阜新盆地煤层气高效开发初探.pdf

阜新盆地煤层气高效开发初探 曹患壮张建民张冲唐晓敏 中油长城钻探工程公司煤层气开发公司 肖迅 辽宁盘锦 贾耀惠 摘要阜新煤田五个煤层群发育齐全 , 煤层厚度大 , 辉绿岩侵人体影响范围广 , 火山岩对 煤层改造作用明显 , 天然焦广泛存在 。 在煤层气开发过程中 , 存在措施工艺针对性不强 , 排 水降压解吸慢 , 近井地带污染堵塞频发 , 煤层气产量低且上升慢等诸多难题 。 本文对阜新煤 田煤层产气层 、 天然焦层 、 近井地带污染堵塞层的开发工艺技术进行了论述 , 总结了解决这 些难题的方法 , 为今后在阜新煤田及相似地区的煤层气高效开发提供了较好的技术支撑 。 关挂词顶 、 底板连续射孔天然焦水力喷射钻孔合层排采煤层气高效开发 刃 韶 吃 , ,, 卜 脚 衍 田唱 , 腼 助衍 , , 习。 一, 叩 ,, , ,, ,, 第一作者简介曹志壮 , 男 , 年生 , 学士学位 , 高级工程师 , 从事煤层气勘探开发工作 。 通讯地址辽 宁省盘锦市中油长城钻探工程公司煤层气开发公司 。 一。函 乙巧 以犯 年煤层气学术研讨会论文集 区域概况 阜新煤田位于燕山台褶带的辽西台陷构造单元内 , 是一个四周被盆地边缘断裂控制的 典型断陷盆地 , 盆地外围为太古界和中上元古界的古老地层 , 煤田基底主要受北北东 、 北 东 、 北东东和北西向四组区域性早期断裂的影响 , 盆地基底通常被切割为一系列楔状或柱 状断块 , 盆地边缘断裂皆为继承追踪基底古断裂而产生的东 、 西 、 南三面断裂 , 对盆地的 形成和发展 、 构造沉积岩相带的展布及煤层赋存 、 煤层气生成都起明显的控制作用 。 地层 本区自下而上钻遇的地层有中生界白圣系下统沙海组 、 、 阜新组 , 、 白坚系上 统孙家湾组 扩 ’〕 和第四系见表 。 衰卑断煤田区城地层衰 界界界系系统统组组段层厚度岩性性 新新生界界第四系系系系系 一 砂 、 砂砾 、 枯土 、 亚粘土等组成成 中中生界界白蟹系系 上统 统孙家海组组组 ,以侧洲】】上部红色 、 杂色砂砾岩 、 砂岩夹泥岩 。 下部杂色砂砾砾 、、、、 岩夹灰绿色 、 灰色砂岩岩 下下下下统统阜新组组上段段 吕 以 】 、 灰色 、 灰黄色砂岩 、 粉砂岩 、 砾岩及黑色泥岩 , 含厚厚 一 煤层 , 有丰富的植物化石石 中中中中中中段段段段 下下下下下下段段段段 沙沙沙沙沙海组组 四段 段 吕 侧】峨洲 灰黑色泥岩 、 粉砂岩夹薄层砂砾岩 , 南部变红 、 变粗粗 跳跳跳跳跳跳跳跳跳跳跳跳跳跳跳跳跳跳跳跳跳跳跳跳跳跳跳跳跳跳跳 三三三三三三段段段深灰色砂岩 、 粉砂岩 、 泥岩及煤层 、 破质泥岩组成 ,, 局局局局局局局局部夹砾岩岩 二二二二二二段段段黄揭色砂砾岩及粗砂岩夹薄层粉砂岩 、 薄煤层层 一一一一一一段段段策红色 、 杂色砾岩 、 砂岩及泥岩岩 九九九九九佛堂组肠 肠肠 创洲】 一 以 灰黄色砂岩 、 灰白色砂砾岩 、 砂岩 、 泥岩及薄煤层层 义义义义义县组组组 粼刃刃 杂色火山岩系夹有数层火山灰质的砂岩 、 泥岩 , 产产 ,,,, “ 热河生物群 ” 化石石 元元古界界展旦系系系系系系深灰色硅质岩 、 泥质 、 硅质灰岩 、 石英岩岩 太太古界界前展且系系系系系系杂色花岗片麻岩及片岩 、 千枚岩类类 白翌系沙海组 、 工作区内无出屏 , 在以往的煤田钻孔 中 , 仅个别钻孔见到该组地层顶部 。 主要 由暗 灰 、 灰黑色薄层状粉砂岩 、 泥岩组成 , 致密 , 层理发育 , 含有较多的软体动物化石 。 白奎系阜新组 , 阜新盆地煤层气高效开发初探 该组为钻探区主要含煤地层 , 含有水泉 、 孙家湾 、 中间 、 太平及高德五个可采煤层 群 , 所含煤层是煤层气勘探的对象 。 在该组的上部和中部含有大量的动 、 植物化石 , 在下 部高德煤层群底部的细砂岩呈灰绿色 , 与下伏的沙海组明显不同 。 该组地层厚度以 , 按其岩性特征可分为上 、 中 、 下三个部分 。 下部厚度 二 , 岩性为灰色 、 深灰 、 灰绿色细砂岩 、 粉砂岩 、 泥岩 , 含有高 德煤层群 , 并于高德煤层底见有含油砂岩和油页岩 。 中部厚度 , 以灰色 、 灰白色 、 浅灰色砂岩 、 细砂岩为主 , 夹灰白色砂 岩 、 砂砾岩及深灰色泥岩 。 含有丰富的松柏 、 苏铁 、 银杏类植物化石 , 并含有孙家湾 、 中 间 、 太平三大主要可采煤层群 。 上部厚度 , 岩性主要以灰色 、 灰绿色砂岩 、 粉砂岩 、 砂砾岩为主 , 夹 灰绿色砾岩和粗砂岩 。 含有水泉煤层群 , 于煤层顶部见有个体较小的软体和介形虫动物 化石 。 白垄系孙家湾组 厚度 一 , 为煤系上覆地层 , 主要由红色 、 杂色砂砾岩 、 砂岩 、 粉砂岩 、 泥岩 组成 。 地层较松散 , 无明显层理 , 分选 、 磨圆差 。 第四系 厚度 一 , 为洪积层 , 主要由黄土 、 亚砂土 、 冲积砂石组成 。 含煤地层 煤层气开发区内含煤地层为下白里系阜新组 , 共有个可采煤层群 , 煤层群之间间距 一 , 煤层群内煤层分叉合并频繁 , 共有个煤分层 , 发育规律呈西厚东薄 , 北厚 南薄的特点 。 根据岩石旋回和煤层组合特征 , 自下而上为第一旋回高德煤层群 、 第二 旋回太平煤层群 、 第三旋回中间煤层群 、 第四旋回孙家湾煤层群 、 第五旋回 水泉煤层群 。 各煤层旋回的特点 , 横向变化充分显示多聚煤中心纵向变化都是以河 流相粗碎屑岩沉积开始 , 而后地壳下降形成湖泊相岩性为粉砂岩 、 泥岩沉积 , 最后 湖泊淤浅形成泥炭沼泽相 , 形成了具有工业价值的可采煤层 。 岩浆岩特征 本区岩浆岩只见第三系辉绿岩一种 。 由于岩浆多以长距离高角度的形式侵人煤系 , 因 此 , 辉绿岩侵人体常称为岩墙 , 同时也伴生有大量的岩株 、 岩脉和岩床等侵人体 。 辉绿岩 活动先后分为三期 , 主要以近东西 向岩墙为代表 , 在本区发育有十三带岩墙 , 对本区煤层 影响较大 , 煤层被切割成若干块 , 煤层失去连续性 , 但由于岩浆的大规模侵入活动 , 提高 了煤的变质强度 , 从而大大促进了煤层气的生成 , 侵人岩体发育是本区一个主要特点 。 当岩浆靠近或穿过煤层和含煤岩系时 , 由于岩浆体本身带来的高温及挥发气体和压力 的影响而引起煤层变质程度增高 , 与侵人体接触的煤层变成天然焦 , 使煤层含气明显 提高 。 年煤层气学术研讨会论文集 开发存在的难题 煤层气开发形式特殊 。 煤层气主要以吸附状态赋存在煤岩基质中 , 只有当储层压力降 低后才可以从基质中解吸出来 , 煤岩裂隙或割理中多被水充填 , 而裂隙与割理是煤层中的 主要运移通道 , 煤层气需要通过排水 经裂隙或割理降压作用于煤岩储层方式使 煤层气在煤层中解吸 一扩散一流动采出地面 。 煤层气初期产量低 , 但生产周期长 , 可达 一 年 。 煤层气对排采制度要求很高 。 煤储层比较脆弱 , 要求生产过程中尽量要保持平稳 , 避 免过分激动储层而影响产量 , 排采过程中尽量减少排采措施不当对煤层的影响 , 减缓压裂 后煤层大量集中出煤粉和吐砂 , 以免造成煤层气通道堵塞 , 导致产气量降低和停产 。 火山岩对煤层改造作用明显 。 火山岩的侵人给煤层气开发带来双重影响 , 一方面在火 山岩墙附近大幅度提高了储层的孔 、 渗条件 , 含气量可能明显提高 , 另一方面又可能聚集 了大水 , 成为含水带 , 导致储层动用措施不明确 。 综上所述具有以下几个难点 煤层排水 、 降压 、 解吸慢 , 煤层气初期产量低 , 效果不明显 , 达到一定规模产 能的周期长 。 压裂后 , 煤层中有大量压裂砂和煤粉 , 排采制度不当 , 可堵塞煤层气通道 , 造 成近井地带污染 , 产气量降低 , 甚至停井 。 因辉绿岩的侵人影响 , 存在其对煤层改造程度 , 对煤层气储集方式和运移的控 制及天然焦内煤层气储存特征的认识不足 。 开发工艺措施 瓜 压裂天然焦层 传统上人们认为天然焦是煤炭经岩浆烘烤的热接触变质产物 。 与普通煤层相比 , 天然 焦的物性条件优于煤层 , 且其中的煤层气含量远高于煤层 。 煤层气赋存状态由吸附为主改 变为以游离状态为主 。 如果抽放天然焦中的煤层气 , 可不必进行压裂 , 煤层气即可自由释 放 。 火山岩的侵人可给煤层气开发带来双重影响 , 一方面可能在火山侵入岩附近大幅度提 商了储层的孔 、 渗条件 , 含气明显提高 , 另一方面可能聚集了大量水 , 成为含水带 。 基于以上的认识 , 初期在阜新煤田的开发过程中 , 对于天然焦层只进行储层射孔 , 不 进行压裂 , 直接上抽油机排采 。 井是一口天然焦储层开发井 , 只进行储层射孔 , 未进行压裂 。 该井进行天的 排采 , 套压值低且套压一直未见变化 , 产液量普遗较低 , 产液量 一, , 最高一次 产液量为见表 、 图 。 阜新盆地煤层气高效开发初探 衰液 、 套压情况衰 日日期 期 一一一一一一一一一一一一 产产液 , 套套压的 日日期 期 一一一一一一一一一一一 产产液 套套压 】】 蕊 ⋯⋯⋯ 卜 、、 。。。 。洲洲 己 。昌 ,‘﹃、一 娜 月啼 飞 一 ,遥 门堪 】 犷犷犷扩犷犷扩扩扩犷扩 尹 液 燕压 图液量 、 套压变化图 对该井进行分析 , 认为天然焦的热变异程度取决于距岩浆岩体的远近 , 该井射孔层段 处于变焦带的末端 , 即介于煤 、 焦之间 。 在变焦过程中挥发物组分的逸出在储层中留下了 各种形态 、 大小不同的气孔 , 但未呈碎块状或粉末状 , 形成较多裂隙 , 基本处于封闭状 态 , 因而该井液量和套压都较低 , 未显示出纯天然焦层的高气或高液量的典型特征 。 决定 对该井进行重新压裂 , 压裂后产液量和套压较以前显著提高 。 目前 , 该井产气量为 , 收到较好效果见表 、 图 。 衰液, 、 套压情况裹 日日期 期 一一一一一一一一一一一 产产液 套套压 日日期 期 一一一一一一一一一一一 产产液 套套压 日日期 期 一一一一一一一一一 一一 产产液 年煤层气学术研讨会论文集 续表 日日期期 一一一一一一一一一一一 套套压伪伪加加 日日期 期 一一一一一一一一一一 产产撇 套套压 , 日日期期 一一一一一一一一一 产产撇 套套压肠肠肠肠 ,矛 , 乏 出铆 ‘ 曰月呼, ,乙 入入八曰 、 仍曰下下 ’ ’ 、 二 入‘尸 尸尸 比比 、 洲 。。 二 了厂 二 。 二二 上上 一书六分书马沁护队六万仁 仁 ”” ’ ” ” 二 尹 ’ ” ’’ 声 ,, 一一 一 门日 ︸ 堪 广 扩扩广 扩 扩犷 犷匡国 图液量 、 套压变化图 ‘ 煤层及顶 、 底板连续射孔共同压裂 , 合层排采 煤层气开发过程中 , 人们较为关注构造 、 煤层气储量 、 含煤地层 、 煤质 、 煤体结构 、 裂缝特征 、 煤层孔隙度 、 煤层渗透率 、 吸附参数 、 煤层的总厚度及单层厚度 、 生储盖组合 等方面特性 。 在阜新煤田煤层气开发前期 , 主要是选取较厚的煤层进行层内射孔 , 再压裂 , 最后合 层排采 。 在生产过程中 , 发现生产井套管起压慢 , 时间长 , 气量上升慢 , 产气量普遍较低并且 达到产能时间较长见表 。 裹起压 、 产气情况衰 井井号号射孔层层起压 一 起压以上上 日产气月以扩以上上日产气别拭扩以上上 时时时时间压力入入时间压力时间产盆扩扩时间产量 煤层层 煤层层 月吕吕 卯 煤层层 阜新盆地煤层气高效开发初探 经过一段时间的排采实践和资料分析 , 针对煤层降压解吸慢 , 达到产能气量周期长的 问题 , 采取煤层及顶 、 底板连续射孔 , 共同压裂 , 合层排采的措施 。 让顶 、 底板的岩层起 到解吸气通道的作用 , 并且由于顶 、 底板与煤层的大面积接触 , 相对增加了泄气面积 , 有 效降低了煤粉堵塞通道的不利影响 , 使解吸气较为顺畅到达井筒 , 降低煤层气的排采难 度 。 措施井资料显示套管起压快 , 时间相对变短 , 一般缩短倍以上气量上升明显变 快 , 产气量较高 , 达到工业气流时间变短 , 缩短倍直至数倍见表 。 裹起压 、 产气情况衰 井井号号射孔层层起压 一 起压以上上日产气闷州以上上 日产气以上上 时时时时间压力时间压力时间产盈砂砂时间产 煤层及顶底板板 煤层及顶底板板 诵诵诵煤层及顶底板板 煤层及顶底板板 , 巧巧 污染堵塞层水力喷射钻孔 生产井排采过程中 , 由于生产措施不当等诸多原因 , 使生产井大量出压裂砂和煤粉 , 导致孔隙通道不同程度的堵塞 , 时常容易造成产液量减少 , 产气量降低 , 甚至不产气 。 鉴 于煤层气生产的特殊性 , 对于减产井 、 近井地带污染堵塞的停产井 , 一直未能寻找到一个 较为妥善的措施 , 重新压裂可能导致煤层更加破碎 , 出煤粉更多 , 加剧井下情况的复杂程 度且费用较高 。 大修或重新在附近布井需要的投资也较大 , 并且同样面临压裂对煤层影响 的问题 。 口井是一口较好的煤层气生产井 , 布井位置较好 , 邻近井产气量达到甚 至更高 。 该井初期最高产气量 , 套压 , 产液量 , 排采一周后 , 产气量 、 套压 、 产液量明显降低 , 最后产液 、 产气间出见表 。 衰液 、 恋压 、 产气情况衰 日日期 期 一一一一一一一一一一一一一 产产液 二行 套套压佣佣 产产勺 经过邻井数据对比和本井资料综合分析 , 认为是产层集中出压裂砂和煤粉 , 造成近井 地带污染 , 堵塞孔隙通道 , 导致产气量和产液量显著变低 。 决定采用水力喷射钻孔技术 , 在煤层部位开窗 , 利用高压射流的水力破岩作用 , 在煤 层中的不同方向上钻出多个不同深度的水平小井眼 , 通过排采激活地层 , 疏导压裂砂和煤 刀 年煤层气学术研讨会论文集 粉 , 进而达到增加煤层气产的目的 。 排采后 , 产液量适度 , 产气明显改善 , 目前产气 达到扩见表 、 图 、。 裹‘液, 、 恋压 、 产气情况裹 日日期期 一一一一一一一一一 产产液加加 套套压佣佣 产产气砂 日日期期 一一一一一一一 】一】一 产产渝扩 巧巧 套套压入入 产产勺 二, 日日期期 一一一一一一一 产产澎砂 套套压 助 时时似似 产产勺曰 】翻 肠印加佣 图水力喷射图 阜新盆地煤层气高效开发初探 日、 理 ︸、曰 丫丫呱 。 饭 才、 咬 了、了 下下 广 伙 、产片申性性 ‘‘ 七 口坛刁 了了 溯溯 。 飞 、 州犷 扩扩扩扩扩尹 才尹扩 广匡噩 到 图液量 、 气量变化图 结论与认识 阜新煤田岩浆侵人岩对煤层改造过程中 , 天然焦中煤层气含量与天然焦本身的 热变异程度有关 , 且天然焦的热变异程度取决于距岩浆岩体的远近 。 在变焦过程中挥发分 的逸出在储层中留下了各种形态 、 大小不同的气孔 , 有些天然焦未呈碎块状或粉末状 , 形 成较多裂隙 , 基本处于封闭状态 , 需要适度的压裂改造 。 采取煤层及顶 、 底板连续射孔 , 共同压裂 , 合层排采的措施 , 让顶 、 底板的岩 层起到解吸气通道的作用 , 相对增加泄气面积 , 有效降低单一排采煤层过程中压裂砂和煤 粉堵塞通道的不利影响 , 降低煤层气的排采难度 。 使煤层排水 、 降压 、 解吸顺畅 , 煤层气 产量较快达到预期效果 。 在煤层部位进行小井眼径向水力喷射钻孔 , 能够缓解近井地带污染堵塞 , 有效 沟通裂缝 , 改善渗流通道 , 通过排采激活地层 , 疏导压裂砂和煤粉 , 进而达到增加煤层气 产量的目的 。 参考文献 葛泰生 , 陈义贤 , 于天欣等中国石油地质志 卷三 辽河油田北京石油工业出版社 何玉梅张俊宝中国煤田地质第巧卷 , 期