煤层气开发技术现状与发展趋势

1煤层气开发技术现状与发展趋势《油气田开发科学技术与进展》课程张遂安中国石油大学(北京)煤层气研究中心主任/教授煤层气产业技术创新战略联盟专家委员会主任煤炭工业技术委员会非常规天然气专家委员会副主任中国煤炭学会煤层气专业委员会副主任国家能源局能源监管专家贵州工业强省院士专家团专家沁水煤层气行业协会会长[e-mail]1.煤层气地面开发技术发展现状2.煤层气地面开发技术发展趋势3.煤层气开发钻采工程地质条件4.煤层气规模开发产能主控因素5.煤层气规模开发条件储层变化6.水平井筒煤粉启动与迁移规律7.支撑裂缝煤粉启动与迁移规律8.煤矿区煤层气开发模式与技术提纲煤层气地面开发技术发展现状钻井技术：——直井钻井技术针对煤储层及其煤系低压、低渗、吸附性强等特征，通过敏感性分析和储层保护技术研究，形成了以空气钻井为核心的直井钻井技术。车载顶驱空气钻机：T685地面开发技术发展现状2钻井技术：——多分支水平井钻井技术针对煤储层及其煤系质软、易破碎、易坍塌等特征，通过改进钻井循环介质特性，形成了以高精度地质导向和充气欠平衡钻进为核心的多分支水平井/U型井钻井技术。地面开发技术发展现状多分支水平井钻井技术——成功要点煤矿井下长钻孔历练高精度随钻测量技术精确的地质导向技术充气欠平衡钻井技术PE/玻璃钢套管应用020040060080010000246810DailyWaterProduction(m3)DailyGasProduction(m3)Time(Day)02000400060008000100001200014000160001800020000012345BHP(MPa)0123CasingPressuer(MPa)SJ PE管完井多分支水平井的产量曲线地面开发技术发展现状钻井技术：——丛式井钻井技术受地形地貌和土地局限，业界通过克服弯曲井段排采等技术难题，形成了以定向钻进为核心的丛式井钻井技术。地面开发技术发展现状压裂技术：针对煤储层质软、塑性强、天然裂隙发育、吸附性强等特点，通过对煤岩石力学和水力压裂裂缝扩展机理实验研究以及大规模的压裂实践，形成了以活性水、大排量、中砂比为核心的煤层气井水力压裂技术体系。地面开发技术发展现状3控压控粉排采工艺流程示意图控压控粉监控系统拓扑图排采技术：针对煤层气井排采过程中易因煤粉伤害和应力敏感伤害而导致产量锐减等难题，通过多年的伤害机理与产出机理研究及大规模排采实践，形成了以控压(合理的工作压差)-控粉(适度的煤粉产出率)-定压排采(拟定井底流压)为核心的排采技术体系。地面开发技术发展现状气田集输技术：针对煤层气集输面临的井口压力超低且波动巨大等技术瓶颈，通过集输工艺研究及多家实践，形成了“以低压集输为核心的煤层气集输工艺技术体系”。采气管线Φ73mm集气站集气管线Φ159mm集气干线Φ325mm外输支线Φ426mm中央处理站地面开发技术发展现状煤层气地面开发技术发展趋势高阶煤——规模开发——稳产高产技术中阶煤——适宜钻井、增产、排采技术低阶煤——缺乏有效的勘探和开发技术地面开发技术发展趋势4高阶煤：——规模开发区域1）稳产高产技术3）穿越采空区抽采下组煤煤层气钻采关键技术2）提高采收率地面开发技术发展趋势高阶煤：——规模开发区域1）稳产高产技术直井人工裂缝解堵技术（液氮泡沫解堵、解堵性压裂、动力返排)直井重复压裂技术智能管控排采技术地面开发技术发展趋势高阶煤：——规模开发区域2）提高采收率剩余气的预测技术井网优化调整技术智能管控排采技术CO2提高采收率技术地面开发技术发展趋势高阶煤：——规模开发区域3）穿越采空区抽采下组煤煤层气钻采关键技术双钻杆空气钻井技术抗变形分段固井技术下组煤增产改造技术下组煤排采关键技术地面开发技术发展趋势5中阶煤：探索适宜于中阶煤的钻、压、采技术(1)弱含水中阶煤煤层气开发技术水平井钻采技术雾化空气钻井技术气体泡沫压裂技术泡沫排水采气技术地面开发技术发展趋势中阶煤：探索适宜于中阶煤的钻、压、采技术(2)高产水中阶煤煤层气开发技术多分支水平井/U型井钻采技术水平井分段顶规模压裂技术电潜泵/电潜螺杆泵排采技术地面开发技术发展趋势低阶煤：密闭取心与测试技术低伤害防漏钻井技术大倾角增产改造技术弱含水煤层生产技术地面开发技术发展趋势特殊条件：松软低渗透煤层的煤层气抽采技术（如掏煤卸压增产技术）高应力区煤层气开发技术煤系气综合勘探综合开发关键技术地面开发技术发展趋势6井型：（将进一步向多样化、复杂结构化方向发展）多类型组合井径向井远端对接井多分支水平井丛式井水平井垂直井倾斜井直井地面开发技术发展趋势集约多分支水平井（依赖于精准定向和地质导向技术）单井场1拖5丛式化布井，3维精确定向部署井眼轨迹PADand3Ddesignandwellplacement奥瑞安钻井和地质导向能力一拖五多井底多分支水平井三维绕障定向轨迹地质图，该井在绕障的过程中，不仅要克服定向上的困难，还必须克服地质条件剧烈变化带来的导向困难，各分支钻进既要大角度沿煤层倾向抬升，而且还要越过复杂的断层带地面开发技术发展趋势奥瑞安钻井和地质导向能力（续）2010年，在鄂尔多斯盆地东缘实现了多分支水平井双层钻井、合层排采技术多分支水平井趋于多样化：双井筒多分支水平井井，单井筒单分支水平井、双井筒单分支水平井、单井筒单分支分级压裂井、双煤层多分支水平井地面开发技术发展趋势井型：——径向井地面开发技术发展趋势7固相颗粒的堵塞伤害：钻井液固相颗粒及岩屑、煤屑堵塞煤层天然裂缝以及孔隙所造成的煤储层伤害；钻井液的添加剂伤害：钻井液所致水敏伤害：钻井液所致水锁伤害：煤层气井钻井易出现的伤害：地面开发技术发展趋势钻井液：——发展目标最大限度保护煤储层不受伤害确保井壁稳定以实现安全钻进便于实现低成本高效快速钻井泥皮封堵屏蔽暂堵欠平衡9991000100110021003100410051006200250300350400450500550井深/m直径/mm钻头直径井眼直径99910001001100210031004100510060.700.951.201.451.701.952.202.452.702.95井深/m钻井液密度/cm3·g-1实际钻井液密度坍塌压力当量密度破裂压力当量密度地面开发技术发展趋势研究方法发展趋势：趋于多学科交叉，即把胶体化学、物理化学、高分子物理、高分子化学以及纳米科学的理论及其相关技术应用到钻井液研发之中。钻井液体系的设计更趋于定量化和智能化。在钻井液新体系设计理论上，不仅仅是靠经验、靠推测，而是把经验推测与坚实的基础理论应用相结合，使钻井液体系设计趋于定量化和智能化。钻井液：地面开发技术发展趋势清水钻井液参数井钻井过程中需取心和裸眼试井，所以不得不采用清水钻进。雾化空气钻井介质生产井充气欠平衡钻井液水平井屏蔽暂堵钻井液水平井及生产井直井优质坂土泥浆钻井液生产井直井绿色环保钻井液为满足国家对环境保护越来越严格的要求，业界必须着手研发绿色环保的钻井液，以满足环境敏感区域的勘探和开发需要。钻井液：——发展方向(多样性)地面开发技术发展趋势8直井水力压裂技术水平井分段压裂技术径向井/短半径水平井压裂技术吞吐掏煤卸压增产技术动力洞穴完井增产技术增产改造方式发展趋势(五大趋势)：地面开发技术发展趋势由单一压裂煤层向压裂煤层底板或煤层顶板方向发展由直井单煤层大规模压裂向水平井分段压裂方向发展已由单一的初次压裂向解堵压裂和重复压裂方向发展压裂规模不断增大，甚至朝着“压裂工厂”方向发展压裂液在活性水基础上，逐步向多元压裂液方向发展加砂强度趋于增加，由追求高砂比逐步向中砂比转变压裂技术发展趋势(六大趋势)：地面开发技术发展趋势压裂规模不断增大，甚至朝着“压裂工厂”方向发展压裂技术发展趋势(六大趋势)：特点：多级分段、大排量、低砂比、大液量、砂量小北美3口丛式水平井同步压裂施工现场地面开发技术发展趋势水力压裂设备逐步由小规模的压裂设备发展到1000型、2000型现正在由2000型发展到3000型或更高水马力压裂车组、大流量连续混合设备方向把发展，以满足大规模、大排量施工需要。压裂设备发展趋势(逐步增大水马力)：地面开发技术发展趋势9清水压裂仍是未来煤层气井压裂的主导技术活性水压裂仍是未来煤层气井压裂的主导技术泡沫/气体压裂液氮、CO2、煤层气等气体泡沫纤维压裂液缓释酸压裂（针对沁水15号煤层天然裂隙被碳酸钙充填煤层）清洁压裂液（斯伦贝谢的ClearFrac技术：粘弹性表面活性剂（VES）作为“稠化剂”在盐水中配置的压裂液）压裂液发展趋势：地面开发技术发展趋势水平井压裂技术发展方向：地面开发技术发展趋势智能化管控排采技术控压控粉循环回冲煤粉解堵排采技术防煤粉高效排采泵排采-集输一体化生产制度排采技术发展趋势(四大趋势)：地面开发技术发展趋势煤层气开发钻采工程地质条件10欠压：——多数地区煤储层为低压储层，故钻井液极易浸入煤层，造成严重污染低渗：——20多年的煤层气勘探表明，我国的绝大多数地区煤层渗透率都很低，因此其对伤害容忍度较低，极易受到伤害水敏：——不仅煤层中的粘土矿物极易遇水膨胀，同时煤层的有机质也易遇水膨胀高应力:——受周边板块运动的影响，以西南等地为代表的高应力区，当今的水平挤压应力较高，极易造成井壁失稳煤层的钻井工程地质特征：钻采工程地质条件能量问题：主要因素的内在关系钻采工程地质条件地应力流体压力岩石力学性质可钻性井壁稳定性破裂压力压裂裂缝形态方位压裂材料优选排水降压、煤层气解吸渗流压裂工艺钻井工艺排采工艺坍塌压力孔渗性钻采工程地质条件地下压力岩石应力储层压力有效地应力岩石力学坚固性可钻性地下压力及其对钻采工艺的影响岩石力学特性对钻采工艺的影响钻采工程地质条件1102004006008001000120014001600202530354045深度/m抗压强度/MPa0200400600800100012001400160022.533.54深度/m抗拉强度/MPa2）煤岩力学特征随深度增加，煤岩抗压、抗拉强度逐渐增大钻采工程地质条件2）煤岩力学特征020040060080010001200140016005800600062006400660068007000深度/m杨氏模量/MPa020040060080010001200140016000.2950.30.3050.310.315深度/m泊松比随深度增加，煤岩杨氏模量逐渐增大随深度增加，煤岩泊松比逐渐降低钻采工程地质条件随深度增加，煤层坍塌压力逐渐升高020040060080010001200140016000510152025303540深度/m坍塌压力/MPa3）坍塌压力钻采工程地质条件随深度增加，煤层破裂压力逐渐升高020040060080010001200140016000510152025303540深度/m破裂压力/MPa3）破裂压力钻采工程地质条件12020040060080010001200140016000.80.91.01.11.21.31.41.51.61.71.81.92.02.12.22.32.42.52.62.72.8深度/m当量钻井液密度/cm3·g-1随深度增加，煤层段钻井液密度窗口逐渐变窄埋深1400m以浅，煤层段钻进不易发生井漏事故埋深800m以深，煤层段井壁失稳段比例增大3）综合指标参数实际钻井液密度在实际钻井过程中，随着埋深增加，应适当增大钻井液密度，以维持井壁稳定。钻采工程地质条件取决于上覆岩石厚度和密度及当地构造应力场强度。随着煤层深度增加，煤层所受地应力逐渐增大。0510152025303512345678910111213水平昀大主应力/MPa深度/100m地区深浅部埋深/m地应力/MPa沁水南部浅部3008.2~18.264007.63~20.7850011.14~21.4260010.92~22.92700