張培河¹，張明山²

(1.煤炭科學研究總院西安研究院，陜西西安710054；2.東北煤田地質局107隊，遼寧阜新123003)

　　摘要：在對國內外煤層氣勘探開發(fā)現狀調研的基礎上，分析了不同煤層氣開發(fā)方式的技術特點、技術優(yōu)勢和存在問題，以及應用現狀和應用效果，并根據不同開發(fā)方式的技術、工藝要求，從地質、儲層、地形和投資等方面研究了主要開發(fā)方式的適應性?；诿绹臀覈簩託獾刭|條件的綜合對比分析，并針對我國主要煤盆地的地質特征和地形條件等，提出了相應的煤層氣開發(fā)方式：沁水盆地和鄂爾多斯盆地東緣比較適合地面垂直井和定向井開發(fā)方式；其他地區(qū)因地質條件大都比較復雜等原因，建議首選直井方式進行煤層氣勘探開發(fā)。

　　我國煤層氣勘探開發(fā)始于20世紀90年代初，至今已有近20a歷史。自2005年以來，隨著國家相關政策的出臺，我國煤層氣勘探開發(fā)出現了新的高潮，近4a施工的煤層氣井超過以往10余a煤層氣井的總和。至2008年底，我國實施的各類煤層氣井已有3000余口，煤層氣勘探開發(fā)遍及全國的主要煤盆地，大規(guī)模的煤層氣勘探開發(fā)即將到來。

　　目前，地面煤層氣開發(fā)方式主要有地面垂直井、地面采動區(qū)井、叢式井、羽狀水平井和U型井等方式。這些開發(fā)方式可系統(tǒng)地劃分為定向井開發(fā)方式和直井開發(fā)方式兩類。其中，地面垂直井和地面采動區(qū)井為地面直井開發(fā)方式；叢式井、羽狀水平井和U型井為定向井開發(fā)方式。煤層氣開發(fā)方式的合理選擇是煤層氣開發(fā)需要重點考慮的內容，也是煤層氣勘探開發(fā)成功的關鍵。美國是煤層氣開發(fā)最成功的國家，由于煤盆地構造簡單和煤層滲透率高等特點，不同類型開發(fā)方式的氣井的產能都普遍較高，且經濟效益顯著。我國煤盆地的地質條件和水文地質條件復雜，煤層滲透率低，煤層氣開發(fā)難度大，對開發(fā)技術及工藝要求嚴格，這使煤層氣開發(fā)方式的選擇顯得尤為重要。因此，結合我國目前的煤層氣勘探開發(fā)現狀，開展煤層氣開發(fā)方式適應性研究，對診斷目前勘探開發(fā)過程中存在問題，有效指導今后的煤層氣勘探開發(fā)作業(yè)具有重要意義。

　　1煤層氣不同開發(fā)方式的應用及效果

　　1.1國內外煤層氣勘探開發(fā)現狀

　　美國是世界上煤層氣勘探開發(fā)最早的國家，也是最成功的國家。美國煤層氣工業(yè)起步于20世紀70年代，首先在黑勇士盆地和圣胡安盆地取得成功；90年代后，在粉河、猶因塔等盆地也相繼取得了成功。至2006年，美國煤層氣生產井已達35000口，年產煤層氣5600×10⁸m³/a。美國的煤層氣勘探開發(fā)主要采用地面垂直井方式，在部分地區(qū)實施了數量較少的羽狀水平井和地面采動區(qū)井。

　　通過美國的示范作用，澳大利亞、加拿大等國家競相開展煤層氣的勘探開發(fā)，并逐步進入工業(yè)化開采，煤層氣勘探開發(fā)也主要采用地面垂直井方式。加拿大的煤層氣勘探開發(fā)自20世紀80年代開始，主要位于阿爾伯達盆地，2001年之前，僅有70余口煤層氣井，近年來煤層氣勘探開發(fā)有了長足的發(fā)展，2003年新增1000口煤層氣生產井，2004年又鉆井1500口，煤層氣產量總計約10.22×10⁸~15.33×10⁸m³/a^[1]。澳大利亞的煤層氣勘探開發(fā)始于20世紀70年代末，主要集中在悉尼、岡尼達、鮑恩、加利利等盆地，2004年煤層氣產量達13.55×10⁸m³/a，目前達到27×10⁸m³/a，昆士蘭的鮑恩盆地單井日產氣量最高可超過28320m³/d。

　　我國的煤層氣勘探開發(fā)起步于20世紀90年代初，首先在沁水盆地的晉城礦區(qū)取得了成功，并逐漸擴展到整個沁水盆地。受煤層氣產業(yè)政策等方面的影響，在本世紀初，我國的煤層氣勘探開發(fā)規(guī)模逐步擴大，勘探足跡遍及鄂爾多斯、阜新、吐哈、準噶爾和鶴崗等多個盆地，已形成了沁水潘莊、潘河、樊莊、成莊、柿莊、陽泉寺家莊、韓城象山和阜新劉家等多處開發(fā)區(qū)。潘莊、潘河、柿莊、阜新劉家和韓城象山等區(qū)已初步進入商業(yè)化開發(fā)階段。我國的煤層氣勘探開發(fā)主要采用地面垂直井方式，并實施了40余口羽狀水平井和20余口地面采動區(qū)井的勘探開發(fā)試驗，近年來又進行了少量U型井的煤層氣勘探。至2008年底，已施工各類煤層氣井3000余口，煤層氣產量達到3.4×10⁸m³/a。

　　1.2不同開發(fā)方式的應用效果

　　1.2.1地面直井

　　煤層氣勘探開發(fā)的地面直井方式包括地面垂直井和地面采動區(qū)井。

　　a.地面垂直井

　　地面垂直井方式是在地面打垂直井進入目標煤層，通過采取一系列增產強化措施抽采目標煤層的煤層氣。地面垂直井方式是目前國內外煤層氣勘探開發(fā)廣泛應用的方式。受地質條件的影響，垂直井煤層氣開發(fā)的完井方式不一致，目前主要的完井方式有射孔壓裂完井、裸眼完井和洞穴完井等。

　　在美國猶因塔、黑勇士等盆地，多采用地面垂直井方式進行煤層氣勘探開發(fā)，使用射孔壓裂完井的強化措施提高氣井產能。猶因塔盆地的煤層氣井產氣量平均為2800m³/d，勘探初期3口井壓裂后排采1a多時間，單井產氣在1000m³/d左右，隨后井組逐漸擴大到23口，連續(xù)排采4a以上，單井產氣量逐漸增加到5000m³/d以上，在大規(guī)模生產階段，超過20000m³/d^[2]；黑勇士盆地煤層氣井產量在3000m³/d左右，在實行優(yōu)化完井和增產措施的基礎上能夠取得超過8495m³/d的單井產量^[3]。粉河盆地采用裸眼完井，產氣效果非常好，截止2006年底，煤層氣生產井達到16000口，產量超過140×10⁸m³/a，單井產量3700~9900m³/d，最高達28000m³/d?；圣胡安盆地大部分井采用裸眼洞穴法完井，產氣效果也非常好，煤層氣富集區(qū)的氣井產量為57000~85000m³/d，是采用地面垂直井開發(fā)凝膠壓裂增產井的7倍，甚至更高，但在煤層氣富集區(qū)之外，洞穴完井方法增產效果不佳，甚至不如套管壓裂增產的煤層氣井。目前，洞穴完井方法僅適合于煤層厚度大、硬度大，滲透率和氣含量較高的地區(qū)。

　　我國的煤層氣勘探開發(fā)主要采用地面垂直井方式，采取壓裂增產的強化措施，效果比較顯著，近年來，地面垂直井數量大增。沁水盆地是我國煤層氣勘探開發(fā)的最熱點地區(qū)，煤層氣開發(fā)效果好，已形成了潘莊、柿莊、樊莊、潘河和陽泉寺家莊等多個煤層氣開發(fā)區(qū)，主要采用地面垂直井、套管完井作業(yè)方式進行煤層氣開發(fā)，單井最高產量達到16000m³/d，平均產量為2000m³/d。在沁水南部還進行了裸眼完井試驗，試驗表明：在地質條件相似，實施的壓裂改造效果基本一致的情況下，裸眼完井比套管完井的煤層氣井產氣效果好，但裸眼完井的煤層氣井在排采過程中大都不同程度地出現煤層坍塌、堵塞篩管的情況，而且修井頻率高[4]。

　　b.地面采動區(qū)井

　　地面采動區(qū)井是在采煤之前由地面打垂直井進入主采煤層頂板，主要用于抽放煤炭采動影響范圍內的不可采煤層及巖層中的煤層氣。由于受采動影響，抽放井筒附近煤層及圍巖破裂，裂隙增加，而且應力釋放，煤儲層壓力降低，煤層及圍巖的甲烷大量解吸，并經巖石冒落帶或裂隙帶進入井筒產出，因此氣井產量通常都比較高。

　　在美國的勇士盆地和阿巴拉契亞盆地，地面采動區(qū)煤層氣開發(fā)也已進入了商業(yè)化階段，勇士盆地的吉姆沃爾特(JimWalter)煤礦是美國最深的高瓦斯礦井，鉆采地面采空區(qū)井200余口，單井產量在4000m³/d以上，最大超過10000m³/d，甲烷的體積分數在90%以上^[5]。我國采動區(qū)地面鉆孔抽放始于20世紀80年代，曾在陽泉、淮北和鐵法礦務局進行過試驗，由于種種原因均未形成規(guī)模。1995年，鐵法礦務局引進美國采動區(qū)井采氣技術，在大興礦N1405工作面施工3口采動區(qū)井，產氣約2000~20000m³/d，取得了較好的產氣效果。與此同時，淮北礦務局也開始在桃園、臨渙、蘆嶺等礦進行地面采動區(qū)井煤層氣勘探試驗，蘆嶺礦1048Ⅱ工作面回采期間，采用井上、下煤層瓦斯綜合抽采方式治理瓦斯，地面采動區(qū)井最高抽放量達到46000m³/d^[6]。

　　1.2.2定向煤層氣井

　　定向井煤層氣開發(fā)是近年來煤層氣產業(yè)發(fā)展研究的新技術或引自石油天然氣系統(tǒng)的技術，比較適合低滲透煤儲層的煤層氣開發(fā)。與地面直井比較，定向煤層氣井的開發(fā)優(yōu)勢是：增加了煤層氣產出的有效供給范圍；無需壓裂增產，減輕了對煤儲層傷害；單井產氣量高，煤層氣采出程度高；減少鉆前工程、占地面積、設備搬遷和鉆井工作量，節(jié)約地面管線等費用；投資回收期短，經濟效益好。定向煤層氣井開發(fā)方式包括叢式井、羽狀水平井、水平井和U型井等。羽狀水平井、水平井和U型井通常都稱為地面水平井。近年來，國內外煤層氣開發(fā)企業(yè)將定向井煤層氣開發(fā)作為提高煤層氣單井產量的重要手段進行試驗或推廣。

　　a.地面水平井

　　羽狀水平井是由美國CDX公司研發(fā)，并在近年來逐步得到推廣的一項新興技術，適合低滲透煤儲層的煤層氣開發(fā)。在美國，該技術已成功地應用于西弗吉尼亞、阿巴拉契亞和圣胡安盆地等地區(qū)的煤層氣開采，單井產量達到20000~80000m3/d，是常規(guī)井的10~20倍，3~5a采出程度可達70%以上。最近幾年，CDX國際公司在阿巴拉契亞盆地鉆了近百口定向羽狀分支水平井，在低滲透煤層氣開發(fā)中取得了顯著成效[7]，單井產氣34000~56000m³/d，比地面垂直井產量提高20倍以上(直井壓裂開采產氣只有1700m³/d)^[2]。羽狀水平井在圣胡安盆地也得到應用，在BP公司所屬的區(qū)塊內實施2口羽狀水平井，效果顯著，單井產氣57000m³/d，而該區(qū)垂直井單井產氣量僅為2800m³/d。我國于2003年開始進行羽狀水平井的煤層氣勘探試驗，試驗區(qū)主要集中在沁水盆地，在鄂爾多斯盆地、寧武盆地等也進行了勘探試驗，到目前為止，已施工的羽狀水平井有40余口，沁水盆地南部的羽狀水平井產量一般在20000m³/d以上，最高可達到90000m³/d，其他地區(qū)試驗效果差，甚至不成功。

　　U型井(又稱對接井)是國內外巖鹽鉆井水溶開采比較通行的方法，在我國已開始進行煤層氣的應用試驗，在鉆井和完井技術及工藝方面得到了較大發(fā)展，我國首先在山西的保德地區(qū)進行勘探試驗，施工了4個U型井的井組，氣井產水量較大，均在200m³/d以上，除1號井外，其余3口井長期水量不減^[8]。在山西和順地區(qū)、陜西彬長礦區(qū)和寧夏石炭井礦區(qū)也正在進行U型井的勘探試驗。我國正處于U型井的勘探試驗階段，目前還沒有翔實的氣井產能資料。

　　b.叢式井

　　叢式井是近年來引自油氣田開發(fā)的一套新技術。自20世紀90年代初，我國的長慶、克拉瑪依、大慶和青海等油田，都開始采用叢式井進行油氣開發(fā)。目前，在世界上，煤層氣開發(fā)叢式井的應用較少，我國的晉城煤業(yè)集團公司、中國石油天然氣公司在沁水盆地南部施工了100多口叢式井，產量在2500m³/d左右，與地面垂直井差別不大。

　　2煤層氣不同開發(fā)方式的適應條件

　　煤層氣開發(fā)方式受開發(fā)目的、所在地區(qū)的地形條件、地質條件以及資金等方面影響。在各種影響因素中，地質條件是內在因素，不同開發(fā)方式需要有不同的地質條件與之相適應。合理的開發(fā)方式不僅影響氣井的產能，而且影響到項目的投資。

　　美國煤層氣地質條件簡單，煤層氣開發(fā)方式的選擇相對容易，氣井產量普遍較高。我國煤田地質條件比較復雜，含煤盆地形成后普遍經歷了多期構造運動，致使含煤盆地內構造復雜，褶皺斷裂發(fā)育，煤層原生結構被破壞，加之我國現今煤田的地應力普遍較高，因此，煤層滲透率普遍較低；同時，受構造作用的強度、部位等影響，我國不同地區(qū)煤層氣含量、滲透率的分布存在顯著差異，從而加大了煤層氣勘探開發(fā)方式的選擇難度。

　　美國煤層氣勘探開發(fā)過程中，不同類型儲層采用不同的開發(fā)技術，對于高煤階低滲煤層，發(fā)展羽狀水平井開發(fā)技術；中煤階中低滲煤層采用低成本直井壓裂開發(fā)技術，通過優(yōu)化壓裂體系與規(guī)模，增加有效支撐縫長，提高裂縫導流能力的途徑提高氣井產量；低煤階高滲煤層采用洞穴完井技術。我國的地形條件和煤層氣地質條件比較復雜，煤層氣勘探開發(fā)過程中，應依據不同地區(qū)的地形、地質和儲層條件等，優(yōu)化選擇合理的煤層氣開發(fā)方式。

　　不同煤層氣開發(fā)方式有著不同的開發(fā)技術和工藝，對地形、地質和投資等條件的適應性也不一致。在同一地區(qū)或相同的開發(fā)條件下，采用不同的煤層氣開發(fā)方式，煤層氣井的開發(fā)效果會差別很大。因此，研究煤層氣不同開發(fā)方式適應的地形、地質和資金等條件，針對不同地區(qū)選擇合理有效的開發(fā)方式，對煤層氣開發(fā)至關重要。結合目前國內外煤層勘探開發(fā)的實踐，根據煤層氣不同開發(fā)方式的技術和工藝，對其適應條件進行分析，結果見表1。

　　目前，地面垂直井煤層氣開發(fā)方式的技術、工藝成熟，但該方式單井控氣面積小，適合于地形平坦、交通方便的地區(qū)。其對地質條件的要求是：構造簡單或相對簡單，目標煤層深度300~1200m，厚度大且穩(wěn)定，目標煤層1~3層，目標煤層以碎裂-原生結構為主，煤層氣含量及滲透率相對較高。該開發(fā)方式工藝簡單、技術成熟，投資成本低，但單井產氣量低、煤層氣采收率低，由于需要施工的煤層氣井數量多，因此管理成本高，集輸管路復雜，集輸投入高。

　　叢式井開發(fā)方式適應條件與地面垂直井基本一致，由于是在一個井場同時實施多口煤層氣井，因此對地形、交通條件的要求較地面垂直井低，其產能狀況與地面垂直井基本一致，集輸、管理相對簡單，且成本較低。叢式井開發(fā)的目標煤層一般為1~3層，施工工藝較垂直井復雜。目前地面叢式井在石油、天然氣勘探開發(fā)作業(yè)中應用效果較好，由于石油、天然氣井的深度通常都比較大，因此生產作業(yè)便于操控；煤層氣井一般都比較淺，而且排采作業(yè)對井斜的要求高，下泵深度通常要到達目標煤層甚至目標煤層以下位置，因此排采生產容易引起管柱系統(tǒng)與套管磨損等，致使氣井管理、維護比較困難。受我國煤層氣地質條件的制約，煤層氣勘探開發(fā)的理想深度是1200m以淺。因此，叢式井方式并不完全適合我國的煤層氣地質條件，目前已很少應用。

　　地面采動區(qū)井開發(fā)方式技術、工藝簡單，但單井控氣面積比較小，而且在氣井部署、氣井產能、產氣質量等方面受到煤炭采掘部署及采掘進度的影響。該方式適合在開采煤層上方的鄰近煤層發(fā)育、氣含量較高的地區(qū)應用，氣井的產氣量一般都比較高。鉆井深度要求到煤層上方的煤炭采動裂隙帶，鉆井深度小，同時該方式不需要實施壓裂增產等強化措施，投資費用低。由于是在煤炭采掘工作面前方鉆井，因此受到煤炭采掘部署等影響顯著，適應范圍小，而且對地形、交通條件要求高，集輸、管理成本高。

　　羽狀水平井、U型井和水平井開發(fā)方式的單井控制面積大，煤層氣井產能高，采收率高，對地形、交通等適應性強，而且由于單井控制面積大，因此管理成本和集輸投入都相對較低。這類煤層氣開發(fā)方式的缺點是：對地質條件要求高，適合在構造及水文地質條件簡單，煤層穩(wěn)定且厚度大，煤層原生結構發(fā)育的地區(qū)；這類開發(fā)方式的工藝技術復雜，鉆井費用較高。

　　3我國主要煤盆地煤層氣開發(fā)方式探討

　　3.1地質條件分析

　　美國煤層氣開發(fā)成功的關鍵是美國大陸具有穩(wěn)定的區(qū)域地質構造背景，構造簡單，煤層發(fā)育，埋藏較淺，且以原生結構為主，煤層滲透率高。

　　中國大陸則遭受多個板塊的碰撞，構造背景復雜。我國南方的主要煤田斷裂、褶皺發(fā)育，尋找一個構造簡單的區(qū)域相對困難，多不適合定向井的煤層氣勘探開發(fā)；新疆的準噶爾煤田，不僅構造發(fā)育，而且地層傾角大，局部地區(qū)地層直立甚至倒轉；黑龍江的鶴崗盆地張性、張扭性構造及層滑構造都比較發(fā)育；遼寧的阜新盆地不僅斷裂發(fā)育，而且火成巖墻分布廣泛；山西、陜西等華北地區(qū)構造相對簡單，但也存在局部復雜區(qū)。

　　中國煤盆地普遍具有煤層發(fā)育層數多，煤層厚度大的特點，但多數煤盆地的煤體結構差，構造煤發(fā)育，不利于定向井的鉆探成孔。我國主要煤田的煤層滲透率普遍較低，注入/壓降試井測試滲透率多在1mD以下，按美國的標準均為低滲透儲層。我國不同煤田的氣含量變化范圍大，氣含量高值區(qū)主要位于中-高變質程度的煤盆地或地區(qū)，如六盤水含煤區(qū)、川南黔北地區(qū)、沁水盆地、鄂爾多斯盆地、淮南煤田、淮北煤田等；低變質煤區(qū)的煤層氣含量普遍較低，如二連盆地、海拉爾盆地、準噶爾盆地、吐哈盆地等。我國煤田的水文地質條件差別也非常顯著，南方的多數煤田水文地質條件都比較復雜，不適合進行定向井的煤層氣勘探開發(fā)；華北地區(qū)多數煤田含水層不發(fā)育，含水層富水性弱；東北及西北地區(qū)煤系含水層比較少，含水層富水性弱，水文地質條件簡單。

　　3.2不同煤盆地的煤層氣開發(fā)方式

　　我國的沁水盆地、鄂爾多斯盆地構造簡單、煤層埋藏淺、厚度大、滲透性好、氣含量高、原生結構煤發(fā)育，水文地質條件簡單，適合采用地面垂直井、羽狀水平井和U型井進行煤層氣勘探開發(fā)；太行山東麓煤田構造較簡單、煤層發(fā)育、氣含量高，但部分地區(qū)水文地質條件復雜，適合采用地面垂直井進行煤層氣開發(fā)；內蒙古的二連盆地、海拉爾盆地構造較復雜，氣含量低，但煤層發(fā)育，厚度大且較穩(wěn)定，適合采用地面垂直井、采動區(qū)井方式進行煤層氣開發(fā)；黑龍江的雞西、雙鴨山和勃利等煤田構造較簡單，煤層發(fā)育，但厚度普遍較小，而且穩(wěn)定性差，適合地面垂直井和采動區(qū)井進行煤層氣開發(fā)；鶴崗盆地構造較復雜、氣含量低，但煤層發(fā)育層數多、穩(wěn)定且厚度大，適合采用地面垂直井和采動區(qū)井煤層氣開發(fā)；遼寧的阜新盆地煤層發(fā)育，氣含量較高，但火成巖發(fā)育，適合采用地面垂直井和采動區(qū)井進行煤層氣開發(fā)；新疆地區(qū)主要煤田構造都比較復雜、氣含量低，但煤層發(fā)育，厚度大，適合采用地面垂直井和采動區(qū)井進行煤層氣開發(fā)；安徽的淮南、淮北煤田構造復雜，煤體結構破碎，滲透性差，但煤層發(fā)育層數多，厚度大，適合采用地面垂直井和地面采動區(qū)井煤層氣開發(fā)；我國南方的六盤水等盆地構造復雜，煤層穩(wěn)定性差，煤體結構差，地應力高，滲透率低，水文地質條件復雜，而且地形復雜，交通不便，煤層氣勘探開發(fā)難度大，但煤層發(fā)育層數多，間距小，氣含量高，在地形、交通等條件合適的地區(qū)可采用地面垂直井和地面采動區(qū)井方式進行煤層氣勘探開發(fā)。

　　值得注意的是，以上認為適合不同盆地的煤層氣開發(fā)方式，并不是說全區(qū)(或全盆地)都適宜用某種方式進行煤層氣勘探開發(fā)。受我國煤盆地地質條件的影響，適合定向井煤層氣勘探開發(fā)的地區(qū)(或盆地)非常有限。另外，由于定向井煤層氣開發(fā)方式對地質條件的要求苛刻，而且投資大、風險高，我國已有失敗的教訓。因此，應慎重采用定向井進行煤層氣的勘探開發(fā)。

　　4結論

　　煤層氣的不同開發(fā)方式適應的條件不同，各類開發(fā)方式普遍適合于構造及水文地質條件簡單，煤層穩(wěn)定，厚度大，且原生結構發(fā)育的地區(qū)。地面垂直井開發(fā)方式適合在地形、交通等比較便利的地區(qū)，定向井開發(fā)方式對地質條件的要求嚴格，但對地形、交通等地理條件的適應性強。我國華北的沁水盆地、鄂爾多斯盆地東緣比較適合地面垂直井和定向井煤層氣開發(fā)，東北、西北以及南方的煤盆地在地形、交通方便的情況下，比較適合采用直井方式進行煤層氣開發(fā)。

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