王坡煤矿地面煤层气开发井网优化部署研究.pdf

分类号 U D C 学校代码 密级 硕士学位论文 王坡煤矿地面煤层气开发井网 优化部署研究 R e s e a r c ho nW e l lP a t t e r nO p t i m i z a t i o nA r r a n g e m e n t o fS u r f a c eC o a l b e dM e t h a n eD e v e l o p m e n ti nW a n g p o C o a lM i n eA r e a 导 学科专业 研究方向 培养单位 煤炭科学研究总院 2 0 13 年6 月 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文，是在导师的指导下，独立进行研究所取得的成果。 除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体己经发表或撰写 的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中标明。 本声明的法律后果由本人承担。 论文作者 签名 曼一卫喜 砂俚年‘月心日 学位论文使用授权声明 本人完全了解煤炭科学研究总院关于收集、保存、使用学位论文的规定。本 人愿意按照总院的要求提交学位论文的印刷本和电子版。 总院有权保留学位论文印刷本和电子版，或采用影印、缩印、数字化或其它 复制手段保存论文；总院有权将论文放入总院档案管理部门供查阅。在不以营利 为目的的前提下，总院有权向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸 质版。总院有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索。总院有权将学位论 文的标题和摘要汇编出版。保密的论文在解密后遵守此规定。 剐弓耋嚣糍嚣篇螂 煤炭科学研究总院硕士学位论文 摘要 随着煤炭开采深度不断增大，煤层瓦斯含量逐渐增高，加之我国煤矿生产机械化 程度提高和开采规模的不断扩大，使得单一的井下瓦斯抽采难以满足煤矿安全生产的 需要，通过地面煤层气开发降低煤层瓦斯含量正逐渐成为我国瓦斯治理的重要途径之 一。在目前的技术经济条件下，我国己实施的地面煤层气开发工程中，多数气井的产 量还相对较低。提高煤层气井产能是地面煤层气开发技术研究的关键，通过合理的井 网优化部署形成区域压降以获得较高产量，是改变煤层气井产能低下的有效途径之一。 本文通过对国内外煤层气开发现状的调研，根据王坡煤矿煤层气储层特征、资源 条件以及煤炭采掘规划，并综合考虑王坡煤矿的地形及交通条件，提出适合该矿地面 煤层气抽采的井网优化部署方案。 通过分析王坡煤矿地质条件和煤层储层特征，确定王坡煤矿地面煤层气开发的目 标煤层为3 煤；结合王坡煤矿生产规划，并综合考虑目前区内的煤层气勘探现状，优 选煤层气开发区域位于目前煤层气勘探区南侧。在对各种井型优缺点及影响井型选择 因素分析的基础上，运用层次分析法优选该区煤层气开发方式为丛式井。基于井网优 化要素分析，结合该区煤层气开发地质条件对各要素进行优化，在对比分析的基础上， 选择采用矩形井网进行煤层气开发部署；通过地质类比法、单井合理控制储量法、经 济极限井网密度法等确定4 种不同井间距，运用数值模拟方法对4 种井距井网进行产 能和抽采率的模拟计算，确定最佳井间距为3 0 0 m 2 5 0 m 。结合王坡煤矿煤炭采掘规 划，在优选区域内进行井网部署，共布置4 个丛式井组 1 6 口井 ，并对部署方案进 行产能预测和经济评价，认为该部署方案是可行的。 关键词煤层气；丛式井；井网部署；王坡煤矿 煤炭科学研究总院硕士学位论文 A B S T R A C T W i t ht h ei n c r e a s eo fC h i n a ’Sc o a lm i n i n gd e p t ha n dc o n s e q u e n t l yc o a ls e a m sg a s c o n t e n t ，t h es i n g l eu n d e r s u r f a c eg a se x t r a c t i o ni sd i f f i c u l tt om e e tt h en e e df o rc o a lm i n e p r o d u c t i o ns a f e t y ，r e d u c i n gt h eg a sc o n t e n ti n c o a ls e a m st h r o u g ht h es u r f a c eC B M d e v e l o p m e n ti sg r a d u a l l yb e c o m i n go n eo ft h ei m p o r t a n tw a y s ．U n d e rc u r r e n tt e c h n i c a la n d e c o n o m i cc o n d i t i o n s ，g a sp r o d u c t i o no fm a n ys u r f a c eC B Mw e l l si sr e l a t i v e l yl o w ．T h ek e y t e c h n o l o g yr e s e a r c ho fC B Md e v e l o p m e n ti st oi m p r o v et h ep r o d u c t i v i t y ．R e a s o n a b l yw e l l n e t w o r ko p t i m i z a t i o ni sa ne f f e c t i v ew a yt os o l v et h el o wp r o d u c t i o nc a p a c i t y ，b e c a u s ei t C a nf o r mr e a s o n a b l er e g i o n a lp r e s s u r ed r o p ，t h u s ，o b t a i n i n gh i g hp r o d u c t i v i t y ． B a s e do nt h ea n a l y s i so fc u r r e n ts t a t u so fC B Md e v e l o p m e n tm e t h o d sa n dp a t t e m a r r a n g e m e n ta th o m ea n da b r o a d ，t h eo p t i m i z a t i o ns c h e m eo fw e l ln e t w o r kd e p l o y m e n ti s p r o p o s e d f o rt h em i n es u r f a c ec o a l b e dm e t h a n ee x t r a c t i o n b ya n a l y z i n gc o a ls e a m s c h a r a c t e r i s t i c s ，r e s o u r c e sc o n d i t i o n ，c o a lm i n g i n gp l a n n i n ga n dt o p o g r a p h y ． T h et a r g e tc o a ls e a mf o rC B Me x t r a c t i o ni sc o a ls e a m3 ，o nt h eb a s i so fr e s e a r c ho n W a n g p om i n i n gg e o l o g i c a lc o n d i t i o na n dr e s e r v o i rc h a r a c t e r i s t i c s ．C o m b i n e dw i t hm i n i n g p l a n n i n ga n dp r e s e n ts i t u a t i o no fC B Me x t r a c t i o n ，d e p l o y m e n ta r e ai sl o c a t e di ns o u t ho f p r e s e n tC B M e x t r a c t i o na r e a ．O nb a s eo ft h ea n a l y s i so fw e l ls e l e c t i o nf a c t o r sa n dp r o s a n dc o n so fs e v e r a lw e l lt y p e s ，t h ec l u s t e rw e l l sw e r es e l e c t e df o rt h eC B M d e v e l o p m e n t i nt h i sa r e ab ya n a l y t i c a lh i e r a r c h yp r o c e s s ．T h ea u t h o ra n a l y s e dt h ef a c t o r so fw e l lp a t t e r n o p t i m i z a t i o n ，a n ds e l e c t e dt h ea p p r o p r i a t ew e l lp a t t e mb yt h eg e o l o g i c a lc o n d i t i o n s ． R e c t a n g u l a rp a t t e r ni sp r e f e r r e db yc o m p a r a t i v ea n a l y s i s ．F o u rd i f f e r e n tw e l ls p a c i n gi s d e t e r m i n e db yg e o l o g i c a la n a l o g y ，s i n g l ew e l lc o n t r o ls t o r e sa n de c o n o m i c a lu l t i m a t ew e l l s p a c i n gd e n s i t y ，e t c ．T h ec a p a c i t ya n dg a se x t r a c t i o nr a t eo ft h ef o u rd i f f e r e n tw e l ls p a c i n g i sp r e d i c t e db yn u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o d ，a n dt h ew e l ls p a c i n go f3 0 0 m 2 5 0 mi s c o n s i d e r e da st h eb e s t ．B a s e do nt h ea b o v ea n a l y s i sa n dw i t hr e g a r dt ot h eW a n g p oc o a l m i n i n gp l a n n i n g ，t h ew e l lp a t t e r nd e p l o y m e n tt h a t c o v e r s4c l u s t e rw e l lg r o u p s 16 d i r e c t i o n a lw e l l s i sd e t e r m i n e di nt h es u p e r i o r i t yb l o c k ．F i n a l l yt h ea u t h o rc o n c l u d e dt h a t t h ed e p l o y m e n ti sp r a c t i c a b l eb yt h ep r o c e s s e dp r o d u c t i v i t yp r e d i c t i o na n de c o n o m i c e v a l u a t i o n ． K e y w o r d s c o a l b e dm e t h a n e C B M ；c l u s t e rw e l l ；p a t t e ma r r a n g e m e n t ；W a n g p o c o a lm i n i n ga r e a l I 煤炭科学研究总院硕士学位论文 目录 1 前言．⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯．．．．⋯⋯．⋯⋯⋯．．．．⋯．．．．．⋯⋯⋯．⋯1l 刖舌．⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯．．．．⋯⋯．⋯⋯⋯．．．．⋯．．．．．⋯⋯⋯．⋯l 1 ．1 选题目的和意义⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．2 国内外研究现状⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．⋯．2 1 ．2 ．1 煤层气开发方式⋯⋯⋯．．．⋯⋯⋯⋯⋯．．．⋯．⋯．⋯．．．⋯．．2 1 ．2 ．2 煤层气开发井网．．．．．．．⋯．⋯⋯⋯．⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．6 1 ．3 研究内容和技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯．1 0 1 ．3 ．1 研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 1 ．3 ．2 技术路线．⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯．⋯．⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯1 l 2 矿井概况及地质条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 2 ．1 矿井概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 3 2 ．1 ．1 位置、交通及范围．．．．．⋯⋯⋯．．．．．．．．．⋯⋯⋯．．．⋯⋯⋯．．1 3 2 ．1 ．2 地形地貌⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 2 ．1 ．3 矿井开拓及采煤方法．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．．⋯．⋯⋯⋯．．1 4 2 ．2 煤层气地质条件⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯．1 5 2 ．2 ．1 地层⋯⋯⋯⋯⋯．．．⋯．一⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯．．⋯．⋯．．1 5 2 ．2 ．2 构造．．．．．．⋯．．．．．．⋯．⋯⋯．．⋯．⋯⋯．．．．．．⋯．⋯⋯⋯．．1 9 2 ．2 ．3 煤层特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯．⋯．2 l 2 ．2 ．4 水文地质特征⋯⋯⋯⋯．．．⋯⋯⋯⋯．．．．⋯．⋯．．．⋯．．⋯．2 5 3 煤储层特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．⋯．⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯．．2 8 3 ．1 煤层含气性⋯⋯⋯⋯．．．⋯．．．⋯．．⋯⋯．．．⋯⋯⋯⋯⋯．．．．．2 8 3 ．1 ．1 含气量⋯⋯⋯⋯⋯．⋯．．．⋯⋯⋯．．⋯⋯．．．⋯⋯⋯．．．．．2 8 3 ．1 ．2 气成分⋯⋯⋯⋯．．．⋯．．⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯．2 9 3 ．2 煤的吸附性⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 0 3 ．3 煤储层渗透性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 0 3 ．4 储层压力及地应力⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 1 3 ．5 储层温度⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．．3 1 4 煤层气开发目标煤层及开发方式优选⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 3 煤炭科学研究总院硕士学位论文 4 ．1 煤层气开发目标煤层⋯⋯⋯．．⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯．．．⋯⋯⋯⋯．3 3 4 ．2 地面煤层气开发方式⋯⋯⋯．．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯．⋯．．3 4 4 ．2 ．1 垂直井．．⋯⋯．．．⋯．．．⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯．⋯．．．⋯．．．⋯3 4 4 ．2 ．2 定向井⋯⋯⋯．．⋯．．．⋯．．⋯．⋯⋯⋯．．．．⋯．．．⋯⋯⋯．．3 4 4 ．3 煤层气开发方式确定原则⋯⋯．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯3 6 4 ．4 煤层气开发方式优选⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 7 4 ．4 ．1 开发方式评价方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 7 4 ．4 ．2 影响开发方式选择的因素⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 0 4 ．4 ．3 开发方式确定⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯．⋯⋯．⋯⋯⋯．．．⋯⋯．．4 2 5 煤层气开发部署．⋯．⋯⋯⋯．．．⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯4 4 5 ．1 煤层气井网优化设计⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 4 5 ．1 ．1 井网样式．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯．．．⋯4 4 5 ．1 ．2 井网方位⋯⋯．．⋯⋯．⋯．．⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯4 5 5 ．1 ．3 井间距．⋯．⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯．4 6 5 ．2 煤层气丛式井开发部署方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 3 5 ．2 ．1 丛式井井位部署原则⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 3 5 ．2 ．2 丛式井钻井方案优选⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 3 5 ．3 煤层气开发目标区优选及井位部署⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 5 5 ．3 ．1 煤层气开发目标区优选⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 5 5 ．3 ．2 煤层气开发井位部署⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 7 5 ．3 ．3 煤层气开发产能预测⋯⋯．．．⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯．6 0 5 ．3 ．4 煤层气开发经济评价⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．6 2 6 结论⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯．．⋯⋯．．⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯．．⋯．6 5 参考文献⋯⋯．⋯⋯．．⋯．．．⋯⋯．⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 7 煤炭科学研究总院硕士学位论文 1 ．1 选题目的和意义 1 前言 煤层气俗称瓦斯，主要以吸附状态赋存于煤层巾，是一种自生自储的非常规天然 气，具有燃烧热值高，污染少的特点，是一种优质的洁净能源。中国煤层气资源相当 丰富，据最新一轮全国资源调查，我国陆上煤田埋深2 0 0 0 m 以浅范围内的煤层气资源 量为3 6 ．8 1 1 0 1 2 m 3 ，埋深1 5 0 0 m 以浅煤层气可采资源量1 0 ．9 1 0 1 2 m 3 ，地质资源量大 于1 1 0 1 2 m 3 的含气盆地 群 有鄂尔多斯、沁水等9 个盆地 群 [ 1 1 。开发和利用 煤层气不仅可作为常规油气的补充资源，更重要的是能够大大改善煤矿安全生产条件， 减少以致杜绝煤矿瓦斯事故的发生，同时能够保护大气环境，减少大气污染。 2 0 0 7 ～2 0 1 0 年，王坡煤矿连续4 年被鉴定为高瓦斯矿井，瓦斯成为威胁该煤矿安 全生产的主要因素。目前，王坡煤矿矿井瓦斯抽采系统主要为上寺头风井的一座抽放 泵房和正在新建的塔里风井瓦斯抽采系统，抽采方法为工作面本煤层平行钻孔预抽和 采空区顶板走向长钻孔抽采。矿井瓦斯抽采存在抽采方法单一、抽采率低、瓦斯超限 时有发生等诸多安全问题，缺乏完整的瓦斯治理管理体系；同时井下常规瓦斯抽放技 术，由于受巷道或回采工作面的空间和“抽、掘、采”生产接续决定的抽放时间限制， 难以达到设计的抽放程度，煤层瓦斯含量也难降到安全开采指标以下【2 J 。三采区随着 煤层埋深的增加，瓦斯含量增加明显，大部分区域均在1 8 m 3 ／t 以上，尽管2 0 1 1 年矿 井瓦斯抽放量达5 9 0 ．9 6 x 1 0 4 m 3 ，但依靠单一的井下抽采，已经难以解决矿井面临的瓦 斯灾害问题，不能有效保障煤矿安全生产。 地面和井下综合抽采是目前治理煤矿瓦斯的有效途径和技术发展趋势。地面抽采 瓦斯具有超前距离大、预抽时间长、采收率高、实现煤矿规划区大面积瓦斯超前预抽 的优势。通过地面预抽瓦斯，能有效降低煤层瓦斯含量、释放瓦斯压力，促进煤矿安 全生产。据晋城煤业集团在其矿区进行的煤层气开发情况，地面煤层气井井控范围内 的吨煤瓦斯含量每年可以降低约l m 3 左右【3 1 。 由于我国煤层气开发地质条件的复杂性使得煤层气作业理论和煤层气开发技术 工艺的研究与应用也非常复杂，煤层气开发方式的选择及井网布置方法就是其中的难 煤炭科学研究总院硕士学位论文 题。本文根据王坡煤矿煤层气开发地质条件，对煤层气开发方式选择及井网部署方法 进行研究。 1 ．2 国内外研究现状 1 ．2 ．1 煤层气开发方式 1 ．2 ．1 ．1 国外现状 目前世界上从事煤层气勘探开发的国家中，美国、加拿大、澳大利亚等国家已实 现煤层气商业开发并形成了煤层气工业，印度、英国、智利、巴西等国家初步具备商 业开发条件或正在进行小规模煤层气勘探试验。 美国是世界上煤层气勘探开发最成功也是技术最成熟的国家。在上个世纪7 0 年 代，美国的煤层气产业开始起步，先后在圣胡安、黑勇士、犹因塔和粉河等盆地的煤 层气资源开发获得了成功。2 0 1 0 年美国煤层气产量达5 3 4 ．0 6 1 0 8 m 3 【4 1 ，约占当年天 然气总产量的8 ％。在煤层气开发技术方面，美国已经形成了低煤阶高渗区空气钻井、 裸眼洞穴完井技术 粉河盆地 、中煤阶中渗区直井压裂排采技术 黑勇士盆地 、中 高煤阶低渗区直井压裂和多分支水平井开发 阿巴拉契亚盆地 等成熟技术。 早在1 9 0 8 年，R i c e 就提出了在采煤前采用垂直井从煤层中除去甲烷的设想。地 面垂直井方式在美国的圣胡安、黑勇士、犹因塔和粉河等盆地的煤层气开发中得到了 广泛的应用，为增加气井产能普遍应用了射孔压裂和裸眼洞穴完井的增产措施。目前 圣胡安盆地已形成1 9 个开发区，共钻煤层气井4 0 0 0 多口，其中生产井3 0 3 6 口，开 发方式基本上都是直井，部分采用裸眼洞穴完井，大部分采用套管射孔完井、水力压 裂的增产方式。黑勇士盆地中共钻煤层气井6 0 0 0 余口，其中9 8 ％的煤层气井为直井。 粉河盆地内煤层气开发井几乎全部采用了洞穴完井技术，单井产气量普遍较高，最高 产气量达到了2 8 0 0 0 m 3 ／d 。而在圣胡安盆地的煤层气开发有利区主要采用洞穴完井技 术，洞穴完井与邻近常规压裂井相比，煤层气产量提高4 倍以上，常见的煤层气井最 高产气量为2 ．8 3 1 0 41 6 ．9 9 X1 0 4 m 3 ／d 。目前，洞穴完井技术是高压高渗煤层气井特有 的完井方法。 美国C D XG a s 公司首次将多分支水平井用于西佛吉尼亚进行煤层气开发，单井 2 煤炭科学研究总院硕士学位论文 控制面积约l k m 2 ，产量达3 ．4 1 0 45 ．6 1 0 4 m 3 ／d ，抽排3 ～5 年，可采出控制区7 0 ％ 以上的煤层气资源【5 j 。随后又在阿拉巴马、阿巴拉契亚、圣胡安等地区广泛应用多分 支水平井，5 年后采出程度达8 0 ％以上。2 0 0 4 年，C D X ．C a n a d a 公司在M a n n v i l l e 矿 区成功完钻了加拿大第一口煤层气单分支水平井，单井日产量大约7 1 0 3 m 3 。2 0 0 5 年一年时间内，加拿大共计施工7 0 口单支水平井。该技术已成功地应用于美国和加 拿大多个地区的煤层气开采，比较适合开发低压低渗煤层，单井产量非常高，达到了 常规井的1 0 ～2 0 倍，3 ～5 年煤层气采出程度就可达7 0 ％左右【6 J 。 美国的煤层气地质条件比较简单，非常适合使用多分支水平井开发煤层气，同时 多分支水平井开发所需配套设备和技术都非常成熟，故美国煤层气开发丛式井的应用 较少。 早在1 9 7 6 年澳大利亚就在鲍恩盆地开始开采煤层气，1 9 8 7 ～1 9 8 8 年期间使用地面 钻井方法在煤层中采出了煤层气。就井工开采煤矿瓦斯排放而言，近5 0 ％的瓦斯通过 地面或井下钻孔预抽和采空区钻孔抽放。其煤层气地面开发井一方面采用对接井技术 开发，水平对接井的水平段长度可达1 0 0 0 ～1 5 0 0 m ；另一方面采用地面采空区垂直井 抽采，其单井最大产量可达7 ．0 8 10 4 m 3 ／d t 7 8 1 。 印度蕴藏着丰富的煤层气资源，目前已在G o n d w a n a s 煤系的煤盆地中划出了7 个 区块用于煤层气的勘探与开发，其中在T a n i g a n j 和J h j a r i a 两个煤田的煤层气勘探进展 较快【9 1 。第一1 2 1 煤层气井由印度国家石油公司在J h j a r i a 煤田钻探成功，日产量达 5 0 0 0 ～6 0 0 0m 3 ，最高日产量可达1 0 0 0 0m 3 。 1 ．2 ．1 ．2 国内现状 目前我国煤层气勘探开发进入了新一轮高潮，在主要煤盆地都在进行勘探试验或 开发，在多个地区实现了煤层气开发的商业化。地面煤层气开发方式主要采用常规垂 直井、丛式井、对接井和水平井。 我国地面煤层气开发方式以垂直井为主，其中少部分井采取裸眼洞穴完井方式， 大多数井套管射孔完井后采取压裂增产的强化措施。垂直井开发技术已成为煤层气规 模化商业开发的主体技术。我国先后在山西潘庄 S H ．0 1 、S H ．0 6 、S H ．0 7 、S H ．1 0 、 S H ．1 1 、S H ．1 5 、S H ．2 5 、S H ．2 9 和S H ．3 0 共9 口井 、山西三交 S G ．3 、S G ．4 和S G ．3 X 、 山西岚县 武M 1 ．1 V 、B D ．8 、V 1 、V 2 、V 3 、河北开滦 唐五井 、河南焦作 1 3 3 煤炭科学研究总院硕士学位论文 号井 及江西丰城 曲试1 井 等地区进行了裸眼洞穴完井试验【1 0 ’13 1 ，从煤层气井产 气效果分析，产气时间早，产气高峰期来的快，可以避免固井对煤储层的伤害，减少 成本，但在排采过程中易形成煤层垮塌、煤粉聚集，同时煤层气井维修频率非常高。 在我国煤层气勘探开发技术最成熟的沁水盆地的多个区块煤层气开发主要应用了地 面直井的开发方式与射孔压裂的完井方式，单井平均产气量在2 0 0 0 m 3 ／d 左右。射孔 压裂的完井方式可以弥补裸眼洞穴完井的缺陷，而且通过对储层采取压裂等增产强化 措施，可有效提高煤层气井产能。 2 0 0 4 年末，奥瑞安能源国际有限公司设计并组织施工得我国第一口多分支水平井 D N P 0 2 在山西晋城成功完钻，并获得了1 ．5 1 0 4 ～2 1 0 4 m 3 ／d 的产量，稳产时间超 过两年。随后中国石油天然气集团、中联煤层气有限责任公司、亚美大陆公司陆续在 宁武、端氏、潘庄、柳林、大宁、韩城等地施工了多口多分支水平井，其中多口井产 气量在1 1 0 4 m 3 ／d 以上，最高达到5 ．5 1 0 4 m 3 ／d ，是垂直井产量的十多倍。截至2 0 1 2 年底，中国己完成多分支水平井 含单支水平井 8 0 多口，为今后实现规模化、经济 高效开发煤层气创造了有利的技术储备。根据国内煤层气开发情况，多分支水平井开 发方式开发煤层气的投资回收期和经济效益尚低于其他开发方式。多分支井施工的工 艺技术核心及施工所需的核心设备尚不能自给自足，需要借助国外昂贵的设备和技术 服务，致使投资成本过高而难以获得良好的经济效益。以D N P 0 2 井为例，其投资约 2 0 0 万美元，而美国仅为6 5 万美元，我国一口多分支水平井的投资相当于1 0 多口地 面垂直井的投入【1 4 。15 1 。 丛式井技术成为当今世界石油工业降低综合成本的重要技术手段之一。2 0 世纪 5 0 年代是我国丛式井发展的初级阶段，7 0 年代开始进行丛式井的整体设计[ 1 6 - 1 7 ] 。在 第七个五年计划期间，以定向井、丛式井钻井及其配套技术为核心的技术攻关占据主 导地位【l 引。经过几十年发展，丛式井轨迹三维设计，井眼轨迹控制、绕障技术，套管 开窗定向重钻技术，钻井液技术等均得到了长足的发展。在1 9 8 3 ～1 9 9 4 年的1 2 年间， 全国共累计完成丛式井组3 6 1 9 组【1 9 】。截至2 0 1 0 年胜利油田有近7 0 0 个丛式井组，约 2 8 0 0 口丛式井，另外还有近1 0 0 0 口井距小于1 0 m 的加密井【2 0 1 近3 年来，西南油气 田公司规模推进丛式井生产，取得明显效果。至2 0 1 2 年西南油气田公司累计建设丛 式井组8 8 个，钻井1 7 9 口。其中，广安气田已建成丛式井组1 7 个，日产气量约占气 4 煤炭科学研究总院硕士学位论文 田产量的1 ／3 ；合川气田将部署丛式井组4 0 个，日产气占气田产量的8 9 ％[ 2 。丛式井 开发技术应用于浅层油气田开发成功后，越来越多地被借鉴到煤层气的开发过程中。 保德区块是我国己探明的第一个大型中低煤阶煤层气田，因其特殊的地形及地质条件， 适合采用丛式井井型进行煤层气开发，2 0 1 0 年在该区块内共部署2 1 口丛式井[ 2 2 - 2 3 】。 为解决复杂地貌条件下的最佳井网抽采问题，沁水蓝焰煤层气公司、中石油煤层气公 司和中联煤层气公司等公司陆续采用了丛式井钻采技术。丛式井钻井技术在沁水盆地 和鄂尔多斯盆地东缘己逐步得到应用【2 4 。2 5 】。 我国在煤层气资源评价、地质理论和勘探技术等方面取得了丰硕的成果，目前已 建立2 0 多个煤层气专项试验区。继沁南煤层气地面抽采成功后，山西柳林、临兴、 保德，宁武、阳泉、乡宁，辽宁铁法、阜新，安徽淮南、淮北，陕西韩城、铜川、吴 堡，四川古蔺等地区煤层气勘探相继获得突破，部分地区已经进入商业性开发。2 0 0 4 年我国施工地面煤层气井2 8 7 口，试验井组6 个；至2 0 1 2 年年底，全国共钻煤层气 井约1 2 1 0 0 口，较上一年增加3 6 0 0 余口。 表1 ．1 全国煤层气历年生产情况 煤炭科学研究总院硕士学位论文 我国的煤层气抽采量取得了长足的发展，截至2 0 1 2 年累计煤层气产量1 2 5X1 0 8 m 3 ， 其中井下抽采量为9 9 ．4 X1 0 8 m 3 ，地面的煤层气产量为2 5 ．7 1 0 8 m 3 ，较1 9 9 9 年煤层 气总产量增长了1 5 ．6 倍。国家“十二五”煤层气规划到2 0 1 5 年煤层气总产量为3 0 0 1 0 8 m 3 ，其中井下抽采量为1 4 0 X1 0 8 m 3 ，地面抽采量为1 6 0 1 0 8 m 3 。 1 ．2 ．2 煤层气开发井网 1 ．2 ．2 ．1 国外现状 根据国外煤层气开发过程中井网的特点，煤层气开发井网样式主要采用矩形井网、 菱形井网等，单井控制面积在0 ．0 9 ～0 ．6 4 k m 2 ，即井距在3 0 0 ～8 0 0 m 之间。国外主要煤 层气田的开发井网情况见表1 ．2 。 表1 ．2 国外主要煤层气田开发井网情况 引白杨秀春等，2 0 0 8 ，有修改 1 圣胡安盆地位于美国科罗拉多州南部和新墨西哥州的北部，属落基山脉南部的 盆地，面积1 ．9 4 1 0 4 k m 2 ，为一不对称向斜盆地。煤层厚而稳定、中．高含气量、中一 低煤阶、煤层渗透率适中。该盆地内1 9 9 8 年前煤层气开发单井控制面积为1 ．2 9 k m 2 ， 之后开发井控制面积在O ．6 5 k m 2 ／井左右，井间距相对较大。因储层条件较好，采用较 大井距不仅不会导致采收率较低，反而可以降低成本，增加经济效益。 2 黑勇士盆地位于美国阿拉巴马州，为一个平缓的倾斜构造盆地，含煤面积大约 为6 9 5 0 k m 2 。盆地东西长3 7 0 k m ，南北长3 0 2 ．5 k m ；埋深2 4 0 ～1 2 2 0 m ，煤层厚度6 ～1 2 m ， 单层厚度不超过1 ．3 m ，多被砂岩岩层分隔；为高挥发分烟煤至低挥发分烟煤，煤层含 6 煤炭科学研究总院硕士学位论文 气量6 - 2 0 m 3 ／t ，平均为1 6 m 3 ／t 。盆地内单井的控制面积为O ．3 2 l 1 1 1 2 。 3 粉河盆地位于美国怀俄明州东北部和蒙大拿州东南部，为一南北走向，西陡东 缓的非对称向斜盆地，盆地面积为6 6 8 0 0 k m 2 。粉河盆地煤层大多为亚烟煤，煤厚为 2 ．0 ～6 ．1 m ，含气量为0 ．6 ～5 m 3 ／t 。粉河盆地含气量较低，但其渗透率高、封盖条件好、 煤层厚度大等因素弥补了含气量低这一劣势。煤层气井的单井控制面积多为 O ．1 6 ～0 ．3 6 k m 2 ，远小于圣胡安盆地中煤层气井的单井控制面积。 4 拉顿盆地位于科罗拉多州东南部和新墨西哥州东北部，为一个南北走向不对称 的向斜盆地，面积为5 7 0 0 k m 2 。煤层单层厚度为0 ．6 ～1 ．5 m ，最厚为3 ．6 m ，累计厚度 6 ～1 2 m 。煤的变质程度较高，含气量为7 ．1 ～1 6 ．1 m 3 ／t ，渗透率为1 ～1 0 m D 。煤层气开发 单井控制面积为0 ．6 4 k m 2 。 5 尤因塔盆地位于犹他州东北部和科罗拉多州西北部，盆地面积为3 7 4 0 0 k m 2 。 主要煤层位于上白垩统，有效厚度人于6 m ，为长焰煤、气煤、肥煤、焦煤，渗透率 一般为5 - 2 0 m D ，含气量一般为3 ～1 4 m 3 ／t 。煤层埋深4 0 0 ～1 3 7 0 m ，储层为常压或欠压。 煤层气开发单井控制面积为O ．6 4 k m 2 。 6 澳大利亚的煤炭资源量为1 ．7 1 0 1 2 t ，煤层含气量为O ．8 ～1 6 ．8 m 3 ／t ，埋深普遍小 于1 0 0 0 m ，渗透率多为1 ～1 0 m D ，主要分布在悉尼、鲍恩和苏拉特3 个含煤盆地。其 中苏拉特盆地煤层气开发目标煤层埋深2 0 0 ～8 0 0 m ，煤层渗透率为1 0 - 2 5 m D ，含气量 为3 - 9 m 3 ／t ，单井控制面积多为0 ．4 8 k m 2 。 7 加拿大艾伯塔省煤层气资源量约为1 8 1 0 1 2 m 3 ，煤层含气量较高，渗透性非常 好，煤层气的开采深度多小于1 0 0 0 m 。实际生产采用井网密度为3 ～4 口井／k m 2 ，采收 率可达5 5 ％。 1 ．2 ．2 ．2 国内现状 到目前为止，我国已在沁水盆地、鄂尔多斯盆地东缘、阜新盆地等实现了煤层气 商业化开发，地面直井日产气量一般为1 0 0 0 ～3 0 0 0 m 3 ，水平井日产气量多在 2 0 0 0 0 ～5 0 0 0 0m 3 左右，其他地区多处于勘探试验开发阶段。 沁水盆地位于山西省东南部，为一复式向斜。盆地内上古生界太原组和山西组赋 存着丰富的煤层气资源，盆地面积为2 ．3 5 1 0 4 k m 2 ，煤层气总资源量为3 ．3 1 0 1 2 m 3 。 其北部和南部的无烟煤分布区不仅是我国重要的无烟煤工业基地，而且是我国第一个 7 煤炭科学研究总院硕士学位论文 具有商业性开发价值的煤层气生产基地。整个盆地内煤层含气量及渗透率变化较大， 对3 煤而言，煤层含气量变化范围为0 ～3 5 ．5 7 m 3 ／t ，一般为5 - 2 7 m 3 ／t ，渗透率为 O ．0 1 ～5 ．7 m D 。沁南枣园煤层气勘探试验井组，采用4 0 0 m 4 5 0 m 的井网，单井产气量 多在6 0 0 ～2 0 0 0 m 3 ／d ，最高产气量达1 3 6 3 8 m 3 ／d 。沁南潘河先导性试验工程采用3 0 0 m 3 0 0 m 的井网，产气效果良好，多数井的产气量在2 0 0 0 m 3 ／d 以上，实现了煤层气的 商业化。沁南其他地区如潘庄项目煤层气开发井网采用3 0 0 m 3 5 0 m 的井网，寺河矿 区井距采用为3 0 0 m 2 0 0 m ，樊庄地区平均井距为3 0 0 ～3 5 0 m ，郑庄地区平均井距为 2 5 0 ～3 0 0 m 。 阜新盆地位于辽宁省的西部，面积约为1 5 0 0 k m 2 。主采煤层赋存于下白垩统山海 组三段及阜新组，共有1 0 个煤层组，煤种较杂，一般为长焰煤．焦煤