煤层气开采装备技术现状及发展趋势(上)

1.煤层气产业发展现状2.煤层气钻机和油水井钻机的区别3.国内外煤层气钻机技术分析4.国产煤层气钻机发展趋势1.1开发煤层气的意义1.2煤层气的储量1.3煤层气的产量1.4煤层气的开发1.5媒层气的利用1.6特殊工艺井1.7空气钻井1.8煤层气勘探开发技术1.9煤层气开采装备1.煤层气产业发展现状煤层气（主要成分甲烷，俗称煤矿瓦斯）属于自生自储式的非常规天然气，煤层气作为一种新型洁净能源，一般均埋于2000m以浅的煤层里，是煤炭的伴生气，开发煤层气对缓解能源的供需矛盾、保证煤炭开采安全，实施可持续发展的能源战略具有十分重要的现实意义。1.1开发煤层气的意义•煤矿安全–减少爆炸的可能性•提高煤产量–减少工作面甲烷含量过高而造成的停工–采煤前抽采煤层气可以减少操作成本，增加煤的产量•降低能源的对外依存度–获得的甲烷可以作为一种能源•减少温室气体排放[11]1.2煤层气的储量“三步法”是预测某一煤矿甲烷含量、排放量/储量的常用方法[8]第一步–全球平均值法拟开采的地下煤炭总量乘以高/低的排放系数可得到涌出量的范围（低甲烷排放系数为10m3/Mt，高排放系数为25m3/Mt），将所得结果乘以甲烷密度，即1.49x109m3/Mt，可将甲烷量从体积量转化为重量第二步乘该国或该盆地特定的涌出量因子第三步乘该矿特定的排放系数我国煤层气资源十分丰富，煤层气资源总量约为36.81×1012m3，广泛分布在各大盆地中，是仅次于俄罗斯、加拿大的世界第三大煤层气储藏国,居世界第3位[1]。山西拥有10万亿m3的煤层气资源，与煤炭资源一样，占到全国煤层气储量的三分之一，与美国全国的储量相当。我国煤层气资源的历次评价[6]评价机构时间123资源量（10m）说明地矿部石油地质所198517.93焦作矿业学院198731.92全国所有可采煤层煤炭科学研究总院西安分院，淮南矿业学院，中国矿业大学199032.15全国所有可采煤层煤炭科学研究总院西安分院199130-35未包括褐煤以及藏粤闽台地区的煤层地矿部石油地质大队199236.3可采资源量18.15万亿m3中国煤田地质总局199914.34含气量大于4m3/t，埋藏2000m以浅可采煤层中国石油勘探开发研究院廊坊分院199927.3未包括褐煤中联公司200031.46未包括褐煤以及藏粤闽台地区的煤层国土资源部200636.81增加了褐煤区的煤层气资源塔里木1.9准噶尔3.8海拉尔1.6二连2.0沁水4.0天山1.2吐哈2.1鄂尔多斯9.8滇东黔西3.5中国煤层气资源量大、分布相对集中我国煤层气资源分布图[6]41个聚煤盆地，2000m以浅的煤层气资源量为约36.8万亿m3。9个主要盆地资源量大于1万亿m3，合计28万亿m3，占全国76%中国煤层气具有巨大的资源量和需求量，是国家重点发展的重要接替能源之一。国家从能源有效利用和减少煤矿安全隐患出发，推出了大力支持煤层气开发利用的相关产业政策。《新能源产业振兴发展规划》已为煤层气产业发展圈出了2个产业化基地，15个抽采利用矿区和5条输气管道。中国煤层气抽采量将逐年增加，“十一五”的规划目标为年产100亿m3，“十二五”规划目标为年产200亿m3,到2020年计划达到500亿m3[2]。1.3煤层气的产量•煤的特性–煤层厚度–煤层甲烷含量–气体解吸率–甲烷储存量–割理系统孔隙度/相对渗透率/绝对渗透率•储层特性–储层几何形态–平均储层压力–原地含水量–流体性质影响流体流动–岩石性质影响流体流动扩散解吸置换解吸升温解吸降压解吸··O•先抽后采——高质量瓦斯–煤层气–采矿前预抽•边抽边采——中高质量瓦斯–矿井抽采–采动区瓦斯–矿井通风气•先采后抽——低中质量瓦斯–采动区瓦斯–矿井通风气1.4煤层气的开发O国外非常规气大规模开发有30年的历史，在煤层气的储藏、开采上形成了较为完备的理论和技术，已经形成了效益显著的产业化生产。开始开发时间（年）2004年产量（亿m3）2008年产量（亿m3）美国1977490565加拿大20001560澳大利亚19761530O我国煤层气开发利用仅十年时间，总体来说水平还较低，开采、储运等相关上下游产业的发育成熟度低，尚处在待完善阶段。2008年中国煤矿瓦斯抽采量为55亿m3；2009年中国的煤层气产量为71.85亿m3，其中地面抽采仅为10.15亿m3；2010年中国的煤层气产量为85.3亿m3，其中地面抽采仅为15.67亿m3。过去五年，由于受制于政策环境支持不够、机制体制的制约、勘探费用不足以及煤层气价格偏低等因素，“十一五”煤层气年产100亿m3、地面抽采产量50亿m3的目标并没有达到。我国煤层气产业在具有广阔发展前景的同时，也面临着一些困难，主要表现在（1）煤层气的矿业权设置不合理，不仅导致了资源配置效率低下，而且引发了煤层气与煤炭之间的纷争；（2）基础设施缺乏，输气管线（特别是直达井口的支线管网）缺乏，管输监管力度不足，导致煤层气进网难，资源难以有效利用；（3）税收优惠政策存在力度不够、系统性较差等问题，挫伤了煤层气开发企业的积极性；（4）还存在技术研发投入不足等问题。O目前国内直接进行煤层气地面抽采的公司主要有中石油、中联煤、晋煤蓝焰等。O三大石油公司全面进入煤层气勘探开发领域中石油曾持有中联公司50%股份，国资委于2008年3月对中联公司股权进行调整，将中石油所持股权协议转让给中煤集团，中联公司将部分区块和资产有偿转让给中石油。华北油田2006年开始在沁水盆地实施煤层气勘探开发，建成了我国第一个数字化规模化煤层气田，完成6亿m3产能建设，并实现商业化运营，每天有110多万m3的煤层气注入到西气东输主管网。O中石化经过两年多的非常规油气资源勘探，已在华北中高阶煤、南方构造煤和西北低阶煤区块开展煤层气勘探评价工作，获取了主要煤层评价的第一手参数。沁水盆地北部和顺、鄂尔多斯盆地南部延川南区块煤层气勘探获得了重大进展，山西境内的和2井组、延1井获得了持续稳定的气流，煤层气勘探取得实质性成果，正积极努力尽快形成规模产能。中海油今年初取得中联煤层气公司50%的股权，正式加入煤层气开采大军之列。三大石油公司的进入使煤层气的产业化进程明显提速经过多年攻关，我国地面煤层气勘探、钻井、测试、排采等技术取得了长足进步，羽状水平井已推广应用。在一些地区，如山西沁水、陕西韩城、辽宁阜新，煤层气地面开发已经攻克了无法抽采利用、抽采利用不经济的难题，奠定了产业化开发利用煤层气的技术、经济基础。尤其是煤层气集输并入西气东输管线后，我国煤层气产业化已进入快速发展轨道。煤层气产业发展速度慢和煤层气价格低有直接关系。过去我国的煤层气出厂价格比照天然气，而国内天然气价格长期较低，使煤层气开发的经济效益较低。支持煤层气开采，一方面应当硬性规定并落实“先抽后采”；同时对煤层气利用实施税费补贴政策，将煤层气的价值提高到煤炭开采的价值之上，用经济杠杆来引导煤炭企业对瓦斯的抽采利用。为了鼓励煤层气产业的发展，国家现已出台一系列鼓励政策：上调天然气价格，提价0.23元/m3，煤层气价格也随之提高；中央财政按0.2元/m3（折纯）标准对煤层气进行补贴；从事煤层气勘查开采的企业，2020年前可按国家有关规定申请减免探矿权使用费和采矿权使用费，对地面抽采煤层气暂不征收资源税；对煤层气勘探开发作业的设备等免征进口关税和进口环节增值税，增值税先征后退。据不完全统计，截止到2011年2月，全国已有煤层气井约5600口。而2010年完井总数约为前十年的总和。•燃料来源[9]–煤矿甲烷可以作为加热的首要或第二位燃料来源。–煤矿甲烷可以作为燃料电池发电、微透平和逆流反应器的动力来源。•化学品原料–煤矿甲烷可以直接作为工厂的原料•管线注水–高质量煤矿甲烷可以直接卖给销售管线•燃烧–当没有其它经济的手段减少温室气体甲烷排放的时候，可以选择燃烧•VOC集中器–低质量煤矿甲烷1.5煤层气的利用据有关研究报告显示，使用煤层气的汽车与使用汽油的汽车相比，前者比后者在众多污染指数上都有明显下降，分别是：排放一氧化碳减少97%；碳氢化物减少72%；氮氧化物减少39%；二氧化碳减少24%；二氧化硫减少90%；苯、铅等粉尘减少100%；噪音减少40%。使用煤层气的汽车排出的都是水，几乎是零污染。O特殊工艺井是指除常规钻井工艺所钻直井之外其它井的总称，主要包括定向井、丛式井、水平井、大位移井、侧钻井、分支井、径向水平井、小井眼井、柔性管钻井及欠平衡压力钻井等。1.6特殊工艺井发展特殊工艺井的目的（1）、尽可能挖掘各种储层潜能，提高采收率；（2）、减少布井数量，减少开发投资；（3）、避免或减少开采过程中的井下复杂情况；（4）、少占用土地，减小环境保护的压力，提高勘探开发的总体经济效益。靶区α造斜点稳斜井段水平位移垂深-井斜角实际井眼轨迹设计井筒轨迹定向井是使井筒沿特定方向钻达地下预定目标的油气井。沿着预先设计的方向钻达目的层位的钻井方法，称为定向钻井。直井段（1）定向井O定向井施工的难度主要在井眼轨迹控制，实际定向井施工需要多次重复跟踪监控，根据具体情况合理地选择和调整不同钻具组合，达到安全有效控制井眼轨迹确保合格井身质量的目的。定向井因井斜角大、井眼形状及钻具受力复杂，加之地层因素及钻井措施不当等方面的原因，容易引起井下事故，对工具仪器及钻机配套设备有特殊的要求。斯伦贝谢公司的PowerDrive旋转导向系统同步调整偏置（2）丛式井丛式井的基本概念：凡在一个井场或平台上，有计划的钻几口或几十口定向井和一口直井，这些井统称为丛式井。丛式井要涉及到合理的井距及布井的先后顺序及防碰跟踪等问题。节约占地、减少搬家、减少采气地面管线、加快开发步伐。水平井是指井眼轨迹达到水平（85°以上）以后，再继续延伸一定长度的井（延伸的长度一般大于储层厚度的六倍）。在垂直井筒底部钻出的中央竖井上带有多分支水平井眼的大口径钻孔，减少铺设复杂的地下瓦斯管线网。（3）水平井水平井开发多层系气藏侧钻水平井可有效的解决生产井的水锥问题用水平井连通有高低差的两孤立煤层水平井的经济性可以表现在以下几个方面（1）水平井控制的泄气面积比直井大；（2）水平井单井控制的开发面积比直井大；（3）水平井可增加可采储量，应用水平井可缩小井距，更好地控制注入流体和改善波及效率，从而增加可采储量；（4）水平井可提高产量和采收率，提高勘探开发的发经济效益。•多方向钻孔可以在采矿前由一个单一的井垫完成[10]•优点包括:–减少现场准备成本–生产设施集中–减少铺设地下管线网–可以在采煤后采收采动区瓦斯•缺点包括:–一般只能有一个井筒下套管–未下套管的水平井有脱落和倒塌的可能–脱水水平井比垂直井困难–表面入口可能受限制或不可用（4）多方向井分支井也称为多底井，是指在一口主井眼中钻出两口或多口进入气藏的分支井眼，主井眼可以是直井，也可以是定向井或水平井。主井眼为直井的分支井能有效地开采多层段的气藏。而主井眼为水平井的分支井则极大地提高了气藏的裸露程度，增加了泄气面积，进而提高产量和采收率。（5）多分支井分支井的演变多口直井少量水平井一口多分支井羽状分支水平井羽状分支水平井是水平井的一种，指在一个主水平井眼两侧再钻出多个分支井眼作为泄气通道，分支井筒能够穿越更多的煤层割理裂缝系统，最大限度地沟通裂缝通道，增加泄气的面积和气流的渗透率，使更多的甲烷气进入主流道，提高单井产气量。这是针对我国很多地区的地质条件不满足地面钻井、排采降压采气方法的应用条件而引进、研制的技术。目前煤层气井主要有直井和多分支水平井两种，直井的深度一般在400-1400m，直井完成后就可进行压裂抽采，可以分为地上抽采和井下抽采两种，适合地上抽采的占不足1/3，主要采用的是井下增透抽采；多分支水平井进尺最多可达4500m，一般不超过800m，水平井在实际应用中主要问题是煤层断后的堵塞问题。水平井或直井的大修机率都不大，新钻的井可以使用较长的时间。定向钻井技术在短期内可以得到更多的煤层气；但是较长时间后，垂直井就可以达到相同水平。特殊工艺井的钻井成本、工艺装备和建井周期比直井复杂得多，煤层气