煤层气直井开发技术研究与应用

1煤层气直井开发技术研究与应用提纲一、煤层气勘探开发概况二、面临的问题及挑战三、技术研究与应用情况四、结论与致谢2J1-2J1-2J1-2J1-2亿立方米J1-J3-K1J3-K1J1-2P2¹阒Ý807841004504我国埋深2000m以浅的煤层气地质资源量36.81×1012m3，1500m以浅的煤层气可采资源量10.87×1012m3。98634178713950011216382683472425817210261289321198193396867162621595866720400003000020000100006000050000900008000070000100000鄂尔多斯沁水准噶尔滇东黔西二连吐哈塔里木天山海拉尔地质资源量可采资源量غ£¿Ú南ÄϺ£Ö畹º3J1-2T3T3P2ÉϺ£¸£ÖÝ̨±±C-PC-PC-PÖJ3-K1J3-K1J3-K1C-Pº艉ͺÆ̱±¾©J3-K1J3-K1J1-2J1-2Ò¨J1-2À¼ÖÝÎ靼²P2P2J1-2J1-2T3P2P2C1C1P2C晚三迭纪P2晚二迭纪C-Pʯ̿¶ÍC1Ô缡¯Ì¿¼Í海-J3-K1ÙªÂÞ°×ÛѼÍJ1-2早中侏罗纪T3拉萨乌鲁木齐J1-22哈尔滨³¤´ºJ3-K1沈阳C-P西北滇J1-2藏±±¼ÃÄÏC-P£ÖÝC-PC-PÄϾ©东北P2³É¶¼T3P2华Î浜ºT3P2南昌³¤É³C1C1南P2P2T3T3经过近十多年的煤层气勘探开发试验，取得了重大突破——煤层气资源量及分布情况总体而言，地质研究从煤层气形成的地质背景、高产富集条件、成藏条件及煤层气选区评价等几个方面入手，基本摸清了各个含煤盆地的地质情况，并指出了几个煤层气高产富集区。煤层气探明储量上取得了突破，截止2009年全国煤层气探明储量为1781×108m3，主要分布在沁水盆地，占90%，少量分布在鄂尔多斯盆地东缘，目前全国共有煤层气钻井数在4000口左右。在48个煤层气勘探区进行了煤层气勘探、评价。遍布全国14个省（区）山西28个勘探项目。452009年全国煤层气产量71.89×108m3（其中地面抽采10.17×108m3，井下抽采61.72×108m3），利用24.57×108m3（发电11.6×108m3、民用12.97×108m3），利用率34.18%。煤层气已进入西气东输管道，有的以压缩气或液化气形式向用户供气，实现商业化开发利用。产量情况潘河增压站供气站阀组站生产调度控制中心科技攻关/人才培养空气钻井通过引进、消化、再创新，进行煤层气开发技术、装备试验以及集成深化，可以为煤层气规模开发提供一套成熟的技术系列。2009-2010年，依托大型油气田及煤层气开发国家科技重大专项，结合煤层气产业技术创新战略联盟的技术创新体系，我国煤层气从选区评价到勘探开发技术方面取得了长足发展，创新性成果不断形成，装备研制国产化水平正在提高。SX-001井CO2注入现场水平井现场6CHINACBM由此，我们是否可以这样认为：目前的工作重心将从地质研究向工程开发转移？我想，回答是肯定的。但是，就目前的煤层气直井开发技术来说，以沁水盆地南部为例。在许多开发技术趋向成熟的同时，依然面临许多问题和挑战。7提纲CHINACBM一、煤层气勘探开发概况二、面临的问题及挑战三、技术研究与应用情况四、结论与致谢815#煤的产能有待开发：前期的试验多针对3#煤；但是，15#煤的含气量高，煤层气资源量大，由于存在出水量大、易破碎、容易形成煤粉等问题，至今未能有所突破。钻井技术：对煤层埋藏较深的3#煤和15#煤、由于出水量较大，不适宜采用空气钻井技术，需进行有利于稳定井壁和保护储层的钻井液技术研究。增产改造技术：低渗透储层增产改造技术一直是低渗储层开发研究的永恒主题之一；在直井开发中，依然存在如何减少压裂所引起的储层伤害、如何提高导流能力、如何提高压裂裂缝形态监测的可靠性等问题。9二、面临的问题及挑战排采技术：如何稳定煤层气产量，如何正确分析储层类型、认识储层连通性等问题，都对合理排采方案的制定提出了挑战。数值模拟技术：煤层气在生产过程中，煤粉的生成、运移和沉降堵塞规律比较复杂，给建立合理的地质模型和实现气（煤层气）液（水）固（煤粉）三相流动的数学模型带来了很大困难。主要设备依靠进口：目前国内煤层气开发设备、装置的生产能力比较薄弱，主要设备还依赖进口，需要对引进的技术和设备进行消化、吸收和再创新，对如何培育新兴产业提出了挑战。10二、面临的问题及挑战CHINACBM钻井工程——采用空气或空气泡沫、低密度中空玻璃微球钻井液欠平衡钻井技术，达到稳定井壁和保护储层的目的。（解决井身结构稳定、储层伤害问题）111CHINACBM增产改造工程压裂改造技术——为沟通井筒和储层的连通性，采用新型活性水压裂液、清洁压裂液，防止砂堵。（解决井筒和地层之间的沟通问题）（清洁压裂液）相同比例的水、煤粉和支撑剂。可以使煤粉带有粘性并尽可能从水和支撑剂中分离出来12CHINACBM增产改造工程深穿透射流技术——采用高压射流技术直接在煤层喷射多个径向分支井眼，增加泄流面积。（解决泄流面积小以及易压穿水层的问题）13142010-9-12CHINACBM提高泄压面积CHINACBM排采工程——结合煤层气开发的地质及地下水动力场评价技术、数值模拟等研究方法，根据煤层气井的井深和煤层产水量，研究15#煤的排采制度，进行排采试验；同时研究、试验3#煤与15#煤合采的可行性，优化制定合理的排采制度，选择合适的排采设备，防止吐砂、吐煤粉，影响导流能力。（解决井筒内问题）15CHINACBM地面集输工程“主动增压系统”工艺技术——优化地面建设方案和集输工艺，增加集输的灵活性，增大集输半径，减少投资。16CHINACBM针对提出的问题和挑战，我们在“十一五”期间，利用油气重大专项开展了攻关研究，通过现场试验应用，取得了可喜的成果。17提纲CHINACBM一、煤层气勘探开发概况二、面临的问题及挑战三、技术研究与应用情况四、结论与致谢18钻井工艺完钻深度/m钻井周期/d完井周期/d建井周期/d钻井机械钻速/（m/h）最大井斜/°最大全角变化率/（°/25m）全井井眼扩大率/%空气钻(72口)464.893.9211.3612.0615.551.540.472.91水钻(73口)475.7911.6316.5619.955.061.810.636.39（1）空气欠平衡钻井技术的应用试验空气钻井与常规水力钻井对比：①在井身质量方面，两种钻井工艺均达到设计及规范要求，空气钻井井身质量高于水力钻井。②在时效方面，空气钻井机械钻速是水钻机械钻速的3倍多，空气钻井周期短，搬迁时间短（常规钻机2天，空气钻机0.5天），综合经济效益高。空气钻井与水力钻井井身质量与时效平均值对比表19三、技术研究与应用情况（2）完成国内首台车载全液压钻机的现场工业性试验①钻机名称及厂家：SMJ5540TZJ15/800Y，石家庄煤矿机械厂生产。②现场工业性试验：2009年4月21日进入施工现场，5月16日完成施工。③试验认识：石煤机的车载钻机满足钻井工艺要求，整车性能与美国T130XD钻机基本相当，提升能力比T130XD钻机大20吨，这一点对施工安全非常有利。④SMJ5540TZJ15/800Y钻机工业性试验的成功为我国煤层气井车载钻机的国产化开辟了先河。20三、技术研究与应用情况中联CHINACBMSMJ5540TZJ15/800Y国产车载钻机样机及试验现场21三、技术研究与应用情况配方密度3/（g/cm）表观粘度/（mPa·s）塑性粘度/（mPa·s）API滤失量/ml高温高压滤失量/ml备注4%土浆+0.5%DSP-2+0.8%LY-1+1%AP-1+3%FF-2+0.2%Sa+30%中空玻璃微球0.843524414室温37255120℃/16h22三、技术研究与应用情况（3）低密度中空玻璃微球钻井液研究与现场试验对于埋藏较深、出水量较大的煤层气井，空气钻井不适宜，为此进行了低密度钻井液的研究与试验。①确定了低密度中空玻璃微球钻井液配方钻井液配方及性能②进行了低密度钻井液的现场试验结果表明低密度钻井液具有良好的抗污染性能、稳定井壁和保护储层作用，显著提高了钻井效率。密度/3(g/cm)2#减轻剂3#减轻剂G级水泥超细水泥活性材料NS早强稳定剂LA-P降失水剂CM-L分散剂CM-D消泡剂SWX-1水0.9511.65%20.38%9.46%16.74%2.62%1.75%1.22%0.54%0.7%34.94%23三、技术研究与应用情况（4）超低密度水泥浆体系研究与现场试验为了保证钻井成果的延续和达到固井过程对储层的保护，开展了超低密度水泥浆体系的研究与试验。①确定了超低密度水泥浆体系配方②进行了超低密度水泥浆体系的现场试验结果表明超低密度水泥浆具有较高的抗压强度，20MPa下试压合格，固井合格率100%，很好地完成了固井任务。在12h时抗压强度达到5.61MPa，具有优异的早强功能。超低密度水泥浆体系配方密度为0.95g/cm3的水泥石样品CHINACBM24三、技术研究与应用情况（5）裸眼完井与套管射孔完井方式的对比试验进行了裸眼完井与套管射孔完井方式的对比试验，结果表明：沁水盆地南部煤层气开发井主要采用套管射孔完井方式。25日产气量（m/d）3日产水量（m/d）日产气量（m/d）3日产水量（m/d）3日产水量（m3/d）日产气量（m/d）日产水量（m/d）日产气量（m3/d）33326三、技术研究与应用情况120001000080006000400020000050100150200250300350400450500生产天数（d）6050403020100日产气量日产水量TS-003井排采曲线120001000080006000400020000050100150200250300350400450500生产天数（d）6050403020100日产气量日产水量TS-005井排采曲线12000100008000600040002000002004006008001000120014006050403020100日产气量日产水量12000100008000600040002000001002003004005006007008006050403020100日产气量日产水量生产天数（d）GSS-001井排采曲线生产天数（d）GSS-022井排采曲线裸眼完井压裂：套管射孔完井压裂：27①新型低伤害高效清洁压裂液特点：分子量小：300～400粘度较高：15.0mPa.s残渣：较少对煤层伤害低：11.5%摩阻低：约为清水的30%清洁压裂液扫描电镜照片三、技术研究与应用情况②新型煤粉分散活性水压裂液特点：对煤层伤害低：11.8%使煤粉在压裂液中均匀分布，降低施工压力在排液时，煤粉随着压裂液排出地层，避免堵塞裂缝通道未添加煤粉分散剂已添加煤粉分散剂（6）新型压裂液的研究与现场试验完成了新型低伤害高效清洁压裂液和新型煤粉分散活性水压裂液配方研发，并对清洁压裂液进行了2口井的现场试验。“清洁压裂液+盐”体系扫描电镜照片蠕虫状网状结构，携砂能力强。CHINACBM（7）进行了射流技术现场试验——目前已施工两口井，每口井6个分支，每支进尺100～150米。28类型投资（元/井）运行费用燃料费用（元/月）维护费用（元/月）合计（元/月）电动机75500112517502875气动机燃油4660090727009772燃气720700142029（8）气动机的应用试验气动机的优点：①降低投资成本；②取消了现场电力线路施工，安装简单、使用方便，减缓了工农矛盾；③利用自身井产出的气作为燃料时，运行维护成本显著降低。气动机与电动机的投资与运行费用对比表三、技术研究与应用情况防煤粉井下排采泵改造设计了小排量防煤粉排采泵，这种结构的排采泵可有效防止煤粉的沉淀卡泵，大大提高排采泵的免修期，减少排采成本。防煤粉泵原理图30三、技术研究与