2010）。
王一兵1杨焦生1王金友2周元刚2鲍清英1基金项目:国家973项目(2009CB)、国家科技重大专项“大型油气田及煤层气开发”课题33,43(2011ZX05033-001〃,2011ZX05043)。作者介绍:王一兵,男,1966年6月生,2008年获中国地质大学(北京)博士学位,高级工程师,多年从事煤层气勘探开发综合研究工作。E-mail:wybmcq69@(1.中国石油勘探开发研究院廊坊分院 廊坊 0;2.中国石油渤海钻探公司第二录井公司 天津)摘要:本文通过分析我国煤层气发展历程和现状,总结了我国从上世纪80年代以来煤层气发展经历了“前期评价、勘探选区、开发试验、规模开发”四个阶段。在分析我国煤层气地质条件基础上,认为已发现的煤层气田(富集区)煤层普遍演化程度高、渗透率低;总结了适合我国复杂地质条件的煤层气配套开发技术,包括钻井完井、储层保护、水力压裂、排采控制等,并分析了各种技术的应用效果,认为我国1000m以浅中高煤阶煤层气开发技术基本成熟。在此基础上预测了我国提高煤层气开发效果的技术发展方向。关键词:煤层气 开发技术 压裂 排采The Development Status and Technical Countermeasures of China CBM IndustryWANG Yibing1YANG Jiaosheng1WANG Jinyou2ZHOU Yuangang2BAO Qingying1(1. Langfang Branch, Research Institute of Petroleum Exploration and Development, PetroChina, Langfang 0, China; 2.The second logging company of bohai drilling and exploration company, Petrochina, Tianjin, China)Abstract: Through analyzing CBM development history and present situation in China, this article have sum- marized the four stages in CBM development from the 1980's,which can be called “earlier period's appraisal,ex- plores and region optimization,development experiments,scale development”.Based on the analysis of the geolog- ical conditions , it is revealed that CBM fields founded already are commonly characterized with high evolution de- gree, low permeability. Simultaneously, the corollary CBM development technologies suitable for China's complex geological conditions are summarized, including drilling/completion,coal-bed protection,hydraulic fracturing and dewatering control, also all technologies' application effect are evaluated. In general, it can be believed that the CBM development technologies in middle and high rank coal-bed shallower than 1000 m have been basically ma- tured. Finally, the direction of development technologies is forecasted.Keywords: CBM; development technologies; hydraulic fracturing; dewatering我国煤层气资源丰富,预测2000m以浅煤层气资源量36.8万亿m3(国土资源部,2006),可采资源量约11万亿m3,仅次于俄罗斯和加拿大,超过美国,居世界第三位。规模开发国内丰富的煤层气资源,可在一定程度上减轻我国对进口石油天然气的依赖,同时对实现我国能源战略接替和可持续发展、降低煤矿瓦斯含量和瓦斯排放、减少煤矿瓦斯灾害、保护大气环境具有重要意义。1 煤层气规模开发已经起步,初步具备产业雏形自上世纪80年代后期以来,国内石油、煤炭、地矿系统的企业和科研单位,以及一些外国公司,对全国30多个含煤区进行了勘探、开发和技术试验,在沁水盆地、鄂尔多斯盆地东缘韩城、大宁—吉县、柳林—兴县地区、安徽淮北煤田、辽宁阜新煤田等试验井都获得了较高的产气量。截至2010年底,全国已累计探明煤层气地质储量3311亿m3,并针对不同煤阶的煤层气特点,掌握了实验室分析化验和地质评价技术,直井/丛式井钻井完井、多分支水平井钻井技术,空气/泡沫钻井及水平井注气保压欠平衡储层保护技术,注入/压降试井技术,压裂增产和排采等技术系列,在沁水盆地南部、鄂尔多斯盆地东缘、宁武盆地南部、阜新煤田、铁法煤田、淮南淮北等地分别获得了具有经济价值的稳定气流,为规模开发准备了可靠的资源、技术条件。近年国内天然气市场的快速发展,天然气基础管网逐步完善,煤层气开发迎来前所未有的机遇。特别是2007年政府出台了煤层气开发补贴政策,极大地调动了相关企业投资煤层气产业的积极性,促进了煤层气产业的快速发展,近年全国煤层气开发井由不足百口增加到5240余口(含水平井约100口),建成煤层气产能约30亿m3/年,年产气量超过15亿m3(图1),形成沁南、鄂东2大煤层气区为重点的产业格局。预测到“十二五”期间,全国地面钻井开发的煤层气产量可以达到100亿m3以上。学会荐钻井液类型与配方。我国煤层气发展,主要经历了四个发展阶段(图2)。图1 中国历年煤层气开发井数与产量图图2 中国煤层气发展阶段划分80年代前期评价阶段:在全国30多个煤层气目标区开展了前期地质评价研究;1992~2000年勘探选区阶段:在江西丰城、湖南冷水江、山西柳林、晋城、河北唐山、峰峰、河南焦作、陕西韩城等地钻探煤层气井,柳林、晋城、阜新开展小井组试验;2000~2005年开发试验阶段:在山西沁水、陕西韩城、辽宁阜新开展了开发先导试验工作;2006年至今规模开发阶段:沁水煤层气田、鄂东煤层气田韩城区块、柳林区块、辽宁阜新、铁法等地煤层气地面开发初步形成规模并进入商业开发阶段,特别是2007年国家出台采政补贴政策,每生产1方煤层气国家补贴0.2元,极大地调动了生产企业的积极性,纷纷加大投入,煤层气产业进入快速发展阶段。2010年全国煤层气产量达到15亿方。2 煤层气开发技术现状在多年的勘探开发实践中,针对我国煤层气地质特点,逐步探索出适合我国配套工艺技术,如钻井完井、地面建设、集输处理等,形成了以中国石油、中联煤层气、晋煤集团等大型国有煤业集团、有实力的大型国际能源公司为代表的煤层气开发实体,以及煤层气钻井完井、地面建设、压缩运输等煤层气技术服务队伍,总体已经具备1000m以浅煤层气资源开发和产业化发展的条件。不同演化程度的煤层煤岩性质不同,主要表现在煤岩的压实程度、机械强度、吸附能力等方面,其含气性、渗透性、井壁稳定性有很大差别(王一兵等,2006),因此不同煤阶的煤层气资源要求采用相应的技术手段来开发。经过多年的探索与发展,国内已初步形成针对不同地质条件和煤岩演化程度的煤层气开发钻井完井、压裂改造、排采技术系列。2.1 钻井完井技术2.1.1 中低煤阶高渗区空气钻井裸眼/洞穴完井开采煤层气技术国内低煤阶区煤层渗透率一般大于10mD,中煤阶高渗区煤层渗透率也能大于5mD,对于此类高渗煤层的煤层气开采,一般不需压裂改造(低煤阶煤层机械强度低,压裂易形成大量煤粉堵塞割理),可对煤层段裸眼下筛管完井或采用洞穴完井方式,根据煤层在应力发生变化时易坍塌的特点造洞穴,扩大煤层裸露面积,提高单井产量;钻井施工时采用空气/泡沫钻井,既可提高钻速,又可有效减小煤层污染。裸眼洞穴完井在国外如美国圣胡安盆地、粉河盆地的一些煤层气田开发中应用取得了良好效果(赵庆波等,1997,1999),特别是在高渗、超压的煤层气田开发中得到很好的应用效果。常采用的井身结构有两种:(1)造洞穴后不下套管,适用于稳定性较好的煤储层,是目前普遍采用的井身结构;(2)造洞穴后下入筛管,可适用于稳定性较差的储层。这一技术在国内鄂尔多斯盆地东缘中煤阶、湖南冷水江、新疆准噶尔南部进行试验,效果都不理想,需要进一步探索、完善。2.1.2 中高煤阶中渗区大井组直井压裂开采煤层气技术中高煤阶中渗区煤层渗透率一般0.5~5mD,采用套管射孔加砂压裂提高单井产量效果最明显。听听专用振动筛。其技术关键在于钻大井组压裂后长期、连续抽排,实现大面积降压后,煤层吸附的甲烷气大量解吸而产气。这一技术在国内应用最广泛,技术最成熟。沁水盆地南部、鄂尔多斯东缘韩城、三交、柳林地区,辽宁阜新含煤区刘家区块等大多数深度小于1000m的煤层气井采用这一技术效果好,多数井获得了单井日产2000~m3/d的稳定气流,数百口井已稳产5~10年。2.1.3 中高煤阶低渗区多分支水平井开采煤层气技术该技术主要适用于机械强度高、井壁稳定的中高煤阶含煤区,通过钻多分支井增加煤层裸露面积,沟通天然割理、裂隙,提高单井产量和采收率,效果相当显著。同时,对于低渗(煤层气多分支水平井是指在一个或两个主水平井眼旁侧再侧钻出多个分支井眼作为泄气通道,分支井筒能够穿越更多的煤层割理裂缝系统,最大限度地沟通裂缝通道,增加泄气面积和气流的渗透率,使更多的甲烷气进入主流道,提高单井产气量。多分支水平井集钻井、完井和增产措施于一体(王一兵等,2006),是开发煤层气的主要手段之一。该技术具有三大技术优势:一是可以提高单井产量,约为直井的6~10倍,同时减少钻前工程、占地面积、设备搬安、钻井工作量和钻井液用量,节约套管和地面管线及气田管理和操作成本,从而提高开发综合效益;二是可以加快采气速度,提高采收率。用直井需要15~20年才能采出可采储量的80%,但用分支水平井仅需5~8年可采出70%~80%(李五忠等,2006),而且可以在很大程度上提高煤层气的采收率;三是多分支水平井的水平井眼不下套管,不压裂,避免压裂对煤层顶底板造成伤害,便于后续的采煤,是先采气后采煤的最佳配套技术。目前我国在沁水盆地、鄂尔多斯盆地东缘、宁武盆地等煤层埋深300~800m的地区已完成多分支水平井100余口,沁水盆地南部单井日产量达到0.8万~5.5万m3,最高日产可达到10万m3,比直井压裂方法单井产量提高4~10倍。钻井液。2.2 储层保护技术2.2.1 煤层气空气钻井技术主要有空气钻井和泡沫钻井技术,主要优点是可实现欠平衡钻井,煤层损害小、钻速快、钻井周期短,综合钻井成本低。但空气/泡沫钻井也存在局限性,并不是任何地层都适用。由于空气/泡沫不能携带保持井眼稳定的添加剂,所以不能直接用空气钻穿不稳定地层。当钻遇含水层时,岩屑及更细的粉尘会变为段塞。由于液体在环空中出现,会润湿水敏性页岩,这会导致井塌而卡钻。而且湿岩屑会粘附在一起,在钻杆外壁上形成泥饼环,不能被空气从环空中带上来,当填充环空时,阻止了空气流动并产生卡钻。而且随着这些间歇的空气大段塞沿着井眼向上运移,它们会堵塞地面设备并且对井壁产生不稳定性效应。碳钢过滤筛。因此,空气钻井的关键在于保持井壁的稳定性。2.2.2 水平井注气保压欠平衡保护技术多分支水平井主井眼与洞穴井连通后,在水平井眼钻进过程中,在洞穴直井下入油管,洞穴之上下入封隔器,然后通过油管向洞穴直井注气,从水平井环空排气的钻井液充气方式,保持水平井眼环空压力,保证井眼稳定性(图3)。图3 欠平衡钻井剖面示意图空气压缩机将空气从直井注入,压缩空气、煤屑与清水钻井液在高速上返过程中充分混合,形成气、液、固相三相环空流动。原则上返出混合流体经旋转头侧流口进入液气分离器进行分离,混合液流从液体出口流入振动筛,气体夹杂煤粉从气流管线进入燃烧管线排放。在燃烧管线出口处,有大排量风机,将排出的气体尽快吹散。如果三相分离器分离返出混合流体不明显,液体为雾状水滴时将分离器液流管线关闭,从分离器底部沉砂口进行煤屑和废水的收集和处理,气体夹杂煤粉从气体管线进入燃烧管线排放。如果分离器处理能力有限或燃烧管线堵塞,可临时使用节流管线应急排放混合物。推。在施工过程中要求地面管线畅通,各种阀门灵活可靠。2.3 煤层气井水力压裂工艺技术2.3.1 针对煤储层特征的压裂液压裂液是煤层水力压裂改造的关键性环节,其主要作用是在目的层张开裂缝并沿裂缝输送支撑剂,因此着重考虑流体的粘度性质,不仅在裂缝的起裂时,具有较高的粘度,而且在压裂流体返排时具快速降低的性能。然而,成功的水力压裂改造技术还要求流体具有其他的性质。除了在裂缝中具有合适的粘度外,在泵送时还应具有低的摩擦阻力,能很好地控制流体滤失,快速破胶,施工结束后迅速返排出来等性能,同时应在经济上可行。压裂液选择的基本依据是:对煤层气藏的适应性强,减少压裂液对储层的伤害;满足压裂工艺的要求,达到尽可能高的支撑裂缝导流能力。根据目前煤层气井储层的特点,压裂液研究应着重考虑以下几个方面:储层温度25~50℃,井深300~1000m,属低温浅井范畴。因此,要求压裂液易于低温破胶返排,满足低温压裂液体系的要求,并且也考虑压裂液的降摩阻问题;煤层气属于低孔隙度、低渗特低渗透率储层,要求压裂液具有好的助排能力,并且压裂液彻底破胶;储层粘土矿物含量小,水敏弱,水化膨胀不是压裂液的主要问题,但储层低渗、低孔、压裂液的破胶返排、降低压裂液的潜在二次伤害是主要问题;要求压裂液滤失低,提高压裂液效率。为了满足煤层压裂大排量、高砂比的施工要求,压裂液在一定温度下要具有良好的耐温、耐剪切性能,以满足造缝和携砂的要求;同时提高压裂液效率,控制滤失量。考虑较低的摩阻压力损耗,要求压裂液具有合适的交联时间,以保证尽可能低的施工泵压和较大的施工排量;采用适当的破胶剂类型及施工方案,在不影响压裂液造缝和携砂能力的条件下,满足压后快速破胶返排的需要,以降低压裂液对储层和支撑裂缝的伤害;要求压裂液具有较低的表面张力,破乳性能好,有利于压裂液返排;压裂液在现场应具有可操作性强、使用简便、经济有效、施工安全、满足环保等要求。2.3.2 煤层压裂方案优化针对一个区块的压裂方案,优化研究的总体思路是:在目标区块压裂地质特点分析的基础上,针对该区块主要的地质特点进行各工艺参数的优化研究。首先针对目标区块的物性特征确定优化的缝长和导流能力,然后逐一优化各施工参数,包括排量、规模、砂比、前置液百分数等,并且研究提出一系列协助实现优化缝长和导流能力,并保证支撑剖面尽可能实现最优的配套技术措施。压裂施工参数的优化是指以优化缝长和导流能力为目标函数,通过三维压裂分析与设计软件,优化压裂施工参数。前置液量决定了在支撑剂达到端部前可以获得多少裂缝的穿透深度。合理的前置液量是优化设计的基础和保证施工成功的前提。配方。前置液用量的设计目标有两个:一是造出足够的缝长,二是造出足够宽度的裂缝,保证支撑剂能够进入,并保证足够的支撑宽度,满足地层对导流能力的需求。排量的优化对压裂设计至关重要。研究试验发现,变排量施工可以对实现预期的缝长和裂缝高度有很好的控制。另一个重要作用是抑制多裂缝的产生,减少近井摩阻,有最新文献资料表明,通过先进的裂缝实时监测工具的反应,当排量超过一定值时,多裂缝的条数与排量呈正比关系。煤层易产生多裂缝的储层尤其应该尝试采取该项技术。加砂规模优化包括平均砂液比的优化和加砂程序优化。振动筛弹簧。平均砂液比的优化从施工安全角度,即从滤失系数和近井筒摩阻两个方面考虑,借鉴国内外施工经验,在煤层可能的滤失系数范围内,平均砂比20%~25%施工风险低。加砂程序优化必须将压裂设计研究中所有考虑因素和技术细节充分地体现出来。第一段砂液量的设计至关重要。如起步砂液比过高(或混砂车砂液比计量有误差),因开始加砂时可能造缝宽度不足,或起步砂液量过早滤失脱砂,会造成早期砂堵或中后期砂堵的后果;反之,如起步砂液比过低,可能造成停泵后第一批支撑剂还未脱砂,使停泵后裂缝仍有继续延伸的可能,使裂缝的支撑剖面更不合理。同时,滤失伤害也会增大。
（一）导管与一开钻进1）坂土 CMC钻井液：6％～8％坂土＋0.4%Na2CO3+0.2％～0.4%CMC（中）。维护要求：按设计要求配制坂土浆，监督井队是否按规定加入储层保护剂（查永进等，与现场储层岩心做渗透率恢复值试验，以“净化”保“优化”。随时取现场钻井液，离心机有效开动率应满足钻井液相关的性能要求，除泥器运转时率80％，你看振动筛的价格。钻进中要求振动筛（筛网使用60～80目）开动率100％，加入低荧光润滑剂提高钻井液的润滑性。保证四级固控设备运转良好，防止井壁垮塌，增强滤饼的防透性和钻井液的屏蔽造壁能力，配合SMP 1 （粉）和磺化沥青（粉）改善滤饼质量，以JT888、CMC（中）降低钻井液滤失量，2010）。听说矿用振动筛。（三）储层氯化钾聚磺钻井液：4％坂土＋0.2%Na2CO3+0.1％～0.2%NaOH+0.1％～0.2%FA-367+0.5％～0.6%JT888+0.3％～0.4%CMC（中）＋0.3％～0.4%NPAN+2%SMP-1（粉）＋1％低荧光润滑剂＋2％磺化沥青（粉）＋2%QCX-1+1%QX-1+5%KCI。维护要求：钻井中以NPAN调整流变性能，以“净化”保“优化”（查永进等，离心机有效开动率应满足钻井液相关的性能要求，除泥器运转效率80％，钻进中要求振动筛（筛网使用60～80目）开动率100％，加入低荧光润滑剂提高钻井液的润滑性。保证四级固控设备运转良好，防止井壁垮塌，增强滤饼的防透性和钻井液的屏蔽造壁能力，改善滤饼质量，二手振动筛。以CMC（中）降低钻井液滤失量，2010）。2）采用气体钻井。（二）二开聚合物钻井液：4％坂土＋0.2%Na2CO3+ 0.1％～0.2%NaOH+0.1％～0.2%FA-367+0.3％～0.4%CMC（中）＋0.3％～0.4%NPAN+1％低荧光润滑剂。维护要求：钻井中以NPAN调整流变性能，合理使用好固控设备（查永进等，及时补充浆液或处理剂；保证固控设备运转良好，防止井漏的发生；正常钻进中钻井液的维护以水化好的坂土浆和CMC胶液为主，在保证井壁稳定的前提下尽可能使用密度低的钻井液，加人CMC（中）搅拌均匀后方可开钻；按设计要求加钻井液处理剂，充分预水化24h，达到净化泥浆的目的。振动筛激振器。常用的化学絮凝剂有水解聚丙烯酰胺、铁铬木质素磺酸钠盐等。化学净化法可配合机械净化法使用。
（一）导管与一开钻进1）坂土 CMC钻井液：6％～8％坂土＋0.4%Na2CO3+0.2％～0.4%CMC（中）。维护要求：按设计要求配制坂土浆，使钻渣颗粒聚集而加速沉淀，剩下混有0.5mm以下砂粒的泥浆可采用旋流除砂器进一步净化。(3)化学净化法在泥浆中加入化学絮凝剂，偏心振动筛。以利于钻渣沉淀。(2)机械净化法即采用专门的机械设备对泥浆中的钻渣进行分离处理。最常用的两种泥浆净化设备是高频振动筛和旋流除砂器。一般是采用高频振动筛把泥浆中0.5mm以上的大颗粒钻渣筛出，破坏泥浆中的结构，改变流态，听说振动筛配件。可在循环槽中设挡板，泥浆得以净化。从提高泥浆的净化效果考虑，泥浆中的钻渣在自重的作用下产生沉淀，这工作称为泥浆净化。泥浆净化的方法有自然沉降法、机械净化法和化学净化法等。(1)自然沉降法泥浆在流经循环槽和沉淀池时，需要在泥浆返出地表后除去泥浆中的钻渣，你知道振动筛。因此，使泥浆的相对密度、粘度、含砂量等性能发生变化，可采用较小断面的循环槽(可选300mm×250mm(宽×高))。我不知道推。4.泥浆净化钻进过程中由于钻渣不断混入泥浆中，采用较大断面的循环槽(通常为500mm×300mm(宽×高))。正循环法因泵量较小，可设两个沉淀池轮换使用。循环槽断面尺寸、长度应根据钻进工艺方法、场地条件、废浆处理方式来确定。反循环法因泵量大，所需的沉淀池容积为V=2×850L/min×20min=L=34m3若场地允许，两台泥浆泵的排量都为850L/min，两个同时施工的钻孔共用一套泥浆循环系统，一般为20min。想知道泥浆振动筛。例如，沉淀时间由实验决定，以保证同时施工的桩孔在灌注混凝土时泥浆不至于外溢。沉淀池的容积可用同时开动的泥浆泵每分钟的总排量乘以沉淀时间来决定，应综合考虑场地条件、桩位分布、桩孔容积、地层情况、工艺方法、钻渣废浆的清除外运等因素。泥浆池的容积一般不小于同时施工的桩孔实际容积的1.2倍，对泥浆性能进行维护和调整。矿用振动筛。表3-1 泥浆基本性能指标3.泥浆循环系统泥浆循环系统通常包括泥浆池、沉淀池、贮浆池或搅拌池、循环槽等。布设泥浆循环系统时，参见表3-1。听说类型。并且在施工中根据孔壁稳定、孔底沉渣和泵组工作情况，还要考虑不同成孔工艺方法对泥浆性能的要求，除了要考虑地层条件之外，造浆率不少8m3/t。配制泥浆时，听听振动筛。含砂率不大于4%，就应选择水化性能好、造浆率高、含砂量少的粘土或膨润土粉来配制泥浆。通常要求用来造浆的粘土其胶体率不低于95%，以改善泥浆的性能。若所钻地层为砂性、稳定性差、松散易塌地层，采用清水钻进自然造浆。对比一下振动筛。必要时掺入一定量的膨润土，通常可利用所钻地层中的粘土，结合经济方面的考虑，需要的泥浆量很大，提高钻进效率。合理调整泥浆的密度、切力、粘度等性能指标可以提高泥浆携带和悬浮钻渣的能力。振动筛弹簧。2.泥浆的配制泥浆是由粘土、清水和泥浆化学处理剂按一定的配比搅拌配制而成。由于钻孔灌注桩直径大，相比看振动筛设备。减少重复破碎和对钻头的磨损，及时将孔底钻渣带出孔外，其实振动筛厂家。达到护壁效果。(2)携带和悬浮钻渣通过泥浆在孔内循环，维持对孔壁的静水压力，稳定孔内水位，有效地阻止孔壁内外相互渗流，采用泥浆可在孔壁表面形成一层泥皮，形成对孔壁的静水压力来防止孔壁坍塌。在砂、砾石等渗漏性地层，其主要功用是稳定孔壁、携带和悬浮钻渣。(1)稳定孔壁通过泥浆在孔内维持一定的水头高度，1.泥浆的功用泥浆在桩孔施工中作为冲洗液(或稳定液)，
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