bob半岛体育为加快深层煤层气高质量勘探和高效开发,中国石化近期在山西省临汾市召开了深层煤层气专题研讨会,并举行了中国石化深层煤层气勘探开发重点实验室揭牌仪式。与会专家围绕中国石化煤层气勘探开发现状、面临的问题等进行深入研讨。
我国化石能源资源禀赋是“富煤、贫油、少气”,煤层气作为清洁高效的非常规资源,其有效开发对煤矿减灾、环境保护和能源安全具有重要意义。
全球煤层气资源量超过270万亿立方米,主要分布于俄罗斯、加拿大、中国、美国,约占总量的89%。国外以低阶煤层气为主,具有演化程度低、储集物性好、游离气含量高等地质特征,形成了以多分支水平井、裸眼完井等为主导的开发技术体系,美国、澳大利亚高峰期煤层气年产量400亿~500亿立方米。
我国煤层气在鄂尔多斯、沁水、吐哈、准噶尔、松辽、塔里木、四川等盆地均有分布,目前开发以高阶煤层气为主,具有演化程度高、储集物性差、吸附能力强等地质特征,资源量约70.76万亿立方米,其中深层煤层气资源量丰富,1500米以深资源量约50.17万亿立方米,占比70.9%。
“十四五”以来,我国煤层气探明储量年均增长2200亿立方米,产量年均增长14.3亿立方米,产业发展势头强劲,2022~2023年在鄂尔多斯盆地发现神府、大吉、纳林河3个千亿立方米大气田,新增探明储量4475亿立方米。2023年,我国煤层气产量达到117.7亿立方米,比上年增长20%,深层煤层气占比超15%,成为天然气储量、产量的新增长点。
从层系上看,我国主要发育以鄂尔多斯、四川、渤海湾等盆地为代表的石炭-二叠系煤层,沉积环境为海陆过渡相,分布面积广、资源量大,以及以准噶尔、吐哈、二连盆地为代表的侏罗-白垩系煤层,沉积环境为河-湖相,局部煤层厚度较大,煤层气富集。高、中、低不同煤阶的煤层气资源结构完整,地质资源量各约占1/3。
我国深层煤层气评价井前期主要分布在鄂尔多斯盆地,2016年中国海油最早开展深层煤层气探索,之后中国石油、中国石化均开展勘探评价,开发方式从直井向水平井、丛式井高效开发转变bob半岛官网平台,深层煤层气产量占比逐年增加。
鄂尔多斯、四川、沁水、南华北、渤海湾等盆地以中、高阶煤为主,具有高含气量、富含游离气的特点,资源量超过7万亿立方米,勘探潜力巨大。准噶尔、吐哈、海拉尔、二连等盆地以中、低阶煤为主,储集性能好、游离气占比高,但含气量相对较低,资源量近万亿立方米。经初步优选评价,鄂尔多斯、沁水、四川及渤海湾等盆地重点区的中、高阶深层煤层气资源丰富,发展前景最为广阔,是未来重要的资源接替领域。
中国石化华东油气分公司主要在华北、南方两大富煤区开展煤层气勘探开发,于2008年率先吹响了向煤层气领域进军的号角,面对 “三低(低孔、低渗、低压)”难题,创新形成“沉积控煤、保存控富、地应力控渗、压裂有效改造控产”的“四元耦合”地质理论;大胆提出“升排量、扩规模、强铺砂”的压裂技术理念;探索“串枝化、大平台、井工厂”钻井运行模式和差异化开发技术政策,建成我国首个深层煤层气田——延川南煤层气田。该气田经历勘探评价、产能建设、开发调整三个阶段,2015年建成产能4.2亿立方米/年,之后6年连续效益上产,截至目前累计产气30.6亿立方米。2023年,华东油气在贵州织金新增探明储量113亿立方米,发现了中国石化第二个煤层气田。
历经10余年持续攻关研究和现场实践,中国石化实现了延川南效益开发、织金商业发现,大牛地、南川、晋中取得多点多类型勘探突破,累计提交探明储量321.14亿立方米,生产煤层气31.5亿立方米,煤层气成为中国石化天然气增储上产的重要接替领域,迎来创新发展新机遇。
“十四五”以来,深层煤层气突破传统认识的深度禁区,在鄂尔多斯盆地石炭-二叠系、四川盆地二叠系、准噶尔盆地侏罗系取得一系列战略突破和重大进展,多口井表现为高产稳产,形成增储上产新阵地。
中国石化不断创新完善基础理论和技术体系,通过持续探索攻关深层煤层气基础地质研究,认识到强覆水还原环境形成的低灰半亮-光亮煤为有利岩相,其发育的微孔与介孔的孔容相对较高、比表面积大、裂缝较发育,总孔隙度高,有利于吸附气和游离气赋存。煤岩吸附性能存在“临界深度”,由于演化程度、埋藏深度、保存条件的不同,煤层气赋存方式存在差异。保存条件好的区域,中、高阶煤深层煤层气具有高含气、富含游离气(占比20%~25%)的特征,突破了煤层气以吸附气为主的传统认识,有力支撑了煤层气向深层拓展。
大牛地气田是深层煤层气富集有利区。中国石化华北油气分公司在大牛地气田部署实施的水平井阳煤1HF井压裂测试获日产10.4万立方米,持续稳定高产1年,平均日产6.3万立方米,累计产气2738万立方米;直井石103井稳产1年,平均日产2万立方米,累计产气683万立方米,进一步证实大牛地气田深层煤层气具有高产稳产能力。2023年,大牛地气田提交预测储量1227亿立方米。与此同时,华东油气在重庆南川部署实施的阳2井自喷日产气1.8万立方米,率先实现四川盆地深层煤层气勘探重大突破。山西晋中晋2井测试日产气1.1万立方米,实现沁水盆地深层煤层气勘探新突破。
深层煤层气勘探存在的问题主要表现为资源禀赋差异大,富集规律有待深化,煤层薄、“甜点”预测难度大,开发规律不明,水平井成井难、煤层钻遇率不高,煤储层非均质性强、改造难度大。石油勘探开发研究院专家刘曾勤认为,需要攻关不同类型深层煤层气刻度区(标准模型)与分类分级评价技术、深层煤储层表征技术、深层煤层游离气评价技术、深层煤层气“甜点”预测技术、深层煤层气有利区优选技术等。
中国石化不断探索深层煤层气富集高产规律,通过解析典型含煤盆地成煤、生烃、储集、赋存特征,石油勘探开发研究院初步提出“有利煤岩煤质、良好保存条件、温压耦合作用”控气机理,初步建立深层煤层气储层测井评价和“甜点”方法系列,攻关探索煤层厚度、煤岩类型、煤体结构和含气量等预测技术,支撑“甜点”层段优选。基于深层煤层气地质工程一体化选区,优选了10个有利勘探区带,有利区面积1.9万平方千米,资源量3.3万亿立方米。
根据深层煤层气勘探需求,科研人员以“甜点”评价为目的,石油物探技术研究院初步形成以下关键技术序列:基于深度域处理精细构造落实技术,提高微幅构造、小断层的成像及识别精度,构造误差可控制在1‰;叠后拓频及多井约束反演技术,开展煤层(光亮煤)定量预测;地层压力、地应力预测技术,实现煤层工程“甜点”评价。石油工程技术研究院首席专家鲍洪志指出,中国石化在深层煤层气钻井提速技术、轨道设计及轨迹控制技术、井壁稳定技术及高性能水基钻井液、煤层固井技术、“大排量、大液量、大砂量”储层改造工艺、高效排水采气工艺技术体系等方面均取得了较大进展。
华东油气针对煤层厚度较薄、煤体结构较好、演化程度中高、含气量较高、煤层及顶底板矿物组成和岩石力学特征差异较大等地质特征,以效益动用为目标,攻关形成延川南薄煤层水平井优快钻完井、有效支撑压裂技术;配套织金、晋中、南川适宜井型,优化完善以控缝高为核心的变排量压裂工艺,初步探索形成了不同区块的工程工艺模式。
针对气井产能低、达产后递减快、无稳产期的现状,华东油气开展煤储层特性再认识,深部煤岩塑性强、割理发育,常规压裂工艺难以形成远距离有效支撑裂缝,他们攻关探索形成“升排量、扩规模、强铺砂”的有效支撑压裂技术。有效支撑压裂井表现为“初期液量大、见气快、初产高、低压稳产能力强”,建立“三阶段”排采管理模式bob半岛官网平台,排水降压期优化排采工艺合理快排,上产稳产期精细管理控压保稳产,递减阶段强化地面增压及老井治理延缓递减,保障气井稳定生产。
针对薄煤层水平井稳定穿层难、钻遇率低的问题,华东油气提出“有效钻遇率”理念,攻关“导向-压裂-排采”一体化开发关键技术,导向不盲目追层,保证轨迹平滑利于排采,采用靶向精准压裂扩大横向波及范围,未钻遇煤层段充分改造,实现深薄煤层水平井效益动用。
华北油气持续迭代钻井技术,提速提效成果初步显现。针对上部地层漏塌叠合、煤层井壁失稳且非均质性强、规模压裂要求及钻完井成本高等难题,他们以“优快安全成井”为目标,集成“井身结构优化+强抑制强封堵复合盐钻井液+综合地质导向轨迹控制+防机械扰动钻进及起钻措施+弹韧性水泥浆固井工艺”,为深部煤层气后期作业提供优质井筒环境。采用标志层逐层逼近、85度井斜入顶、亮煤警戒线控靶窗、方位GR(自然伽马)定位置、元素录井定岩性、钻压微调井斜等措施,初步形成深层煤层气地质工程一体化综合地质导向技术。通过3口井技术总结、迭代提升,初步形成了井身结构优化设计、综合地质导向、强抑制强封堵防塌钻井液、弹韧性水泥浆固井等钻井技术。
我国煤层气具有煤储层品质差、非均质性强、成藏类型多样、富集与渗流机理复杂等地质特征,煤层气产业面临基础研究薄弱、技术适配性差、效益开发难度大等挑战,制约了煤层气规模效益开发。
深部煤层吸附气、游离气共存,储集条件、赋存规律、吸附解吸机理复杂,对储层孔缝表征、赋存机制、解吸扩散渗流过程研究不深入,影响“甜点”目标优选及开发方式优化。同时,受前期地质认识不充分影响bob半岛官网平台,已部署老井在压裂工艺、井网部署等方面存在不足,需要通过重复压裂等方式对老井进行再评价。
中国工程院院士,中国石化总地质师、石油勘探开发研究院院长郭旭升指出,经过10多年的不懈努力,中国石化在深层煤层气勘探开发方面取得了进展,初步建立了开发方法,尤其是近年来配套工程工艺技术也得到发展。他指出,要扎实推进资源评价,加大深层煤层气预探力度,加快深层煤层气示范区域建设,推动煤层气高质量勘探和规模效益开发;加强基础研究和系统宏观研究,形成配套的技术体系;加强不同类型深层煤层气富集高产规律研究,开展深层煤层气资源分类分级评价,持续攻关深层煤层气配套工程工艺技术;完善深层煤层气人才队伍建设,加大国内外深层煤层气合作交流力度;加强组织协调和管理工作,统筹科技攻关体系。
目前,深薄煤层水平井钻完井技术不成熟,受含煤地层沉积条件差异控制,各区块煤层及顶板岩性组合、矿物组成、裂缝发育程度及顶板应力差异大,影响水平井钻井井壁稳定,煤层厚度薄,且位于构造复杂区,轨迹频繁出层bob半岛官网平台。不同煤岩特征、顶板岩性组合条件下有效支撑压裂技术不适应。大规模注液加砂条件下,气井产液量大,稳定高效排水采气工艺不成熟,排采易中断,同时返排过程中压裂砂易返吐,影响气井产能。
华东油气副总经理何希鹏认为,要持续加强不同地质条件下煤储层储集空间类型、赋存状态、储集解吸机理研究,落实不同区块深层煤层气富集主控因素,指导“甜点”目标优选及开发方式优化;加强深薄煤层气水平井成井技术攻关,开展深层煤层气井壁失稳机理分析研究,以实现“有效应力”支撑为核心,在井身结构优化、钻井液优选基础上开展钻井防垮、防卡技术探索试验,逐步提升优化,实现深层煤层气水平井安全高效成井;持续优化不同地质条件下有效支撑压裂技术,基于不同区块地应力、煤体结构、孔裂隙发育等特点,有针对性开展技术攻关,实现裂缝远支撑,形成不同地质条件下储层压裂改造方案;深化煤储层压力扩散机理研究和储层敏感性评价,持续优化分阶段合理排采制度,确保压降漏斗扩散至远端;开展地层防砂防煤粉工艺技术攻关试验,研制低温固结砂,建立挡砂屏障,防止压裂液将煤粉携带出地面,实现源头出砂治理,降低储层伤害,保障气井平稳生产。
在深层煤层气钻探过程中,由于煤层地质环境复杂、地质认识不足,导致钻完井工程面临时效低、成本高、水平井安全成井难等问题,制约了深层煤层气规模效益开发。鲍洪志认为,应强化深层煤层气地质及物探技术研究,提高地质预测精度,为水平井安全成井提供基础支撑,深入开展各类型煤层井壁失稳机理及井壁稳定技术研究,确保水平井安全成井。攻关地质工程一体化轨迹控制技术,提高煤层钻遇率。强化RTOC(实时远程专家支持中心)远程支持,实时预警及优化参数,保障安全顺利钻进。深化降摩减扭及井眼清洁技术研究,保障大井台安全高效钻井。开展长裸眼段漏塌同治技术研究,实现二级井身结构井顺利完井。攻关不同类型煤层体积改造工艺技术及配套流体,探索微泡沫少水压裂技术,进一步提升压裂改造适应性和经济性。
石油物探技术研究院专家曹少蕾认为,要提高单井产能,推广以EUR(评估的最终可采储量)为核心的“极限开发”模式,需要进一步提高物探的预测精度,开展深层煤层气岩石物理实验及建模,为深层煤层气敏感参数优选和地震识别模式建立提供依据。加强三维DAS-VSP(分布式声波传感垂直地震剖面)、Q-RTM(黏声逆时偏移)等新技术引进,提升深层煤系地层成像精度,同时开展多学科一体化研究,有效评价深层煤层气压裂效果。
何希鹏认为,未来的煤层气勘探将由单煤层、高阶煤、浅层,向多煤层、多气合采、中低阶煤、中深层拓展,开发上探索多井型、差异改造、改性置换、升温增能、原位转化等开采新技术,工程上向着低成本高端化、智能化、绿色低碳化发展。
煤层气又称煤矿瓦斯,是指储存在煤层中以甲烷为主要成分,以吸附在煤基质颗粒表面为主、部分游离于煤孔隙中或溶解于煤层水中的烃类气体,是煤的伴生矿产资源,属于非常规天然气。
通常埋藏深度超过1500米为深层煤层气。与浅层煤层气不同,深层煤层气具有储层压力高、含气量大、游离气丰富等特点。
低阶煤的含碳量较高,通常为75%~90%,挥发分含量相对较高,通常为10%~40%。由于煤化程度较低,利用方式主要包括直接燃烧发电、气化、液化及煤热解等。
中、高阶煤的煤化程度较高,通常镜质组反射率在0.8%以上bob半岛官网平台,含碳量更高,燃烧时产生的热量也较多,主要用于炼焦、气化等工业领域,也可直接用作燃料。
为做精做强优势技术,提高自主和协同创新能力,全力支撑中国石化煤层气规模效益开发,7月1日,中国石化深层煤层气勘探开发重点实验室揭牌成立,这是中国石化在深层煤层气领域取得的重要成果,也是科技创新和产业升级的又一重要标志。
实验室依托华东油气、华北油气和上游三大直属研究院共同建设,以煤层气产业重大需求为导向,面向制约煤层气勘探开发的重大理论和技术难点,搭建产学研用协同创新平台,创建国内一流创新性、应用性、开放性合作交流平台、技术研发中心和人才培养高地,开展煤层气基础地质研究和勘探开发关键技术攻关,丰富煤层气成藏地质理论、富集机理与高效开发理论,打造国家级原创技术策源地,培育高水平科研团队,推进鄂尔多斯盆地深层、四川盆地深薄煤层、南方多薄煤层3个煤层气示范基地建设,引领中国石化煤层气产业高质量发展。