摘要：煤層氣鉆井方式中，直井技術(包括叢式井)最為成熟，費用較低，操作簡單，沒有太大的使用限制，無論在前期開發評價，還是后期的增產改造和規模開發中，其作用都不可替代，是國內煤層氣開發普遍采用的方式。為此，論述了其開發要點：①煤層氣的選區、選井及選層主要依靠地震勘探技術結合基礎地質技術完成；②單井評價通常以測井評價為主，錄井技術和試井技術為輔，而測井記錄的數據常需使用經過選擇的煤心和試井數據標定，這樣才能提高儲層評價參數及單井評價的可靠性，進而確定射孔壓裂層段；③直井的增產改造方法除水力壓裂外，還可考慮裸眼完井和篩管完井技術，裸眼完井需考慮煤層適應性，而篩管完井除了應用于水平井外，也可以用于裸眼完井的直井中；④煤層氣排采需緊密結合排采裝備，初期以最小的強度穩定緩慢排采，然后根據地層實際供液能力調整工作制度，盡量使地層供液與排液量保持一致，穩定持續緩慢降液，盡可能地擴大壓降范圍。
關鍵詞：煤層氣；直井開發；布井；地質錄井；裸眼完井；篩管完井；增產改造；排水采氣
隨著我國煤層氣產業的不斷發展，除了早期技術成熟且操作簡單的垂直井鉆井技術外，越來越多的井型包括羽狀水平井、U形井等也逐漸應用到煤層氣開發領域中。目前的煤層氣鉆井方式中，直井技術(包括叢式井)最為成熟，費用較低，操作簡單，也沒有太大的使用限制，應用范圍廣，是國內煤層氣開發活動中普遍采用的方式。無論是在前期的開發評價中，還是在后期的增產改造和規模開發中，直井(包括叢式井)作為煤層氣開發的主要手段之一，其作用都不可替代。
1 選區、選井、選層技術
煤層氣的選區、選井及選層評價是煤層氣高效開發不可缺少的首要階段。它一般由兩大技術手段來實現，一是地震勘探技術，二是基礎地質技術，以此解決開發布井的問題。
1.1 地震勘探技術
煤層具有吸附性、低孔隙度、低滲透率、易變形等特點，加上我國地質條件復雜，煤層氣開發難度較大。近年來的地面煤層氣勘探開發實踐形成了一系列適合我國煤層氣地質特點的煤層氣勘探開發理論與技術，而這些理論與技術應用都首先依賴于對煤層氣開發區構造情況及煤層空間展布狀況的了解與掌握[1～2]。隨著煤層氣發展的不斷深入，面臨的問題逐漸顯現，地震勘探技術已成為煤層氣選區選井必不可少的重要手段。
地震勘探技術具有橫縱向分辨率高的顯著特點，目前多數情況下地震勘探技術主要是將常規二維地震應用于煤層氣勘探中，先運用大測網二維地震選好有利目標區，然后在有利目標區加密控制測網。通過地震，可以探測出煤層的賦存狀態與穩定性，較準確地識別出地下大中小型構造的發育特征，并定性、半定量地預測地下煤層厚度變化趨勢，進而優選出煤層氣富集高產目標靶區，指導有利井位的部署與鉆探。
鄂爾多斯盆地東緣韓城地區(以下簡稱韓城)地質史上歷經多期構造運動，斷裂密集分布，對煤層氣的保存有關鍵的影響和作用，通過地震數據的處理與解釋，可較準確地識別出地下構造特征，利于井位部署時有效地避開開放性斷層。
1.2 基礎地質技術
煤層氣生產層位的確定直接影響著開發區的煤層氣資源量大小以及生產時產氣潛力的高低，這就需要結合探井評價數據與資料，對全區一定深度范圍內的煤儲層基本特征，包括埋深、有效厚度、煤階煤質、煤層含氣量等進行研究。
例如，通過對韓城區內煤系賦存特征以及煤巖煤質特征進行分析認為，韓城區內的煤層氣資源主要分布在3#、5#和11#煤層中，3個主要煤層在工區分布基本穩定，演化程度較高，普遍都達到了瘦煤-貧煤階段，且厚度較大，埋深300～1000m，煤巖宏觀成分以暗煤為主，微觀成分以基質鏡質組為主，平均含氣量超過10m3/t，而后期的排采情況也證實了這3套主力生產煤層的產氣潛力。
2 單井開發潛力評價技術
為掌握區塊煤層氣的開發潛能，需要通過單井評價獲取相關參數。單井評價的目的就是為了獲得煤儲層的有效信息，掌握煤層的滲透率、壓力、含氣情況及初期產氣能力，為日后部署井組和區塊開發提供依據和指導。
獲取煤層的儲層特性主要通過地質錄井技術、測井技術和試井技術這3種手段來綜合分析評價煤儲層的產氣潛力，確定射孔壓裂層段，并對該井的開發潛力進行預測。現今沁水盆地樊莊區塊部署的大量煤層氣生產井均是建立在對早期的晉試1、晉試2、晉試3等單井的評價之上，韓城煤層氣田的規模開發也正是歸功于利用前期的勘探技術手段對單井進行了細致的評價。
2.1 地質錄井技術
煤層氣井錄井技術主要目的是獲得目標區的未知煤層賦存情況，由此對探井進行巖心錄井取心、采樣測試等，以獲得各種地質資料和煤層氣參數。
地質錄井是煤層氣勘探開發中最常應用的錄井技術，包括鉆時、巖屑、巖(煤)心、鉆井液性能、氣測等項目的錄取工作。其中，氣測錄井是指直接測定鉆井液攜帶的破碎煤層中可燃性氣體含量的一種測井方法，然后根據氣層解釋標準(表1)，結合巖石電性特征，判定氣測異常層是氣層還是含氣層。
煤層氣儲層在地質錄井中表現為鉆時快、氣測全烴含量劇增，有時可達飽和，甲烷含量也是劇增甚至飽和。在巖心錄井中，巖心出筒時，可見從煤心中有大量氣體逸出。鉆井中觀察到在泥漿池液面上浮有大量的煤粉，這也是由于煤屑中有氣體放出使煤屑在液面上的浮力增大所致[3～5]。煤層氣地質錄井在非目的層段一般采用巖屑錄井，在目的層段則同時采用巖屑錄井和巖心錄井，并根據鉆時、氣測等其他錄井資料進行綜合分析，準確地判斷出鉆遇的地層和巖性，卡準層位，準確、齊全地錄取各項地質資料[3]。
從地質資料方面看，巖性剖面符合率均超過85%，煤層符合率達100%，取心層位符合率達100%，錄井資料質量能滿足地質研究的需要[5]。在與測井數據對比前，錄井獲得的取心數據需進行深度校正。
2.2 測井技術
測井是煤層氣勘探開發尤其是單井評價的重要手段。目前評價煤層氣的常規測井方法一般包括自然電位、自然伽馬、井徑、雙側向電阻率、微球型聚焦電阻率、聲波時差、中子孔隙度和補償密度等測井技術。通過綜合分析測井資料與數據，可以定性、定量地判斷出煤巖各相關特性與參數。
由于煤巖所具有的特殊屬性，煤層的測井響應很特殊，比圍巖較易識別，具體表現為“三高兩低”的特征，即：高電阻、高聲波時差、高中子、低伽馬、低體積密度(圖1)。
在相同程度的煤化作用下，電阻率一般反映煤巖成分和煤質，電阻率越高，表明煤層灰分越低，煤質越好，絲炭含量和煤層受氧化是煤層電阻率降低的主要因素，低電阻往往也就直接反映了相對低的煤層含氣量；聲波時差值顯示了煤層的壓實程度和孔隙；補償中子則表示煤巖的含氫指數；補償密度則指示煤巖的變質程度和含氣量。從測井交會圖(圖2)中可以看出，該煤層的測井響應反映出了絲炭含量低、灰分中等、弱含水的特征。
韓城煤層氣田經過整體的測井對比之后，結合煤巖成分鑒定和沉積演化特征，認為軟煤主要在5#煤層和11#煤層下部，軟煤上限測井響應值為RT＜2000Ω·m，1.50g/cm3＜DEN＜1.60g/cm3，CNL＜35%或CNL＞42.8%。針對5#煤層和11#煤層的特點，針對性制訂射孔壓裂方案，射孔時避開下部軟煤，只射上部塊煤，能有效預防煤粉。
由于每口井的測井環境、井徑與泥漿電阻率不同，測井數據的定量化使用都需進行標準化和歸一化處理。測井方法依賴用取心法做出相應的圖版，但由于取心法的可靠性受到限制，也就影響了測井法求取滲透率的應用。
2.3 試井技術
煤層氣試井常用注入或壓降試井法。注入或壓降試井是一種單井壓力瞬變測試方法，適用于高、低壓儲層。它以穩定的排量、低于煤層破裂壓力的注入壓力向井中注水一段時間，在井筒周圍產生一個高于原始儲層壓力的壓力分布區，然后關井，使得井底壓力與原始儲層壓力逐漸趨于平衡。注入和關井階段采用壓力計記錄井底壓力隨時間的變化。通過軟件處理分析數據，求取目的層的參數，壓降階段的數據分析通常最具有代表性。
試井是獲取煤層滲透率的唯一有效方法。通過單井試井測試，還可以獲得原始儲層壓力、壓力梯度、表皮系數、儲層溫度、孔隙體積、破裂壓力、閉合壓力等各項煤層具體參數，為該井的煤層氣生產潛能評價和開發試驗提供可靠的依據。
相比錄井取心和試井測試，測井技術在測定儲層特性方面存在的誤差更小，且分辨率高、費用低廉。但單井評價的關鍵技術手段還是以測井技術為主，以錄井技術和試井技術為輔。錄井、測井和試井數據需綜合運用，才能提高數據的可靠性，從而提高單井評價的可靠性。用經過選擇的煤心和試井數據標定測井記錄，就可以用測井數據計算煤儲層各評價參數，這成為取心和試井的替代方法[6～8]。如此，才能有根據地優選射孔壓裂層段，保證單井氣產量。
3 增產措施與壓裂改造技術
3.1 裸眼完井技術
裸眼完井(圖3)是指將套管下在生產段煤層頂，然后鉆開煤層，不進行壓裂等增產措施，產氣煤層保持裸眼或用礫石充填。裸眼完井是一種最基本、最簡單、費用最低的完井方式，適合于埋深較淺、滲透性能好的單目的層，煤儲層穩定且不容易垮塌。
裸眼完井的主要優點是增加了煤層的裸露面積及裂隙與井筒溝通的通道，利于壓力釋放，節約了套管和水泥，減少了固井施工、射孔作業等施工環節，并消除了它們所造成的儲層傷害，完井費用最低。
裸眼完井的缺點是實施增產措施和分層開采困難，井底、井壁穩定性較差，強化作業時，容易出現井壁坍塌事故，特別是對于機械強度不高的煤層來說更是如此。裸眼完井也易發生水侵，風險比套管完井大。
鑒于裸眼完井容易造成煤層坍塌，若用礫石充填保持井筒穩定，又容易被細煤粉堵塞，因此開發出一種在裸眼井段下入帶孔篩管的方法以防止煤粉進入井筒，取得了良好的效果，但此種方式只適用于單厚煤層或距離相近的單一煤組，且滲透率較高時才能獲得商業產量。由裸眼完井技術進一步發展的完井技術還有裸眼洞穴完井技術，美國圣胡安盆地的4000多口煤層氣井，1/3是裸眼洞穴完井，這些井的煤層氣產量是采用射孔完井后進行水力壓裂的3～20倍，且成本低于大型水力壓裂，但該項技術在中國應用效果還不太理想。
3.2 篩管完井技術
國內的煤層氣多分支水平井完井普遍采用裸眼完井技術，如沁水盆地煤層較硬，多羽狀水平井大都采用裸眼完井技術。篩管完井技術在國外也主要用于煤層氣水平井以防井眼坍塌。但對于像韓城煤層氣田這類比較軟的煤層來說，直井中裸眼完井和裸眼洞穴完井也容易造成井壁垮塌，因此，可考慮篩管完井技術(即在裸眼完井或洞穴完井的直井中也下入帶孔的篩管)，確保井眼井壁穩定，防止井壁坍塌。
3.3 水力壓裂技術
水力攜砂壓裂技術是煤層氣增產的首選方法，也是主要措施，在世界各地煤層氣勘探開發中得到廣泛應用，增產效果顯著。美國對于水力壓裂技術研究最早，技術也比較成熟，經水力壓裂后的煤層能夠產生眾多且延伸很遠的裂縫，其產量較壓裂前增加了5～20倍擻果非常顯著。澳大利亞重點研究煤層應力來進行壓裂設計模擬，壓前先進行定向割槽和定向射孔，使應力得到釋放，以確保壓裂裂縫與面割理聯通。加拿大根據自身煤層含氣量低、致密、低壓、低滲的特點，并借鑒淺層氣開發的成功經驗，發明了大排量氮氣泡沫壓裂技術及連續油管壓裂技術，連續油管壓裂在加拿大多煤層地區應用超過了5000口井，產生了良好的效果。此外，國外也進行了分層壓裂工藝技術、多薄層限流壓裂技術、射流分層壓裂技術的發展和應用。
水力壓裂也是目前國內最主要的增產措施，中國絕大部分煤層氣井都需采取壓裂措施。我國產氣量超過1000m3/d的煤層氣井幾乎都是通過水力壓裂改造而獲得的。經驗表明，選擇煤層穩定、單層厚度大于0.6m、煤層埋藏淺、煤層物性好、裂隙發育、含氣量高(煙煤或半煙煤)的井進行壓裂后產氣效果好。
現有的煤層大部分為多煤層，對于多煤層，最新的壓裂技術是采用連續油管壓裂。連續油管壓裂具有以下特點：能同時對每個煤層進行改造，降低作業時間，不需要作、世架、橋塞和井口裝置，不需要注水泥，減少了一些設備的租賃時間，縮短了作業時間和排液時間，加快了生產速度。分層壓裂工藝技術也是針對多煤層的一種壓裂工藝，主要分為投球分層壓裂、下橋塞分層壓裂、封隔器分層壓裂、射流分層壓裂、多薄層限流壓裂等技術。對于多且薄的煤層，應該進行技術改進，多薄層限流壓裂技術根據層位的厚度不同，射孔的數目就不同，在壓裂時，隨著壓力的提高，一次壓開不同的煤層。
壓裂液是工程實現的主要載體，中國煤層氣井大部分采用水基壓裂液施工，少數井進行了線性膠和交聯凍膠試驗。活性水壓裂液是應用最廣泛的煤層氣壓裂液，成本低，對煤層的傷害低，但其濾失大，造縫效率及攜砂能力差，大大影響了壓裂效果。而常規清潔壓裂液等基于成本高、施工難度大等多種因素，難以大規模推廣應用。壓裂時采用何種壓裂液取決于煤層溫度、壓力和煤層物性。
在韓城地區，通過對33口井(其中30口使用活性水壓裂液，3口井使用清潔壓裂液)的排采效果進行統計分析，結果表明：采用活性水壓裂液壓裂的井比用清潔壓裂液的井產氣效果好；產氣量和前置液量具有很好的正相關關系(圖4)；加砂量和產氣量也具有一定的正相關關系，但砂比和產氣量之間沒有很明顯的相關性。
4 排采裝備與穩產技術
4.1 抽油機技術
煤層氣有桿泵開采的整套設備的]二作原理是在游梁式抽油機的往復運轉下，通過抽油桿帶動井底活塞在泵筒內來回抽吸，而其中的凡爾控制液體只能向井筒上方運動。
抽油機選擇要求在一定沖程、沖次和最大降液深度下，保證滿足最大可能的排水量，同時抽油機懸點最大載荷及減速箱輸出軸的扭矩又不超過它的額定值。對于直井和叢式煤層氣井，以往常采用常規游梁式抽油機排采。隨著煤層氣開發需求不斷增多，逐漸引入了其他適合于煤層氣排采的抽油機設備，如玉門石油機械廠生產的3型下偏平衡抽油機和4型下偏平衡抽油機。前者已在韓城煤層氣田試用，效果良好。
排采時一般通過測動液面和示功圖來判斷抽油機是否在正常抽吸工作。測動液面是為了了解抽油機正常抽吸時的地層供液情況以及泵的排液情況；測示功圖是為了測抽油機在上下沖程過程中的光桿負荷，從而分析地層出砂、出煤粉、儲層供液及抽油泵工作情況。煤層氣排采要求抽油機工作參數根據實際排采情況和獲得的一些生產數據，隨時發現問題，并進行調整，以適應連續、勻速、穩定降液的要求，盡可能大地形成壓降范圍，提高單井氣產量。
4.2 排采技術
合理的排采制度是煤層氣井獲得穩定高產的先決條件，排采強度過大、排采不連續等都會對煤層造成一定程度的傷害。
排采初期是整個煤層氣井開采的關鍵，如何生產要比如何增產更重要。由于煤層氣井在壓裂之后剛開始排采，地層尚未建立新的平衡，若排采強度過大，可能引起煤粉遷移和吐砂等不利后果，因此在這一階段應采用最小的排采強度，穩定緩慢排采，使地層逐漸重新建立新的平衡，同時又能掌握地層的供液能力。經過初期的排采之后，再根據地層的實際供液能力調整工作制度，盡量使地層供液與排液量保持一致，達到穩定、持續、緩慢降低液面的目的。
根據韓城地區的實際條件，經過不斷摸索，制訂出適合于韓城地區的一套排采制度：①在排采初期第一階段，低排采強度持續10～15d，使地層重新建立壓力場平衡，掌握地層的供液能力；②在第二階段，井底流壓接近煤層臨界解吸壓力，這是排采初期的關鍵時刻，應適當加大排采強度，盡可能地將近井地帶的煤粉和壓裂過程中形成的遠端煤粉排出，疏通近井地帶的高滲流通道；③第三階段主要是氣、液兩相滲透率反復變更階段(圖5)，排采時應保持液面的平穩下降，不能造成壓力激動而打破地下重新形成的壓力場，導致遠端滲流通道閉合，滲透率降低，這一過程一般持續時間達一個月。
每個階段可合理調整加快，但不能跨越。通過不斷調整每階段的生產制度，避免液面的大幅度波動。
在煤層氣井的生產過程中，氣鎖問題是經常遇到的問題之一，尤其是對于氣液比高的煤層氣井，泵效急劇降低，造成頻繁修井檢泵，使煤儲層受到傷害。研究結果發現，在“口袋”比較長的煤層氣井，將泵下到煤層以下，可以有效防止氣鎖；“口袋”不夠長的井，采用改進的氣錨，或者使用螺桿泵可以有效降低氣鎖的風險。
中國煤儲層的典型特征是非均質性強，各單井之間差異性明顯，煤層氣規模開發首先必須進行區域性降壓。韓城地區地質構造總體是一個向西北傾覆的單斜構造，局部地區為斷裂構造，小型構造發育，煤層在橫向和縱向上的分布差異以及煤層本身很強的非均質性，使得該區單井之間差異性明顯，因此，必須從區域上群井性地整體排水降壓以彌補地質條件的不足。
5 結論
1) 煤層氣的選區、選井及選層主要依靠地震勘探技術結合基礎地質技術。
2) 單井評價通常以測井評價為主，以錄井技術和試井技術為輔，而測井記錄的數據常需使用經過選擇的煤心和試井數據標定，這樣才能提高儲層評價參數及單井評價的可靠性，進而確定射孔壓裂層段。
3) 裸眼完井技術、篩管完井技術和水力壓裂技術是目前我國較可行的煤層氣井增產改造手段。裸眼完井需考慮煤層適應性，篩管完井除了應用于水平井外，也可以用于裸眼完井的直井中。
4) 煤層氣的排采需結合排采裝備，根據實際排采情況，制訂合理的排采工作制度。初期以最小的強度穩定緩慢排采，初期排采后，根據地層的實際供液能力調整工作制度，盡量使地層供液與排液量保持一致，穩定持續緩慢降液，盡可能地擴大壓降范圍。
參考文獻
[1] 常鎖亮，劉大錳，王明壽.煤層氣勘探開發中地震勘探技術的作用及應用方法探討[J].中國煤層氣，2008，5(2)：23-27.
[2] 接銘訓.鄂爾多斯盆地東緣煤層氣勘探開發前景[J].天然氣工業，2010，30(6)：1-6.
[3] 王恩樹，黃元海.石油鉆井地質錄井法在煤層氣勘探中的應用[J].中國煤層氣，1997(1)：24-26.
[4] 方錫賢.煤層氣勘探中的錄井技術[J].天然氣工業，2004，24(5)：36-38.
[5] 楊成強.煤層氣田開發中地質錄井的應用[J].山西科技，2008(4)：126-127.
[6] 陳江峰，王素玲.煤層氣儲層特性的測井評價[J].中國煤田地質，1998，10(2)：56-58.
[7] 彭鴻鵠.煤層氣儲層測井評價有關問題的討論[J].中國西部科技，2009，8(34)：7-8.
[8] 潘和平.煤層氣儲層測井評價[J].天然氣工業，2005，25(3)：48-51.
(本文作者：李景明1 巢海燕2 聶志宏1 1.中石油煤層氣有限責任公司；2.中聯煤層氣國家212程中心有限責任公司)
贊 賞 分享
您可以選擇一種方式贊助本站
支付寶轉賬贊助
微信轉賬贊助
- 注解：本資料由會員及群友提供僅供閱讀交流學習，不得用于商業用途！
