煤层气是赋存于煤层中的自生自储式非常规天然气, 是一种新型的洁净能源和优质化工原料, 是21 世纪的重要接替能源之一。开发利用煤层气, 对缓解常规油气供应紧张状况、实施国民经济可持续发展战略、保护大气环境等均具有十分重要的意义[ 1～5 ] 。中国煤层气资源丰富, 据新一轮全国煤层气资源预测结果, 在中国陆上煤田埋深2 000m 以浅范围内拥有的煤层气资源量为31 ×1012 m3 , 居世界第二位, 与中国陆上常规天然气资源量(30 ×1012 m3 ) 相当。在全国21 个大气田中, 16 个为煤成气气田,煤成气大气田占到全国大气田总储量的86.86 % , 同时是全国天然气总储量的51.94 % , 而大部分煤成气田都是由煤层气运移形成的。因此, 在中国发展煤层气产业既是客观需要, 也具有雄厚的物质基础。
1 煤层气开发的关键地质控制因素
1) 煤层气资源量 煤层气资源量是煤层气开发最基本的物质基础, 是煤层气开发最关键的地质控制因素[6 ] 。煤层气资源量的主要地质控制因素包括煤储层的三维几何特征和煤层含气性等。煤储层的三维几何特征包括煤层层数及其间隔距离、单层厚度及其展布形态、煤层累计厚度和煤层埋深等。而煤层含气性的好与坏直接关系到能否进行煤层气的开发。根据我国煤层气储层的地质特性, 一般而言, 中变质程度煤层气储层(我国的气煤瘦煤, Ro ,max = 0.65 %～1.9 %; 美国的烟煤, Ro ,max = 0.47 %～2.05 %)的含气量应大于10m3 / t , 以大于15m3 / t 为最佳; 高变质程度煤层气储层(我国的贫煤无烟煤, Ro ,max> 1.9 %; 美国的无烟煤, Ro ,max > 2.05 %) 的含气量应大于15m3 / t 。
2) 可采性 根据我国10 多年来煤层气勘探、开发的实践经验和煤层气地质研究成果, 可采性所包含的关键地质因素有: 含气饱和度、渗透性、储层压力、压力饱和度等[7 ] 。我国煤层气单井产气量比较低, 与含气饱和度比较低有很大关系, 制约了我国煤层气的商业性开发。从已有的资料来看, 我国有一部分含煤盆地煤层气储层含气饱和度低于70 % , 严重影响了煤层气的开发。安徽淮北地区煤层气储层的含气饱和度一般在80 %～90 %, 单从含气饱和度来看, 淮北地区基本具备了煤层气开发的地质条件。从渗透性来分析, 我国煤层气单井产气量比较低, 与渗透率比较低也有很大关系。在基本地质特性相同的情况下, 一般中、低变质程度煤层气储层的渗透性要好于高变质程度的煤层气储层。根据我国煤层气地质特性, 中变质程度煤层气储层的渗透率一般大于1 ×10 - 3μm2 , 高变质程度的渗透率在1 ×10 - 3μm2左右就可以考虑进行煤层气开发[8 ] 。我国煤层气储层在常压和/ 或接近常压, 压力饱和度90 %以上时,储层条件比较好, 可以进行煤层气开发。我国煤层气可采性主要地质控制因素参数标准为: 含气饱和度大于70 %; 中变质程度煤层气储层渗透率一般大于1 ×10 -3μm2 , 高变质程度的在1 ×10 - 3μm2 左右;煤层气储层为常压和/ 或接近常压, 压力饱和度大于90 %。
3) 我国煤层气选区评价指标 赵庆波等[ 9 ] 提出的煤层气选区评价的主要参考原则如下: 煤层埋深一般以800～1500m 为最佳; 煤层单层厚度大于0.6m , 总厚度大于10m ; 含气量大于10m3 / t , 含气饱和度大于50 %; 煤层渗透率(注入/ 压降法) 大于1 ×10 - 3μm2 ; 最好解吸压力接近原始地层压力; 处于承压区的水压封堵气藏和压力封闭的高压气藏最佳; 煤阶为气煤焦煤最佳( Ro = 0.7 %～1.5 %) ,可探索无烟煤; 煤层顶板有大于10 m 的封闭性直接盖层, 无剥蚀现象。
2 煤层气开发新技术
1) 低伤害技术 煤层是一种有机质高度富集的可燃有机岩石, 微细孔隙发育, 对水、添加剂、微细固体颗粒等十分敏感。而当前, 在中国煤层气井施工中, 钻井均采用回转式水基钻井液钻井工艺, 储层强化改造基本上全部采用水基压裂液携砂的压裂工艺。这种工艺技术很容易对煤储层产生严重伤害,致使煤层气井很难获得理想的气产量。冲击式空气循环钻井工艺, 泡沫压裂液携砂的储层强化工艺, 对煤层的伤害比较轻微, 在美国已广泛应用, 取得了良好的效果[10～12 ] 。中国则由于设备、资金等方面的原因, 至今连试验都尚未进行, 更谈不上应用了, 这种落后状况急待改变。
2) 注气升压技术 通过煤层气井向煤层内注入N2 或CO2 降低煤储层中CH4 的分压以加快CH4的解吸, 或将CH4 从煤层中置换出来。这种技术是由美国和加拿大在20 世纪90 年代开发的, 取得了很好的增加煤层气产量的效果。该技术有利于增加低渗低压煤层气藏的产量和采出率, 在中国有很好的应用前景。
3) 采气采煤一体化技术 采气采煤一体化是将煤层气开发与煤炭开采紧密结合, 各种煤层气开采方式配套使用, 达到既降低煤层气生产成本、又能充分开发煤层气, 从而大大改善煤矿安全生产条件优越性的双重目的。这一技术是将各煤层气开发方式进行整合, 使采气和采煤活动有机衔接, 并不需要过多的投资, 但需要煤层气开发与煤炭开发相互协调、加强统一规划, 需要观念的更新和利益的平衡。
4) 极小曲率半径钻井( TRD) 技术 在地面垂直井的煤层段用专门装置造一个直径约18m 的洞穴, 在洞穴内通过高压管线由地面向煤层中注入高压射流水柱, 在煤层中形成具一定规模的水平井段,从而实现排水开采煤层气的目的。该项技术是由澳大利亚研制成功的, 可在一口地面垂直井的同一煤层施工多个呈放射状分布、深度可达180m 的水平孔段。对于煤层气开发井的增产强化, TRD 技术是一个潜在有效手段, 其作业成本仅为水力压裂的1/ 2 , 而增产效果却是水力压裂的2 倍,具有良好的推广应用前景。中国的晋城、阳泉、铁法、铜川等矿区的条件适合于应用此项技术。
3 煤层气地质研究面临的问题
1) 煤层气成藏的地质过程与动力学机制 研究煤层气成藏的地质过程与动力学机制, 以揭示生气性和储气性的协调发展关系, 查明复杂地质条件下煤层气藏的形成机理、成藏类型和分布规律。煤层气主要以气体吸附态存在于煤储层中, 并因此导致煤层气成藏的机制和开发技术与常规天然气截然不同。现行煤层气理论主要是在对简单地质历史盆地研究的基础上建立起来的, 而地质历史的复杂性则正是导致其具有高度局限性的根本原因。复杂地质历史条件下影响各种地质过程的时空配置特征, 直接制约着煤层气成藏条件的各种地质场的互动关系, 进而导致包括高煤级煤气藏在内的煤层气成藏类型显现出多样性。深入剖析煤层气成藏的这种宏观动力学条件, 实现以建模反演技术来恢复煤层气成藏的地质历史选择过程, 进而探寻煤层气富集成藏的机理与规律, 是国内外该领域广泛关注的重要基础问题。
2) 煤层气储集系统与聚散机制 研究煤层气储集系统与聚散机制, 以剖析煤水气的耦合关系与煤的储层特性共同制约煤层气的扩散、渗流、运移、逸散和聚集的过程。煤储层含气性和储集性是煤层气成藏的关键内在因素, 严格受煤储层本身的物质组成、物理性质以及煤水气三相介质之间耦合关系等因素的影响。煤储层极强的非均质性、显著的吸附性以及水对吸附能力的影响, 导致煤储层比常规天然气储层更为复杂多变。研究煤水气三相介质本身的特征以及三者之间的耦合关系, 探索它们对煤储层含气性和储集性的控制机理, 剖析它们在煤层气成藏过程中的作用实质, 精细描述煤储层的非均质性特征, 是该领域前缘性的研究课题。煤层气藏动力学的实质是能量平衡。动态平衡靠以煤储层压力为核心的广义压力系统来维系。一旦地质或采动原因变化而打破了系统的平衡, 原已聚集的煤层气在自然条件下通过运移通道或逸散使得原有的煤层气藏遭受破坏, 或进一步富集而强化原有的气藏, 采动条件下则发生解吸产出。深入研究盆地流体场对煤储层压力系统的控制关系, 揭示煤储层渗透性随能量平衡系统的变化规律, 发展低渗煤储层中煤层气渗流、扩散和运移过程的数值模拟技术, 确定煤层气成藏类型的关键依据, 进而直接指导低渗煤层气藏的高效开发, 是国际煤层气领域长期探索而迄今尚未解决的问题。
3) 煤层气藏经济高效开发的场效应 研究煤层气藏经济高效开发的场效应, 以探讨地球物理场和地球化学场与人工改造、强化开采间的互动机制, 有效预测煤层气的勘探开发效果。建立在地球物理综合测井和三维三分量多波段地震勘探基础上的煤层气藏高精度探测技术, 是验证煤层气藏预测结果和探测勘探开发效果的重要手段。然而, 煤储层的高度非均质性以及饱和煤储层与无气煤层密度差异极小的特征, 使得地球物理信号对煤储层包括含气性、裂隙特征等物性的响应难以识别, 因此对煤层气藏探测技术提出了远比常规天然气藏探测更高的要求。完善原有方法的信号处理技术, 探索新的探测原理以开发新的方法, 研究各类煤储层物性对不同探测方法的响应, 进而提高探测精度, 是国际上近年来致力发展的重要方向之一。
4 结 语
中国的煤炭资源丰富, 决定了煤层气资源量富集, 已是不争之事。近年来进一步勘探发现的新油气田, 其中有一些是混合气(油成气和煤成气, 由煤层气运移形成) , 还有的废旧矿井中也充满了可燃气体, 都有待于开发。中国煤层气资源丰富, 具有巨大的开发潜力。开发煤层气可以带来多重效益: 改善煤矿安全, 保护全球环境, 增加新能源。中国煤层气开发利用滞后于美国, 开发利用速度进展缓慢, 客观上对资源起了保护作用, 有利于实施可持续发展战略。在中国特色社会主义建设飞速发展之际, 能源是一切经济建设的基础和保障, 煤层气开发和利用是时代的需要和发展的必然趋势, 必将形成大的规模。随着煤层气大规模开发利用的逐步实现, 中国能源的生产和消费结构都会得到有效地改观, 进而促进中国城市化发展, 改善中国城乡的清洁生产, 提高人民的生活水平, 促进中国经济的发展。由于煤层气、常规天然气、生物气等的成分相近, 通过进一步实验会有可能实现混合输气和混合燃烧及合成化工产品。生物气应该说是可再生气体, 还有稻田沼气、无机天然气、天然气水合物等。所以在管网建设成功后, 有必要广泛开发气源、扩大可再生气的生成渠道, 有效实施可持续发展战略。
