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

　　论文主题词：煤成气  储集层  热演化  单井产量  提高采收率  策略
　　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CO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。
    中阶煤是指气煤、肥煤、焦煤、瘦煤，即最大镜质组反射率Ro ‑‑二为0.6500^1.90%。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 0o}’)。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 -v2000 m3，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 --} 0 nm)比表面积最大，可达35. 1 0 o，吸附能力最强，小孔(孔径10^-100 nm)次之，为2. 5000，中孔(孔径100--400 nm)比表面积最小，为0. 20 0 o }Z)，吸附能力也最弱，煤的比表面积通常可达200 m丫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)。

    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63.200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

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500 m左右#8煤层的含气量为1^-5 m3八，含气饱和度500^-4000;三交地区东部埋深500 m左右#8煤层的含气量为8^-13 m3八，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^-18 m’/t，含气饱和度50%一6000。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 X 10-3 }.m2，而沁水盆地南部#3煤层的渗透率一般((1^-2) X 10-’}.m2。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^-700 m深度的储层压力为4-}-5 MPa,压力梯度约1 MPa/100m，显示了较高的储层能量。沁水盆地南部500^-700 m深度的储层压力为2 ^- 3MPa，压力梯度0, 5 ^-0, 7 MPa/ 100m，显示了比较低的储层能量。

　　
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二、提高气产t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。
　　[8]电大学习网.免费论文网[EB/OL]. /d/file/p/2024/0425/fontbr />    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一早白要世，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关系、煤层气储层的盖层特性、断层发育及水文地质情况等。该地区煤层气储层主要生气期集中在晚侏罗世，以岩浆热变质作用为主并伴有深成变质作用，有大量的气体产出。早白要世该地区受燕山运动的影响而发生抬升作用，上覆地层遭受剥蚀，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，造成部分气体逸散。再者需要进行水文地质研究，发现水力封堵区块。这样能够发现构造相对比较稳定、抬升缓慢、断层不发育、盖层条件好、水力封堵比较好的区块，从地质角度基本能够保证了在有利区块内进行煤层气的勘探和开发，从而在物质上保证了煤层气的开发。
    2.工程
    (1)煤层气储层保护
    煤层气储层保护研究主要是指在煤层气钻井和完井工程作业过程中对煤层气储层所造成的伤害进行预防并使伤害程度最小化，包括两方面:①钻井技术，通过改善钻井液、采用欠平衡钻井技术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;②完井技术，采用合理的固井程序和水泥浆、套管射孔完井技术。河东地区采用600相位角，12孔/m的射孔技术;沁水盆地南部采用90”相位角，16孔/m的射孔技术。
    (2)煤层气储层增产措施
    1)原地应力相对比较低的区块。
    2)压裂技术。压裂技术是最有效的改善储层环境、提高储层导流能力和煤层气单井产能的手段，主要考虑优化压裂设计、优选压裂液和支撑剂以及压裂规模、时时质量控制。河东地区具有比较高的煤层气储层渗透率，最重要的是要有强导流能力的裂缝，而缝长是次要的;沁水盆地南部煤层气储层渗透率比较低，最重要的是要有足够长的裂缝，而裂缝的导流能力是次要的。

    3)提高有效压差。通过提高储层压力或(和)降低井底压力实现。提高储层压力主要通过注气或注水来实现;降低井底压力目前最常用和最有效的技术就是排水降压。美国目前在粉河盆地广泛采用一种称之为‘’ Blower”真空泵设备，通过“Blower”在井底制造局部真空，以达到降低井底压力的效果，增加煤层气的产能。注水或注气以及负压抽排非常适合于我国低储层压力地质条件的煤层气开发。
    4)注人CO:提高产能。由于CO:在煤层中比CH;具有更强的吸附能力，基本不改变煤储层压力等储层参数，注人CO:可以达到加快煤层气解吸速率和提高解吸量以及CO:埋藏的目的。该技术对提高单井气产量意义重大。
　　三、结论
    (1)我国山西河东地区中阶煤以中孔和小孔为主，微孔次之，吸附能力中等，吸附时间比较短，初始单井气产量比较高，逐渐达到平稳产量;山西沁水盆地南部高阶煤以微孔为主，吸附能力强，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。只有最大限度地降低储层的废弃压力，才能够提高采收率。
    (2)在河东地区对控制含气量和含气饱和度、在沁水盆地南部对控制含气饱和度和渗透率的这些主要地质因素进行研究，主要进行精细的地质对比研究，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、断层发育及水文地质情况等。
    (3>河东地区具有比较高的煤层气储层渗透率，通过压裂最重要的是形成强导流能力的裂缝，而缝长是次要的。沁水盆地南部煤层气储层渗透率比较低，压裂最重要的是要形成足够长的裂缝，而裂缝的导流能力是次要的。通过排水降压(降低液柱压力)来降低井底压力，通过注人CO:达到加快煤层气解吸速率和提高解吸量，该技术对提高单井气产量意义重大。
    (4)通过优化钻井技术、合理选用完井技术，最大限度地降低钻井、完井工程对煤层气储层造成的伤害。
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