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致密煤层煤层气开发技术的可行性研究第一部分基础研究第二部分应用实例1.地面瓦斯抽放与煤层气开发的国内外现状1.1五、六十年代，美、苏、欧等均小规模试验过地面抽放瓦斯。限于当时的认识深度和技术水平,效果不理想。1.2六、七十年代美国矿业局为改善煤矿生产安全，对煤层瓦斯进行系统研究，积累资料，增进认识。进行了五点井网实验（奥克格罗夫煤矿）。两点主要结论:煤层甲烷可以地面抽放煤层甲烷可以成为商品1.3奥克格罗夫煤矿地面抽放瓦斯试验。煤矿位于黑勇士盆地东部。开始于1976年,30口井的地面抽放计划。产气量为每井每天数千至数万立方英尺。1988年钻水平井。初产18万ft3/d，是直井压裂增产的三倍多。煤层水平井是可行的。10个月后，产量6.8万ft3/d，共产气10个月，产气总量44万ft3。•1988年在马里利煤层钻水平井。初产18万ft3/d，是直井压裂增产的三倍多。煤层水平井是可行的。10个月后，产量6.8万ft3/d，共产气10个月，产气总量44万ft3。地层压力由483kpa降至120kpa，产出气的甲烷纯度98~99%。1.4黑勇士盆地与圣胡安盆地的煤层气工业•黑勇士盆地首先开始(受地面抽放成功的鼓舞)，开始了一系列开采计划，开采范围400平方英里，生产井970口，单井产量2~5千立方米/天。•圣胡安盆地开始了更大规模煤层气的开采圣胡安盆地是全美最大的煤层气生产基地，面积600平方英里，至91年底有1600口井投产，产气量占全国的70％。单井产量14至28千立方米/天。最高40万立方米/天。1.5美国其它盆地及世界其它地区的煤层气开发•在两大盆地成功的鼓舞下,全美普查。总资源量410亿立方英尺(埋深小于3000英尺)。•在皮申斯、阿巴拉契亚、伊利若斯、粉河等盆地开始煤层气开采，但未能成功。•煤层气井数增加很多，但产气量增加不多。国际上许多国家受美国煤层气开采成功的影响，也纷纷开展本国的煤层气开采试验。但基本上均未成功。如澳大利亚的悉尼盆地。美国其它盆地的煤层气开发是失败的。世界其它地区煤层气开发基本上也是失败的。问题：单井产量太低，低于基本的工业标准。或初产较高，但迅速降低至无开采价值。1.6困境美国圣胡安、黑勇士两大盆地是成功的，但两大盆地资源量只占12％。其余盆地均不成功。中国河东地区稍好（但远不如美国两大盆地），但河东地区资源量只占12％，其余地区均不理想。可见，有90％的资源地区不同于两大盆地，不能照搬已有的成功经验。美国、中国乃至世界估计均如此，称之为难采煤层气。1.7出路若真正将煤层气作为资源利用，必不可只拿10％而放弃90％。而90％由现有概念、技术不奏效，因此要发展新技术，Kuskva于1992也指出靠新技术开采难采煤层气。发展何种新技术？首先要分析问题在哪里，应该如何克服！2煤层低渗透原因及其影响煤层供气能力的机理。2.1储渗空间特征煤岩是一种孔隙与裂隙都十分发育的双重介质。微孔孔隙度3～5％，裂隙孔隙度2～3％，比表面积100～400m^2/g，原生正交两组割理缝，有次生缝存在。吸附态：吸附在煤岩巨大内表面积上，占80～90％。游离态：在大孔隙与裂隙中存在，自由气态甲烷分子。水溶气：若饱和水，则每方水溶3～5方气。吸收态：甲烷分子（直径4埃），在压力下进入微孔、超微孔，使煤岩膨胀（体积膨胀率达1～2％），强度降低。反之，吸附态甲烷释出，体积收缩。2.2甲烷赋存状态2.3甲烷解吸渗流过程降压解吸扩散渗流煤层供气能力：三个直接因素低渗透是失败的主要原因。低压不能传递到煤层内，无法降压、解吸、扩散、流动。水动力条件：排水降压的难易。含气量：煤层气开发获利程度。渗透率：煤层气开发成功与否。煤层气开发成功与否与渗透率的关系：煤岩高度发育微裂隙，理应高渗透。但为什么存在低渗透煤层？3.1客观原因a.裂缝性储层的应力敏感性3为什么存在低渗透煤层应力敏感强（弱），裂缝抵抗闭合能力差（好）。在围岩应力作用下裂缝趋于闭合，渗透率降低。裂缝抵抗闭合的过程，实际上是裂缝上下两面凹凸不平的接触变形过程，故：煤岩：在所有岩体中最软，缝面最平整光滑，因此煤岩应力敏感性最强。应力敏感性基质岩体的软硬缝面支撑凸体分布水不可压缩，有支撑作用。基质不渗透（临界毛管力），常压与超压有更好支撑作用。气极易压缩，无支撑作用。基质渗透，压力无支撑作用。导致闭合上复岩层压力，正比于埋深。异常构造应力，源于构造作用抗拒闭合能力（应力敏感性）。饱和流体的种类与压力。圣胡安、黑勇士，浅、无异常构造应力，饱和超压可动的水，使缝保持一定开度，渗透性好。我国的400米以浅，多为气饱和煤层。裂缝压实闭合，低渗透。我国的400米以深，虽饱和水，但严重欠压（如果裂缝闭合，此时饱和水为毛管束缚水，不可动水形成水锁，更加剧了低渗透特性）。①超压自由水饱和水力封闭型，如圣胡安和黑勇士盆地，渗透性好，采用排水降压采气。②气饱和压力封闭型，我国大部分400米以浅层、低渗透、无水可排，气难以解吸渗流；③欠压束缚水饱和压力封闭型，我国大部分400米以深煤层，极低渗透，有微量水但排不出，难以解吸渗流。结论：埋深1000米以内煤层气储层分为三种类型在井眼打开过程中的储层伤害，更进一步降低了渗透率。主要由于正压差作用和自然吸水。①液相物理伤害：毛管效应、水锁现象造成。②固相物理伤害：微粒、胶粒造成的充填和堵塞。③液相化学伤害：水敏（粘土矿物）、盐敏、酸敏、碱敏、速敏。④固相化学伤害：吸附凝胶层、结垢等。⑤地应力变化：二次应力场、泥页岩水化应力。3.2客观原因4.1做好储层保护，使原始渗透率不受伤害。消除各种伤害，最好是气体钻井，美国90％的煤层气井用空气钻井；我国全用泥浆，伤害严重。防止泥页岩水化应力作用。对气饱和干煤层发展注气动态试井，防止水锁伤害。4提高煤层渗透率煤岩由于围岩应力的挤压作用，导致裂隙闭合、渗透率降低。如果能使约束应力释放，则闭合的裂隙会重新张开，从而改变渗透率。而解除约束应力最有效的方法是使煤层中一部分体积排除出去。洞穴完井就是这个思路。4.2应力释放法提高煤层渗透率注意应力释放的时间滞后。由于煤岩的滞弹性。水力加砂压裂，不但没释放煤层应力，反而因注入压裂液和支撑剂使煤层更加致密，尽管能压出一两条缝（对构造煤可能连缝也不能形成），但煤层渗透率也不会提高。水力压裂仅适用于中等渗透煤层进行连通裂隙网络和增加煤体破碎程度。4.3水力压裂对低渗煤层无效对大多数煤层而言，裸眼完井加洞穴改造，效果优于射孔完井加水力压裂，产量相差6倍。直井洞穴完井，一是不适于薄煤层，二是不能形成持续不断的应力释放。4.4双井动力循环水平洞穴完井钻水平井、裸眼完井。钻直井，射孔，沟通。洞穴改造，排除煤粉。甲烷抽放，必要时重复洞穴改造。主要工序：抽放三层方多层煤层开采瓦斯抽放AB用于煤矿地面瓦斯抽放抽放二层方多层煤层开采瓦斯抽放BA抽放一层方多层煤层开采瓦斯抽放BA抽放采空区多层煤层开采瓦斯抽放方BA致密煤层煤层气开发技术的可行性研究第二部分：应用实例平顶山煤业集团瓦斯研究所西南石油学院油井完井技术中心1、平顶山首山一矿地质描述（平局报告）地理位置与盆地构造地质勘探：西起沟李封断层，东起55测线，以白石山背斜为轴的平缓开阔长轴鼻状背斜，面积27平方公里，南北各以李口向斜轴与白石山向斜轴为界。靠近沟李封断层有零星小型断裂。构造平缓，异常地应力不强。地质柱状图与构造剖面厚度范围2.76～10.22米，一般5～7米，平均6.15米。顶底板为3～6米厚层状泥岩、砂质泥岩。埋深600米。地温3.4°/百米，压力系数0.56（严重欠压）。煤质为高煤级烟煤（少量低煤级烟煤）。煤层气含量4～10立方米/吨，烃气成份85～95％。二1煤层与煤岩基本分析（主力煤层）2、煤层气藏描述煤层密度与孔隙度，氦吸附与汞注入测试法。结果见表16和表23。煤层密度1.4～1.6，设计悬浮液依据。孔隙度4～6％。气饱和渗透率与应力敏感性加卸载、顺序变压气测，CMS300型仪器。结果见表18和191号样──高致密低渗透：垂直割理方向原始渗透率0.139md，按应力敏感曲线换算到700米埋深、正常地应力、气饱和煤层条件下，渗透率为0.01md。应力释放１月后，恢复值在50％上下。水平割理原始渗透率0.0523md，换算原地渗透率为0.004md，一月后恢复值不足20％。渗透率各向异性比达2.64:1，注意方向性。水饱和渗透率与应力敏感性饱和地层水（设束缚水饱和度30％），加卸载、顺序变压气测，结果见表20、表21。３号样──较高渗透率垂直割理方向气饱和原始渗透率0.3md，水饱和0.102md，换算当地渗透率为0.01md。水平割理方向气饱和原始渗透率0.24md，水饱和为0.1md，换算当地渗透率为0.007md。渗透率各向异性比为1.56:1。含水量对渗透率的影响固定围压（当地状态），改变含水量气测。Corelab全直径仪。结果见表22。２号煤样──高致密低渗透水平割理方向气饱和原始渗透率0.033md，垂直割理方向气饱和原始渗透率0.013md。含水量的影响较大，以致出现完全水锁。束缚水饱和度：气驱，29.63％（水平），27.45％（垂直）。自然吸水：２号样，27％；３小时平衡。３号样37％；３小时平衡。束缚水饱和度可取为30％。煤层孔隙结构与超微结构AutoPore9200自动压汞仪AutoPycnometer3200氮吸附仪结果见图98-105，表23、24和25。超微结构分析，电镜扫描照片。平煤1号样:气孔群气孔，平3、平3、平1、平2号样气孔发育（对比）：裂缝，平3、平3、平3、平1号样宏观充填裂缝（八矿）：强烈构造运动痕迹（对比）：煤岩２、３号样：微孔、小孔比较发育，有良好吸附储存空间。对渗流有贡献的中、大孔存在（由电镜可见气孔群和微裂隙存在），但不太发育（由压汞可见占比例不大），属低渗透型。钻井液中各种尺寸微粒与胶粒可能伤害中、大孔及缝，造成渗透率降低，应予以重视。煤的构造破坏作用不明显，无擦痕与构造错位成缝。早期构造缝已被充填（照片），且构造环境稳定。敏感性矿物：电镜扫描发现伊利石、高岭石、伊／蒙混层等粘土矿物存在。水敏是潜在伤害，可能还存在盐敏、酸敏、碱敏伤害。平煤3号样：伊/蒙粘土矿物：粘土矿物（对比）：裂隙发育与方位二1煤层面割理发育，端割理不太发育。面割理密度13～21条/5厘米，端割理3～5条/5厘米，地面开度小于0.1～0.2毫米，长度50～1000毫米不等。割理面走向优势方位NE40～60°。煤层构造缝与割理走向大部分一致。顶底板分析密封性：砂质泥岩密封性不够好。泥岩、渗透率为微达西级，密封好。但过薄或构造破坏时易形成微裂缝而影响密封性。表26砂岩孔隙度、渗透率测试结果岩芯编号孔隙度（%）渗透率（μm2）11矿53-22孔（1）0.935.94×10-511矿53-22孔（4）1.854.77×10-511矿53’-22孔（1）1.214.18×10-511矿53’-22孔（2）0.864.37×10-511矿53’-22孔（3）4.789.50×10-46矿48’-22孔-（1）-32.419.20×10-56矿48’-22孔-（2）-42.496.17×10-4力学强度泥页岩强度最低，但也数倍于煤岩。防止水化反应后可较好稳定井壁。表29岩体弹性参数与岩石抗压强度比较表测井弹性参数岩石力学试验强度指数切变模量体积模量杨氏模量饱和抗压强度岩石层次平均值（103MPa）点次平均值(MPa)泥岩7635923241513砂质泥岩851125282124粉砂岩5043122831433泥页岩SEM照片：伊利石、高岭石为主，硬脆性泥页岩。表27泥页岩成份分析实验仪器：D/MAXⅢC型衍射仪实验条件：Cu靶；Ni滤光；35kv，25mA；4度/分，0.02度/步；DS=1度，RS=0.3mm，SS=1度测试结果（含量%）报告编写原样品编号样品编号文件号蒙脱石伊利石高岭石绿泥石石英长石方解石白云石其它9713356矿48(1)-2S971297F679—2935—342——97133611