２９８８８１。Ｅ‐ｍａｉｌ：ｌｙｊｕｎ９８＠ｓｉｎａ．ｃｏｍ

中国中阶煤和高阶煤的储层特性

及提高单井产量主要对策

刘贻军

（中联煤层气有限责任公司）

刘贻军．中国中阶煤和高阶煤的储层特性及提高单井产量主要对策．天然气工业，２００５；２５（６）：７２～７４

摘　要　中国山西河东地区中阶煤储层的含气量比较低、含气饱和度低，而储层渗透性好，储层能量比较大；山西沁水盆地南部高阶煤储层的含气饱和度比较低，渗透率小，储层能量低。文章针对这些特点，进行了精细的地质对比研究，提出了提高气产量的对策。认为最大限度地降低储层的废弃压力可提高采收率；应通过改善钻井液、采用欠平衡钻井和羽状水平井钻井技术，最大限度地降低钻井工程对煤层气储层造成的伤害；同时还要利用合理的固井程序和水泥浆、套管射孔完井技术和压裂技术；通过排水降压提高有效压差及注入ＣＯ２来达到加快煤层气解吸和提高解吸量的目的。实践表明，该技术对提高单井气产量意义重大。

主题词　煤成气　储集层　热演化　单井产量　提高采收率　策略

中阶煤是指气煤、肥煤、焦煤、瘦煤，即最大镜质组反射率Ｒｏｍａｘ为０．６５％～１．９０％。我国中阶煤分布范围广，煤炭资源丰富，占全国煤炭资源总量的

２８．７１％〔１〕

。我国高阶煤分布相对比较局限，以山西沁水盆地为代表。目前我国煤层气开发的目的层集中在中阶煤和高阶煤煤层中。但是煤层气单井和先导性开发井网的稳定日产气量普遍低，只有１０００～

２０００ｍ３

，有些更低。为此，首先对中阶煤和高阶煤的储层特性进行研究，针对其特点寻找解决方案是本文的主题。

一、中阶煤和高阶煤的储层特性

１．吸附和解吸特性

煤层气是一种非常规天然气，主要以吸附状态存在于煤基质的孔隙中。一般而言，比表面积愈大，吸附能力愈强，比表面积随着煤阶的增高总体上趋于变大。微孔（孔径１．５～０ｎｍ）比表面积最大，可达３５．１％，吸附能力最强，小孔（孔径１０～１００ｎｍ）次之，为２．５０％，中孔（孔径１００～４００ｎｍ）比表面积最小，为０．２０％〔２〕

，吸附能力也最弱，煤的比表面积

通常可达２００ｍ２

／ｇ。中阶煤以中孔和小孔为主，微孔次之，吸附能力中等；高阶煤以微孔为主，吸附能

力强，由煤的等温吸附曲线也证实了这一观点〔３〕

。

因此，在其它条件相同的情况下，中阶煤的吸附气量要低于高阶煤的（表１、２和图１、２）。

表１　太原组＃８煤层兰氏体积和兰氏压力表

地区

Ｒｏｍａｘ

（％）

兰氏体积１）

（ｍ３／ｔ）

兰氏压力１）（ＭＰａ）

原始储层压力

（ＭＰａ）临兴０．７８～０．９５２２．５２～３２．６８４．３９～８．８５

３～５三交０．９０～１．３０２１．２１～２７．６３１．５１～１．９５

５．５

注：１）为干燥无灰基。

表２　山西组＃３煤层兰氏体积和兰氏压力表

地区

Ｒｏｍａｘ（％）兰氏体积（ｍ３／ｔ）兰氏压力（ＭＰａ）空气干燥基干燥无灰基空气干燥基干燥无灰基原始储层压力（ＭＰａ）沁水２．３～３．２３５．８２～４５．７７３９．１３～５７．１１２．０４～３．４７２．０４～３．４７２．６４～３．３６

解吸过程进行的快慢由吸附时间来定量表示。

吸附时间是指总的吸附气量（包括残余气）的６３．２％被解吸出来所需的时间，可作为表征气体从储层中扩散出来快慢的近似指标。根据美国煤层气资料，在烟煤和半无烟煤范围内，随着煤阶的增高吸附时

间变长〔４〕

。吸附时间对初始气产量影响很大，随着时间的推移吸附时间对气产量的影响逐渐减弱，最

终消失〔４〕

。 因此，我国山西河东地区中阶煤的吸附时间比

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１・第２５卷第６期 天　然　气　工　业 开发及开采

图１　河东三交地区某井太原组＃８煤层等温吸附曲线图

图２　沁水盆地某井山西组＃３煤层等温吸附曲线图

较短，初始单井气产量比较高，逐渐达到平稳产量，而山西沁水盆地南部的高阶煤吸附时间较长，初始单井气产量比较低，随着排采作业的进行逐渐达到平稳产量。

２．含气性

山西河东临兴地区东部埋深５００ｍ左右＃８煤层的含气量为１～５ｍ３／ｔ，含气饱和度５％～４０％；三交地区东部埋深５００ｍ左右＃８煤层的含气量为８～１３ｍ３／ｔ，含气饱和度一般５０％左右。该地区低含气量和含气饱和度是制约煤层气单井气产量的最主要因素。沁水盆地南部＃３煤层的含气量一般为１５～１８ｍ３／ｔ，含气饱和度５０％～６０％。从含气性来看，该地区煤层气开发前景比较好，但必须关注含气饱和度。

３．渗透性

根据实际资料，山西河东地区煤层气储层的渗透率一般大于３×１０－３μｍ２，而沁水盆地南部＃３煤层的渗透率一般（１～２）×１０－３μｍ２。无论从理论上还是实践上都证明了中阶煤的渗透率大于高阶煤的。因此，沁水盆地南部的渗透性是制约煤层气单井气产量的主要因素。

４．原始储层压力

河东地区煤层气原始储层压力比较高，尤其在中南部，５００～７００ｍ深度的储层压力为４～５ＭＰａ，压力梯度约１ＭＰａ／１００ｍ，显示了较高的储层能量。沁水盆地南部５００～７００ｍ深度的储层压力为２～３ＭＰａ，压力梯度０．５～０．７ＭＰａ／１００ｍ，显示了比较低的储层能量。

二、提高气产量对策

根据我国中阶煤和高阶煤的储层特性，山西河东地区中阶煤储层的煤层厚度比较大，分布稳定，煤岩、煤质好，渗透性好，储层能量比较大，而含气量比较低、含气饱和度低，导致单井煤层气产量比较低，同时对该地区的水文地质研究薄弱，水力封堵情况不清楚，也是出现单井气产量低、而一些井的水产量很高的主要原因。山西沁水盆地南部高阶煤储层的煤层厚度大，稳定分布，煤岩、煤质好，含气量比较高，而含气饱和度比较低，渗透率小，储层能量低，导致单井煤层气产量比较低。

１．地质

山西河东地区中阶煤储层的有利要素为渗透性好、储层能量比较大；不利要素为含气量比较低、含气饱和度低、水文地质研究薄弱、水力封堵情况不清楚。水文地质认识欠缺是导致单井气产量低、而一些井的水产量很高的主要原因。针对这些特点，提出了主要的解决方案。

由于高含气量和含气饱和度区块主要集中在构造相对比较稳定、抬升缓慢、断层不发育、盖层条件好、水力封堵比较好的位置，这些区块是煤层气开发的首选区。因此首先在该地区要进行精细的地质对比研究，对控制该地区含气量和含气饱和度的这些主要地质因素进行研究，主要侧重于煤层气储层的主要生气期与主要构造运动期的匹配关系、煤层气储层的盖层特性、水文地质情况等。该地区煤层气储层主要生气期集中在晚侏罗世—早白垩世，以深成变质作用和岩浆热变质作用为主，有大量的烃类物质产出。之后，由于该地区受燕山运动控制的吕梁隆起的影响而发生抬升作用，上覆地层遭受剥蚀，使有效盖层厚度受到影响，生气作用基本停止，同时由于喜山运动的作用发育一些正断层，造成部分气体发生逸散。再者需要进行水文地质研究，主要分析和研究水力封堵情况，发现水力封堵区块。这样，从地质角度基本能够保证在高含气量和含气饱和度区块进行煤层气勘探和开发，从而在物质上保证了煤层气的开发。

山西沁水盆地南部高阶煤储层的含气饱和度比较低，渗透率小，储层能量低，导致单井煤层气井气产量比较低。针对这些情况，首先在该地区要进行精细的地质对比研究，对控制该地区含气饱和度和渗透率的这些主要地质因素进行研究，主要侧重于煤层气储层的主要生气期与主要构造运动期的匹配

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开发及开采 天　然　气　工　业 ２００５年６月