煤层气藏评价与开采技术新进展

4油田新技术煤层气藏评价与开采技术新进展任何有煤的地方几乎都有煤层气。煤层气在采矿业被看做是危险的因素，但作为一种储量丰富的清洁能源，煤层气有巨大发展潜力，可替代其他正不断减少的烃类资源。最近的技术方法新进展正在成为我们开发这一非常规资源的得力助手。其中一些技术方法源于对常规油气作业中所使用的技术方法的改进，而其他一些则是针对煤炭的独有特征而专门设计的新型技术方法。《油田新技术》2009年夏季刊：21卷，第2期。©2009斯伦贝谢版权所有。在编写本文过程中得到以下人的帮助，谨表谢意：卡尔加里的DrazenkoBoskovic；Tuscaloosa阿拉巴马大学的PeterClark；俄克拉何马州俄克拉何马城的RickLewis，以及SugarLand的KevinEngland，DougPipchuk，PrachurSah，StevenSegal和FelixSoepyan。CBMA，CemNET，ClearFRAC，CoalFRAC，ECLIPSE，ECS，FMI，LiteCRETE，Litho-Density，MultiExpress，OSC，PeriScope，Petrel，PowerDrive和ThorFRAC等是斯伦贝谢公司的商标。Z-Pinnate是CDX天然气有限公司的商标。1.CoalBedMethane，（2009年2月22日浏览）。2.GlobalOverviewofCMMOpportunities，美国环境保护局煤层气扩展计划，2008年9月，（2009年3月1日浏览）。3.《已探明煤层气储量与产量》，美国能源部能源信息管理局，（2009年3月1日浏览）。4.有关煤层气更多的信息，请参见：AyoubJ，ColsonL，HinkelJ，JohnstonD和LevineJ：“LearningtoProduceCoalbedMethane”，OilfieldReview，3卷，第1期（1991年1月）：27-40。AndersonJ，SimpsonM，BasinskiP，BeatonA，BoyerC，BulatD，RayS，ReinheimerD，SchlachterG，ColsonL，OlsenT，JohnZ，KhanR，LowN，RyanB和SchoderbekD：“煤层天然气的开采”，《油田新技术》，15卷，第3期（2003年秋季刊）：8-315.BP世界能源统计年鉴，2008年6月，（2009年2月13日浏览）。最初人们发现煤块能够用作采暖及烹制食物的燃料时，很可能把它视为上天的礼物。而对于现代人来说，地下煤层中的煤层气（CBM）并没有如此重要的意义，但对于需要清洁能源的世界来说，这种天然气资源无疑是上天的又一馈赠。当今油气工业已认识到煤层气这种非常规资源的价值，因此煤层气勘探和开发正逐步在全球范围内展开，而不再仅局限于北美地区。AhmedAl-JuboriSeanJohnston加拿大艾伯塔省卡尔加里ChuckBoyerStephenW.Lambert美国宾夕法尼亚州匹兹堡OscarA.Bustos美国得克萨斯州SugarLandJackC.Pashin阿拉巴马地质调查局美国阿拉巴马州TuscaloosaAndyWray美国科罗拉多州丹佛52009年夏季刊CBM项目在近些年迅猛发展。澳大利亚在1995年还没有开始CBM生产，但到了2008年，已经在其广袤的地下煤藏中开采出40亿米3（1410亿英尺3）煤层气[1]。中国2006年的煤层气产量已超过140万米3（490亿英尺3）[2]。但与美国相比，上述产量相对较低。美国2007年的煤层气产量高达610亿米3（2.15万亿英尺3），占美国国内天然气供应的10%以上[3]。然而，所有这些国家的煤层气生产都具有重大意义，因为煤层气来自一种1985年前几乎没有被利用过的能源。当前全球的煤层气开发投资热表明这种可用作天然气替代能源的非常规资源已被广泛认可。在税收优惠政策的支持下，美国天然气工业从上世纪80年代开始开发煤层气[4]。此后不断完善CBM评价、钻井和开采的技术和方法，主要是对那些已经成功应用于常规油气开发的技术和方法进行改造，其它则是开发针对煤炭资源独有特征的技术和方法。CBM开采潜力评估主要靠实验室岩心分析和煤藏特征描述。CBM开发初期所采用的模型来自采矿业，此后煤田级评估技术获得长足进展。如今，人们已经充分认识到经济开采煤层气所需要考虑的各种因素。这种认识随着新气藏的不断发现而逐渐深入。此外，浅井和低密度煤藏专用仪器采集的数据使煤藏建模的精度不断提高。在CBM开发方面，并非只有建模和评价技术进展显著。几十年前，即使是在传统油气井领域，多水平段复杂分支井也很少有，但如今，这一技术已普遍应用于CBM钻井项目。业界已经开发出对煤层开采机理损害（如固井作业造成的损害）更小的完井技术，也已经设计出可提高CBM产量的增产液。本文概括介绍了当前煤层气的开采情况，描述了这一非常规矿藏在钻井、完井、评价和开采方面的最新进展。这些进展在许多煤矿区已见到成效，文中介绍了澳大利亚、加拿大和美国的应用实例。全球概况据最新资料显示，当今拥有最大已探明可采煤炭储量的国家是美国（28.6%），其后是俄罗斯（18.5%）、中国（13.5%）、澳大利亚（9.0%）和印度（6.7%）[5]。许多地区的浅层煤藏，如在英国和其他欧洲国家，均已得到广泛开采，而煤矿业未能触及的那些深煤层还有待开发。英国虽然只剩下少量可采储量，但从CBM估算储量上来看，仍然位居世界第六位（上图）。资金主要投向产煤大国，据估计，2008年这方面的投资总额高达120亿美元。CBM作业活动（过去或现在）,阿拉斯加1037万亿英尺3加拿大699万亿英尺3美国（不包括阿拉斯加）711万亿英尺3英国102万亿英尺3乌克兰42万亿英尺3俄罗斯1730万亿英尺3哈萨克斯坦23万亿英尺3印度71万亿英尺3澳大利亚1037万亿英尺3中国1307万亿英尺3^CBM储量和作业活动。CBM储量（深灰色）主要位于俄罗斯、美国（仅阿拉斯加州的储量估计达1037万亿英尺3）、中国、澳大利亚、加拿大、英国、印度、乌克兰和哈萨克斯坦。在69个煤炭储量较大的国家中，61%的国家已开始了不同形式的CBM作业活动，包括调查、试验或生产等。（美国能源部，参考文献3，BP世界能源统计年鉴，参考文献5）。6油田新技术者一般通过测量碎煤样的朗缪尔吸附等温线进行描述[11]。因为吸附气体的微孔隙的内表面积非常大，所以煤层有可能储存大量的煤层气（下一页，右上图）。煤层沉积后，其体积收缩产生的孔隙中也发现有少量甲烷气体。收缩发生在煤化作用过程中－在这个过程中，富含有机物的泥煤通过生物过程以及热和压力的作用转化成煤。在煤化过程中，水被驱出，基岩体积减小，形成正交裂缝或割理结构。一级割理（面割理）一般垂直于二级割理（端割理）。面割理通常是连续的，连通性好，而端割理一般不连续，常常终止于面割理。可通过分析常规岩心或解释井眼成像资料（如FMI微成像仪的测井资料）估算割理网络的规模。割理的空间分离和几何形状非常重要，因为这种天然裂缝是形成一定渗透率的主要机理。构造应力造成的沉积后断裂可能会提高整体渗透率，而过大的构造活动也可能导致渗透率降低。通常CBM生产需要进行地层脱水，以便降低煤藏压力。通过降低压力形成自由气，从而提高煤层的气体渗透率，促使气体流入井筒[12]。较低的煤层压力使吸附在煤表面的甲烷被释放，随后沿裂缝系统流入井筒。认识到煤层气的价值后，中国政府把煤层气开发选定为当前五年计划的16个重点开发项目之一。目标产量是到2010年达到100亿米3（3530亿英尺3），到2015年达到300亿米3（1.059万亿英尺3），到2020年达到500亿米3（1.765万亿英尺3）[6]。美国已形成了成熟的CBM工业，开发了10个主要盆地。美国本土各州基本都已进行过CBM储量勘探，但拥有丰富储量的阿拉斯加州还没有进行大规模的调查，该州估计储量在30万亿米3（1000万亿英尺3）以上[7]。澳大利亚的煤层气产量仅次于美国。澳大利亚从上世纪90年代中期才开始小规模的煤层气商业开采，到2008年，已开采出40亿米3，产量在前一年基础上增加了39%[8]。印度也拥有丰富的煤炭资源，而且多数都适合煤层气开发。一些传统开采方法无法触及的深层煤藏的CMB也有待开发。1997年，印度政府制定了煤层气开发政策，并划分了多个勘探区块。印度的CBM商业开采始于2007年[9]。在CBM开发方面，俄罗斯潜力巨大却尚未发挥：根据资料来源的不同，俄罗斯的CBM储量估计为17－80万亿米3（600－2825万亿英尺3）。到2009年初为止，俄罗斯总共才钻了几口井，用以评估CBM的商业开采潜力。然而，由于政治和市场因素的影响，这一局面或许已经在发生变化。俄罗斯西部开采出的天然气售往欧洲。可以开发集中于西伯利亚中部的CBM供俄罗斯中部的重工业使用，这样就可将更多天然气售往西方。从任何盆地开发煤层气都会面临一些挑战，包括经济、地质、后勤和作业各方面的问题，其中最大的问题是如何处理产出水。吸附、煤化和脱水煤层气藏与常规储藏有着诸多方面的差异，最大不同在于产水和储气机理。因为天然气圈闭并储存在基岩的孔隙系统中，所以多数油气藏的油气储存能力与孔隙度有关。煤的固有孔隙度为中等，但其储气量是同体积同压力条件下砂岩储气量的七倍以上。煤的气体储存能力主要取决于煤的品级。高品级煤－烟煤和无烟煤－最可能储存甲烷（下图）。但是，高储气能力并不是成功进行煤层气生产的必要条件[10]。低品级煤中的甲烷是微生物活动产生的，高品级煤中的甲烷是在其中的有机化合物热成熟过程中形成的。一旦形成之后，甲烷就被弱分子间引力－范德瓦尔斯力－吸引束缚到那些形成煤的有机物质上。煤的储气能力与压力和被吸附气体的含量有关，后^储气能力、煤品级和甲烷生成机理。储气能力是煤品级和压力的函数，随着煤发育成熟，其吸附能力不断提高（左）。在所有品级的煤中，无烟煤（绿色）具有最大的储气能力，其次是不同品级的烟煤（红色、橘色和黄色）。甲烷是通过生物活动（生物降解）和热作用（右）生成的。甲烷被吸附在形成煤的有机物质的表面上。当有机物质转换成高品级煤，并被大量的热量包围后，生物作用过程停止。然而，如果流体运动又带来了新的微生物，生物过程会再次发生。热成熟形成的甲烷生物甲烷、氮和二氧化碳产气量增加煤品级增高褐煤亚烟煤烟煤无烟煤石墨1,000吸附气量，标准英尺3/吨（干燥，不含灰）1,200800600400200002004006008001,000压力，psia无烟煤中等挥发烟煤高挥发烟煤A高挥发烟煤B72009年夏季刊气体从煤颗粒内表面解吸煤基岩面割理端割理流体流入天然裂缝网络气体通过基岩和微孔扩散6.HonglinL，GuizhongL，BoW，YibingW和YanxiangL：“HighCoalRankExplorationPotentialofCoalbedMethaneandItsDistributioninChina”