煤层气开发技术现状及发展趋势_张华珍

２
加拿大
６～７６
３
中国
２７．３
４
美国
１１～２１．１９
５
澳大源自文库亚
８～１４
煤层气是自生自储的非常规天然气，主要成分为 甲烷，以吸附和游离状态赋存于煤层和围岩中，其热 值与天然气相当。由于煤基质中发育有大量的微孔 隙，孔径可小至 ０．５～１．０ｎｍ，其比表面积极大，对甲烷
分子具有很强的吸附能力，而使水分子难以进入，通 常煤层气只存在于地层的割理中。当煤层气经割理流 动至井底时，常常伴有大量的水产出，因而需要专门 的排采设备来降低井底压力，促进煤层气解吸。煤层 气在储层物性、开发机理、开发方式等方面与常规天 然气有很大的不同（表 ２），为提高煤层气开发的经济 效益，国外对其开发技术进行了多年的研究探索，取 得了显著成就。
依据煤层气井井型的不同，可以分为常规压裂和 水平井压裂，包括分层压裂及水平井多级压裂。国外 先进的煤层气压裂技术主要由哈里伯顿、贝克休斯、 斯伦贝谢、ＢＪ 等公司开发。压裂施工技术，如连续油 管压裂技术，近年发展迅速，煤层由于埋藏浅、含有 多层结构、对排量要求低，适用于连续油管作业进行 压裂改造。国外煤层气藏中的干气藏普遍采用连续油 管氮气泡沫压裂方法进行增产改造，相比常规方法， 可缩短很多时间，一天内即可完成一口井的压裂作 业。目前作业极限深度为 ４３８９．１２ｍ，能够连续压裂２０～ ３０ 层，氮气排量可达 １５００ｍ３／ｍｉｎ。该方法在加拿大马 蹄谷地区应用较为普遍，平均单井产量达 ３５００ｍ３，高 产区可达 １２０００～１５０００ｍ３／ｄ。２００５ 年，山西潘河示范工 程项目中 ＰＨ１ 井和 ＰＨ１－００６ 井尝试采用氮气泡沫压裂 技术，压后日产气量分别为 ２０００～５８００ｍ３ 和 ３０００～ ４０００ｍ３，增产效果是邻井水力压裂的 １．５ 倍左右［９］。２０１１ 年，内蒙古呼伦贝尔市阿木古朗镇和煤 ２ 井应用中 国石油集团渤海石油装备制造有限公司研制的氮气 泡沫压裂泵车进行施工作业，氮气注入排量达到 １１２０ｍ３／ｍｉｎ，注入液氮 ２００ｍ３，施工时长 １３０ｍｉｎ，压裂 取得了一次成功。但是，我国目前该技术的应用还不 十分成熟，仍需要积累大量的施工经验。 １．２．３ 裂缝监测技术
张华珍 等：煤层气开发技术现状及发展趋势
煤层气开发技术现状及发展趋势 ＊
张华珍１ 王利鹏２ 刘 嘉１ １． 中国石油集团经济技术研究院；２ ． 中国石油大学（北京）
摘 要： 基于国内外煤层气开发技术资料的研究，全面介绍了钻井、压裂增产、排水采气及提高采收率等煤层气开发 主体技术及配套技术的发展现状；并根据各种技术的特点和实际应用效果，分析指出了煤层气开发技术的应用潜力和发展 方向；针对我国煤层气的地质条件，提出了应积极引进和研发多分支水平井技术、连续油管压裂技术，进一步完善钻井液、 压裂液及完井液等配套技术的意见和建议，以为我国煤层气开发技术的引进和创新发展提供参考。
表 ２ 煤层气藏与常规天然气藏的区别
煤层气藏 自生自储 微孔隙—割理双孔隙结构 较低，对应力敏感 吸附态为主（７０％～９５％），游离态约占 １０％～２０％ 解吸—扩散—渗流 排水降压，单井或井网 ２０￣３０ 年
常规天然气藏 圈闭
单孔隙结构 较高，对应力不敏感
游离态 渗流
衰竭式，井网 ８年
煤层气开发技术的发展趋势进行了探讨，以为业内 人士参考。
２０ 世纪 ８０ 年代，美国开始进行煤层气的勘探和开 发，目前已形成世界上最成熟、最完备的煤层气开发 技术体系。自此以后，加拿大、澳大利亚及我国也相 继开展了煤层气的勘探开发试验研究，在借鉴美国开 发煤层气成功经验的基础上，各国针对具体的煤层特 点，开发了一系列新技术，如加拿大的连续油管压裂 技术和水平井分段压裂技术、澳大利亚的 Ｕ 型井技术 及多层扩孔技术［１］。
新资源评估结果，俄罗斯、加拿大、中国、美国及澳 大利亚等国都跻身于煤层气大国行列（表 １），许多国
家都进行了煤层气开发的有关研究，且逐渐实现了商 业化开采［１，２］。
表 １ 世界主要煤层气资源量分布
（据国际能源机构 Ｉ Ｅ Ａ ，２ ０ １ ０ ）
排名
国家
资源量（× １０１２ｍ３）
１
俄罗斯
１７～１１３
据解调正确率为 ９３．６％
沁水气田郑试平 ４ 井 现场试验成功
中国石油集团 钻井工程技术
研究院
１８ 石油科技论坛·２０１３ 年第 ５ 期
张华珍 等：煤层气开发技术现状及发展趋势
技术、裂缝监测技术。目前，煤层气水力压裂单翼缝 长可达 ６０～１５０ｍ，增产效果比较显著。 １．２．１ 压裂液技术
煤层气压裂液主要有清水压裂液、凝胶压裂液、泡 沫压裂液、气体压裂液等。自 ２０ 世纪 ９０ 年代开始，斯 伦贝谢公司在圣胡安盆地的南部欠压与欠饱和煤层广泛 采用ＣＯ２ 泡沫压裂技术，占总压裂作业的９０％左右。２００８ 年，该公司开发了新型的 ＣｏａｌＦｒａｃ 压裂液，通过添加 ＣＢＭＡ 添加剂，在优化脱水的同时，降低了颗粒运移速 度。该压裂液在黑勇士盆地的应用效果表明，与其他压 裂液作业相比，产量提高了 ３８％。目前，北美地区普遍 采用氮气压裂方式，连续油管拖动逐层压裂，单井可连 续压裂 ２０～３０ 层，压裂氮气排量可达 １５００ｍ３／ｍｉｎ［８］。 １．２．２ 压裂工艺技术
第一作者简介：张华珍，１９７８ 年生，工程师，２００６ 年毕业于中国石油大学（北京），获油气田开发专业硕士学位，主要从事国 内外油气田开发新技术新动向研究。Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｈｚ＠ｃｎｐｃ．ｃｏｍ．ｃｎ
２０１３ 年第 ５ 期·石油科技论坛 １７
技术创新
项目 成藏方式 孔隙特征
渗透率 相态
开采机理 开发方式 开采周期
在煤化作用过程中，煤层中会产生煤、水、ＣＯ２ 和 煤层气。除煤本身，其他物质则储存在裂缝空间及煤 的表面。天然气更倾向于吸附在煤的表面而达到静水
２０１３ 年第 ５ 期·石油科技论坛 １９
技术创新
指标 生产参数 地层参数 开采条件
井下状况 地面
表 ４ 煤层气井主要排采设备适用条件表
排采参数
有杆
电潜泵
裂缝监测技术主要包括化学示踪剂法、物理示踪 剂法、微地震监测、电位法及井温测井，其中应用较
为广泛的是微地震监测。斯伦贝谢公司研制的 ＳｔｉｍＭａｐ Ｌｉｖｅ 微地震监测系统可以实时监测裂缝的发育 情况，及时为现场施工提供指导。Ｐｉｎｎａｃｌｅ 公司（已于 ２００８ 年底被哈里伯顿公司收购）开发的 ＦｒａｃＴｒａｃ Ｒ 裂缝 微地震成像技术，可以实时提供裂缝的空间形态，优 化压裂措施、井位设计及开发方案。Ｐｉｎｎａｃｌｅ 公司的微 地震专业化服务处于世界领先水平，其压裂监测服务 中的 ９０％ 以上均采用微地震监测技术［８］。 １ ． ３ 排水采气技术
由于我国煤储层条件复杂，勘探开发又相对较 晚，目 前 尚 未 形 成 规 模 化 、商 业 化 开 采［ ３ ］。为 加 快 我 国煤层气商业化、产业化，本文专门就煤层气井钻井 技术、压裂增产技术、排水采气技术、提高采收率技 术及煤层气开发数值模拟技术现状进行了介绍，对
＊ 基金项目：国家重大科技专项“大型油气田及煤层气开发”（编号：２０１１ＺＸ０５０４３－００３）和中国石油天然气股份有限公司重大 科技专项“煤层气勘探开发关键技术研究与示范工程”（编号：２０１０Ｅ－２２０９）资助。
１ 煤层气开发技术现状
１ ． １ 钻井技术 由于煤层气储层一般都具有低孔、低渗的特点，
如果采用常规的直井开采，即使后续进行压裂作业， 其单井产能依然十分有限。因此，针对煤层气储层的
特点，逐渐研发形成了多分支水平井钻井技术、欠平 衡钻井技术、超短半径水平井钻井技术、Ｕ 型井钻井 技术及电磁波导向钻井技术等，以增加气井与煤层的 接触面积，提高煤层气井的单井产能［４～７］。国内外钻井 技术应用现状详见表 ３。 １ ． ２ 压裂增产技术
开发煤层气应用最为广泛的增产技术是水力压裂 技术。压裂增产技术主要包括压裂液技术、压裂工艺
表 ３ 国内外钻井技术应用现状
技术名称
技术特点
发展概况
技术现状
应用效果
主要研发国家或机构
羽状 水平井
技术
通过分支最大限度地 沟通裂缝通道，增加 泄气面积和气流的渗 透率，提高单井产气量
国外 国内
近几年，美国 ＣＤＸ 国际公司先后在西 单井日产量为
国外
煤层中水平井长度超过 ２０００ｍ
平均日产气量 达 ８．５ × １０４ｍ３
澳大利亚
技术
层的坡度，利用重力作 用来实现排水采气
国内
煤层中水平井长度达 １０００ｍ
中国石油集团钻井 —
工程技术研究院
该技术可以在 ０．３ｍ 半径的 超短半径 立井井段中，完成从垂直
国外
澳大利亚已成功应用高压水射流在 煤层中钻水平井，长度达到 ４２８ｍ
几乎所有的煤层气田都要实施排水作业。排水， 一方面可以减少静水压力，利于煤层气从微孔隙解 吸；另一方面可减少煤气层的含水饱和度，提高其相 对渗透率，利于解吸气流向井底。
自 ２０ 世纪 ８０ 年代中期，美国开始陆续尝试各种 排采设备来排水采气，现已形成部分煤层气专用开采 设备及工艺技术［１０］。该国常用的煤层气排采设备虽然 仍以有杆设备为主，但对整机设计和选型方面提出新 的方法，在以圣胡安和黑勇士盆地为主的煤田取得了 良好的经济效益。自 １９８６ 年，为了适应煤层气井产出 液中的煤粉及气液混合流体，并考虑投资成本和运行 成本等，美国开始试验应用螺杆泵排水技术。目前，在 黑勇士盆地、阿巴拉契亚盆地、圣胡安盆地和拉顿盆 地，大约有 １５００ 台螺杆泵在进行排采［１１］。根据一些煤 层气井排水量大、排量变化范围大、有杆泵设备在斜 井与水平井应用受限的情况，美国开始广泛使用潜油 电泵排采。各种排采设备适用条件详见表 ４。
目前，我国煤层气井有 ２６００ 多口，投入排采 １０００ 多口，以游梁式抽油机为主，仅有数十口采用电潜泵 或螺杆泵技术。由于我国煤层赋存条件、地质构造复 杂，煤层气抽采环境千变万化，抽采技术与装备不够 先进，抽采难度还很大［１１，１２］。随着矿井开采深度加大， 地应力和压力增加，煤层气抽排难度还会进一步加 大。我国煤层气抽采率（采出的煤层气量与煤层气赋 存总量之比）平均仅为 ２３％，而美国、澳大利亚等煤 层气主产国的煤层气抽采率均为 ５０％ 以上。 １ ． ４ 提高采收率技术
国外
Ｓｕｔｒｏｎ 公司 ＥＭ－ＭＷＤ 的传输速率 为 ６ｂｉｔ／ｓ，１２０ｈ／ 单电池
在山西柳林和陕西韩 澳大利亚 Ｓｕｔｒｏｎ 公司、 城成功完成导向作业 美国 ＮＯＶ 公司
向钻井 技术
传输信号速度快，但传输 沿程衰减严重，只能传播
低频信号
国内
φ１２０．６５ｍｍ（４３ ／ ４ ｉｎ）电磁波地质导向 工具的最大传输速率达 １１ｂｉｔ／ｓ ，数
弗吉尼亚州钻了近 ６９ 口定向羽状分支 （３．４～５．７）× １０４ｍ３
水平井，产量比常规压裂高 １ ０ 倍左右
美国 ＣＤＸ 公司
截至 ２００９ 年底， 在山西沁水盆地共
日 产 量 超 过 奥瑞安国际公司、中国
有 ３６ 口羽状水平井投产
２ × １０４ｍ３
石油天然气集团公司
Ｕ 型井
Ｕ 型井由直井与水平井 组成，有效依靠倾斜地
最大排量（ｍ３／ ｄ）
６００
６４０
最小排量（ｍ３／ ｄ）
１
＜ ６０
最大井深（ｍ ）
＜ ２７００
＜ ２９５０
温度（℃）
＜ １２０
＜ １４９
地层压力（ＭＰａ ）
不限
不限
最小流压（ＭＰａ ）
＜ １．０
１．４
煤粉等（％ ）
＜ ０．１
＜ ０．０２
提高产量 平均 ２ 倍以上
澳大利亚
水 平 井 转向水平，避免了常规水平 技 术 井钻井所需要的频繁造斜、 国 内 定向等井眼轨迹控制问题
２００８ 年，成功应用该技术在东北地区 完成了 ８ 个分支的钻井施工，每个分
支均达 １５０～２００ｍ
日产气量 ４０００ｍ３
天津波特耐尔 石油公司
利用电磁波聚焦伽马技术 电磁波导 使轨迹控制更为准确，且
关键词： 煤层气 开发 钻井 压裂 排水采气 采收率 ＣＯ ２－ Ｅ Ｃ Ｂ Ｍ 发展趋势 DOI：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００２－３０２ｘ．２０１３．０５．００４
随着经济持续发展对能源需求的日益增加和常规 油气资源的日益短缺，世界各国都在积极寻找开发新
的能源，以弥补常规油气资源的缺口。合理地开发煤 层气资源，不仅可以大幅减少矿难事故的发生，而且 有助于减少国民经济对常规油气资源的依赖。根据最