中国煤层气选区评价标准探讨.pdf

地质通报 G E OL OG I C A LB U L L E T I N OFC H I NA 第2 5卷第9 ～ 1 0期 2 0 0 6年1 0月 V o l . 2 5,No s . 9 ～ 1 0 Oc t .,2 0 0 6 1煤层气选区评价工作现状 2 0世纪9 0年代初, 中国煤层气勘探刚刚起步, 当时煤层 气的选区评价, 主要参考美国的选区标准。这一阶段美国煤 层气地质理论存在中煤阶煤层气成藏优势论, 认为中煤阶煤 层已进入生气高峰, 气源充足, 煤层孔隙保存较好, 割理发 育, 渗透性好, 而且机械强度适中, 便于实施压裂改造或在煤 层进行洞穴施工; 而低煤阶煤层不生气或生气量很低, 不具 备成藏条件; 高煤阶煤层变质程度高, 煤层孔隙和裂隙结构 被破坏, 割理闭合, 煤层渗透率低, 产气能力低。因此美国煤 收稿日期2 0 0 6 - 0 2 - 0 5; 修订日期2 0 0 6 - 0 5 - 2 4 科技项目 国家油气专项之 中国煤层气开发利用前景研究 课题X Q- 2 0 0 5 - 0 3 成果。 作者简介 王一兵1 9 6 6 - , 男, 高级工程师, 在读博士, 从事煤层气勘探、 开发研究工作。E - m a i lw y b m c q 6 9 p e t r o c h i n a . c o m . c n 中国煤层气选区评价标准探讨 王一兵1 ,2 , 田文广2, 李五忠2, 赵庆波2, 田立志3 WA NG Y i - b i n g 1,2 ,T I A N We n - g u a n g 2 ,L IWu - z h o n g 2 ,Z H A O Qi n g - b o 2 ,T I A N L i - z h i 3 1 .中国地质大学, 北京1 0 0 0 8 3;2 .中国石油勘探开发研究院廊坊分院, 河北 廊坊0 6 5 0 0 7; 3 . C NP C -阿克纠宾油气股份公司,北京1 0 0 0 3 4 1 . C h i n aU n i v e r s i t yo f G e o s c i e n c e s,B e i j i n g1 0 0 0 8 3,C h i n a; 2 . R e s e a r c hI n s t i t u t eo f P e t r o l e u m E x p l o r a t i o na n dD e v e l o p m e n tL a n g f a n g ,L a n g f a n g0 6 5 0 0 7,H e b e i,C h i n a; 3 . J o i n t S t o c kC o m p a n yC N P C - I n t e r n a t i o n a l A k t o b eP e t r o l e u m , B e i j i n g1 0 0 0 3 4 , C h i n a 摘要 煤层气选区评价关系到勘探的成功与否, 是煤层气勘探研究最基础的工作。 近年国内外煤层气成藏理论、 开发技术的快速 发展, 使得低煤阶气藏、 连续薄层气藏、 高煤阶低渗气藏等都获得成功开发, 大大拓宽了煤层气的开发领域。此前国内在中煤阶 成藏优势论基础上建立的选区标准已不适合当前的要求。 根据当前存在的问题, 结合煤层气成藏类型、 地质特点和技术现状, 对 中国煤层气勘探选区评价标准进行了研究, 试图建立一套煤层气选区评价标准, 以期对国内煤层气选区评价工作提供借鉴。 关键词 煤层气; 选区; 评价标准; 低煤阶; 高煤阶 中图分类号P 6 1 8 . 1 1文献标识码A文章编号1 6 7 1 - 2 5 5 22 0 0 60 9 ～ 1 0 - 1 1 0 4 - 0 4 Wa n gY B,T i a nW G,L i W Z,Z h a oQ B , T i a nLZ . C r i t e r i af o rt h ee v a l u a t i o no fc o a l b e dme t h a n ea r e as e l e c t i o n i nC h i n a . G e o l o g i c a l B u l l e t i no fC h i n a,2 0 0 6,2 59 ～ 1 0 1 1 0 4 - 1 1 0 7 A b s t r a c tT h ee v a l u a t i o no f c o a l b e dm e t h a n ea r e as e l e c t i o na f f e c t st h ee x p l o r a t i o nr e s u l ta n di ti st h eb a s i cw o r ki nc o a l b e d m e t h a n ee x p l o r a t i o n . I nr e c e n ty e a r s,t h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ec o a l b e dm e t h a n ea c c u m u l a t i o nt h e o r ya n de x p l o i t a t i o n t e c h n o l o g yh a v el e dt ot h es u c c e s s f u l d e v e l o p m e n t o f l o w - r a n kc o a l b e dm e t h a n ea c c u m u l a t i o n s,c o n t i n u o u st h i n - l a y e rm e t h a n e a c c u m u l a t i o n sa n dh i g h - r a n k,l o w- p e r m e a b i l i t yc o a l b e dm e t h a n ea c c u m u l a t i o n s,w h i c hh a sg r e a t l yw i d e n e dt h ec o a l b e d m e t h a n ed e v e l o p m e n t s c o p e . T h ec r i t e r i af o rc o a l b e dm e t h a n ea r e as e l e c t i o nc r i t e r i ae s t a b l i s h e di nC h i n ab a s e do nt h es u p e r i - o r i t yo fm e d i u m- r a n kc o a l b e dm e t h a n ea c c u m u l a t i o na r en o ts u i t e dt ot h ep r e s e n te v a l u a t i o no fa r e as e l e c t i o n . A c c o r d i n gt o t h ee x i s t i n gp r o b l e m s,c o m b i n e dw i t ht h et y p e so fc o a l b e dm e t h a n ea c c u m u l a t i o n s,g e o l o g i c a l c h a r a c t e r i s t i c sa n dt e c h n o l o g y s t a t u s,t h ee v a l u a t i o nc r i t e r i ao f C h i n a ′ s c o a l b e dm e t h a n ee x p l o r a t i o na r e as e l e c t i o na r es t u d i e di na na t t e m p t t oe s t a b l i s has e t o f e v a l u a t i o nc r i t e r i af o rc o a l b e dm e t h a n ea r e as e l e c t i o n . T h e s ec a nb eu s e da s r e f e r e n c ef o rc o a l b e dm e t h a n ea r e as e l e c t i o n . K e yw o r d sc o a l b e dm e t h a n e;a r e as e l e c t i o n;e v a l u a t i o nc r i t e r i a;l o w - r a n kc o a l;h i g h - r a n kc o a l 第2 5卷 第9 ～ 1 0期 层气选区评价标准主要针对中煤阶制定, 根据不同盆地的地 质特征, 采用不同的完井方式, 选区的标准也有所差别。美国 东部煤层多,在纵向分布集中的地区一般进行多层完井, 选 区要求煤层单层厚度大于0 . 6 m, 累计厚度大于3 m, 含气量大 于5 . 7 m 3/ t , 渗透率大于1 1 0 - 3 μ m 2 , 深度小于1 2 2 0 m; 美国西 部 的 圣 胡 安 盆 地 进 行 洞 穴 完 井 的 地 区 , 选 区 的 标 准 为 R o 0 . 7 5 , 煤层厚度大于9 m, 含气量大于1 5 m 3/ t 。参照当时 美国的选区方法和标准, 国内勘探单位制定了各自不同的评 价标准, 综合起来有以下几项关键内容。 1 具有分布广泛的、 厚的煤层, 单层厚度不小于0 . 6 m, 累计厚度大于1 0 m。 2 热演化成熟度适中0 . 7 R o 1 . 7 , 中煤阶气、 肥、 焦、 瘦煤 。 3 煤层埋深适中, 一般为3 0 0 ～ 1 5 0 0 m。 4 煤层天然裂隙系统发育, 渗透率大于1 1 0 - 3 μ m 2 。 5 煤层含气量下限值8 . 5 ～ 1 0 m 3/ t 。 6 水文地质条件位于承压水或滞留水区, 易降压。 7 煤层结构完整、 构造简单, 位于单斜或向斜翼部较低的 部位。 在上述评价标准的指导下, 中国煤层气勘探初期也瞄准 中煤阶并取得很大进展, 在鄂尔多斯盆地东缘、 淮南、 淮北、 宁武、 阜新盆地等发现了一批具有开发前景的含气区。随着 煤层气成藏理论和开发技术的进步, 国外低煤阶和高煤阶煤 层气藏都已实现商业性开发, 国内高煤阶气藏也在沁水盆地 南部取得突破。因此, 煤层气选区评价的标准也要随之改变。 2煤层气成藏理论的发展使煤层气开发 向低煤阶和高煤阶延伸 2 0世纪9 0年代末,煤层气成藏理论已从早期的中煤阶 成藏优势论扩展到低煤阶生物气和高煤阶区域热演化成藏 理论, 为低煤阶和高煤阶的煤层气勘探奠定了理论基础。 2 . 1低煤阶煤层气成藏理论 2 0 0 0年前后,美国在粉河盆地开发煤层气取得突破。 该 盆 地 含 煤 地 层 为 古 近 系 古 新 统 , 主 要 为 低 煤 阶 褐 煤 R o 0 . 3 ～ 0 . 4 ,深部存在高挥发分烟煤,其甲烷δ 1 3 C1值 为- 6 0 . 0 ‰～ - 5 7 . 7 ‰,δ D值为- 3 0 7 ‰～ - 3 1 5 ‰, 表明以生物成 因气为主, 且主要是通过微生物发酵代谢途径形成的[ 1 ]。该盆 地煤层气远景资源量为1 . 1 1 0 1 2 m 3 。开发区位于盆地东缘浅 部位,煤层埋深7 6 ～ 3 0 0 m,煤层总厚2 4 ～ 4 6 0 m,含气量0 . 5 ～ 3 . 5 m 3/ t ,煤层渗透率为3 5 ～ 4 5 0 1 0 - 3 μ m 2。截至2 0 0 4 年底 共有8 5 0 0口生产井, 年产气9 5 1 0 8 m 3, 实现了低煤阶区煤层 气的规模开发。 2 0 0 2年, 澳大利亚在低煤阶的苏拉特S u r a t 盆地成功地 开发了煤层气。 该盆地为第三系含煤盆地, 煤阶为长焰煤-气 煤, 煤层埋深2 0 0 ～ 8 0 0 m, 厚1 0 ～ 5 0 m, 含气量4 ～ 1 4 m 3/ t , 渗透 率1 0 ～ 3 5 0 1 0 - 3 μ m 2 。采用裸眼完井技术, 单井日产气5 0 0 ～ 1 5 0 0 m 3 , 最高达到1 . 1 7 1 0 4 m 3 。 国外开采实践证实,低煤阶煤层同样具有产气能力, 完 全可以实现规模化商业性生产。 在这一时期,国内低煤阶煤层气成藏理论也有所发 展。根据戚厚发等[ 2 ]的研究成果, 在煤层演化的初级阶段, R o 0 . 4 时, 环境条件已不利于微生物的生存, 生物 气逐渐停止产生, 煤岩有机组分逐渐达到热解生气门限, 煤 岩生气逐渐变为以热解生气为主。李明宅等[ 3 ]的研究结果 表明,与煤层有机组分类似的Ⅲ型干酪根生物气生气潜力 为2 7 ～ 4 6 m 3/ t 有机质。 当煤层进入热演化阶段,R o 0 . 4 ～ 0 . 7 ,煤阶达到长焰 煤、 气煤, 煤岩中的一些类脂组分如树脂体、 沥青质体、 木栓体、 角质体等进入生气状态, 一些易于生气的有机组分如基质镜质 体、 藻类体、 角质体等也进入生气阶段, 形成第一个生气高峰[ 4 ] 图2 。 该阶段煤层生气量可达到7 5 ～ 1 0 0 m 3/ t , 但这一阶段煤 层的渗透性极好, 经常达到数百至上千毫达西, 吸附能力 弱, 因此低煤阶煤层气成藏需要更严格的保存条件。 2 . 2区域热变质高煤阶煤层气成藏理论 区域热变质形成的高煤阶区, 煤层在高温地热场和相对 图1生物气生成演化模式据戚厚发等,1 9 9 7, 修改 F i g . 1 Mo d e l o f g e n e r a t i o na n de v o l u t i o no f b i o g a s 王一兵等 中国煤层气选区评价标准探讨 1 1 0 5 地 质 通 报G E O L O G I C A LB U L L E T I NO FC H I N A2 0 0 6年 低压环境下发生变质作用。与区域压实变质作 用相比, 煤岩基质中的原生孔隙和热演化过程 中基质收缩形成的内生割理保存较好; 由于有 机组分挥发, 基质中留下很多密集成群的浑圆 或管状气孔, 提高了储层的孔隙度; 岩浆活动 的挤压作用使煤层形成裂隙,与内生割理叠 加, 煤层裂隙性质、 规模发生变化 , 裂隙度提 高, 渗透性增强[ 5 ]。另外, 高温地热场有利于煤 岩有机组分向气组分转化, 煤层生气量大, 含气 量高。尤其对贫煤、 无烟煤等较高变质阶段的煤 层, 如果在高温变质前后均未经历过深埋, 其渗 透性明显好于其他变质作用形成的同煤级煤层, 有利于煤层气勘探。 区域热变质高煤阶煤层气成藏理论是在 国内煤层气勘探不断探索和实践中逐步形成 的。在这一理论指导下, 沁水盆地东南部煤层 气勘探获得很大成功,已探明含气面积3 4 6 . 4 k m 2 , 煤层气地质储量7 5 4 . 4 4 1 0 8 m 3 。这一理论对其他高煤阶 区煤层气勘探同样具有指导意义。 3煤层气开发技术的发展拓宽了煤层气 的开发领域 煤层气开发初期,开发技术主要采用套管射孔完井、 通 过压裂来增产的开发技术, 或在渗透性好、 煤层较厚的地区 采用洞穴完井技术。这2种技术在美国圣胡安、 黑勇士盆地应 用最为广泛。近几年, 煤层气开发技术发展很快, 主要有多分 支水平井技术, 连续油管压裂技术, 注N2、C O2、 烟道气置换 增产技术等。 3 . 1多分支水平井技术 该技术的增产原理为[ 6 ] 在煤层内钻定向分支水平井, 众 多分支井筒能够穿越较多的煤层裂缝系统, 最大限度地沟通 裂隙通道, 增加泄气面积, 提高煤层气采收率、 采气速度和单 井产量。这项技术适用于分布稳定、 结构完整的煤层, 一般要 求煤阶较高、 煤岩达到一定的机械强度, 以保证井眼稳定。尤 其适合煤阶较高、 煤层渗透率低, 或者由于煤层较薄, 其他完 井方法单井产量低的煤层气藏。 美国首先采用多分支水平井技术 图3 , 在阿巴拉契亚 盆地高煤阶区开发煤层气取得成功。该区煤层为贫煤,R o 1 . 6 , 埋深5 0 0 ～ 8 0 0 m, 煤厚1 . 2 2 ～ 2 . 0 m, 含气量1 1 m 3/ t , 渗透 率3 . 0 1 0 - 3 μ m 2 , 直井压裂单井产量1 4 8 0 m 3/ d , 采用多分支水 平井, 单井产量达2 . 8 1 0 4 m 3/ d , 产量提高近2 0倍。 中国在沁水煤层气田寺河区块应用多分支水平井, 煤 层埋深1 8 0 m,煤厚5 . 0 m,含气量8 ～ 1 0 m 3/ t ,煤层内进尺约 8 0 0 0 m, 单井日产气达到2 . 2 1 0 4 m 3/ d , 而邻近地区采用直井 压裂技术, 单井日产气一般为2 0 0 0 ～ 3 0 0 0 m 3/ d 。 类似技术还有澳大利亚沿高陡煤层钻井技术和煤层内U 型水平井MR D 、 辐射分支井T R D 技术。MR D技术是先 施工垂直井作为排采井, 然后在1 2 0 0 m区域施工定向井穿过 先期完成的排采直井, 达到增加煤层裸露面积、 增加产量的 目的;T R D是先钻垂直井,然后沿着煤层呈放射状钻多个侧 向水平井眼。 这些技术都获得了成功应用,煤层气单井产量大幅提 高, 达到经济开采煤层气的目的。 3 . 2连续油管压裂技术 采用连续油管压裂技术, 可以开发纵向连续分布的薄煤 层的煤层气。该项技术的特点是 排量大、 效率高、 成本低、 产 量最大化。压裂液排量5 0 0 ～ 1 0 0 0 m 3/ m i n , 只用N2, 不加砂。压 裂后关井6 ～ 8小时, 之后返排压裂液, 直到产出煤层气。2 0 0 2 年,加拿大利用该项技术在马蹄谷组的D r u m h e l l e r煤层开发 煤层气, 建立了加拿大第一个商业性煤层气项目, 收到很好 的效果。 3 . 3注C O2、N2、 烟道气等增产技术 该项技术增产的主要机理是 利用不同气体在煤层中 的吸附能力不同, 如注入N2或C O2进行煤层气排采时,N2、 图2煤岩不同组分生气阶段性[ 4 ] F i g . 2 G a s g e n e r a t i o np h a s e s o f d i f f e r e n t c o n s t i t u e n t s i nc o a l s 图3羽状分支水平井井身结构示意图 F i g . 3 S c h e m a t i cm a po f t h ew e l l b o r es t r u c t u r eo f ap i n n a t eh o r i z o n t a l w e l l 1 1 0 6 第2 5卷 第9 ～ 1 0期 表1中国煤层气选区关键参数评价标准简表 T a b l e1 S u mma r yo ft h ec r i t e r i af o rt h ee v a l u a t i o no fc o a l b e dme t h a n ea r e as e l e c t i o ni nC h i n a C O2可与甲烷竞争吸附, 破坏原先煤层中甲烷的吸附平衡 状态, 使甲烷被置换、 解吸出来。美、 加等国采用向煤层中 注C O2、N2、 烟道气等技术取得了明显的增产效果。 以上技术的成功应用, 重要意义不仅在于提高了煤层气 单井产量和采气效率,更重要的是将原来认为地质条件差、 产量低、 没有效益的资源变为可开采资源, 解放了一大批难 采资源。 4中国煤层气选区评价标准 存在的问题及建议 4 . 1存在的主要问题 1 中国已有煤层气选区的评价标准主要参照国外经 验, 但国内煤层气地质条件与国外相比差别很大, 经济、 技术 条件也存在差距, 因此国内早期煤层气勘探的单井气产量和 经济效果不尽人意。 2 中国已有煤层气选区的评价标准主要针对中煤阶煤 层制定, 但不同煤阶煤层吸附性、 渗透性、 机械性质等存在明显 差异, 产气规律也有所不同, 对应的开发技术也不同, 因此现行 标准使低煤阶和高煤阶煤层的煤层气的选区评价受到制约。 随着煤层气成藏理论和开发技术的不断发展, 有必要总 结国内外煤层气勘探开发的经验, 充分考虑地质理论、 开发 技术、 经济因素, 对中国煤层气选区评价体系进行重新研究, 建立适合中国目前技术条件下煤层气选区的评价标准, 指导 今后的煤层气选区评价工作。 4 . 2选区评价标准建议 1 建议将含煤区按照不同演化程度划分后, 再建立不 同演化程度选区的评价标准。拟将高、 中、 低煤阶划分如下 低煤阶R o ≤0 . 7 , 包括褐煤、 长焰煤; 中煤阶0 . 7 R o ≤1 . 7 , 包括气、 肥、 焦、 瘦煤; 高煤阶1 . 7 R o ≤4 . 0 , 包括贫煤、 无烟煤Ⅲ号。 2 煤层气选区评价需要考虑的最直接、 最关键的参数 包括煤层埋深、 含气量、 吸附饱和度、 渗透率、 厚度、 资源丰度 等, 这些因素关系到煤层气的可采性和经济性。考虑目前中 国煤层气选区评价标准存在的问题, 结合国内的煤层气地质 理论认识、 勘探开发现状和开发技术进展情况, 建议重新建 立中国煤层气选区评价标准, 见表1。 3 选区评价关键参数的获得, 应充分利用已有地质勘 探资料进行筛选。对缺乏资料的含煤区, 可运用类比、 模拟等 方法求得, 并根据勘探动态资料不断进行修正。 4 目标评价分为2步。第一步为单一含煤区评价。参照 上述标准, 对含煤区煤层气关键参数进行评价, 确定是否为 煤层气开发的有利目标。第二步为目标优选。对于多个有利 目标, 要综合考虑所有关键因素, 根据这些因素的影响程度 采用专家打分法赋予各参数的相对权重系数, 采用模糊数学 理论求得各目标区量化的评价系数, 并在此基础上考虑目标 区的资源、 地理、 交通、 市场潜力, 对煤层气开发的经济性做 出综合评价, 确定近期最有利目标。 当前中国煤层气开发实践还处于研究探索阶段, 尚未形 成适合中国煤层气地质特征且行之有效的勘探开发技术和 方法, 目前建立的煤层气选区评价标准, 还需要在今后的勘 探和开发实践中进一步验证和完善。 致谢 在成文过程中得到国土资源部油气中心张大伟主 任和乔德武、 任收麦、 姜文利等同志的指导, 在此特表感谢。 参考文献 [ 1 ] S c o t t AR . C o m p o s i t i o na n do r i g i no f c o a l b e dg a s e sf r o m s e l e c t - e db a s i ni nt h eU n i t e dS t a t e s [ A ] .I nP r o c e e d i n go ft h e1 9 9 3 I n t e r n a t i o n a l C o a l b e dMe t h a n eS y m p o s i u m [ C ] . 1 9 9 3 . 2 0 9 - 2 2 2 . [ 2 ]戚厚发, 关德师, 钱贻伯, 等.中国生物气成藏条件[ M] .北京 石油 工业出版社,1 9 9 7 . 8 - 6 5 . [ 3 ]李明宅, 张洪年.生物气成藏规律研究[ J ] .天然气工业,1 9 9 7,1 72 6 - 1 0 . [ 4 ]程克明.吐哈盆地油气生成[ M] .北京 石油工业出版社,1 9 9 4 . 5 - 3 5 . [ 5 ]王洪岩, 李景明, 刘洪林, 等.中国高变质煤层气成藏特征[ J ] .天然气 工业,2 0 0 5,2 51 2 3 1 - 3 3 . [ 6 ]江山, 王新海, 张晓红, 等.定向羽状分支水平井开发煤层气现状及 发展趋势[ J ] .钻采工艺,2 0 0 4,2 72 4 - 6 . 王一兵等 中国煤层气选区评价标准探讨 1 1 0 7