基金項目:國家973項目(2009CB219607)和國家重大科技專項“大型油氣田及煤層氣開發”33，43(2011zx 05033-001\?，2010)。
作者簡介:王壹兵，男，6月出生，1966，2008年在中國地質大學(北京)獲得博士學位。高級工程師，多年從事煤層氣勘探開發綜合研究。E-mail:wybmcq69@petrochina.com.cn
(1.中國石油勘探開發研究院廊坊分院廊坊065007；2.中國石油渤海鉆探公司測井二公司天津300457)
通過對中國煤層氣開發歷史和現狀的分析，總結出20世紀80年代以來，中國煤層氣開發經歷了預評價、勘探選擇、開發試驗和規模開發四個階段。在分析我國煤層氣地質條件的基礎上，認為已發現的煤層氣田(富集區)煤層普遍演化程度高，滲透率低；總結了適合我國復雜地質條件的煤層氣配套開發技術，包括鉆完井技術、儲層保護技術、水力壓裂技術、排采控制技術等。並分析了各種技術的應用效果。認為我國淺、中、高煤階煤層氣開發技術基本成熟。在此基礎上，預測了改善我國煤層氣開發效果的技術發展方向。
關鍵詞:煤層氣開發技術壓裂排水
中國煤層氣產業發展現狀及技術對策
王壹冰1楊嬌生1王金友2周元剛2鮑慶英1
(1.中國石油石油勘探開發研究院廊坊分院，廊坊065007；2.中國石油渤海鉆探公司第二測井公司，天津300457
文摘:通過對中國煤層氣開發歷史和現狀的分析，總結出從1980年代以來煤層氣開發的四個階段，即“前期評價、勘探與區域優化、開發試驗、規模開發”。通過對地質條件的分析，揭示了已發現的煤層氣田普遍具有高演化程度、低滲透率的特點。同時，總結了適合我國復雜地質條件的煤層氣開發配套技術，包括鉆完井技術、煤層保護技術、水力壓裂技術和脫水控制技術，並對各項技術的應用效果進行了評價。總體而言，可以認為淺於1000 m的中高煤階煤層氣開發技術已基本成熟。最後，預測了技術的發展方向。
關鍵詞:煤層氣；開發技術；水力壓裂；脫水
中國煤層氣資源豐富。預測2000m淺層煤層氣資源量為36.8萬億m3(國土資源部，2006)，可采資源量約為11萬億m3，僅次於俄羅斯和加拿大，超過美國，居世界第三位。大規模開發國內豐富的煤層氣資源，可以在壹定程度上減少我國對進口油氣的依賴，同時對實現我國能源戰略接替和可持續發展，降低煤礦瓦斯含量和瓦斯排放，減少煤礦瓦斯災害，保護大氣環境具有重要意義。
1煤層氣規模開發已經啟動，產業初步形成。
80年代後期以來，國內石油、煤炭和地礦系統的企業和科研單位，以及國外壹些公司，在國內30多個含煤區進行了勘探、開發和技術試驗，在安徽省沁水盆地、韓城、大寧-吉縣、柳林-興縣、淮北煤田、遼寧省阜新煤田獲得了高產氣。截至2010年底，我國已探明煤層氣地質儲量331100萬m3。根據不同煤級煤層氣特征，掌握了實驗室分析和地質評價技術、直井/叢式井鉆完井、多分支水平井鉆井技術、空氣/泡沫鉆井和水平井註氣保壓欠平衡儲層保護技術、註入/壓降試井技術。壓裂增產、排水等系列技術在沁水盆地南部、鄂爾多斯盆地東緣、寧武盆地南部、阜新煤田、鐵法煤田、淮南淮北等地獲得了具有經濟價值的穩定氣流，為規模化開發準備了可靠的資源和技術條件。
近年來，隨著國內天然氣市場的快速發展和天然氣基礎管網的逐步完善，煤層氣的發展迎來了前所未有的機遇。特別是2007年，政府出臺了煤層氣開發補貼政策，極大地調動了相關企業投資煤層氣產業的積極性，促進了煤層氣產業的快速發展。近年來，我國煤層氣開發井數從不足100口增加到5240多口(其中水平井約100口)，已建煤層氣產能約30億m3/年，年產氣超過1.5億m3(圖1)，預計“十二五”期間，我國地面鉆井開發的煤層氣產量可達654.38+00以上
中國煤層氣開發主要經歷了四個階段(圖2)。
圖1中國歷年煤層氣開發井及產量圖。
中國煤層氣開發階段劃分。
80年代預評價階段:在全國30多個煤層氣靶區開展了預地質評價研究；
1992~2000勘探選擇階段:在江西豐城、湖南冷水江、柳林、晉城、河北唐山、河南峰峰、焦作、陜西韓城鉆煤層氣井，在柳林、晉城、阜新進行小井組試驗；
2000-2005年開發試驗階段:在山西沁水、陜西韓城、遼寧阜新進行開發先導試驗；
2006年至今，規模開發階段:沁水煤層氣田煤層氣地面開發、鄂東煤層氣田韓城區塊、柳林區塊、遼寧阜新、鐵法等地煤層氣初步形成規模，進入商業化開發階段。特別是2007年，國家出臺開采補貼政策，每生產1立方米煤層氣，國家補貼0.2元，極大地調動了生產企業的積極性，增加了投資，煤層氣產業進入快速發展階段。2010年，全國煤層氣產量達到15億立方米。
2煤層氣開發技術現狀
在多年的勘探開發實踐中，根據我國煤層氣地質特點，逐步摸索出適合我國國情的鉆完井、地面建設、集輸處理等配套技術。，形成了以中國石油、中聯煤層氣、晉煤集團等國有大型煤礦集團為代表的煤層氣開發實體和有實力的國際大型能源公司，以及鉆完井、地面施工、壓縮運輸等煤層氣技術服務隊伍，總能力1000m。
不同演化程度煤層的煤巖性質不同，主要表現在煤巖的壓實程度、機械強度和吸附能力，其含氣量、滲透率和井壁穩定性差異較大(王壹兵等，2006)。因此，不同煤階的煤層氣資源需要相應的技術手段來開發。經過多年的勘探開發，中國已初步形成了壹系列煤層氣開發、鉆井、完井、壓裂和排水技術。
2.1鉆完井技術
2.1.1中低煤階高滲透區煤層氣開采空氣鉆井裸眼/洞穴完井技術。
在我國，低煤階區煤層滲透率壹般大於10mD，中煤階高滲透區煤層滲透率也可大於5mD。對於這種高滲透煤層的煤層氣開采，壹般不需要壓裂(低煤階煤層機械強度低，壓裂容易形成大量煤粉堵塞解理)，可采用裸篩管完成煤層段或采用洞穴完井方式， 並且可以根據煤層在應力變化時容易坍塌的特點建造洞穴，擴大煤層暴露面積，增加鉆孔施工中使用空氣/泡沫鉆進，不僅可以提高機械鉆速，還可以有效減少煤層汙染。
裸眼洞穴完井在國外壹些煤層氣田的開發中取得了很好的效果，如美國的聖胡安盆地和汾河盆地(趙慶波等，1997，1999)，特別是在高滲透超壓煤層氣田的開發中。
有兩種常用的井筒結構:
(1)是目前廣泛使用的井身結構，適用於造穴後不下套管，穩定性好的煤儲層。
(2)造穴後下篩管，適用於穩定性差的儲層。
該技術已在鄂爾多斯盆地東緣、湖南冷水江和新疆準噶爾南部的煤階中進行了試驗，效果不理想，需要進壹步探索和完善。
2.1.2中高煤階中滲區大井組直井壓裂開采煤層氣技術
中高煤階滲透區煤層滲透率壹般為0.5~5mD，套管射孔加砂壓裂的單井增產效果最為明顯。關鍵技術在於鉆大井組壓裂後長時間連續抽采，實現大面積降壓後，煤層吸附的大量甲烷氣體解吸產氣。這項技術在中國應用最廣泛，也最成熟。大多數深度小於1000米的煤層氣井，如沁水盆地南部的韓城、三交和柳林地區，鄂爾多斯的東緣，以及遼寧阜新含煤區的劉佳區塊，都取得了良好的效果。大部分井獲得了2000~10000m3/d的穩定氣流量，數百口井已穩定5~10年。
2.1.3中高煤階低滲透區煤層氣多分支水平井開采技術
該技術主要適用於機械強度高、井壁穩定的中高煤級含煤區。通過鉆多分支井，增加了煤層暴露面積，溝通了天然劈理和裂縫，提高了單井產量和采收率，效果十分顯著。同時，對於低滲透性(
煤層氣多分支水平井是指在壹個或兩個主水平鉆孔旁邊鉆多個分支鉆孔作為氣體泄漏通道。分支鉆孔可以穿越更多的煤層解理裂隙系統，最大限度地溝通裂隙通道，增加氣體泄漏面積和氣體流動滲透率，使更多的甲烷氣體進入主通道，提高單井產氣量。多分支水平井集鉆井、完井和增產措施於壹體(王壹兵等，2006)，是開發煤層氣的主要手段之壹。該技術具有三大技術優勢:壹是可提高單井產量，約為直井產量的6~10倍，同時可減少鉆前工程、占地面積、設備搬遷、鉆井工作量和鉆井液消耗，節省套管和地面管線及氣田的管理和作業費用，從而提高開發的綜合效益；其次，它可以加快采氣速度，提高原油采收率。利用直井開采80%的可采儲量需要15~20年，而利用分支水平井開采70%~80%只需要5~8年(李武忠等，2006)，可以大大提高煤層氣的采收率；三是多分支水平井水平鉆孔不需要下套管和壓裂，避免了壓裂對煤層頂底板的傷害，便於後續采煤。是采煤前采氣的最佳配套技術。
目前，沁水盆地、鄂爾多斯盆地東緣、寧武盆地已完成多分支水平井6543.8+000多口，沁水盆地南部單井日產量達到8000-55000 m3，最高日產量達到10萬m3，是直井壓裂法的4-654.38+00倍。
2.2儲層保護技術
2.2.1煤層氣空氣鉆井技術
主要有空氣鉆井和泡沫鉆井技術，主要優點是可以實現欠平衡鉆井，煤層損害小，機械鉆速快，鉆井周期短，綜合鉆井成本低。然而，空氣/泡沫鉆井也有局限性，不適用於任何地層。因為空氣/泡沫不能攜帶保持井眼穩定的添加劑，所以不能直接用空氣鉆透不穩定的地層。當鉆入含水層時，鉆屑和細小的灰塵會變成段塞。因為液體出現在環空中，會潤濕水敏頁巖，導致井塌卡鉆。此外，濕鉆屑會粘在壹起，在鉆桿外壁上形成泥餅環，無法通過空氣從環空帶上來。填充環空時，氣流受阻，鉆桿被卡。此外，當這些間歇氣團沿著井眼向上移動時，它們將阻塞地面設備，並對井眼壁產生不穩定的影響。因此，空氣鉆井的關鍵是保持井壁的穩定。
2.2.2水平井註氣保壓欠平衡保護技術
多分支水平井主井與溶洞井連接後，在水平井鉆井過程中，將油管放入溶洞直井中，將封隔器放入溶洞直井中，然後通過油管將氣體註入溶洞直井中，氣體從水平井環空排出，以維持水平井環空壓力，保證井壁穩定(圖3)。
圖3欠平衡鉆井剖面示意圖
空氣壓縮機從立井註入空氣，壓縮空氣、煤塵和清水鉆井液在高速上行的過程中充分混合，形成氣、液、固三相環狀流。原則上，返回的混合流體通過旋轉頭的側流口進入液氣分離器進行分離，混合流體從出液口流入振動篩，混有氣體的煤粉從氣流管道進入燃燒管道排出。在燃燒管道的出口處，有壹個大排量的風機將排出的氣體盡快吹走。
如果三相分離器分離返回的混合流體不明顯，液體為霧化水滴，則關閉分離器的液流管道，從分離器底部的沈砂口收集處理煤粉和廢水，混有氣體的煤粉從氣體管道進入燃燒管道排出。如果分離器處理能力有限或燃燒管路堵塞，可臨時使用節流管路緊急排放混合物。在施工過程中，要求地面管線暢通，各種閥門靈活可靠。
2.3煤層氣井水力壓裂技術
2.3.1壓裂液針對煤儲層特點
壓裂液是煤層水力壓裂改造的關鍵環節，其主要作用是在目的層打開裂縫，並沿裂縫輸送支撐劑。因此，重點考慮流體的粘度特性，它不僅在壓裂開始時具有高粘度，而且在壓裂液回流時具有迅速下降的性能。然而，成功的水力壓裂技術還要求流體具有其他性質。除了在裂縫中有合適的粘度外，還應該在泵送時有較低的摩阻，能很好地控制流體濾失，快速破膠，施工後能快速回流，在經濟上應該是可行的。
壓裂液選擇的基本依據是:對煤層氣儲層適應性強，減少壓裂液對儲層的傷害；滿足壓裂技術的要求，並實現支撐裂縫的盡可能高的傳導性。根據目前煤層氣儲層的特點，壓裂液的研究應考慮以下幾個方面:
油藏溫度25~50℃，井深300 ~ 1000米，屬於低溫淺井範疇。因此，要求壓裂液在低溫下易破膠、易返排，以滿足低溫壓裂液體系的要求，還應考慮壓裂液的降摩阻。煤層氣是低孔、低滲、特低滲儲層，要求壓裂液具有良好的排液能力，徹底破膠；儲層粘土礦物含量少，水敏性弱。水化膨脹不是壓裂液的主要問題，但主要問題是儲層的低滲透率和低孔隙度，壓裂液的破膠和返排，以及減少壓裂液潛在的二次傷害。要求壓裂液的濾失量低，提高壓裂液的效率。
為滿足煤層壓裂大排量、高砂比的施工要求，壓裂液應在壹定溫度下具有良好的耐溫抗剪性能，以滿足造縫攜砂的要求；同時提高壓裂液的效率，控制濾失量。考慮到低摩阻壓力損失，要求壓裂液有合適的交聯時間，以盡可能保證最低的施工泵壓和較大的施工排量；采用合適的破膠劑類型和施工方案，在不影響壓裂液造縫攜砂能力的前提下，滿足壓後快速破膠和返排的需要，以減少壓裂液對儲層和支撐裂縫的傷害；要求壓裂液表面張力低，破乳性能好，有利於壓裂液回流；壓裂液應具有可操作性強、使用簡單、經濟高效、施工安全並符合環保要求。
2.3.2煤層壓裂方案的優化
針對某區塊的壓裂方案，優化研究的總體思路是:在分析目標區塊壓裂地質特征的基礎上，根據該區塊的主要地質特征，開展各項工藝參數的優化研究。首先根據目標區塊的物性特征確定最佳的節理長度和電導率，然後確定施工參數，包括排量、規模、砂率、預液百分比等。並研究提出了壹系列配套技術措施，以優化接頭長度和導電率，確保支護斷面盡可能達到最優。
壓裂施工參數優化是指以優化裂縫長度和導流能力為目標函數，通過三維壓裂分析設計軟件優化壓裂施工參數。
前置液體積決定了在支撐劑到達末端之前可以獲得多深的裂縫穿透深度。合理的預液量是優化設計的基礎，是保證施工成功的前提。前置液用量的設計目標有兩個:壹是創造足夠的裂縫長度，二是創造足夠的裂縫保證支撐劑能夠進入，並保證足夠的支撐寬度滿足地層對導流能力的需要。
排量優化對壓裂設計至關重要。研究發現，變位移結構可以很好地控制預期裂縫長度和高度。另壹個重要功能是抑制多重裂縫的發生，並減少近井摩擦。最新文獻表明，當位移超過壹定值時，通過先進的實時裂縫監測工具的響應，多條裂縫的數量與位移成正比。特別是對於煤層中容易出現多條裂縫的儲層，應該嘗試這種技術。
加砂規模的優化包括平均砂液比的優化和加砂程序的優化。平均砂液比的優化從施工安全兩方面考慮，即濾失系數和近井摩阻，並借鑒國內外施工經驗。在煤層可能的滲透系數範圍內，平均砂率20%~25%的施工風險較低。加砂方案的優化必須充分反映壓裂設計和研究中的所有考慮和技術細節。第壹階段砂液量的設計非常重要。如果起始砂液比過高(或混砂機的砂液比測量有誤差)，可能是開始加砂時接縫寬度不夠，或過早濾出起始砂量未除砂，導致前期或中後期堵砂；另壹方面，如果初始砂液比太低，停泵後第壹批支撐劑沒有脫鹽，那麽停泵後裂縫可能繼續延伸，這使得裂縫支撐剖面更加不合理。同時過濾傷害也會加大。因此，啟動砂液比的設計非常重要。從施工安全角度考慮，壹般做法是讓第壹個支撐劑進入裂縫，觀察壹段時間。如果沒有異常壓力，則考慮增加該階段的砂液比。
2.4煤層氣井抽采技術
煤層氣主要處於吸附狀態，煤層氣的產出機理主要包括解吸、擴散和滲流三個階段(趙慶波等，2001)。煤層氣井采氣需要解決的關鍵問題是:
(1)降低煤層壓力至臨界解吸壓力以下；
(2)防止煤層水力壓裂和天然解理系統壓力下降過快或過低，造成滲透率急劇下降；
(3)降壓有壹定的長時間。
因此，煤層氣采氣工程應結合不同煤巖特征和室內研究工作，合理確定抽放設備，控制動態參數，充分發揮煤層的產氣能力，同時控制抽放過程中煤粉的生成，以降低煤儲層應力敏感性對滲透率的不利影響。
煤粉運移是煤層氣井開采中的常見現象。為減少煤粉運移對排水的影響，排水初期應保持液面緩慢平穩下降，生產階段應避免液面驟升驟落和井底壓力激動，以控制煤粉爆炸，使其均勻生產並保持流動狀態，防止堵塞煤層滲流通道和排水管柱。
煤層塑性變形能力強，應力敏感性強，在強抽強排條件下會造成滲透率下降。為了促進煤層氣井的高效排采(李等，1999)，應持續穩定地降低煤層中的流體壓力，以避免煤層滲透性因快速下降而發生解理和裂縫閉合而急劇下降。不同的煤層具有不同的敏感性，因此需要通過實驗和模擬來確定最佳的液體下降速度。例如，數值模擬確定金什7井的日液體下降速度高於解吸壓力不超過30m，低於解吸壓力不超過10m；井底流壓不得低於1MPa。壹般情況下，每天滴液速度控制在不超過10m。越靠近煤層，液體滴落速度越慢。當液面下降到煤層以上20~30m時，液面穩定排液，進入穩定產氣階段後根據實際情況適當降低液面深度。
3煤層氣開發技術的發展趨勢
與美國、加拿大、澳大利亞等煤層氣產業發展迅速的國家相比，我國煤層氣地質條件復雜，主要處於早期和多次成煤期。大多數煤田經歷了多期構造運動，煤層氣生成、運移、保存和成藏規律十分復雜。多年的勘探開發實驗證明，煤層氣富集區和高滲透區分布很不均勻，大部分煤層氣富集區滲透率很低，導致大部分探井試采效果差，勘探成功率低。根據國內煤層氣的特點，提高我國煤層氣開采效率的煤層氣開發技術研究應包括以下幾個方向。
3.1高豐度煤層氣富集區地質評價技術
總的來說，高豐度煤層氣富集區預測是在地質學、沈積學、構造動力學、地球物理學、地下水動力學、地球化學等學科聯合研究的基礎上，結合地震處理和解釋方法，尋找煤層發育、蓋層穩定、成煤期、生氣期、構造運動期適宜煤層氣富集的煤層氣富集區。隨著各地區勘探程度和地質認識的提高，壹些開發區塊或即將進入開發的區塊，通過2D和三維地震儲層反演和屬性提取方法，預測煤層氣富集區孔隙和裂縫發育的高滲透區，優化開發井網和井位部署，可以有效指導煤層氣的高效開發。
3.2提高煤層氣開采效率的技術基礎研究
以高豐度煤層氣富集區為主要研究對象，圍繞煤層氣富集區的形成機理和分布規律、煤層氣儲層變化、流體相變、開采過程中的滲流和理論對應，通過化學動力學、滲流力學以及宏觀研究和微觀研究相結合的聯合和交叉學科研究，開展系統的野外工作、試驗分析和理論研究。以煤層氣井底壓力響應為主要研究對象，利用多井試井技術和數值模擬技術，從靜態和動態兩方面研究煤層氣開發的井間幹擾機理和開發方式優化。研究適合我國地質條件、提高煤層氣開采效率的儲層改造基礎理論，將有效指導煤層氣開發技術的進步。
3.3煤層氣低成本高效鉆井技術研究
針對目前300～1000m深度的煤層氣資源，進行了空氣鉆井技術攻關，研制了車載輕型空氣鉆機。通過巖心實驗、理論分析和生產動態分析相結合，總結以往煤層氣鉆井的設計方法和施工工藝，跟蹤國內外多分支水平井、U型井、小井眼短半徑水力噴射鉆井、連續油管鉆井等先進鉆井技術，分析增產效果，優選適用技術。同時還要考慮深度超過1000m的煤層氣資源開發技術。
3.4煤層高效轉化技術研究
根據煤層及頂底板力學實驗數據和壓裂液配伍性，分析了煤層傷害的主要機理，研制了適用於不同地質條件下煤層壓裂的新型壓裂液體系。結合典型含煤盆地煤層地質特征，探索適合煤層氣壓裂的技術。
參考
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