為加快深層煤層氣高質(zhì)量勘探和高效開發(fā)，中國石化近期在山西省臨汾市召開了深層煤層氣專題研討會，并舉行了中國石化深層煤層氣勘探開發(fā)重點實驗室揭牌儀式。與會專家圍繞中國石化煤層氣勘探開發(fā)現(xiàn)狀、面臨的問題等進行深入研討。
我國化石能源資源稟賦是“富煤、貧油、少氣”，煤層氣作為清潔高效的非常規(guī)資源，其有效開發(fā)對煤礦減災(zāi)、環(huán)境保護和能源安全具有重要意義。
全球煤層氣資源量超過270萬億立方米，主要分布于俄羅斯、加拿大、中國、美國，約占總量的89%。國外以低階煤層氣為主，具有演化程度低、儲集物性好、游離氣含量高等地質(zhì)特征，形成了以多分支水平井、裸眼完井等為主導(dǎo)的開發(fā)技術(shù)體系，美國、澳大利亞高峰期煤層氣年產(chǎn)量400億~500億立方米。
我國煤層氣在鄂爾多斯、沁水、吐哈、準(zhǔn)噶爾、松遼、塔里木、四川等盆地均有分布，目前開發(fā)以高階煤層氣為主，具有演化程度高、儲集物性差、吸附能力強等地質(zhì)特征，資源量約70.76萬億立方米，其中深層煤層氣資源量豐富，1500米以深資源量約50.17萬億立方米，占比70.9%。
“十四五”以來，我國煤層氣探明儲量年均增長2200億立方米，產(chǎn)量年均增長14.3億立方米，產(chǎn)業(yè)發(fā)展勢頭強勁，2022~2023年在鄂爾多斯盆地發(fā)現(xiàn)神府、大吉、納林河3個千億立方米大氣田，新增探明儲量4475億立方米。2023年，我國煤層氣產(chǎn)量達到117.7億立方米，比上年增長20%，深層煤層氣占比超15%，成為天然氣儲量、產(chǎn)量的新增長點。
煤層氣成為增儲上產(chǎn)的重要接替領(lǐng)域
從層系上看，我國主要發(fā)育以鄂爾多斯、四川、渤海灣等盆地為代表的石炭-二疊系煤層，沉積環(huán)境為海陸過渡相，分布面積廣、資源量大，以及以準(zhǔn)噶爾、吐哈、二連盆地為代表的侏羅-白堊系煤層，沉積環(huán)境為河-湖相，局部煤層厚度較大，煤層氣富集。高、中、低不同煤階的煤層氣資源結(jié)構(gòu)完整，地質(zhì)資源量各約占1/3。
我國深層煤層氣評價井前期主要分布在鄂爾多斯盆地，2016年中國海油最早開展深層煤層氣探索，之后中國石油、中國石化均開展勘探評價，開發(fā)方式從直井向水平井、叢式井高效開發(fā)轉(zhuǎn)變，深層煤層氣產(chǎn)量占比逐年增加。
鄂爾多斯、四川、沁水、南華北、渤海灣等盆地以中、高階煤為主，具有高含氣量、富含游離氣的特點，資源量超過7萬億立方米，勘探潛力巨大。準(zhǔn)噶爾、吐哈、海拉爾、二連等盆地以中、低階煤為主，儲集性能好、游離氣占比高，但含氣量相對較低，資源量近萬億立方米。經(jīng)初步優(yōu)選評價，鄂爾多斯、沁水、四川及渤海灣等盆地重點區(qū)的中、高階深層煤層氣資源豐富，發(fā)展前景最為廣闊，是未來重要的資源接替領(lǐng)域。
中國石化華東油氣分公司主要在華北、南方兩大富煤區(qū)開展煤層氣勘探開發(fā)，于2008年率先吹響了向煤層氣領(lǐng)域進軍的號角，面對 “三低（低孔、低滲、低壓）”難題，創(chuàng)新形成“沉積控煤、保存控富、地應(yīng)力控滲、壓裂有效改造控產(chǎn)”的“四元耦合”地質(zhì)理論；大膽提出“升排量、擴規(guī)模、強鋪砂”的壓裂技術(shù)理念；探索“串枝化、大平臺、井工廠”鉆井運行模式和差異化開發(fā)技術(shù)政策，建成我國首個深層煤層氣田——延川南煤層氣田。該氣田經(jīng)歷勘探評價、產(chǎn)能建設(shè)、開發(fā)調(diào)整三個階段，2015年建成產(chǎn)能4.2億立方米/年，之后6年連續(xù)效益上產(chǎn)，截至目前累計產(chǎn)氣30.6億立方米。2023年，華東油氣在貴州織金新增探明儲量113億立方米，發(fā)現(xiàn)了中國石化第二個煤層氣田。
歷經(jīng)10余年持續(xù)攻關(guān)研究和現(xiàn)場實踐，中國石化實現(xiàn)了延川南效益開發(fā)、織金商業(yè)發(fā)現(xiàn)，大牛地、南川、晉中取得多點多類型勘探突破，累計提交探明儲量321.14億立方米，生產(chǎn)煤層氣31.5億立方米，煤層氣成為中國石化天然氣增儲上產(chǎn)的重要接替領(lǐng)域，迎來創(chuàng)新發(fā)展新機遇。
創(chuàng)新認(rèn)識煤層氣賦存與富集機理
“十四五”以來，深層煤層氣突破傳統(tǒng)認(rèn)識的深度禁區(qū)，在鄂爾多斯盆地石炭-二疊系、四川盆地二疊系、準(zhǔn)噶爾盆地侏羅系取得一系列戰(zhàn)略突破和重大進展，多口井表現(xiàn)為高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，形成增儲上產(chǎn)新陣地。
中國石化不斷創(chuàng)新完善基礎(chǔ)理論和技術(shù)體系，通過持續(xù)探索攻關(guān)深層煤層氣基礎(chǔ)地質(zhì)研究，認(rèn)識到強覆水還原環(huán)境形成的低灰半亮-光亮煤為有利巖相，其發(fā)育的微孔與介孔的孔容相對較高、比表面積大、裂縫較發(fā)育，總孔隙度高，有利于吸附氣和游離氣賦存。煤巖吸附性能存在“臨界深度”，由于演化程度、埋藏深度、保存條件的不同，煤層氣賦存方式存在差異。保存條件好的區(qū)域，中、高階煤深層煤層氣具有高含氣、富含游離氣（占比20%~25%）的特征，突破了煤層氣以吸附氣為主的傳統(tǒng)認(rèn)識，有力支撐了煤層氣向深層拓展。
大牛地氣田是深層煤層氣富集有利區(qū)。中國石化華北油氣分公司在大牛地氣田部署實施的水平井陽煤1HF井壓裂測試獲日產(chǎn)10.4萬立方米，持續(xù)穩(wěn)定高產(chǎn)1年，平均日產(chǎn)6.3萬立方米，累計產(chǎn)氣2738萬立方米；直井石103井穩(wěn)產(chǎn)1年，平均日產(chǎn)2萬立方米，累計產(chǎn)氣683萬立方米，進一步證實大牛地氣田深層煤層氣具有高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)能力。2023年，大牛地氣田提交預(yù)測儲量1227億立方米。與此同時，華東油氣在重慶南川部署實施的陽2井自噴日產(chǎn)氣1.8萬立方米，率先實現(xiàn)四川盆地深層煤層氣勘探重大突破。山西晉中晉2井測試日產(chǎn)氣1.1萬立方米，實現(xiàn)沁水盆地深層煤層氣勘探新突破。
深層煤層氣勘探存在的問題主要表現(xiàn)為資源稟賦差異大，富集規(guī)律有待深化，煤層薄、“甜點”預(yù)測難度大，開發(fā)規(guī)律不明，水平井成井難、煤層鉆遇率不高，煤儲層非均質(zhì)性強、改造難度大。石油勘探開發(fā)研究院專家劉曾勤認(rèn)為，需要攻關(guān)不同類型深層煤層氣刻度區(qū)（標(biāo)準(zhǔn)模型）與分類分級評價技術(shù)、深層煤儲層表征技術(shù)、深層煤層游離氣評價技術(shù)、深層煤層氣“甜點”預(yù)測技術(shù)、深層煤層氣有利區(qū)優(yōu)選技術(shù)等。
強化地質(zhì)工程一體化研究及現(xiàn)場攻關(guān)
中國石化不斷探索深層煤層氣富集高產(chǎn)規(guī)律，通過解析典型含煤盆地成煤、生烴、儲集、賦存特征，石油勘探開發(fā)研究院初步提出“有利煤巖煤質(zhì)、良好保存條件、溫壓耦合作用”控氣機理，初步建立深層煤層氣儲層測井評價和“甜點”地震預(yù)測方法系列，攻關(guān)探索煤層厚度、煤巖類型、煤體結(jié)構(gòu)和含氣量等預(yù)測技術(shù)，支撐“甜點”層段優(yōu)選?；谏顚用簩託獾刭|(zhì)工程一體化選區(qū)，優(yōu)選了10個有利勘探區(qū)帶，有利區(qū)面積1.9萬平方千米，資源量3.3萬億立方米。
根據(jù)深層煤層氣勘探需求，科研人員以“甜點”評價為目的，石油物探技術(shù)研究院初步形成以下關(guān)鍵技術(shù)序列：基于深度域處理精細(xì)構(gòu)造落實技術(shù)，提高微幅構(gòu)造、小斷層的成像及識別精度，構(gòu)造誤差可控制在1‰；疊后拓頻及多井約束反演技術(shù)，開展煤層（光亮煤）定量預(yù)測；地層壓力、地應(yīng)力預(yù)測技術(shù)，實現(xiàn)煤層工程“甜點”評價。石油工程技術(shù)研究院首席專家鮑洪志指出，中國石化在深層煤層氣鉆井提速技術(shù)、軌道設(shè)計及軌跡控制技術(shù)、井壁穩(wěn)定技術(shù)及高性能水基鉆井液、煤層固井技術(shù)、“大排量、大液量、大砂量”儲層改造工藝、高效排水采氣工藝技術(shù)體系等方面均取得了較大進展。
華東油氣針對煤層厚度較薄、煤體結(jié)構(gòu)較好、演化程度中高、含氣量較高、煤層及頂?shù)装宓V物組成和巖石力學(xué)特征差異較大等地質(zhì)特征，以效益動用為目標(biāo)，攻關(guān)形成延川南薄煤層水平井優(yōu)快鉆完井、有效支撐壓裂技術(shù)；配套織金、晉中、南川適宜井型，優(yōu)化完善以控縫高為核心的變排量壓裂工藝，初步探索形成了不同區(qū)塊的工程工藝模式。
針對氣井產(chǎn)能低、達產(chǎn)后遞減快、無穩(wěn)產(chǎn)期的現(xiàn)狀，華東油氣開展煤儲層特性再認(rèn)識，深部煤巖塑性強、割理發(fā)育，常規(guī)壓裂工藝難以形成遠(yuǎn)距離有效支撐裂縫，他們攻關(guān)探索形成“升排量、擴規(guī)模、強鋪砂”的有效支撐壓裂技術(shù)。有效支撐壓裂井表現(xiàn)為“初期液量大、見氣快、初產(chǎn)高、低壓穩(wěn)產(chǎn)能力強”，建立“三階段”排采管理模式，排水降壓期優(yōu)化排采工藝合理快排，上產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)期精細(xì)管理控壓保穩(wěn)產(chǎn)，遞減階段強化地面增壓及老井治理延緩遞減，保障氣井穩(wěn)定生產(chǎn)。
針對薄煤層水平井穩(wěn)定穿層難、鉆遇率低的問題，華東油氣提出“有效鉆遇率”理念，攻關(guān)“導(dǎo)向-壓裂-排采”一體化開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)，導(dǎo)向不盲目追層，保證軌跡平滑利于排采，采用靶向精準(zhǔn)壓裂擴大橫向波及范圍，未鉆遇煤層段充分改造，實現(xiàn)深薄煤層水平井效益動用。
華北油氣持續(xù)迭代鉆井技術(shù)，提速提效成果初步顯現(xiàn)。針對上部地層漏塌疊合、煤層井壁失穩(wěn)且非均質(zhì)性強、規(guī)模壓裂要求及鉆完井成本高等難題，他們以“優(yōu)快安全成井”為目標(biāo)，集成“井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化+強抑制強封堵復(fù)合鹽鉆井液+綜合地質(zhì)導(dǎo)向軌跡控制+防機械擾動鉆進及起鉆措施+彈韌性水泥漿固井工藝”，為深部煤層氣后期作業(yè)提供優(yōu)質(zhì)井筒環(huán)境。采用標(biāo)志層逐層逼近、85度井斜入頂、亮煤警戒線控靶窗、方位GR（自然伽馬）定位置、元素錄井定巖性、鉆壓微調(diào)井斜等措施，初步形成深層煤層氣地質(zhì)工程一體化綜合地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)。通過3口井技術(shù)總結(jié)、迭代提升，初步形成了井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、綜合地質(zhì)導(dǎo)向、強抑制強封堵防塌鉆井液、彈韌性水泥漿固井等鉆井技術(shù)。
煤層氣產(chǎn)業(yè)面臨的挑戰(zhàn)及對策思路
我國煤層氣具有煤儲層品質(zhì)差、非均質(zhì)性強、成藏類型多樣、富集與滲流機理復(fù)雜等地質(zhì)特征，煤層氣產(chǎn)業(yè)面臨基礎(chǔ)研究薄弱、技術(shù)適配性差、效益開發(fā)難度大等挑戰(zhàn)，制約了煤層氣規(guī)模效益開發(fā)。
深部煤層吸附氣、游離氣共存，儲集條件、賦存規(guī)律、吸附解吸機理復(fù)雜，對儲層孔縫表征、賦存機制、解吸擴散滲流過程研究不深入，影響“甜點”目標(biāo)優(yōu)選及開發(fā)方式優(yōu)化。同時，受前期地質(zhì)認(rèn)識不充分影響，已部署老井在壓裂工藝、井網(wǎng)部署等方面存在不足，需要通過重復(fù)壓裂等方式對老井進行再評價。
中國工程院院士，中國石化總地質(zhì)師、石油勘探開發(fā)研究院院長郭旭升指出，經(jīng)過10多年的不懈努力，中國石化在深層煤層氣勘探開發(fā)方面取得了進展，初步建立了開發(fā)方法，尤其是近年來配套工程工藝技術(shù)也得到發(fā)展。他指出，要扎實推進資源評價，加大深層煤層氣預(yù)探力度，加快深層煤層氣示范區(qū)域建設(shè)，推動煤層氣高質(zhì)量勘探和規(guī)模效益開發(fā)；加強基礎(chǔ)研究和系統(tǒng)宏觀研究，形成配套的技術(shù)體系；加強不同類型深層煤層氣富集高產(chǎn)規(guī)律研究，開展深層煤層氣資源分類分級評價，持續(xù)攻關(guān)深層煤層氣配套工程工藝技術(shù)；完善深層煤層氣人才隊伍建設(shè)，加大國內(nèi)外深層煤層氣合作交流力度；加強組織協(xié)調(diào)和管理工作，統(tǒng)籌科技攻關(guān)體系。
目前，深薄煤層水平井鉆完井技術(shù)不成熟，受含煤地層沉積條件差異控制，各區(qū)塊煤層及頂板巖性組合、礦物組成、裂縫發(fā)育程度及頂板應(yīng)力差異大，影響水平井鉆井井壁穩(wěn)定，煤層厚度薄，且位于構(gòu)造復(fù)雜區(qū)，軌跡頻繁出層。不同煤巖特征、頂板巖性組合條件下有效支撐壓裂技術(shù)不適應(yīng)。大規(guī)模注液加砂條件下，氣井產(chǎn)液量大，穩(wěn)定高效排水采氣工藝不成熟，排采易中斷，同時返排過程中壓裂砂易返吐，影響氣井產(chǎn)能。
華東油氣副總經(jīng)理何希鵬認(rèn)為，要持續(xù)加強不同地質(zhì)條件下煤儲層儲集空間類型、賦存狀態(tài)、儲集解吸機理研究，落實不同區(qū)塊深層煤層氣富集主控因素，指導(dǎo)“甜點”目標(biāo)優(yōu)選及開發(fā)方式優(yōu)化；加強深薄煤層氣水平井成井技術(shù)攻關(guān)，開展深層煤層氣井壁失穩(wěn)機理分析研究，以實現(xiàn)“有效應(yīng)力”支撐為核心，在井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化、鉆井液優(yōu)選基礎(chǔ)上開展鉆井防垮、防卡技術(shù)探索試驗，逐步提升優(yōu)化，實現(xiàn)深層煤層氣水平井安全高效成井；持續(xù)優(yōu)化不同地質(zhì)條件下有效支撐壓裂技術(shù)，基于不同區(qū)塊地應(yīng)力、煤體結(jié)構(gòu)、孔裂隙發(fā)育等特點，有針對性開展技術(shù)攻關(guān)，實現(xiàn)裂縫遠(yuǎn)支撐，形成不同地質(zhì)條件下儲層壓裂改造方案；深化煤儲層壓力擴散機理研究和儲層敏感性評價，持續(xù)優(yōu)化分階段合理排采制度，確保壓降漏斗擴散至遠(yuǎn)端；開展地層防砂防煤粉工藝技術(shù)攻關(guān)試驗，研制低溫固結(jié)砂，建立擋砂屏障，防止壓裂液將煤粉攜帶出地面，實現(xiàn)源頭出砂治理，降低儲層傷害，保障氣井平穩(wěn)生產(chǎn)。
在深層煤層氣鉆探過程中，由于煤層地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜、地質(zhì)認(rèn)識不足，導(dǎo)致鉆完井工程面臨時效低、成本高、水平井安全成井難等問題，制約了深層煤層氣規(guī)模效益開發(fā)。鮑洪志認(rèn)為，應(yīng)強化深層煤層氣地質(zhì)及物探技術(shù)研究，提高地質(zhì)預(yù)測精度，為水平井安全成井提供基礎(chǔ)支撐，深入開展各類型煤層井壁失穩(wěn)機理及井壁穩(wěn)定技術(shù)研究，確保水平井安全成井。攻關(guān)地質(zhì)工程一體化軌跡控制技術(shù)，提高煤層鉆遇率。強化RTOC（實時遠(yuǎn)程專家支持中心）遠(yuǎn)程支持，實時預(yù)警及優(yōu)化參數(shù)，保障安全順利鉆進。深化降摩減扭及井眼清潔技術(shù)研究，保障大井臺安全高效鉆井。開展長裸眼段漏塌同治技術(shù)研究，實現(xiàn)二級井身結(jié)構(gòu)井順利完井。攻關(guān)不同類型煤層體積改造工藝技術(shù)及配套流體，探索微泡沫少水壓裂技術(shù)，進一步提升壓裂改造適應(yīng)性和經(jīng)濟性。
石油物探技術(shù)研究院專家曹少蕾認(rèn)為，要提高單井產(chǎn)能，推廣以EUR（評估的最終可采儲量）為核心的“極限開發(fā)”模式，需要進一步提高物探的預(yù)測精度，開展深層煤層氣巖石物理實驗及建模，為深層煤層氣敏感參數(shù)優(yōu)選和地震識別模式建立提供依據(jù)。加強三維DAS-VSP（分布式聲波傳感垂直地震剖面）、Q-RTM（黏聲逆時偏移）等新技術(shù)引進，提升深層煤系地層成像精度，同時開展多學(xué)科一體化研究，有效評價深層煤層氣壓裂效果。
何希鵬認(rèn)為，未來的煤層氣勘探將由單煤層、高階煤、淺層，向多煤層、多氣合采、中低階煤、中深層拓展，開發(fā)上探索多井型、差異改造、改性置換、升溫增能、原位轉(zhuǎn)化等開采新技術(shù)，工程上向著低成本高端化、智能化、綠色低碳化發(fā)展。
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●什么是煤層氣？
煤層氣又稱煤礦瓦斯，是指儲存在煤層中以甲烷為主要成分，以吸附在煤基質(zhì)顆粒表面為主、部分游離于煤孔隙中或溶解于煤層水中的烴類氣體，是煤的伴生礦產(chǎn)資源，屬于非常規(guī)天然氣。
●深層煤層氣有什么特點？
通常埋藏深度超過1500米為深層煤層氣。與淺層煤層氣不同，深層煤層氣具有儲層壓力高、含氣量大、游離氣豐富等特點。
●低階煤和中、高階煤有何區(qū)別？
根據(jù)煤化程度不同，分為低階煤和中、高階煤。
低階煤的含碳量較高，通常為75%～90%，揮發(fā)分含量相對較高，通常為10%～40%。由于煤化程度較低，利用方式主要包括直接燃燒發(fā)電、氣化、液化及煤熱解等。
中、高階煤的煤化程度較高，通常鏡質(zhì)組反射率在0.8%以上，含碳量更高，燃燒時產(chǎn)生的熱量也較多，主要用于煉焦、氣化等工業(yè)領(lǐng)域，也可直接用作燃料。
中國石化深層煤層氣勘探開發(fā)重點實驗室揭牌
為做精做強優(yōu)勢技術(shù)，提高自主和協(xié)同創(chuàng)新能力，全力支撐中國石化煤層氣規(guī)模效益開發(fā)，7月1日，中國石化深層煤層氣勘探開發(fā)重點實驗室揭牌成立，這是中國石化在深層煤層氣領(lǐng)域取得的重要成果，也是科技創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)升級的又一重要標(biāo)志。
實驗室依托華東油氣、華北油氣和上游三大直屬研究院共同建設(shè)，以煤層氣產(chǎn)業(yè)重大需求為導(dǎo)向，面向制約煤層氣勘探開發(fā)的重大理論和技術(shù)難點，搭建產(chǎn)學(xué)研用協(xié)同創(chuàng)新平臺，創(chuàng)建國內(nèi)一流創(chuàng)新性、應(yīng)用性、開放性合作交流平臺、技術(shù)研發(fā)中心和人才培養(yǎng)高地，開展煤層氣基礎(chǔ)地質(zhì)研究和勘探開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，豐富煤層氣成藏地質(zhì)理論、富集機理與高效開發(fā)理論，打造國家級原創(chuàng)技術(shù)策源地，培育高水平科研團隊，推進鄂爾多斯盆地深層、四川盆地深薄煤層、南方多薄煤層3個煤層氣示范基地建設(shè)，引領(lǐng)中國石化煤層氣產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。
