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煤层气测井技术方法研究论文

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煤层气测井技术方法研究论文

杨庆龙 吴财芳

( 中国矿业大学资源与地球科学学院 煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室 徐州 221008)

摘 要: 本文从剖析射孔完井的优缺点出发,结合山西省沁水盆地寺河矿区某井所采取的完井工艺技术,对沁水盆地煤层气气井的射孔完井技术进行适应性探讨。研究发现: 各个地区的地层属性都有其独特性,有必要根据本地区地层的区域性的具体特点,对煤层气井的钻井工艺做出相应的改善; 必须高度重视煤层气钻井完井过程中压力对煤层的伤害问题; 研究更低密度、低固相、高强度的水泥浆体系,以及其他低伤害高效压裂液是煤层气钻井完井技术的重要保障。

关键词: 沁水盆地 煤层气 射孔 钻井 完井

Study of Qinshui Basin CBM Technical Adaptation of Perforated Completion

YANG Qinglong WU Caifang

( 1. The School of Resources and Earth Science,China University of Mining and technology, Ministry of Education Key Laboratory of CBM resources and accumulation process, Xuzhou,221008,China)

Abstract: Base on the technology of well completion in Sihe mine of Qinshui Basin,This paper analyzes the advantages of Perforated completion,and Discuss the adaptation about it in Qinshui Basin CBM wells. The results indicate that: the formation of each region has its unique properties,it is necessary to make corresponding im- provement process about the drilling technique of CBM wells according to the regional stratigraphy of the region's specific characteristics; we must attach great importance to pressure harm to coal seam during CBM drilling and completion; it is an important guarantee to research more low density,low solids,high strength cement slurry and other low damage,Efficient fracturing fluid for CBM drilling and completion technology.

Keywords: Qinshui Basin; CBM; Perforation; Drilling; Completion

项目资助: 国家 “973”煤层气项目 ( 2009CB219605) 、国家科技重大专项项目 ( 2011ZX05034) 、国家自然科学基金重点项目 ( 40730422) 及青年科学基金项目 ( 40802032) 资助。

作业简介: 杨庆龙,男,1987 年 7 月出生,中国矿业大学资源与地球科学学院,在读硕士,专业方向: 煤层气勘探与开发,Tel:,E mail: yangqinglong325@126. com。

自20世纪90年代以来,随着地面煤层气开采技术的引进,山西地面煤层气开发利用发展迅速。截至2009年底,中外十余家企业在沁水煤层气田已建成各类煤层气井2621余口,地面煤层气年抽采能力达到22亿立方米。由于直井钻井成本低、工艺技术简单、技术最成熟。煤层气开发方式以地面垂直井为主。多分支水平井、丛式井试验成功标志着我国煤层气开发技术取得重大突破,但由于该技术属于试验阶段,大规模展开尚需时日。目前完井方式主要有裸眼洞穴完井和套管射孔完井。由于套管射孔完井技术具有对地层适用范围广、层间封隔好,允许进行选择性完井、有利于水力压裂和采气作业、井筒稳定,寿命长,便于修井等优点[1]。所以本地区主要最优的完井工艺依然是套管射孔完井,裸眼洞穴完井的适用性还有待研究。

1 钻井的目的

本井为煤层气开发井,本井完钻层位位于石炭系上统太原组3号煤层底板以下41.54m。本井揭露煤系地层厚度82.36m,共见主要可采煤层1层。3号煤层,位于山西组底部,似金属光泽,镜煤、暗煤次之。其钻探深度为443.85~450.45m,厚度为6.6m。测井为444.02~450.62m,厚度为6.6m,结构简单。钻井目的为开发利用3号煤层的煤层气,降低煤层瓦斯含量。

2 本井的工艺技术

本井井身结构符合设计要求,井身质量合格(图1)。

图1 煤层气井井身结构示意图

2.1 井身结构

(1)一开井身井径φ311.15mm,井深41.06m(钻入基岩26.05m),下入φ244.50mm的表层套管,为了使水泥浆较为便利的注入井内,表层套管长度为40.23m。固井水泥上返地面。

(2)二开井径φ215.90mm,钻至井深492.16m完钻。下入φ139.70mm的生产套管,套管长490.49m,高出地面0.28m。固井水泥返高为187.50m。

(3)阻位深487.66m,人工井底深度为487.00m。

2.2 井身质量评述

终孔489.00m处井斜为1.1°,该井的最大井斜在井深375.00m处,斜度为1.3°。全井在400m处全角变化率最大,为1.7°/25m。

全井平均井径224.20mm,平均井径扩大率为4.82%,井眼规则。非煤系地层平均井径225.92m,平均扩大率为4.46%。煤系地层平均井径223.56mm,平均扩大率3.54%,全井井径最大处为450~475m深度附近3号煤层底板山西组泥岩坍塌带,最大井径为301.57mm,最大扩大率为39.68%。

井底水平位移5.10m,全井方位均在272°~285°之间变化,闭合方位角为279°。未见井身扭曲现象。

2.3 钻具及钻井液设计

钻具组合如表1所示。

表1 钻具组合

钻井液要求:尽可能采用与煤层水理化性质相近的活性水钻进;如井下情况异常需要用钻井液钻进时,钻井液要严格按照保护煤层的要求控制好固相含量(特别是微颗粒和胶体颗粒的含量)和虑失量[2]。

本井采用清水钻进,钻井非煤系地层泥浆比重保持在1.05g/m3以下,钻进煤系地层泥浆比重保持在1.02g/m3以下,完全符合甲方钻井要求。

2.4 固井质量

对水泥浆的要求:严格控制水泥浆的失水量,一般不得超过200mL,水泥石的高压强度要达到14MPa以上;水泥至少要反至煤层顶部200m以上才为固井质量合格。

对生产套管的要求:套管串中要有短管,便于用磁定位测井校正射孔深度。短套管的下入深度在煤层顶界5~10m的范围内;套管接箍、扶正器及套管其他附件应尽量避开煤层。

该井的套管及水泥浆的使用情况如表2所示。

3 号煤顶板至水泥返高面的距离为252.52m,在完井试压测试中,在15MPa的压力下,经过30分钟的检测,压降为0。固井质量合格。测井曲线解释为煤系地层固井优良率为100%,非煤系地层固井合格率为100%。

2.5 完井设计

井筒与煤层的连通技术要求:井筒与煤层的连接方法采用射孔枪射孔方法。射孔孔径10~15mm;孔眼几何形状短轴与长轴之比小于0.8;孔径轨迹须沿套管表面螺旋分布,在任一横截面只能最多有一个孔眼;孔眼密度为15~25孔/m。孔眼除有效穿透套管和水泥环外,还要尽可能穿透煤层伤害区,进入无伤区。

表2 套管及水泥浆

该井3号煤层使用套管射孔完井,使用牙轮钻头钻完全部孔深,下套管、固井并将煤层用水泥封住后,用射孔器射穿套管、水泥环和部分煤层。射孔参数如表3所示。

表3 射孔参数

2.6 压裂设计

该井采用水基压裂液压裂,液体准备数量及配方:活性水650m3,钻井液用HT01润滑防塌剂325.0kg,钻井液用HT2(腐殖酸钾)防塌剂325.0kg,配方为清水+0.05%HT01+0.05%HT2。支撑剂选择石英砂,数量为:粒径0.15~0.3mm,准备量10.0m3,粒径0.45~0.9mm,准备量26.0m3。压裂车及辅助设备车辆名称及数量如表4所示。

表4 压裂车及辅助设备车辆名称及数量

本井3号煤层设计注入液体566.1m3,石英砂36m3(0.15~0.3mm石英砂10.0m3,粒径0.45~0.9mm石英砂26.0m3);实际注入液体569.6m3,加入石英砂36.0m3(0.15~0.3mm石英砂10.0m3,粒径0.45~0.9mm石英砂26.0m3),加砂率100%,施工达到了设计要求。

3 排采效果及工艺技术分析

3.1 排采效果

该井从2009年6月17日开始进行排采作业。至2010年4月9日该井煤层气产能随时间的变化关系如图2所示。

由图可知,该井在排采6个月左右达到产气高峰1000m3/d,随着排采过程的继续,排采效果稳定在1000m3/d,之后没有明显的提升。而经过测井计算所得该煤层的天然渗透率为(0.1~1)×10-3μm2,含气量高达22.5m3/t,具有较好的储层参数,与其煤层气井的产能明显不符。

图2 煤层气井前期产能变化曲线

3.2 工艺技术分析

分析该井的排采效果,综合工程的工艺技术特点,除了地质条件影响外,在工程上主要是目前所使用的射孔完井工艺技术存在一定的不足[3]。形成了较大的表皮系数,从而降低煤储层的有效渗透率,对煤储层造成较大伤害。采用射孔完井方式时,对煤层气储层的损害包括钻井过程中钻井液、固井过程中水泥浆以及射孔压裂等三个方面。

本井的钻井方式采用常规的清水钻进,但常规的煤层气钻井方式在本区有一定的局限性。这是由于本区主要含煤地层二叠系下统山西组岩性由灰、深灰色泥岩、砂质泥岩和浅灰色砂岩及煤层组成,钻井液从井底上返至地面的过程中,依次经过泥岩—煤层—灰岩—第四系土层。由于泥岩是水敏性地层,在接触到活性水钻井液之后势必会引起体积膨胀,作用于煤储层之上的应力增大,造成煤储层渗透率降低,在近井筒地段尤为明显,严重影响煤层气向井筒内的渗流。同时,泥岩具有较强的造浆能力(由测井资料可知在井深为450.00~475.00m范围内的井径达到301.57mm,井径扩大率达到39.68%。则从另一方面证明了泥岩的造浆能力),虽然本井采用清水钻进,在地面控制钻井液体系的固相含量,保持比重在1.02g/m3以下等一系列降低固相含量的措施,但钻井液在经过泥岩层时,经过泥岩的造浆作用,又形成了普通的泥浆体系,这种浆液直接接触煤岩层,则会对煤层造成更大的伤害。

钻井液性能包括钻井液密度、粘度、失水、含砂、pH值等,其中最重要是钻井液密度。本井的固井方式采用密度为1.85g/cm3的水泥浆液,水泥浆固井过程由于较大的水泥浆密度在井筒中存在较高的围压,煤层应力敏感性也同样会造成储层损害问题。压力敏感性是指施加在煤层上有效压力的变化对煤储层微观结构的影响,在宏观上表现为煤层的孔隙度、渗透率随着围压的增加而降低的现象。煤层裂缝和割理发育,由于煤层是一种弹塑体,裂缝在高围压下闭合,这种闭合是不可完全恢复的。郑毅[4]等人研究认为密度为1.85g/cm3的水泥浆所产生的液柱压力对煤储层的伤害也是不可低估的。若钻井完井过程中液柱压力没有控制在煤层压力以下,会造成煤层应力改变和塑性变形,使渗透率无法完全恢复,从而影响产气量。

射孔压裂过程一方面是为气流建立若干沟通气层和井筒的流动通道,另一方面又会对产气气层造成极大的损害,有时甚至超过钻井损害,从而使煤层气井产能很低。压裂液对煤层的伤害也是煤层气井增产效果不理想的重要原因。本井采用的是水基压裂液压裂。水基压裂液的成本低,性能好,易于使用,应用最广泛。但是熊友明[5]等人研究中国煤层多数不含水,目前多采用水基压裂液进行增产改造,而压裂液的返排率仅为35%~68%,剩余水滞留在煤层。由于煤岩具有很强的吸附性,吸附压裂液后会引起煤岩基质的膨胀及堵塞割理,从而降低割理孔隙度和渗透率及限制煤层气的解吸[6],在一定程度上造成二次伤害,极大地影响了煤层气的产出;加之煤层松软、煤粉多,压裂砂的支撑效果相对较差,井筒周边的压裂砂还会因卸压回灌到井筒,这也是导致部分井压裂无效的重要原因。经过压裂施工后有些井的产能只是天然生产能力的20%~30%,甚至完全丧失产能。此外,固井液、压裂液中的固体颗粒侵入煤储层,直接堵塞煤储层的空隙通道,结果将导致降低煤储层的绝对渗透率和相对渗透率,对煤层气井的产能也会造成较大的影响。

综合以上分析并结合本井实况,在完井过程中,要达到煤层气井增产、稳产的效果,需要多种措施来试图降低完井对地层造成的损害。在固井过程中,需要降低作用在煤层上的有效应力,就需要在保证强度的前提下降低固井所采用浆液的密度,使用低密度水泥浆、泡沫水泥浆等,目前,国外已成熟的煤层气井固井技术主要有水泥浆中加入固体降重剂(如粉煤灰、空心微珠等)形成高强度、低密度、低失水水泥浆、在水泥浆中加入氮气组成泡沫水泥浆等。在钻进过程中,需要减少钻井液和煤层的接触,考虑到本井含煤层位的上下部位均有土层,马永峰[7]等提出在含煤层位使用套管外封隔器,这样就有效地防止钻井液和煤层接触。最大限度地降低对煤层的伤害。同时,使用封隔器也解决了固井过程中煤层压力敏感性、水泥浆渗透等一系列问题。若是多煤层煤层气共采,这样就可以分段对煤层进行射孔和压裂施工。在压裂过程中,需要降低压裂液的失水量及固相含量。研制低伤害高效压裂液是当前亟待解决的关键问题,也是今后的发展趋势。泡沫压裂液、清洁压裂液等对低压、低渗煤层气储层比较适用,在沁水盆地已经取得较好的效果[8]。目前该技术成本高、应用范围局限,但前景很好,是值得推广的适宜中国煤层气储层条件的新技术。

4 结论

煤层的渗透性低,孔隙压力低,煤储层保护一直是整个煤层气钻井完井过程施工中必须重点考虑的问题。钻井液、固井液、完井液对煤储层污染程度如何,直接影响到目的煤层物化参数的正确评价及产能的精确评估[9]。如果对完井技术不重视,采取的措施不当,煤层气产能则会遭受重大影响。煤储层保护的核心就是尽量使所采取的钻井完井工艺技术少伤害、不伤害煤层。

(1)各个地区的地层属性都有其独特性,在探明地下煤岩层的地质环境后,有必要根据本地区地层的区域性的具体特点,对煤层气井的钻井工艺做出相应的改善。否则,很难保证不会对煤储层造成更大伤害。

(2)高度重视煤层气钻井完井过程中压力对煤层的伤害问题,在保证携带岩屑、润滑钻具等钻井液的基本功能的前提下,尽量减少钻井液的固相含量、失水量。研究更低密度、低固相、高强度的水泥浆体系,以进一步降低对煤层的液柱压力。

(3)从目前的发展看,今后一段时间水力压裂仍是煤层气增产的首选方法和主要措施,应继续深入对低伤害高效压裂液的研究。

参考文献

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[4]郑毅,黄洪春.2002.中国煤层气钻井完井技术发展现状及发展方向[J].石油学报,3:81~86

[5]熊友明,童敏,潘迎德.1996.煤层气井完井方式的选择[J].石油钻探技术,2:48~51

[6]王东浩,郭大立,计勇.2008.煤层气增产措施及存在的问题[J].煤,3:33~36

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[8]刘贻军.2007.应用新技术促进煤层气的开发[J].地质通报,5:625~627

[9]田中岚.2001.山西晋城地区煤层气钻井完井技术[J].煤田地质与勘探,3:25~28

周明磊1王怀洪2苏现为3毕叶岚3

(1.山东煤炭地质工程勘察研究院 泰安 271000)

(2.山东科技大学地球信息科学与工程学院 青岛 266510)

(3.山东省煤田地质局数字测井站 泰安 271000)

作者简介:周明磊,男,汉族,山东即墨人,研究员,现在山东煤炭地质工程勘察研究院从事测井新技术新方法的应用研究以及资料的处理解释。信箱:。

摘要 本文探讨利用数字测井技术解释煤层气的储层参数,估算煤层气含量,同时进行其他岩性的分析,并对煤层气井的固井质量做出评价,为煤层气勘探提供测井技术支持。

关键词 测井技术 煤层气 储层参数 体积模型

APPlications of Well Logging Technology in Surface CBM Extraction Project at Sihe Coalmine,Jincheng City

Zhou Minglei,Wang Huaihong,Su Xianwei,Bi Yelan

(1.Shandong Survey Institute of Coal Geological Engineering,Tai'an 271000;2.College of Geoinformation science and Engineering,Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266510;3.Shandong Provencial Bureau of Coal Geotogy,Tai'an 271000)

Abstract:This article introduced the use of digital logging technology in explaining the reservoir parameters,while analyzed other variable litho-logy,and assessed the cementing quality of CBM wells.It can supply logging technical support for CBM exploration.

Keywords:logging technology;CBM;reservoir parameters;volumetric model

1 概述

山西晋城煤业集团寺河矿井是“九五”时期国家重点建设项目,设计生产能力400万t/a。井田位于沁水煤田东南部,跨阳城、沁水两县,全井田面积为91.2km2,可采煤层3层即3#、9#、15#煤层。其中3#煤平均厚度为6.42m,可采储量为4.32×108t,也是本次煤层气地面预抽的目的层。

瓦斯也叫煤层气,是煤矿安全的头号杀手,也是一种清洁能源。本矿井属高瓦斯矿井,为了从根本上杜绝煤矿瓦斯事故的频繁发生,改善煤矿安全生产条件,同时还可作为一种新的能源;在地面上打井进行煤层气抽采,高瓦斯矿井就可能成为低瓦斯矿井。随着数字测井技术的快速发展,煤层气的测井仪器、有效方法及解释模型也比较成熟,已经具有能直接解释煤层气储层参数的可能性。

2 煤储层的地球物理特征

煤层气是一种以吸附状态为主,生成并储存在煤层中的非常规天然气,其成分与常规天然气基本相同(甲烷含量大于95%),可作为与常规天然气同等优质的能源和化工原料。煤层气的储层就是煤层,煤层气也就具有煤层的各种地球物理特征。煤层气储层具有双重孔隙结构,可以理想简化,如图1所示。煤基质的骨架是不同比例有机质和矿物质(一般以粘土矿物为主)组成的混合物。而煤层气储层的基质孔隙中,吸附着甲烷(CH4)以及少量的水和其他气体(CO2、N2、重烃等),几乎没有游离的水和气。煤层围岩的主要岩性是砂岩、泥岩、石灰岩等,煤层的物性特征与围岩存在较明显的差异。本区的目的层为3#煤层,平均厚度为6.42m,含有1层夹矸,岩性为碳质泥岩,反映明显,煤层顶底板岩性均为泥岩,具有渗透性差、隔水性良好的特点,致使煤层中的煤层气难以向外逸散而得以保存富集。因此,3#煤为煤层气提供了良好的存储条件。其地球物理特征如下。

图1 煤层割理和基质微孔隙剖面图

2.1 电阻率高且变化范围大

煤层的电阻率一般较高,除随煤化程度有较大范围变化外,通常为几十欧姆米至几千欧姆米,还与裂隙发育程度、含水性和灰分含量等因素有关。

2.2 时差大,传播速度慢

因为煤层的主要成分是有机质,并在微孔隙中吸附着甲烷气体,两者的声波传播速度均非常慢,所以煤层声波时差很大,纵波时差一般在320~450μs/m。

2.3 含氢指数(即中子孔隙度)高

煤主要由碳、氢、氧等元素组成,含氢量很高,其他岩性无一能及,所以中子测井得到的中子孔隙度值极高,一般在35%~50%之间。

2.4 自然伽马值低

通常煤层中的有机质不吸附放射性元素,只是其中构成灰分的泥质才有吸附放射性元素的能力,由于煤的灰分较低,煤层的自然伽马值远低于泥岩,一般在20~70API之间。

2.5 密度小

因为煤层中的有机质和微孔隙中吸附的甲烷气的密度很低,虽然构成灰分的矿物杂质的密度较高、但含量少,所以煤层的密度很小。烟煤约1.2~1.5g/cm3,无烟煤约1.35~1.75g/cm3,其他岩性通常为2.2~2.7g/cm3。

2.6 光电吸收指数低

岩石的光电吸收指数(Pe)按定义:

Pe=(Z/10)3.6

单位是巴/电子(b/e),式中Z为原子序数。碳元素的原子序数为6,计算得出它的Pe值是0.159,煤层以碳为主,因此煤层的Pe值很低,通常为0.9~1.2b/e之间。

3 测井仪器及施测参数

根据钻孔施工程序和测井设计的要求,本次测井所使用的仪器为渭南煤矿专用设备厂生产的TYSC-3Q型系列数字测井仪和美国Mount sprics公司生产的MT—Ⅲ系列数控测井设备。

实测参数裸眼井测井有补偿密度、中子、自然伽马、三侧向、视电阻率、自然电位、井径、井斜,套管井测井有声波幅度,以检测固井质量。

4 测井解释

4.1 测井解释模型及煤层气含量分析

本次测井资料处理、解释使用的是美国MT公司的LOGSYS测井处理系统以及中煤物探院开发的CLGIS解释处理软件,并应用了原煤炭部一类科研项目《煤层气测井技术研究》的部分成果。以密度曲线为主,辅以自然伽马、电阻率、声波时差和中子孔隙度曲线,主要进行预处理、数学计算、分层定性、交会图技术、体积模型分析和相关分析等。以SH1号钻孔解释为例,其他钻孔的解释类同。

(1)砂泥水百分含量岩石体积模型:把岩石体积分成岩石骨架、泥质、孔隙(饱和含水)三部分,作为对测井响应的贡献之和(见表1)。

密度:p=Vma·pma+Vsh·psh+φ·pw

自然伽马:I=Vma·Ima+Vsh·Ish+φ·Iw1=Vma+Vsh+φ

式中:p、I分别为岩石对密度、自然伽马的测井响应值;

pma、psh、pw分别为岩石骨架、泥质、孔隙水对密度的测井响应参数;

Ima、Ish、Iw分别为岩石骨架、泥质、孔隙水对自然伽马测井的响应参数;

Vma、Vsh、φ分别为岩石骨架、泥质、孔隙的体积含量。

表1 解释参数

(2)煤层体积模型:把煤层体积分成纯煤(包括固定碳和挥发分)、灰分(包括泥质和其他矿物)、水分(孔隙中充满水)三部分,作为对测井响应的贡献之和(见表2)。

密度:p=Vc·pc+Va·pa+Vw·pw

中子:φN=Vc·φc+Va·φa+Vw·φw1=Vc·φc+Va·φa+Vw·φw

式中:p、φN分别为煤层对密度、中子测井的响应值;

pc、pa、pw分别为纯煤、灰分、水分对密度测井的响应参数;

φc、φa、φw分别为纯煤、灰分、水分对中子测井的响应参数;

Vc、Va、Vw分别为纯煤、灰分、水分的相对体积百分含量。

然后将体积含量换算为重量含量:

中国煤层气勘探开发利用技术进展:2006年煤层气学术研讨会论文集

由于固定碳Qg与灰分Qa相对线性相关:

Qg=m·Qa+n

利用测井连续求得灰分,利用上式可以求出固定碳。挥发分Qv由计算的纯煤减去固定碳求得:

Qv=Qc-Qg

表2 解释参数

(3)估算煤层气含量:煤层中的甲烷气体是吸附在煤基质的微孔隙的内表面上,并且只有有机质才吸附气体,而矿物质和水是不吸附气体的。煤层中的水也不含气体的(水溶气很少,可以忽略不计),在煤层的原始状态下,甲烷等游离气体也很少,同样可以忽略不计。在一勘探区的同一煤层上,由于储层压力和温度等影响因素是近似相等的,若忽略煤层气饱和度的影响,则煤层含气量与非煤物质含量(灰分加水)呈线性相关关系。通过建立由煤心样测试的含气量与灰分的线性相关关系式,就可由测井求出的灰分连续地估算煤层气含量。

y=a·x+b

4.2 综合解释成果

(1)主要煤层测井响应平均值表,详见表3。

表3 主要煤层测井响应平均值表

(2)主要煤层工业参数计算成果表,详见表4。

表4 主要煤层工业参数计算成果表

注:煤层工业分析为重量百分含量。

(3)主要煤层及顶、底板解释分析表,详见表5。

表5 全部煤层划分数据表

(4)主要煤层及顶、底板解释分析表,详见表6。

表6 主要煤层及顶、底板解释分析表

注:依据岩层的岩性及其孔隙度的大小来评价含水性和渗透性。

用同样的方法计算了其他钻孔的煤质与含气量,详见表7。

表7 寺河煤层气项目部分钻孔煤质与含气量统计表

5 井身质量评价

5.1 井斜

根据井斜数据(表8)分析可知,钻孔倾斜从125m开始,并随着深度的增加而逐渐增大,在364m处达到最大值1°30';全角变化率最大值为0.81°/30m,位于孔深350m处;全井方位均在65°~162°之间变化,最大偏移距离为1.15m,闭合方位为145.73°。未见井身扭曲现象。

表8 井斜数据表

5.2 井径

全井井径变化情况详见井径数据统计表(表9)。从表中可以看出38.50~54.60m井段平均井径为233.79mm,平均扩大率为8.3%。导致井径扩大的原因是由于该井段岩石受风化的影响,地层比较松散。207.00~213.00m井段平均井径为243.73mm,扩大率为12.9%,为全孔最大。该井段以泥岩为主,质地较脆,容易形成井径扩大。

表9 井径数据表

5.3 固井质量

固井质量评价按照《石油天然气总公司技术规定》中的“水泥环质量鉴定”以及云南省恩洪煤田煤层气开发固井质量评价的相关标准进行评价。

全孔固井质量检测情况参见固井质量检测测井数据统计表(表10)。由于钻孔水位较低,声波幅度测量从143.10m处开始。从表中可见,测量井段内优良、合格率为100%。

表10 SH1号孔固井质量数据表

6 结论及建议

本次的目的层为3#煤层,测井物性反映明显,解释精度符合要求。

目的煤层的工业分析以及其他岩层的岩性分析是依据前面所述的体积模型及测井响应值,通过交会图技术选取参数,采用最小二乘法求解所得,具有一定的参考价值。煤层含气量的估算参考了本区内其他地质钻孔的煤层化验数据,结合钻孔的测井响应值,应用灰分与含气量的线性关系求解所得,供有关方面参考。

由于煤层气测井还处于起步阶段,无论测井仪器还是方法都需要进一步完善,通过本次的煤层气测井,对以后的工作建议如下:

(1)增加双井径、双测向等参数测量。

(2)尽量实现在每种探管上增加自然伽马参数,消除由于电缆伸缩带来的深度误差。

(3)通过实验确定声波探管是否满足固井质量检测技术要求,开发新的应用程序从全波列波形图上提取声波幅度。

(4)研究磁定位测井技术。

(5)电缆深度测量精度要进一步提高,用人工进行深度刻度其测量误差必须≤0.5‰。

(6)中子刻度必须有两个点:水点和19%刻度箱。

参考文献

[1]煤层气测井方法研究编写组.2000.煤层气测井方法研报告,北京:中国煤田地质总局

[2]贺天才.2005.晋城寺河煤层气抽采实践与展望,中国煤层气,第二卷第3期16页

[3]测井学编写组.1998.测井学,北京:石油工业出版杜

煤层气文章

李俊乾 刘大锰 姚艳斌 蔡益栋 张百忍

( 中国地质大学北京能源学院 北京 100083)

摘 要: 寻找煤层气富集高产区是煤层气勘探开发过程中一项重要的工作,通过对煤层气富集成藏的规律及开发潜力进行分析,为煤层气有利开发区的优选提供依据。本文从沉积环境、水文地质条件及地质构造三个方面,对沁水盆地南部郑庄区块山西组 3#和太原组 15#煤层气富集规律进行了分析。结果表明: ( 1) 区块内 3#煤层顶板以厚层泥岩为主,15#煤层顶板为一大套碳酸盐岩沉积,两类顶板封盖性好,有利于煤层气保存; ( 2) 区块位于滞水洼地附近,水力封闭作用有利于煤层气富集; ( 3) 煤层气局部富集区主要受地质构造的控制,宽缓背斜部位有利聚气、两翼较陡的向斜和背斜轴部均不利聚气、活动性断层部位最不利聚气,总体上向斜部位要好于背斜部位。最后本文从煤储层参数角度,具体分析了该区块的开发前景。3#和 15#煤层煤级高,含气量、含气饱和度较高,煤层较厚,煤层埋藏适中,储层压力接近或稍高于静水压力,均表明有利于煤层气的开发; 而煤储层渗透率普遍较低,则是煤层气开发的主要瓶颈,统计表明,该区块渗透率大小主要受最小有效应力 ( 最小主应力与储层压力之差) 的影响。

关键词: 郑庄 富集规律 沉积环境 地质构造 水文地质 渗透率

基金项目: 国家科技重大专项课题 34 ( 2010ZX05034 - 001) ,国家重大基础研究计划课题 ( 2009CB219604) ,国家自然科学基金项目 ( 40972107) ,中石油创新基金资助 ( 2010D -5006 -0101) 。

作者简介: 李俊乾,博士研究生,矿产普查与勘探专业,主要从事煤层气勘探与开发研究。

Email: lijunqian1987@ 126. com; Tel: 010 - 82320892

Primary Geologic Factors Controlling Coalbed Methane ( CBM) Enrichment and CBM Development Potential in Zhengzhuang Block

LI Junqian LIU Dameng YAO Yanbin CAI Yidong ZHANG Bairen

( School of Energy Resources,China University of Geosciences,Beijing 100083)

Abstract: It is significant to find out the CBM enrichment area during the CBM exploration and develop- ment. It can help select favorable CBM target areas through studying the CBM enrichment regularity and its devel- opment potential. In the paper,the CBM enrichment regularity of the Shanxi Formation No. 3 and the Taiyuan For- mation No. 15 coal seams of the Zhenzhuang Block in northern Qinshui Basin were studied by analyzing sedimenta- ry environment,hydrogeology and geologic structure. Results show that: ( 1) in the study area,the thick mud- stone and carbonate rock are the major lithology of the roof plates of No. 3 and 15 seams respectively. Both roof plates have a good sealing-capping property which are beneficial to preserve the CBM; ( 2) the study area locates near the center of stagnant water,where a CBM enrichment area is formed resulting from hydraulic sealing; ( 3) regional CBM enrichment is mainly controlled by geologic structure. The most favorable area for CBM enrichment locates at an anticline with steep wings; secondarily locates in the axial parts of the anticline and syncline with gentle wings; and the worst locates near the activities faults. On the whole,syncline is much more favorable than anticline in CBM enrichment. In the paper,the CBM development potential in the study area was also analyzed based on coal reservoir parameters. Results show that it is promising to develop CBM within No. 3 and 15 coal seams because both seams are characterized by high metamorphic grade,high CBM content and gas saturation, thick seam,moderate coal burial depth and coal reservoir pressure is similar to ( or higher than ) hydrostatic pressure. However,the low coal reservoir permeability is a main unfavorable factor in CBM development. Statistical results show that the coal reservoir permeability is mainly affected by the difference between minimum principal stress and coal reservoir pressure.

Keywords: Zhengzhuang; enrichment regularity; sedimentary environment; geologic structure; hydrogeol- ogy; permeability

自20世纪80年代美国成功实现地面煤层气商业性开发以来,煤层气的勘探和开发越来越受到世界各主要产煤国的重视。煤层气的抽采利用不仅能缓解常规油气资源短缺带来的能源危机,而且对于煤矿安全生产以及保护环境都具有重要意义。我国煤层气资源丰富,据最新一轮全国煤层气资源评价结果(孙茂远等,2008),埋深2000以浅的煤层气资源总量达36.8×1012m3,仅次于俄罗斯和加拿大,居世界第三位。截至2008年,在沁水盆地南部已建成1.5亿m3产能的煤层气生产基地,成功实现了高煤级、中低渗透煤的煤层气开发,打破了国外高煤级储层是煤层气开发禁区的理论(高远文等,2008)。

虽然我国高煤级煤炭资源丰富(占总煤炭量29%),赋存煤层气资源量巨大(占总含气量15.42%),但开采难度较大,单井产量也通常较低。这是由于我国的聚煤盆地形成演化历史复杂,后期构造破坏严重,以及盆地原型及构造样式多变(孙茂远,2001;饶孟余等,2005),使得煤层气富集规律难以把握,而且我国的高煤级煤储层多阶段演化和多热源叠加变质作用明显(杨起,1999),使得我国煤层气藏的储层物性具有极强的非均质性,增加了煤层气的开采难度。因此,研究煤层气富集成藏的地质控制因素以及分析煤层气藏的开发潜力,对于寻找煤层气富集、高产高渗区具有重要现实意义。本文以沁南郑庄区块煤层气藏为研究目标,对这一问题进行了初步探讨分析。

1 区域背景及地质概况

郑庄区块位于晋城市西北约80km处,行政区划属于沁水县郑庄镇。1999年,中国石油华北油田公司在郑庄区块取得982.76km2的探矿权,并于2006年探明含气面积74km2;在2008年取得了135.2km2的采矿权;截至2009年,在该区块累计探明煤层气地质储量达到843亿m3,和毗邻的樊庄区块一起构成我国首个整装千亿立方米的煤层气田(探明地质储量为1152亿m3),具有广阔的商业开发前景。

郑庄区地块质构造上位于沁水盆地东南部的马蹄形斜坡构造背景之上,其东南及东部以寺头断裂带为界,区内以宽缓褶曲为主,局部发育小规模正断层(如图1)。区块内自下而上发育有奥陶系,石炭系中统本溪组、上统太原组,二叠系下统山西组、下石盒子组、上统上石盒子组、石千峰组,三叠系下统刘家沟组以及第四系等地层,其中山西组和太原组为主要含煤层段,发育多套煤层。山西组3#煤层和太原组15#煤层在沁水盆地南部广泛分布,为两个主力煤层,厚度较大且稳定可采,是煤层气勘探开发的主要目标层位。

图1 郑庄区块地质构造及3#煤层埋深等值线图

2 煤层气富集成藏的地质控制因素

2.1 沉积环境

结合前人研究(任海英,2004;邵龙义等,2006)及钻井剖面分析,郑庄区块15#煤层形成于太原组早期第一次特大型海侵之前,聚煤作用发生在泻湖被逐渐淤浅的滨岸沼泽之上,在稳定的构造背景下,聚煤作用持续时间较长,形成较厚的15#煤层(2.4~7.9m)。长期的海侵之后,在15#煤层之上沉积了10m左右的大套石灰岩。在太原组末期,海水开始退去,海陆交互相沉积转换为三角洲沉积体系,在下三角洲平原分流涧湾内发育了厚度较大的3#煤层(5.3~6.2m)。3#煤层顶板发育厚层分流涧湾泥岩,局部夹有分流河道砂体。

沉积环境控制着煤层气的储盖组合、煤层气储层的几何形态以及煤层厚度(王红岩等,2004),从而影响煤层气的赋存及三维空间分布特征。在不同沉积环境,煤储层围岩条件好坏各异,这直接影响着煤层气的保存。围岩条件的好坏主要取决于煤层顶底板岩性、厚度及其透气性。顶底板岩性越致密、厚度越大、透气性越弱,越有利于煤层气保存富集;反之则利于煤层气体向其他岩层扩散,使气体含量降低。如图2所示,在郑庄区块,3#煤层直接顶、底板均为厚达10多米的泥岩,由于泥岩具有气体排驱压力高、透气性弱的特点,因此对煤层气的封闭能力较好;15#煤层直接顶板为大套的石灰岩,虽然灰岩易受地下水溶蚀作用而使其透气性能增加,但溶蚀性灰岩常分布于构造变动强烈地段,而研究区内构造变形简单,石灰岩遭受溶蚀可能较弱。再加上该灰岩层厚度较大,因此对煤层的保存亦较为有利,但总体较3#煤层围岩封闭性差。

图2 郑庄区块3#和5#煤层顶底板岩性图

总之,在郑庄区块,稳定的沉积环境下发育厚度大、稳定性好(其中3#>15#)的两主力煤层,为煤层气大量储集提供了物质基础;同时,煤层顶、底板具有良好的封闭性能,保证了煤层气的有效保存富集。

2.2 水文地质条件

水文地质条件对煤层气的富集及运移起重要作用,影响煤层气的赋存和分布。通常,水文地质条件控气具有双重性,既可导致煤层气逸散,又能起到保存聚集煤层气的作用。叶建平等(2001)将水文地质控气作用概况为3种类型,即水力运移逸散作用、水力封闭作用和水力封堵作用,其中后两种类型有利于煤层气保存。傅雪海等(2007)在研究沁水盆地水文地质条件对煤层气富集的影响时,提出从盆缘到盆地中心依此出现水力封堵控气作用、水溶携带控气作用、径流逸散控气作用和水力封闭控气作用,最终导致盆缘煤层气含量低、斜坡带含量较高和盆地中心含量高的结果。

研究表明,沁水盆地南部地区山西组含水层主要由底部砂岩和3#煤层上部砂岩组成,两者之间没有水力联系,后者通过裂隙与3#煤层有一定的水力联系(傅雪海等,2007);15#煤层与顶板石灰岩没有水力联系。可见两煤层本身基本是独立的水动力系统,受其他含水岩层影响较弱,外部水动力对煤层气保存影响较小。

郑庄区块边界的寺头断裂,现今状态下属于一条封闭性断裂,导水、导气能力极差,是盆地内部的一个水文地质单元边界。山西组砂岩含水层和太原组灰岩含水层水位在寺头断层东侧附近达到最低值,是地层水的滞水洼地;位于寺头断裂西侧的郑庄及其附近地区,水位也较低,地下水径流强度也可能较弱,较有利于煤层气保存(王红岩等,2001;2004;傅雪海等,2007)。通常,地下水滞水地带也是矿化度较高区域,郑庄区块煤层水矿化度非常高(如表1),远高于弱径流区地层水矿化度(1823.61mg/L),由此推测郑庄区块亦位于地下水滞流区,地下水以静水压力的形式将煤层中的煤层气封闭起来,导致煤层含气量较高。

表1 郑庄区块煤层水矿化度 单位:mg/L

2.3 地质构造条件

构造作用是影响煤层气成藏最为重要和直接的因素,不仅控制着含煤盆地及含煤地层的形成和演化,而且控制着煤层气生成、聚集和产出过程的每一环节。在聚煤期,构造控制着煤系地层形成发育的特征,影响到煤层气的生成、储集和封盖能力;在聚煤期后,构造特征及其演化通过对构造变形和热历史的限定,不仅对煤层气的生、储、盖性能产生影响,而且直接控制了煤层气的运移、聚集和保存特征,从而决定着特定地区煤层气资源开发潜力的大小(秦勇,2003)。

在沁水盆地东南部(包括郑庄区块),煤层气成藏经历了三个演化阶段(王红岩等,2008;林晓英等,2010):第一阶段,三叠纪末期,煤层达到最大埋深,煤岩镜质组反射率达1.2%,此阶段为深成变质作用生气阶段,累计生烃量达到81.45m3/t;第二阶段,晚侏罗世开始至白垩纪末,地层开始抬升,但由于燕山中期的构造热事件影响,煤层长期处于异常高古地温阶段,引起二次生烃,累计生烃量大,可达359.10m3/t;第三阶段,喜山期的煤层气藏调整与改造,最终形成了现今格局。在第二阶段,由于异常热事件的影响,地层的抬升并没有破坏煤层气藏,反而增加了煤储层储集气体的能力。两次生烃作用为煤储层大量聚气提供物质基础。

在盆地形成演化过程中,郑庄区块受构造作用影响较弱,构造形迹相对简单。对煤层气富集具有控制作用的主要为寺头断层及区内局部背、向斜,在不同的构造部位煤层含气量具有明显差异。从图3上可以看出,在宽缓背斜部位有利聚气(如Js8井)、两翼较陡的向斜和背斜轴部(如Js5和Zs31井)均不利聚气、断层部位最不利聚气(如Zs39井),总体上向斜部位要好于背斜部位(如Js5>Zs31井)。

图3 区域地质构造与煤层含气量关系图

这主要包括以下几个方面的原因:(1)通常处于活动期的断层具有开放性,是气体运移的有利通道;而活动比较微弱或不活动的断层具有封闭性则有利于气体的保存。在煤层气成藏演化过程中,寺头断层在喜山晚期之前一直处于活动状态,具有强开放性,导致断层附近煤层气体沿断层大量逸散,煤层含气量极低。(2)两翼较陡的向、背斜,均为挤压应力下形成的地质构造。对于向斜,轴部煤层的底部及其底板岩层张性裂隙易于发育,部分煤层气扩散损失,而两翼部位则为煤层气富集区;对于背斜,轴部煤层含气量低则是由于煤层顶部及其顶板张性裂隙的发育,同时两翼部位有利于煤层气富集。总体而言,向斜要比背斜更有利于聚气。(3)宽缓背斜也是在挤压应力环境下形成的,属于局部小构造,亦为应力集中区,因此有利于煤层的吸附。

3 煤层气开发前景分析

煤层气有利开发区主要包括两层含义,它既是煤层气的富集区又是高产高渗区。在查明煤层气富集规律的基础上,寻找煤层气高产高渗区是实现煤层气大规模商业开发的关键。文章从煤储层参数角度,具体分析了郑庄区块3#和15#两主力煤层的开发潜力以及瓶颈问题。

煤层气在煤储层中的渗流特征与常规天然气差异很大,影响煤层气高产的因素复杂而多样,主要包括:煤层气含量、含气饱和度、煤层埋深、煤层厚度、煤级、煤储层渗透率、煤储层压力、临界解吸压力(娄剑青,2004;万玉金等,2005;陈振宏等,2009)以及煤体结构等。在研究区内,煤层气开发的有利储层参数主要包括以下几个方面:(1)煤储层含气性较好(表2),3#煤层平均含气量19.11m3/t、甲烷含量18.35m3/t、含气饱和度69.58%;15#煤层平均含气量16.30m3/t、甲烷含量15.42m3/t、含气饱和度62.80%。较高的含气量和含气饱和度是煤层气高产稳产的物质基础。(2)煤层埋藏适中,降低开采难度及开采成本,3#煤层埋藏深度512~1215m;15#煤层605~1310m。(3)煤层厚度较大,3#煤层厚度5.3~6.2m;15#煤层厚度2.4~7.9m。(4)煤变质演化程度高,最大镜质组反射率Ro,max=3.55%~3.98%,高变质程度使煤的吸附能力强,含气量高。(5)3#煤储层压力梯度接近于静水压力梯度;15#煤储层压力梯度略高于静水压力梯度。煤层气储层为常压或接近常压均有利于煤层气的开发。

表2 郑庄区块煤层含气性特征

注:下标ad代表空气干燥基。

在郑庄区块,开发煤层气存在的主要瓶颈问题是煤储层渗透率较低,平均低于1mD,其中3#煤层试井渗透率为0.013~0.430mD;15#煤层试井渗透率为0.022~0.920mD。通过镜下观察显微裂隙,两煤层均以B型(宽度>5μm,1mm<长度<10mm)裂隙为主,A型(宽度>5μm,长度>10mm)裂隙较少,裂隙密度较小,且连通性中等至差。裂隙不发育和连通性较差是导致煤储层渗透性差的主要原因。但两煤层的煤岩类型主要为光亮煤,煤体结构以原生结构和碎裂为主,这使得改善煤储层渗透能力成为可能。从煤层气开发的角度来讲,原生结构的煤体,裂隙虽然相对较少,但经过压裂后,煤层气容易抽放,属较好类型的煤体;碎裂结构的煤体,裂隙相对发育,抽放条件优越,属于极好的煤体类型。

表3 郑庄区块煤储层宏观和微观裂隙发育特征

另外从图4上可以看出,在郑庄区块煤储层渗透率主要受最小有效应力(最小主应力与储层压力之差)的影响,随着该应力的增加,渗透率值明显降低;但埋深和最小主应力对渗透率的影响不明显。因此,可以通过研究最小有效应力分布规律,在研究区低渗透率背景上寻找渗透率高值区,为选取煤层气高产高渗区提供科学依据。

图4 3#(a)及15#(b)煤层渗透率与应力、埋深关系图

4 结论

文章从沉积环境、水文地质条件和地质构造三个方面,分析了郑庄区块3#和15#煤层煤层气富集成藏的地质控制因素。结果表明:稳定的聚煤沉积环境和封闭的水动力系统是煤层气的保存的有利条件,而局部煤层气富集则受控于地质构造条件:在宽缓背斜部位有利聚气、两翼较陡的向斜和背斜轴部均不利聚气、断层部位最不利聚气,总体上向斜部位要好于背斜部位。另外,文章从储层参数角度分析了该区块煤层气的开发潜力。3#和15#煤层煤级高,含气量、含气饱和度较高,煤层较厚,煤层埋藏适中,储层压力接近或稍高于静水压力,均表明有利于煤层气的开发。然而该区块煤储层渗透率极低,使煤层气的商业开发增加了难度,但可以通过压裂等增产措施适当的改善煤储层,提高气产量。

参考文献

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事件: 根据新华社报道,山西省2019年将全面实行煤层气矿业权退出机制。

山西省煤层气储量占约全国9成,圈而不采现象严重。 根据《山西省煤层气资源勘查开发规划 (2016—2020年)》,截至2015年底山西省累计探明煤层气地质储量5784亿立方米,约占全国的88%,主要分布在沁水盆地和鄂尔多斯盆地东缘。2015年底全省境内共设置煤层气矿业权41个,登记面积3.06万平方千米。然而山西省煤层气矿业权80%以上属于中石油、中联煤、中石化三大央企,圈而不采现象较突出,制约了煤层气开发进度。

山西省2019年有望实施煤层气矿业权退出机制。 为了扭转煤层气区块资源垄断造成的活力不足现象,山西省近年来积极推行煤层气矿业权改革,2019年有望实行煤层气矿业权退出机制。根据新华社报道,山西省将提高煤层气区块最低勘查投入标准和区块持有成本,具备开发条件的区块将限期完成产能建设,取得煤层气区块后长期勘查投入不足的企业将受到核减区块面积等处罚,情节严重的将收回区块。此外,山西省鼓励企业之间采取合作或调整矿业权范围等方式,妥善解决矿业权重叠范围内资源协调开发问题。

退出机制有望遏制现有“囤地”行为,利好新天然气、蓝焰控股等技术型企业。 我们判断退出机制有望遏制“囤地”行为,技术先进、经验丰富的煤层气开采公司有望通过转让或合作开发方式获得矿区。新天然气2018年8月完成收购亚美能源50.5%控制权,通过产品分成合同参与山西沁水盆地潘庄和马必区块煤层气开发,其中潘庄区块面积141.8平方千米,占山西省煤层气总登记面积不足0.5%,2017年煤层气产量超过山西省总产量10%。马必区块面积898.2平方千米,已于2018年10月取得发改委开采核准,今年起有望大规模商业开发释放产能。蓝焰控股是目前国内最大的地面抽采煤层气公司,第一大股东晋煤集团旗下具有国内最大井下抽采能力,实际控制人山西省国资委。2017年蓝焰控股实现煤层气产量14.3亿方,占全国总量的28.9%。

多措施鼓励煤层气开采,我国18-20年地面煤层气产量年均增速将达26.38%。 能源局2016年11月印发《煤层气开发利用“十三五”规划》,指出到2020年全国煤层气抽采量达到240亿立方米,其中地面煤层气产量100亿立方米。考虑到2017年全国地面煤层气产量仅49.54亿立方米,若要完成规划,预计2018-2020年煤层气产量年均增速将达到26.38%。山西省目标高于规划,根据2017年8月发布的《山西省煤层气资源勘查开发规划(2016—2020年)》,山西省2020年煤层气抽采量将达到200亿立方米,地面开采产能建设达到300~400亿立方米/年。此外,我国多举措鼓励煤层气开采,对煤层气开采企业实行直接补贴和增值税即征即退政策:目前煤层气每方气补贴由原0.2元提高至0.3元,补贴政策延续至2020年以后;煤层气销售增值税先征后退政策2007开始实行,退税款由企业专项用于煤层气技术研究和扩大再生产,不征收企业所得税,我国未来几年煤层气发展空间广阔。

投资建议: 能源清洁化背景下全国天然气需求高景气无忧,预计未来三年天然气整体呈现紧平衡,非常规天然气开采加速。继续推荐具备上游煤层气资源的新天然气。

(文章来源:申万宏源)

煤层气论文题目

翟雨阳1 胡爱梅1 王芝银2 段品佳2 张冬玲3

(1.中联煤层气国家工程研究中心有限责任公司 北京 100095 2.中国石油大学城市油气输配技术北京市重点实验室 北京 102249 3.中石油煤层气有限责任公司 北京 100028)

摘要:韩城地区煤层属低渗透率煤层气藏,且地质条件复杂,煤岩结构及力学性能差。在煤层气开采初期,井筒内的液柱重力在井底流压中占很大的比例,而井底流压与井周煤岩的应力状态变化规律密切相关。排采降压过程中,过小的动液面高度使煤层处于进一步压密状态,并导致渗透率降低,而过大的动液面高度使井底压力过大进而引起井周岩石产生较大软化破碎区,形成煤粉堵塞渗流通道。因此,研究煤层气动液面高度的合理区间及降低速率对开采过程中有效保持井周应力的合理分布,维持或提高储层渗透率,具有十分重要的意义。本文以韩城示范区为例,利用韩城3#,5#煤层的岩石力学试验,分析了煤岩应力状态与渗透率的关系,通过井周弹塑性应力分析,建立了不同应力状态下保持或提高绝对渗透性的合理动液面高度区间和降低速率。利用所建立的模型对韩城地区WL1,WL2井组进行计算分析,获得了韩城煤层气井开采过程中动液面高度的合理变化区间和排采速率的合理值。本论文研究成果为韩城煤层气井排采强度定量化控制提供了重要的指导意义和借鉴方法。

关键词:煤岩 应力 动液面 渗透率 排采速率

基金项目: “十一五”国家科技重大专项项目 38———煤层气排采工艺及数值模拟技术 ( 2009ZX05038) 资助。

作者简介: 翟雨阳,男,1973 年生,博士,主要从事常规油气、煤层气排采及数值模拟研究工作,通讯地址:北京市海淀区地锦路 5 号中关村环保科技示范园 7 号楼,E mail: zhaiyy@ nccbm. com. cn

Discussion on Control Method to Reasonable Height of Dynamic Liquid Level for CBM Well

ZHAI Yuyang1,HU Aimei1,WANG Zhiyin2,DUAN Pinjia2,ZHANG Dongling3

( 1. China United Coalbed Methane National Engineering Research Center Co. Ltd. ;2. Beijing KeyLaboratory of Urban Oil and Gas Distribution Technology, China University of Petroleum,Beijing 102249,China;3. PetroChina CBM Company Limited,Beijing,100028,China)

Abstract: In China,Coal is of low permeability,complex geological conditions,and weak petrographical structure and mechanical performance. In the initial stage of the recovery,the gravity of the liquid column takes a large proportion in bottom-hole pressure ( BHP) ,and the stress state of surrounding rock are closely related with BHP. Thus,in the process of recovery,too small height of the dynamic liquid level makes coal seam be further compacted and leads to permeability reducing; reversely,too much height of dynamic liquid level easily causes BHP too large and induces the surrounding rock breaking in soften,and produces the coal powder and blocks the seepage channels. Therefore,the study on the rational range of dynamic liquid level and the reducing rate have the vital significance to effectively maintain the reasonable distribution of stress state of surrounding rock and increase reservoir permeability. Based on the 3#,5#coal rock mechanical experiments in Han-cheng,this paper analyses the relationship of the stress state and permeability of coal rock. Through the elastic-plastic stress analysis to the surrounding rock of well,the mathematical model is established,which is about the reasonable range and depres- surization rate of dynamic liquid level to maintain and improve the absolutely permeability. The established models are applied to calculate and analyze the field data of WL1 and WL2 Wells in Han-Cheng. Finally,the reasonable variations of dynamic liquid level are obtained. The researching results provide important instructions and refer- ences to the reasonable recovery control of the coal bed methane in Han-cheng.

Keywords: coal rock; stress; dynamic liquid level; permeability; depressurization rate

引言

煤层气作为非常规能源,对其有效的开采不但可以缓解我国能源短缺的问题,还可以提高煤炭资源的开采效益,并且能够减少对环境(温室效应)的影响。煤层气的有效开采受多种因素的影响,如地质构造特征、煤岩结构、煤阶、渗透率、含气量、解吸吸附特征和开采工艺等[1~5]。因此,煤层气的开采与常规油气开采相比既有相似之处,同时又存在着较大的差异。其中,应力敏感性问题在煤层气工程中表现的尤为显著[6~7]。煤岩储层的渗流能力受孔隙压力变化、煤层气解吸引起的基质收缩作用和滑脱效应的综合影响[8~10]。加载速率和加载方式的不同对煤岩的力学特性和破坏特征有较大的影响,如果加载速率较快,煤岩将呈脆性粉碎性破坏,抗压强度略有提高;相反若加载速率较低,则煤岩抗压强度偏低,延性增大。在煤层气工程实际中,煤岩结构复杂,裂隙(面割理和端割理)十分发育,随着排采的进行煤岩的应力状态将不断发生变化,导致煤岩的裂隙开始发生闭合,然后产生开裂,最终会发生破碎的过程,进而引起储层的渗流系统发生改变,而排采过程中渗透率的变化规律决定着煤层气是否能够高效的开采[11~12]。目前国内外煤层气行业在制定排采工作制度方面主要依靠经验及井筒液面变化来定性确定,这往往导致排采制度不合理,对储层造成伤害,影响开发效益。本文探讨如何通过排采过程中控制煤层气井的合理动液面高度变化规律提高煤层气效益,为煤层气排采强度定量控制提供了科学的理论依据。

1 韩城地区煤岩物理力学特性

1.1 试验测试

煤岩力学特性是反映和研究储层力学行为和应力敏感性的基础数据。利用RW2000岩石三轴压缩试验机对高径比为2∶1的煤岩心试件进行实验,测定了韩城3#,5#和11#煤岩的抗压强度和抗拉强度等参数。其中,抗压强度、弹性模量、泊松比由单轴压缩试验测得;抗拉强度由劈裂试验测得;内摩擦角、粘聚力、残余粘聚力和残余内摩擦角通过三轴压缩强度试验获得,试验结果见表1和表2。

表1 韩城煤岩单轴抗压抗拉强度及变形参数

表2 韩城煤岩三轴抗压强度试验结果

由表1和表2中的实验测试资料可见,韩城煤岩力学特性较差,抗压强度均在10MPa以下。三类煤岩比较而言,3#和5#煤的物理力学特性要比11#煤强,11#煤的残余强度非常低。因此,在煤层气工程中必须注意煤岩力学特性对排采强度控制的影响。

1.2 煤岩应力状态影响渗透率变化机理

基于对韩城主力产气煤层煤岩(3#,5#和11#煤)进行的室内试验和应力应变全曲线下煤岩应力状态对渗流能力影响关系研究表明,煤岩的绝对渗透率在初始弹性变形阶段是随有效应力的增加而减小,但减小的幅度并不大;当有效应力接近煤岩的峰值强度时,由于原有裂隙的开裂和新裂隙的出现导致渗透率缓慢增加当超过峰值强度后,渗透率迅速增大;但当有效应力接近煤岩的残余强度时,渗透率逐渐趋于稳定。

其中,煤岩弹性极限点为原生裂隙开裂、新裂纹开始萌生的临界点。

2 合理动液面高度的确定

在煤层气开采过程中,随着动液面的降低,储层煤岩应力状态不断发生变化,导致煤岩的结构特征和孔隙率等物理力学特性发生改变,因而影响了储层的渗流能力。在此过程中,储层渗透率的变化规律与煤岩的力学特性和煤岩的应力状态变化规律密切相关。根据煤岩应力状态对绝对渗透率的影响关系,考虑煤层气井井周具有破碎区的弹塑性应力状态,则可以通过对井周围岩进行应力状态变化规律分析,另由煤层气生产不同阶段井周应力分布与井底流压及套压和液柱高度之间的关系,忽略气柱摩擦阻力,推导得出保持储层处于塑性裂隙发育阶段的液柱高度合理区间为

中国煤层气技术进展: 2011 年煤层气学术研讨会论文集

则,动液面高度为h'w=H-hw

另由工程实际分析可知,井底流压的上限值不超过储层原始压力pe。式中:H为储层埋深;pe,pc,p0分别表示为储层压力,套管压力和原岩平均水平应力;c,φ,cr,φr,St分别表示煤岩的粘聚力,内摩擦角,残余粘聚力,残余摩擦角和抗拉强度;ρg表示液柱重度。

因此,要想提高渗透率,应控制合理的动液面高度变化范围,以保持井周应力状态为弹塑性状态,以在井周形成割理或裂隙贯通的流体运移通道,且随着开采过程中塑性区的发展,在井周出现塑性软化区或破碎区,但需防止井周出现过大塑性软化区。

合理的动液面高度变化范围与煤岩的力学性质、储层埋深密切相关,尤其是受内摩擦角影响较大。由于储层的软化区受煤粉的影响会使渗透率受到抑制,因此,在煤层气开采过程中需根据储层的力学特性及埋深来合理控制动液面高度,尽量避免软化区大范围产生,以免造成储层伤害而影响煤层气的进一步开采。

3 动液面合理降低速率

由煤岩的加载速率效应可知,加载速率对煤岩的强度呈正相关影响,同时煤岩脆性亦增强。对于各向异性的煤岩介质,过快的加载速率不利于煤岩中的原始裂隙裂缝的稳定扩展和煤层气的渗透的提高。同理,对于煤层气工程排采过程中的动液面降低速率对井周储层煤岩具有类似的影响机理,如果动液面降低速率过快,将会使储层煤岩有效应力快速增大,最终不合理的动液面降低速率导致煤岩出现脆性破碎并有大量煤粉产生,对储层造成巨大的伤害。所以,煤层气开采不同阶段需控制动液面降低速率在合理值域内。

当储层煤岩处于初始弹性应力状态下时,

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当储层煤岩处于裂隙扩展的塑性阶段,即动液面高度满足(1)式时,

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式中:h'w表示动液面降低速率;ωcr、ωce为塑性软化阶段和弹性阶段的动液面降压速率上限值,可通过试验和现场数据综合分析确定。

4 韩城地区工程应用

韩城地区煤层气为多煤层储层联合排采,煤岩力学特性较差,合理的动液面变化规律对煤层气的高效排采具有很大的意义。根据韩城煤岩的试验力学参数和合理动液面高度变化规律的确定方法(见式1~3),对韩城地区WL1和WL2的3#和5#煤联合开采的典型煤层气井排采数据进行了统计计算分析,结果见表3。

表3 合理动液面高度降低速率上限值

通过拟合分析可得:

在开采初期的弹性阶段,3#、5#煤联合开采井的动液面近似合理降低速率上限值h'w(m/d)随储层埋深h(m)的变化规律分别为:h'w≤0.022h~5.188;当井周煤岩处于塑性阶段,3#,5#煤联合开采井的动液面合理降低速率上限值h'w(m/d)随储层埋深h(m)的变化规律为:h'w≤0.006h~1.234。

开采过程中无论是初始弹性阶段或塑性破坏阶段,动液面降低速率上限值与储层埋深均近似呈线性递增的规律。煤岩力学特性对开采过程中降液速率影响较大,因此对于力学特性较差的储层,需控制好降液速率才能维持较高的排采能力。初始弹性阶段的降液速率比中期塑性阶段的降液速率一般高4~5倍,这也恰好与室内强度实验曲线峰值前后稳定加载的速率值相同。考虑到工程实际中的安全因素,建议取1.2的安全系数。

5 结论

(1)本文基于煤岩试验揭示了煤层气开采过程中井周煤岩应力状态对渗透率影响的力学机理;储层有效应力随着压降漏斗不断扩展而不断增大,煤岩从原岩区到井壁处,由原始的弹性状态进入塑性状态,在井壁处出现张拉破坏区,此时裂隙开裂积累,日产能达到最大。

(2)以韩城地区煤层气工程数据为依托,探讨提出了生产过程中为提高储层的渗流能力,合理动液面高度变化规律的控制范围及降低速率上限值,对煤层气井的合理排采具有借鉴意义。

(3)煤层气开采受多种因素的综合影响,还需考虑表皮效应(储层伤害)和压裂效果的影响,有待进一步考虑研究。

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傅雪海

(中国矿业大学资源与地球科学学院 江苏徐州 221008)

作者简介:傅雪海,1965年9月生,男,湖南衡阳县人,博士,教授,博士生导师,从事能源地质的教学与科研工作。

项目:国家重点基础研究发展规划——“973”煤层气项目(编号:2002CB211704)。

摘要 本文从煤层气的赋存方式、超临界吸附、低煤级煤的含气量的测试方法、采动影响区动态含气量、煤层气的多级压力降与多级渗流、煤储层渗透率的气体滑脱效应、有效应力效应、煤基质收缩效应、煤储层压力中水压与气压的关系、高煤级煤产气缺陷及煤层气平衡开发等方面对我国煤层气勘探开发的应用基础研究问题作了简要剖析。指出针对各煤级煤储层特征,实行平衡开发,是保障我国煤层气勘探开发持续、稳定发展的重要措施。

关键词 煤层气 动态含气量 动态渗透率 平衡开发

Brief Analysis on Several Basic Issues in CBM Exploration and Developme nt

Fu Xuehai

(China University of Mining and Technology,Xuzhou 221008)

Abstract:This article briefly analyzed several basic issues in CBM exploration and development,including CBM existence ways,supercritical absorption,test method of gas content for low rank coal,dynamic gas content in mining impact zone,CBM multi-level pressure dropping and multi-level percolation flow,gas slippage effects of coal reservoir permeability,effective stress effects,coal matrix shrinkage effects,the relationship between gas pressure and water pressure in the coal reservoir,gas problems in high rank coal and CBM balance development and so on.The author pointed out that the balance development of CBMfor various rank coals is important measure to ensure the continuing and stable development of China's CBM.

Keywords:CBM;dynamics gas content;dynamic penetration;balance development

引言

煤层气藏为介于固体矿藏与流体矿藏之间的一种特殊类型压力-吸附矿藏。美国通过30多年的研究,建立了中、低煤级煤生储优势、次生生物气成藏、煤储层双孔隙导流等基础理论体系,形成了煤储层孔、渗、吸附性等物性室内实验测试技术、排水降压开发煤层气技术、与储层物性相适应的完井技术、增产技术、多井干扰技术、储层压力与渗透率现场试验技术、煤层气、水产能数值模拟技术等为核心的煤层气勘探开发技术[1~8]。此理论除在加拿大有一定的适应性外,其他近30个国家或地区应用效果不佳,揭示该理论存在着较大的局限性。我国在各煤级煤矿区施工了600 多口煤层气井、10余个井组,大多进行了试气排采,煤层气、水产能稳定性差,井与井之间、同一口井不同排采阶段之间变化极大,煤层气产量与试井渗透率的关系并不十分一致,甚至高渗透率低产量,低渗透率却具有较高的稳定气产量[9]。这一现实使我国煤层气工作者感到迷惑,严重扰乱了我国煤层气的勘探开发部署。储层参数与排采工作制度怎样配置才能获得稳定、连续的产能呢?不同学者或工程技术人员从自己的专业范围就上述问题的某一方面曾作过一些有益探索,未从整体上去把握。本文就我国煤层气勘探开发工作中面临的应用基础研究问题提出一些想法,与大家一起讨论。

1 煤层气的赋存方式与低煤级煤含气性问题

1.1 固溶气问题

煤层气由吸附气、游离气、水溶气三部分组成已得到煤层气工作者的公认。但煤与瓦斯突出时的相对瓦斯涌出量是煤层含气量的数倍至近百倍也是不争的事实,就是煤层采动影响区的煤层气和围岩中的煤成气也不可能达到如此高的程度。显然艾鲁尼提出的固溶体是客观存在的,甚至在煤层气总量中的比例远高于艾鲁尼认为的替代式固溶体2%~5%、填隙式固溶体5%~12%这一比例[10]。固溶气(体)可能与天然气水合物——可燃冰类似,在煤与瓦斯突出时被释放出来,由此可见固溶气(体)亦是煤层气的一种重要赋存方式。

1.2 超临界吸附问题

平衡水条件下,煤对甲烷的吸附性呈“两段式”演化模式,即朗氏体积先随煤级的增大而增加,后随煤级的增大而降低,其拐点(即极大值点)大约在镜质组最大反射率3.5%~4.5%这一区间内,在褐煤和低煤化烟煤阶段受煤岩组分的影响波动性较大[11]。

地层条件下,煤层甲烷超临界吸附的现象是存在的。但只有当煤层甲烷压力(气压)超过5.18MPa(表1)才真正出现超临界流体,实际上在我国煤矿瓦斯实测压力中超过此压力的矿井是比较少的。但对于原位且处于封闭系统的煤储层,储层中水压等于气压,只要煤层埋深超过600m,煤层甲烷就可能成为超临界流体。

图1 二氧化碳和乙烷在正常温压梯度条件下的液化区间

对于甲烷和氮气,任一埋深储层温度均高于临界温度,无论压力多大,均不会液化;对于二氧化碳,当储层温度低于31.1℃(表1),对于乙烷,当储层温度低于32.4℃(表1),而储层压力(气压)高于液化压力,二者可以呈液态形式存在。按正常地温梯度3℃/100m、正 常 储层 压 力 梯 度0.98MPa/100m,设恒温带深度为20m、温度为10℃,则埋深400m左右,储层温度约为22℃、储层压力为3.9MPa,此时二者均低于临界温度和压力,二氧化碳和乙烷以气态形式存在;当埋深达到800m,储层温度约为34℃,高于临界温度,二氧化碳和乙烷仍为气态。但当二氧化碳压力大于7.38MPa、乙烷压力大于4.98MPa,二氧化碳和乙烷有可能成为超临界流体;只有在400~800m范围内的局部层段(封闭体系),储层温度低于临界温度,储层压力高于液化压力,二氧化碳和乙烷才可能以液态形式存在(图1)。

表1 煤层气组分的简明物理性质[12]

*在30℃时进行二氧化碳等温吸附实验时得出。

对于以甲烷为主,含有二氧化碳、氮气、乙烷的煤层气而言,其超临界状态和液化的温度和压力条件是下一步值得关注的问题之一。

1.3 低煤级煤含气量的测试问题

我国煤层含气量现场测试大多是基于MT-77-84解吸法标准得出的,对中、高煤级煤适应性较好,但对于分布在我国东北、西北地区的低煤级煤而言,实测含气量明显偏低,由于低煤级煤孔裂隙发育,取心过程在地层温度条件下快速解吸,到地面由于温度降低,解吸速度变慢,有的甚至没有解吸气,由解吸气推算的损失气也就明显偏低。中国煤田地质总局1995~1998年进行的煤层气资源评价时就没有涉及到褐煤,其他单位和个人大多基于褐煤平衡水等温吸附实验来推算褐煤的含气量,从而计算出资源量。因此低煤级煤储层中的煤层气资源量大小不同是造成我国各单位和个人计算煤层气资源量差异的根本原因。

基于低煤级煤层的含水性、孔裂隙特点、温度、压力条件,分别进行吸附气、水溶气和游离气的数值模拟,厘定低煤级煤含气量是我国下一步的研究方向之一。

1.4 采动影响区动态含气性的问题

煤矿采动影响区是地面煤层气开发或井下瓦斯抽放的有利部位。煤矿井巷开拓和煤炭生产改变了煤层的地应力场、流体压力场,打破了煤层内游离气、吸附气和水溶气之间的动态平衡关系。煤矿采动影响区因为煤层卸压,裂隙张开或形成新的裂隙,又因为矿井通风,采动影响区与暴露煤壁间连续出现甲烷浓度差,使煤层渗透性、扩散性能大大增强,煤层气发生解吸,并在浓度梯度、压力梯度作用下向巷道或工作面扩散、渗流或紊流。随着巷道和采煤工作面的连续推进,采动影响区内煤层的含气量呈现出动态变化特征。

煤矿采动影响区可划分为本煤层采动影响区(水平采动影响区)、邻近层采动影响区(垂向采动影响区)和煤炭资源残留区[13]。本煤层采动影响区又可进一步分为掘进巷道和采煤工作面采动影响区。采动影响区内煤层动态含气量与煤壁暴露时间(采煤或掘进工作面推进速度)和距暴露煤壁的距离有关,任何一点的煤层气流速、流向和瓦斯压力均随时间的变化而变化,即为非稳定流场,求其解析解很困难。只有采用数值模拟的方法,如有限元法、瓦斯压力连续测定法、瓦斯涌出量法、瓦斯排放效率法等来近似地估算[13]。

2 煤层气多级压力降与多级渗流问题

煤储层是由气、水、煤基质块等多种物质组成的三相介质系统。其中气组分具有多种相态,即游离气(气态)、吸附气(准液态)、吸收气(固溶体)、水溶气(溶解态);水组分也有多种形态,即裂隙、大孔隙中的自由水、显微裂隙、微孔隙和芳香层缺陷内的束缚水、与煤中矿物质结合的化学水;煤基质块则由煤岩和矿物质组成。在一定的压力、温度、电、磁场中各相组分处于动平衡状态。在排水降压或外加场干扰作用下开发煤层气的过程中,三相介质间存在一系列物理化学作用,其储层物性亦相应发生一系列变化,单一相态的实验研究很难模拟煤储层的真实物性状态。

煤储层系由宏观裂隙、显微裂隙和孔隙组成的三元结构系统[11]。在排水降压开发煤层气的过程中各结构系统压降程度不同,客观上存在着三级压力降,煤层气-水的运移也相应地存在着三级渗流场,即宏观裂隙系统(包括压裂裂缝)——煤层气的层流-紊流场、显微裂隙系统——煤层气的渗流场、煤基质块(孔隙)系统——煤层气的扩散场[14]。扩散作用又包括整体扩散、克努森型扩散和表面扩散,渗流亦存在达西线性渗流和非线性渗流。煤层气开发,上述三个环节缺一不可,且气、水产能受制于渗流最慢的流场。前期研究大多忽略气体的扩散作用,渗流方程只考虑前两个环节,数值模拟气、水产能与实际情况相差甚远,且过于强调宏观裂隙,即试井渗透率的研究,忽略煤岩体实验渗透率及扩散系数的测试分析。因此,与煤储层孔裂隙结构系统相匹配的解吸—扩散—渗流—紊流多级耦合问题、与煤储层孔裂隙结构系统相匹配的煤层气产能模拟软件是下一步煤层气勘探开发应用基础研究方向之一。

3 储层压力中的水压与气压的关系问题

煤储层流体压力由水压与气压共同构成。美国煤储层压力以水压为主,气、水产能稳定、持续;我国煤储层压力构成复杂,气压占有较大比例,不同压降阶段,煤层气、水产能不同,在总体衰减的趋势下呈跳跃性、阶段性变化[15]。

水动力势是煤层气富集和开发的最活跃因素,是储层压力或地层能量的直接反映和主要贡献者;水的不可压缩性对裂隙起支撑作用,水动力又是煤储层渗透率的维持者。我国中、高煤级煤层为相对隔水层,煤层本身的水体弹性能较低,气体弹性能较高[16]。

美国以单相水流作为介质测试煤储层压力和渗透率的试井方法应用到我国以气饱和为主的煤储层肯定会存在较大缺陷,也就是说用美国的试井方法得出的我国煤储层压力和渗透率是不确切的,由储层压力、含气量和等温吸附曲线计算的含气饱和度、临界解吸压力、理论采收率同样是不确切的。

笔者认为处于封闭系统的煤储层,其水压等于气压,处于开放系统的煤储层,其储层压力等于水压与气压之和。煤储层压力构成及其传导、煤储层中气、水介质之间的相互关系,控制了煤层甲烷的解吸、扩散和渗流特征,是目前煤层气开发亟待解决的关键科学问题。

4 煤储层动态渗透率问题

煤储层在排水降压过程中,随着水和甲烷的解吸、扩散和排出,其渗透率存在有效应力效应、煤基质收缩效应和气体滑脱效应,三种效应综合作用使煤储层渗透率呈现出动态变化[11]。

4.1 有效应力效应

有效应力是裂隙宽度变化的主控因素。有效应力增加会使裂隙闭合,使煤的绝对渗透率下降。渗透率越低,相对变化越大,有的减少两到三个数量级。在排水降压开发煤层气的过程中,随着水和气的排出,煤储层的流体压力逐渐降低,有效应力逐渐增大,煤储层渗透率呈现出快速减少、缓慢减少的动态变化过程[11]。

4.2 煤基质收缩效应

气体吸附或解吸导致煤基质膨胀或收缩,可用朗格缨尔形式来描述,笔者用CO2作为介质对不同煤级圆柱体煤样(每点只平衡12h)进行过吸附膨胀实验,结果表明煤基质收缩系数随煤级的增大而减少[11]。煤层气开发过程中,储层压力降至临界解吸压力以下时,煤层气开始解吸,煤基质出现收缩,由于煤储层侧向上受到围限,煤基质的收缩不可能引起煤储层的整体水平应变,只能沿裂隙发生局部侧向应变,使煤储层原有裂隙张开,裂隙宽度增大,渗透率逐渐增高,且中煤级煤增加的幅度大于高煤级煤[11]。

4.3 气体滑脱效应

在煤这种多孔介质中,由于气体分子平均自由程与流体通道在一个数量级上,气体分子就与流动路径上的壁面相互作用(碰撞),从而造成气体分子沿通道壁表面滑移。这种由气体分子和固体间相互作用产生的滑移现象,增加了气体的流速,使煤的渗透率增大,且随着储层压力的降低,先缓慢增加,到低压时快速增大。

5 高煤级煤储层产气缺陷问题

高煤级煤储层渗透率对应力敏感性强,应力渗透率衰减快;高吸附性、微孔性,自封闭性效应明显;高煤级煤束缚水饱和度大,相渗能力低;经历的构造运动期次多,其反复加压和卸压,渗透性损害极大;煤基质收缩能力弱,煤层气开发过程中其渗透率较难得到改善[17]。

第一,高煤级煤储层显微裂隙不发育。高煤级煤储层大多经过强烈的构造运动,煤层呈碎裂煤、碎斑煤和糜棱煤。

第二,高煤级煤储层应力渗透率衰减很快。流体压力不变、围压不断增大的渗透率实验表明:高煤级煤岩体的渗透率随围压增大呈指数形式降低,且衰减系数远大于中煤级。由于地应力梯度(我国通常为1.6MPa/100m左右)大于储层压力梯度(正常压力梯度为0.98MPa/100m),因此,随煤层埋深的增加,煤储层有效应力增大,煤储层渗透率降低。

第三,高煤级煤相渗能力低。相对渗透率表明:高煤级煤束缚水饱和度大,介于71.3%~84.82%之间,单相水流和气、水双相渗流区域狭窄。气-水双相渗流时,高煤级煤最大气相相对渗透率与最大水相相对渗透率之和介于25.4%~40.78%之间,平均为33.2%,即气相与水相有效渗透率之和约为其克氏渗透率的1/3;束缚水下高煤级煤气相渗透率只有其克氏渗透率的15.7%~22.1%,平均为18.2%,即多相介质条件下,高煤级煤有效气相渗透率不及其克氏渗透率的1/5[11]。

在排水降压开发煤层气的过程中,流体沿渗透性较好的区域指进,使指进流体绕过较大面积的被驱替相,形成被驱替相的一座座“孤岛”。高煤级煤束缚水饱和度大,即这样的“孤岛”较多,排水降压困难,煤层气难于解吸,大部分煤层气被残留,然而由于其吸附时间只有1~9d,所以能较快(数月后)达到产气高峰,造成高资源量、低产能之“瓶颈”现象[17]。

第四,高煤级煤储层渗透率改善能力弱。多相介质煤岩体吸附/膨胀实验表明,高煤级煤吸附最大,膨胀量低于中煤级煤。反过来,煤的吸附/膨胀与解吸/压缩互为可逆过程,即在煤层气的开发过程中,高煤级煤的收缩能力较弱。数值模拟结果表明煤基质收缩引起的渗透率正效应低于有效应力引起的渗透率负效应,高煤级煤储层渗透率在煤层气排采过程中逐渐衰减。

开展不同煤级煤柱样甲烷吸附(吸附平衡时间长达数月)膨胀实验、测试不同压力降、不同孔裂隙结构的气、水流量和扩散能力是下一阶段煤层气勘探开发的重要研究方向。

6 煤层气平衡开发问题

煤储层由多元孔裂隙结构组成,煤层气排采时存在多级压力降和多级扩散/渗流场,由于前期受急功近利的思想支配,煤层气井排采常打破煤储层气-水相渗平衡,没有处理好套压、液面降深和井底压力三者之间的关系,因气、水产能的过度增加,势必加速原始储层内能的消耗,使生产的持续时间缩短。因此,在试气排采阶段,针对不同的储层物性条件,多开展关井测压工作,绘制压力恢复霍纳曲线图,求出压力恢复曲线的斜率,再进一步据关井测压前的平均日产量折算成储层内的体积流量,并结合储集系数和压缩系数来估算气井现实条件下储层内的气体流动系数和气相有效渗透率,从而确定该储层的平衡产能[18]。据沁南 TL007 井和铁法 DT3 井产能历史分析,沁南 TL007 井的平衡产能为2000m3/t左右,铁法DT3井的平衡产能为3000m3/t左右[9]。因此,在排采工作制定时,不断调整套压、液面降深和井底压力,维持气、水产能平衡开发,增长井孔服务年限,是下一步煤层气勘探开发所要关注的问题之一。

7 结论

中国煤层气开发目前处于商业化生产的启动阶段。煤层气超临界状态和液化的温压条件、低煤级煤的含气量测试方法、采动影响区动态含气量、排水降压开发的动态渗透率、煤储层压力构成及其传导、煤储层中气、水介质之间的相互关系、与煤储层孔裂隙结构系统相匹配的解吸—扩散—渗流—紊流多级耦合理论、与煤储层特征相适应的钻井、完井、增产技术、与煤储层孔裂隙结构系统相匹配的排采工作制度和产能模拟软件等均是下一步煤层气勘探开发的应用基础研究课题。

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煤气层开发方面的论文题目

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全负压煤气净化系统的现状及改进摘要E介绍了全负压煤气净化系统投产:6年来的生产现状、主要技改措施和仍存在的问题。关键词:煤气净化全负压系统生产现状改进措施!煤气净化系统的现状我公司的煤气净化系统采用的是与29;1<=5型;(焦炉配套的>?循环洗涤工艺@一期工程于:AA1年A月投产@净化系统处于半负荷B煤气处理量54 8万(0 C’D状态。二期工程于:AA0年A月投产,煤气处理量达8万(0 C’。从511:年以来@因焦炭产量增加@使煤气净化系统处于平均处理量达84 8万(0 C’B峰值时可达;4:万(0 C’D的超负荷运行状态。为此@我们通过对冷却水量、洗液量等指标的相应调整,逐步形成了一套较为成熟的管理操作方法,保证了煤气净化系统的稳定运行,各项指标见表:。由于全负压煤气净化工艺的吸气机设置在末端,整个过程都处于低温状态,有效避免了正压工艺中鼓风机后的煤气温升问题。另外@在吸气机房增设了风扇和空调等降温设备,保证了主电机的安全运行。脱酸蒸氨系统运行也很正常,保证了生化废水达标和洗涤系统的稳定运行。"存在问题和改进措施B:D经多年运行,换热器出现了不同程度的腐蚀、内漏和堵塞,严重影响净化系统的正常运行。为此,我们先后增加了一台贫6富液板式换热器、一台汽提水6循环水板式换热器。并将剩余氨水换热器由列管式改为螺旋板式。根据洗液的流量和温度7采取了加压反冲吹扫和更换芯子等处理措施,保证了煤气净化系统的稳定运行。部分煤气管道也因局部腐蚀出现漏点,经焊补后运行正常。8 2 9因电捕焦油器的捕焦油效率下降7使煤气中的焦油含量高达3:2;<*!。为此7将其中一台的电晕丝由单根单股改为单根多股绞线7保证了放电的均匀7绝缘部分由一个瓷缸改为三个吊装瓷瓶,不但易于检修,还增加了电晕丝的稳定性,保证了电捕焦油器的稳定运行。今年4月,因发生绝缘箱磁缸爆裂、电晕丝折断和短路等故障进行了大修。目前7电捕焦油器后煤气中的焦油含量已降至!3*;<*!以下,最低值仅为4:=*;<*!。8!9液相带油造成设备和管道的堵塞。该系统的除油过程集中在机械化澄清槽、初冷器和电捕焦油器。当除油效果不好时,焦油会随洗涤富液和剩余氨水带入脱硫富液中,随后进入脱酸蒸氨工序,易造成列管式换热器和板式换热器的堵塞。针对上述现象,采取了如下措施。"9在澄清槽和剩余氨水槽之间增加一台">3*!的卧式槽,作为循环氨水的重力沉降除油槽,并在剩余氨水槽和富液槽内增设斜向隔板7在槽壁的不同高度增设放油口7定时放油。2 9新建一套剩余氨水的气浮除油装置,除油率达53?@A3?7同时可降低系统中萘的含量。经气浮除油后的剩余氨水送入脱硫塔。!9原设计的固定铵塔和挥发氨塔闪蒸室的泵吸入口较低7沉积在底部的焦油极易被吸入管道,造成系统的堵塞。提高泵的吸入高度后,并定时放油,大大降低了堵塞的几率。8 4 9冷凝工序的改造。南北两台冷凝液槽各有两台液下泵,一开一备,现在北冷凝液槽增设一台自吸泵,并改造了相应管道,使自吸泵在清槽等特殊操作时可改抽南槽中的冷凝液。8 5 9脱酸蒸氨工序的改造。增设一台贫富液板式换热器和一台循环水6汽提水板式换热器,降低了贫液和汽提水进入后段换热器的温度,减轻了后段的冷却负荷,既提高了富液的预热温度,又节约了蒸汽。酸汽回炉管因腐蚀产生内漏7无法使用。当克劳斯炉灭火时7酸汽就无路可通。为避免脱酸塔形成真空而吸瘪,在脱酸塔顶加装了!53**的放散管。原设计中7进入新水池中的地下水只用现场阀门控制,由于生产过程中用水量的变化易造成新水池满流或抽空。为此7在新水池进口管上加装浮球阀,实现了液位的自动控制,既可避免水的浪费,又可减少事故的发生。脱酸贫液泵的轴承为内循环式,冷却介质为脱酸水,若瞬间中断,轴承就会因迅速升温而损坏。贫液泵的冷却水系统改造为软水冷却后,从未出现过轴承烧坏现象。同时7增设一台备用脱酸塔,这样7检修脱酸塔时系统可不停工,缓解了脱酸塔检修时对废水生化处理系统的冲击。8>9洗涤工序的改造。增设洗氨塔碱洗段的循环碱液流量计,以便准确掌握循环碱液流量,确保碱洗段的脱硫效率。原设计将各伴热汽的冷凝液、两苯塔间接蒸汽冷凝液和蒸汽管网的冷凝液经疏水阀排入地沟。现将冷凝液集中送入固定铵塔,既节约了固定铵塔蒸汽,又杜绝了蒸汽的跑冒滴漏。将剩余氨水换热器由列管式改为螺旋板式,既可用循环水冷却,也可用新水冷却,解决了因冷却水供应不足而造成剩余氨水温度过高的现象。将富氨水和半富氨水的换热器由列管式改为螺旋板式,提高了换热效率,可降低洗液温度和保证净化指标。将洗苯塔喷头改为无堵喷头,提高了洗苯效率。8 A 9吸气机的改造。在吸气机主电机国产化的同时,加装了手动调速系统,当自动控制系统发生故障时7可进行人工控制。!改进生产操作8"9电捕焦油器运行的好坏直接影响煤气中的含油量,定期用热氨水冲洗7以防止煤气中的焦油附着在沉淀极上7再用"5@23B.-氮气保护绝缘箱。停用氮气时使用净煤气,并制定了严格的切换制度,切换时必须先放水,以防水汽进入绝缘箱而损坏瓷缸。8 2 9三台初冷器两开一备,定期冲洗下液管,及时调节循环水量,确保煤气集合温度在"C@23D 7以降低系统的堵塞几率。8!9本工艺采用.EF集散控制系统,实现了生产的自控调节,主要测点都由微机监视和控制。但在调节吸气机吸力时,必须同时观察上升管压力的变化情况。为此,我们在组画面上增加了设置,把相关紧密的测点设在同一组内=还增设了报警和联锁功能,进一步完善了操作控制。;6<两苯塔采用液相进料,塔底用54>?,+间接蒸汽加热。自从苯加氢分厂的富萘苯残渣送入粗苯工段后,曾出现过两苯塔油管因萘结晶而严重堵塞的事故,现在管外加装蒸汽拌热管,至今未出现过堵塞现象。#存在问题;:<焦油磁力泵前的过滤网拆开清理频繁=工作量大,环境恶劣。;1<焦油精制产生的硫酸钠分离水、酚工序的分离水和焦油罐分离水=虽有几种送入@A循环系统的方案,但对系统的乳化仍不容忽视。;0<因增压机后压力调节阀的放散位置在阀后,曾出现过因无法调节而停机修阀,造成克劳斯炉和氨分解炉灭火达数小时。增压机意外停机时,常因传动轴被焦油粘住而无法正常开启。;6<微机控制系统配置有两台监视器=曾多次出现死机、黑屏、信息丢失、键盘无法调节等现象。;8<克劳斯装置仍存在酸汽回炉管内漏和硫磺尾气分析仪无法正常运行等问题,氨分解器的堵塞问题也未完全解决。\

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深水石油钻井技术现状及发展趋势*摘要:随着世界深水油气资源不断发现,近几年来深水钻探工作量越来越大。随着水深的增加和复杂的海况环境条件,对钻井工程提出了更高的挑战,钻井技术的难度越来越大。从目前国内外深水钻井实践出发,对深水的钻井设备、定位系统、井身结构设计、双梯度钻井技术、喷射下导管技术、动态压井钻井技术、随钻环空压力监测、钻井液和固井工艺技术和钻井隔水管及防喷器系统等关键技术进行了阐述,对深水的钻井设计和施工进一步向深水钻井领域发展具有重要导向作用。关键词:深水钻井;钻井设备;关键技术全世界未发现的海上油气储量有90%潜伏在水深超过1000 m以下的地层,所以深水钻井技术水平关系着深海油气勘探开发的步伐。对于海洋深水钻井工程而言,钻井环境条件随水深的增加变得更加复杂,容易出现常规的钻井工程难以克服的技术难题,因此深水钻井技术的发展是影响未来石油发展的重要因素。1国内外深水油气勘探形势全球海洋油气资源丰富。据估计,海洋石油资源量约占全球石油资源总量的34%,累计获探明储量约400×108,t探明率30%左右,尚处于勘探早期阶段。据美国地质调查局(USGS)评估,世界(不含美国)海洋待发现石油资源量(含凝析油)548×108,t待发现天然气资源量7815×1012m3,分别占世界待发现资源量的47%和46%。因此,全球海洋油气资源潜力巨大,勘探前景良好,为今后世界油气勘探开发的重要领域。随着海洋钻探和开发工程技术的不断进步,深水的概念和范围不断扩大。目前,大于500 m为深水,大于1500 m则为超深水。据估计,世界海上44%的油气资源位于300 m以下的水域,其中,墨西哥湾深水油气资源量高达(400~500)×108桶油当量,约占墨西哥湾大陆架油气资源量的40%以上,而巴西东部海域深水油气比例高达90%左右。20世纪90年代以来,由于发现油气田储量大,产量高,深水油气倍受跨国石油公司青睐,发展迅速。据估计,近年来,深水油气勘探开发投资年均增长30. 4%, 2004年增加到220亿美元。1999年作业水深已达2000 m, 2002年达3000 m。90年代以来,全球获近百个深水油气发现,其中亿吨级储量规模的超过30%。2000年,深水油气储量占海洋油气储量的12. 3%,比10年前增长约8%。2004年,全球海洋油气勘探获20个重大深水发现(储量大于110×108桶)。1998-2002年有68个深水项目,约15×108t油当量投产; 2003-2005年则增至144个深水项目,约4216×108t油当量投产, 2004年深水石油产量210×108,t约占世界石油产量的5%。2目前深水油气开发模式深水油气开发设施与浅水油气开发设施不同,其结构大多从固定式转换成浮式,因此开发方式和方法也发生了变化。国外深水油气开发中常用的工程设施有张力腿(TLP)平台、半潜式(SEMIOFPS)平台、深吃水立柱式(SPAR)平台、浮式生产储油装置(FPSO)以及它们的组合。3深水钻井关键技术3.1深水钻井设备适用于深水钻井的主要是半潜式钻井平台和钻井船2种浮式钻井装置。3.1. 1深水钻井船钻井船是移动式钻井装置中机动性最好的一种。其移动灵活,停泊简单,适用水深范围大,特别适于深海水域的钻井作业。钻井船主要由船体和定位设备2部分组成。船体用于安装钻井和航行动力设备,并为工作人员提供工作和生活场所。在钻井船上设有升沉补偿装置、减摇设备、自动动力定位系统等多种措施来保持船体定位。自动动力定位是目前较先进的一种保持船位的方法,可直接采用推进器及时调整船位。全球现有38艘钻井船,其中额定作业水深超过500 m的深水钻井船有33艘,占总数的87%。在这33艘深水钻井船中,有26艘正在钻井,有5艘正在升级改造。在现有的深水钻井船中, 20世纪70年代建造的有10艘, 80年代和90年代建造的各有7艘,其余9艘是2000-2001年建造的。其中2000年建成的钻井船最多,有8艘;其次是1999年,有4艘。目前在建的7艘钻井船中,均是为3000多米水深建造的, 2007年将建成1艘, 2008年和2009年将各建成3艘。钻井船主要活跃在巴西海域、美国墨西哥湾和西非海域。2006年7月初,正在钻井的26艘深水钻井船分布在8个国家。其中巴西8艘,占1/3;其次是美国,有6艘;安哥拉、印度和尼日利亚分别有4艘、3艘和2艘;中国、马来西亚和挪威各1艘。3.1. 2半潜式钻井平台半潜式钻井平台上部为工作甲板,下部为2个下船体,用支撑立柱连接。工作时下船体潜入水中,甲板处于水上安全高度,水线面积小,波浪影响小,稳定性好、支持力强、工作水深大,新发展的动力定位技术用于半潜式平台后,到本世纪初,工作水深可达3000 m,同时勘探深度也相应提高到9000~12 000 m。据Rigzone网站截至2006年7月初的统计,全球现有165座半潜式钻井平台,其中额定作业水深超过500 m的深水半潜式钻井平台有103座,占总数的62%。在这103座深水半潜式钻井平台中,有89座正在钻井,有11座正在升级改造。其中31座是20世纪70年代建造的,最长的已经服役30多年; 40座是20世纪80年代建造的; 13座是90年代建造的; 19座是2000 -2005年建造的。此外,还有24座深水半潜式钻井平台正在建造。深水半潜式钻井平台主要活跃在美国墨西哥湾、巴西、北海、西非、澳大利亚和墨西哥海域。2006年7月初,处于钻井中的89座深水半潜式钻井平台分布在18个国家,其中美国最多, 24座,占总数的27%;巴西17座,挪威10座,英国6座,澳大利亚、墨西哥和尼日利亚各5座,其余国家各有1~3座。3.2深水定位系统半潜式钻井平台、钻井船等浮式钻井装置在海中处于飘浮状态,受风、浪、流的影响会发生纵摇、横摇运动,必须采用可靠的方法对其进行定位。动力定位是深水钻井船的主流方式。在现有的深水钻井船中,只有6艘采用常规锚链定位(额定作业水深不足1000 m),其余27艘都采用动力定位(额定作业水深超过1000 m)。1000 m以上水深的钻井船采用的都是动力定位,在建的钻井船全部采用动力定位。动力定位系统一般采用DGPS定位和声纳定位2种系统。声纳定位系统的优点: (1)精确度高(1% ~2% )、水深(最大适用水深为2500 m); (2)信号无线传输(不需要电缆); (3)基本不受天气条件的影响(GPS系统受天气条件的影响); (4)独立,不需要依靠其他系统提供的信号。声纳定位系统的缺点: (1)易受噪声的影响,如环境噪声、推进器噪声、测试MWD等; (2)折射和阴影区; (3)信号传输时间; (4)易受其他声纳系统的干扰,如多条船在同一地方工作的情况。3.3大位移井和分支水平井钻井技术海上钻井新技术发展较快,主要包括大位移井、长距离水平钻井及分支水平井钻井技术。这些先进技术在装备方面主要包括可控马达及与之配套的近钻头定向地层传感器。在钻头向地层钻进时,近钻头传感器可及时检测井斜与地层性质,从而使司钻能够在维持最佳井眼轨迹方面及时做出决定。由于水平井产量高,所以在国外海上油气田的开发中已经得到了广泛的应用。目前,国外单井总水平位移最大已经达11 000m。分支水平井钻井技术是国际上海洋油气田开发广泛使用的技术,近年来发展很快。利用分支井主要是为了适应海上需要,减少开发油藏所需平台数量及平台尺寸(有时平台成本占开发成本一半还多)。具体做法是从一个平台(基础)钻一口主干井,然后从主干井上急剧拐弯钻一些分支井,以期控制较大的泄油面积,或者钻达多个油气层。3.4深水双梯度钻井技术与陆地和浅海钻井相比,深海钻井环境更复杂,容易出现常规钻井装备和方法难以克服的技术难题:锚泊钻机本身必须承受锚泊系统的重量,给钻机稳定性增加了难度;隔水管除了承受自身重量,还承受严重的机械载荷,防止隔水管脱扣是一个关键问题;地层孔隙压力和破裂压力之间安全钻井液密度窗口窄,很难控制钻井液密度安全钻过地层;海底泥线处高压、低温环境影响钻井液性能产生特殊的难题;海底的不稳定性、浅层水流动、天然气水合物可能引起的钻井风险等。国外20世纪60年代提出并在90年代得到大力发展的双梯度钻井(DualGradi-entDrilling,简称DGD)技术很好地解决了这些问题。双梯度钻井技术的主要思想是:隔水管内充满海水(或不使用隔水管),采用海底泵和小直径回流管线旁路回输钻井液;或在隔水管中注入低密度介质(空心微球、低密度流体、气体),降低隔水管环空内返回流体的密度,使之与海水相当,在整个钻井液返回回路中保持双密度钻井液体系,有效控制井眼环空压力、井底压力,克服深水钻井中遇到的问题,实现安全、经济的钻井。3.5喷射下导管技术海上浅水区的表层套管作业通常采用钻孔、下套管然后固井的作业方式。在深水区,由于海底浅部地层比较松软,常规的钻孔/下套管/固井方式常常比较困难,作业时间较长,对于日费高昂的深水钻井作业显然不合适。目前国外深水导管钻井作业通常采用“Jetting in”的方式。常规做法是在导管柱(Φ914. 4 mm或Φ762 mm)内下入钻具,利用导管柱和钻具(钻铤)的重量,边开泵冲洗边下入导管。3. 6动态压井钻井技术(DKD)DKD(Dynamic killDrilling)技术是深水表层建井工艺中的关键技术。该技术是一种在未建立正常循环的深水浅层井段,以压井方式控制深水钻井作业中的浅层气井涌及浅层水涌动等复杂情况的钻井技术。其工作原理与固井作业中的自动混浆原理相似,它是根据作业需要,可随时将预先配好的高密度压井液与正常钻进时的低密度钻井液,通过一台可自动控制密度的混浆装置,自动调解到所需密度的钻井液,可直接供泥浆泵向井内连续不断地泵送。在钻进作业期间,只要PWD和ROV监测到井下有地层异常高压,就可通过人为输入工作指令,该装置立即就可泵送出所需要的高密度钻井液,不需要循环和等待配制高密度钻井液,真正意义上地实现边作业边加重的动态压井钻井作业。3. 7随钻环空压力监测(APWD)由于深水海域的特殊性,与浅水和陆地钻井相比,部分的上覆岩层被水代替,相同井深上覆岩层压力降低,使得地层孔隙压力和破裂压力之间的压力窗口变得很窄,随着水深的增加,钻井越来越困难。据统计,在墨西哥湾深水钻井中,出现的一系列问题,如井控事故、大量漏失、卡钻等都与环空压力监测有关。随钻环空压力测量原理是主要靠压力传感器进行环空压力测量,可实时监测井下压力参数的变化。它可以向工程师发出环空压力增加的危险报警,在不破坏地层的情况下,提供预防措施使井眼保持清洁。主要应用于实时井涌监测和ECD监控、井眼净化状况监控、钻井液性能调整等,是深水钻井作业过程中不可缺少的数据采集工具。3. 8随钻测井技术(LWD /MWD /SWD)深水测井技术主要是指钻井作业过程中的有关井筒及地层参数测量技术,包括LWD、MWD和SWD测井技术。由于深水钻井作业受到高作业风险及昂贵的钻机日租费的影响,迫使作业者对钻井测量技术提出了多参数、高采集频率和精度及至少同时采用2套不同数据采集方式的现场实时数据采集和测量系统,并且具有专家智能分析判断功能的高标准要求。目前最常用的定向测量方式是MWD数据测量方式,这种方式通常只能测量井眼轨迹的有关参数,如井斜角、方位角、工具面。LWD是在MWD基础上发展起来的具有地层数据采集的随钻测量系统,较常规的MWD增加了用于地层评价的电阻率、自然伽马、中子密度等地层参数。具有地质导向功能的LWD系统可通过近钻头伽马射线确定井眼上下2侧的地层岩性变化情况,以判断井眼轨迹在储层中的相对位置;利用近钻头电阻率确定钻头处地层的岩性及地层流体特性以及利用近钻头井斜参数预测井眼轨迹的发展趋势,以便及时做出调整,避免钻入底水、顶部盖层或断裂带地层。随钻地震(SWD)技术是在传统的地面地震勘探方法和现有的垂直地震剖面(VSP———VerticalSeismic Profiling)的基础上结合钻井工程发展起来的一项交叉学科的新技术。其原理是利用钻进过程中旋转钻头的振动作为井下震源,在钻杆的顶部、井眼附近的海床埋置检波器,分别接收经钻杆、地层传输的钻头振动的信号。利用互相关技术将钻杆信号和地面检波器信号进行互相关处理,得到逆VSP的井眼地震波信息。也就是说,在牙轮钻头连续钻进过程中,能够连续采集得到直达波和反射波信息。3.9深水钻井液和固井工艺随着水深度的加大,钻井环境的温度也将越来越低,温度降低将会给钻井以及采油作业带来很多问题。比如说在低温情况下,钻井液的流变性会发生较大变化,具体表现在黏、切力大幅度上升,而且还可能出现显著的胶凝现象,再有就是增加形成天然气水合物的可能性。目前主要是在管汇外加绝缘层。这样可以在停止生产期间保持生产设备的热度,从而防止因温度降低而形成水合物。表层套管固井是深水固井的难点和关键点。海底的低温影响是最主要的因素。另外由于低的破裂压力梯度,常常要求使用低密度水泥浆。深水钻井的昂贵日费又要求水泥浆能在较短的时间内具有较高的强度。3.10深水钻井隔水管及防喷器系统深水钻井的隔水管主要指从海底防喷器到月池一段的管柱,主要功能是隔离海水、引导钻具、循环钻井液、起下海底防喷器组、系附压井、放喷、增压管线等作用。在深水钻井当中,隔水管柱上通常配有伸缩、柔性连接接头和悬挂张力器。在深水中,比较有代表性的是Φ533. 4 mm钻井隔水管,平均每根长度为15. 2~27. 4 m。为减小由于钻井隔水管结构需要和自身重量对钻井船所造成的负荷,在钻井隔水管外部还装有浮力块。这种浮力块是用塑料和类似塑料材料制成的,内部充以空气。在钻井隔水管外部,还有直径处于50~100 mm范围的多根附属管线。在深水钻井作业过程中,位于泥线以上的主要工作构件从下向上分别是:井口装置、防喷器组、隔水管底部组件、隔水管柱、伸缩短节、转喷器及钻井装置,井口装置通常由作业者提供。4结论深水石油钻井是一项具有高科技含量、高投入和高风险的工作,其中喷射下导管技术、动态压井钻井技术、随钻环空压力监测、随钻测井技术、ECD控制等技术是深水钻井作业成功的关键。钻井船、隔水管和水下防喷器等设备的合理选择也是深水钻井作业成功的重要因素。另外,强有力的后勤支持和科学的作业组织管理是钻井高效和安全的重要保障。参考文献:[1]潘继平,张大伟,岳来群,等.全球海洋油气勘探开发状况与发展趋势[J].中国矿业, 2006, 15(11): 1-4.[2]刘杰鸣,王世圣,冯玮,等.深水油气开发工程模式及其在我国南海的适应性探讨[ J].中国海上油气,2006, 18(6): 413-418.[3]谢彬,张爱霞,段梦兰.中国南海深水油气田开发工程模式及平台选型[ J].石油学报, 2007, 28(1): 115-118.[4]李芬,邹早建.浮式海洋结构物研究现状及发展趋势[J].武汉理工大学学报:交通科学与工程版, 2003, 27(5): 682-686.[5]杨金华.全球深水钻井装置发展及市场现状[J].国际石油经济, 2006, 14(11): 42-45.[6]赵政璋,赵贤正,李景明,等.国外海洋深水油气勘探发展趋势及启示[J].中国石油勘探, 2005, 10(6): 71-76.[7]陈国明,殷志明,许亮斌等.深水双梯度钻井技术研究进展[J].石油勘探与开发, 2007, 18(2): 246-250.

史建忠才巨宏张玲杨英珍田莹

摘要碳酸盐岩、花岗片麻岩潜山油藏的主要特点是岩性复杂、储集空间类型多、非均质性强,储集层评价比较困难。文章以埕岛油田埕北30潜山为例,对该类储集层定量解释中的几个关键参数进行了深入细致的探讨,初步形成一套适用于复杂岩性潜山油藏的储集层测井评价技术。

关键词济阳坳陷埕岛油田潜山碳酸盐岩变质岩储集层测井评价

一、引言

埕岛油田埕北30块油藏类型为潜山内幕型易挥发轻质油藏,储集层为古生界的碳酸盐岩和太古宇的花岗片麻岩,储集空间类型有裂缝、溶蚀孔洞、晶簇孔等多种,其基质也具有一定的储集能力。由于岩性复杂、储集空间类型多、储集层非均质强,给测井定量评价工作带来了很大困难。为此,结合该区实际情况,借助新的测井方法、新的测井解释软件,初步建立了一套基于复杂岩性储集层的测井定量评价方法,实际应用效果比较显著。

二、孔隙度解释技术

1.总孔隙度

埕北30潜山原生孔隙不发育,对油气富集高产起决定作用的是次生孔隙,具有缝、洞、孔三大类,另外,荧光分析发现,其基质也具有一定的储油能力。埕北30潜山孔隙度解释主要使用由 Schumberger公司引进的Petrophysics软件包进行解释,核心程序是ELAN,解释时需结合岩心分析和核磁共振测井资料。

ELAN软件的基本思路是以实际测井值为基础,根据地层矿物组分建立合适的解释模型和测井响应方程,通过合理选择解释参数,反算相应的理论测井值,并与实际测井值比较,按非线性加权最小二乘法原理建立目标函数,不断调整未知储集层参数,使目标函数达到极小值。其优点是充分利用所有测井信息,采用最优化技术使解释结果最为合理。单井处理过程包括填写参数卡、初步解释、解释结果与岩心分析对比、修改参数卡、再解释等五个步骤。

在对各井进行处理时,首先根据测井曲线及地区地质经验,填写参数卡进行初步解释,然后将解释结果与岩心分析进行对比,如果处理井段没有岩心分析数据,则根据反算的理论曲线和实测曲线的拟合情况适当修改参数卡,直到与岩心分析数据吻合或理论曲线与实测曲线拟合较好为止。

为了更好地利用好井眼段的核磁共振测井资料,做了好井眼井段的核磁孔隙度与声波、密度、中子三种测井视孔隙度的关系研究,发现相互对应关系均比较好(图1)。

图1埕北302井古生界核磁孔隙度与补偿中子关系图

视孔隙度求取公式为:

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式中:ΦD——视密度孔隙度,%;

ΦS——视声波孔隙度,%;

ρb——补偿密度测井值,g/cm3;

t——补偿声波测井值,μs/m。

那么,在好井眼段用核磁孔隙度;在坏井眼段核磁共振测井失真,密度未受影响时用视密度孔隙度与核磁孔隙度的关系求得核磁共振孔隙度;如果核磁共振、密度测井都不可信,则用视声波孔隙度与核磁共振孔隙度的关系求取核磁共振孔隙度,得出一条综合的“核磁共振孔隙度”曲线,将其作为一条输入曲线,参加ELAN的反演。这样,既利用了核磁孔隙度的准确性,又充分利用了其他测井曲线,提高了ELAN解释结果的准确性和可靠性。为检验解释结果的可靠性,进行了精度分析。从图2中可看出,在致密段,因为岩心分析代表的是总孔隙度,测井解释与岩心分析吻合较好;在储集层段,由于缝、洞的存在,测井解释孔隙度大于岩心分析孔隙度,也是比较合理的。

2.裂缝孔隙度

埕北30潜山油藏具有双重孔隙结构特征,油田开发中裂缝孔隙度是一个重要参数。根据专业文献资料,裂缝孔隙度一般不超过1%,考虑有与裂缝连通的溶洞的存在,包括缝洞的裂缝系统孔隙通常低于2%。裂缝孔隙度通常根据双侧向测井资料求得,A.M.Sibbit和Q.Faivre提出的利用双侧向电阻率计算裂缝孔隙度公式为:[1]

图2埕北303井太古宇测井解释与岩心分析孔隙度交会图

油气层

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水层

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式中:mf——裂缝孔隙度指数;

Rm——泥浆电阻率,Ω·m;

Rth——岩块电阻率,Ω·m;

Rlls——浅侧向电阻率,Ω·m;

Kr——双侧向畸变系数,低角度缝取1.2,斜交缝取1.1,垂直缝取1.0;

Rw——地层水电阻率,Ω·m。

对于进行了岩心分析的井段,可以认为岩心分析为岩块系统孔隙度,测井解释为总孔隙度,用测井解释孔隙度减去岩心分析孔隙度后可得该井段裂缝孔隙度,然后以此对mf和Kr进行刻度,也可根据成像资料或录井资料确定mf和Kr的值。埕北30潜山解释4口井,平均裂缝孔隙度为1.44%,其中埕北303井解释裂缝孔隙度为1.15%,岩块孔隙度为2.75%,这与试井解释的裂缝孔隙度1.2%、岩块孔隙度2.8%对应较好,说明裂缝孔隙度解释比较可靠,用岩心刻度法求取裂缝参数是可行的。

三、渗透率解释技术

在双重孔隙结构的裂缝性地层中,渗透率为岩块渗透率和裂缝渗透率的综合反映,由于岩块系统渗透率非常低,大都小于0.1×10-3μm2,因此储集层渗透率主要为裂缝渗透率的反映。

1.经验建模法

根据该区全直径岩心分析资料,建立了孔隙度和渗透率的经验关系模型(图3),由于全直径分析样品比较少,这种方法计算的渗透率代表性较差,仅供参考。

图3埕北30潜山全直径岩心分析 孔隙度、渗透率关系图

2.核磁共振测井解释

核磁共振测井解释渗透率为:

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式中:k——渗透率,10-3μm2;

Φnmr——核磁测井有效孔隙度,小数;

T2g——T2几何平均值,ms;

C、m、n——经验系数。

根据埕北302井古生界、太古宇 14块岩心样品的核磁测试数据,对上式中的经验系数进行刻度,古生界 6块岩样的C、m、n平均值分别为1.639、2.711、2.531,太古宇8块岩样的C、m、n平均值分别为43.632、2.524、2.089,T2g根据核磁测试古生界、太古宇平均值分别为28.88ms和7.71ms,用(5)式分别对埕北302、303两口井好井眼段进行了解释。由于公式中的各项参数均经过岩心刻度,且好井眼段核磁测量孔隙度是可靠的,用该式解释的渗透率基本代表井眼的实际情况。

3.ELAN软件解释

ELAN软件解释渗透率为一种地球化学算法,公式如下:

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式中:Φt——总孔隙度,小数;

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N——地层中矿物总数;

Fi——第i种矿物的渗透率因子;

Wi——第 i种矿物的重量百分比,%。

这种算法既考虑了总孔隙度,又考虑了各种矿物组分及其百分含量,是一种比较合理的渗透率解释方法。

4.试井解释

该区对埕北301、302、303井进行了试井,并用试井解释软件进行解释,利用压力恢复典型曲线拟合分析解释了渗透率各参数(表1)。

表1试井解释成果表

对比上述四种方法解释结果(表2),经验公式法、ELAN、试井解释三种方法解释结果比较接近,再将ELAN和核磁共振解释结果进行了对比(图4),两种解释结果吻合较好。结合地质、油藏方面的研究成果,认为经验公式、核磁、ELAN、试井等四种方法解释结果符合地下实际情况,由于经验公式及试井解释的局限性,最终结果以ELAN和核磁共振解释为准。

表2渗透率解释对比表

四、含油饱和度解释技术

针对埕北30潜山没有进行密闭取心和油基泥浆取心分析,以及裂缝性油藏其裂缝的发育程度和分布是多变的,采用以下几种方法获取油藏原始含油饱和度资料。

图4埕北302井古生界 ELAN解释渗透率与核磁共振解释渗透率交会图

1.阿尔奇方程

阿尔奇方程是建立在均匀孔隙基础上的饱和度解释方程[2],即:

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式中:Sw——含水饱和度,小数;

Φ——孔隙度,小数;

m——胶结指数;

Rw——饱水电阻率,Ω·m;

Rt——岩块电阻率,Ω·m;

n——饱和度指数;

a、b——岩电系数,一般取1。

由于该区无法做岩电实验分析,式中 m、n等参数均根据理论值选取,m=n=2,a=b=1。在裂缝性地层中,泥浆侵入深度大,而且侵入深度的变化范围也很大,求得的饱和度值是在侵入带至原状地层之间变化。对于缝、洞不发育的孔隙性储集层,用该方程解释的饱和度基本反映原状地层情况。

2.ELAN软件

ELAN软件采用双水模型,由于缝、洞的影响可能使部分层解释的含油饱和度偏低。

3.压汞资料处理

对有代表性的岩心样品,经J函数处理后转换成含油高度与含油饱和度的关系,依据油藏的平均含油高度可确定油藏的含油饱和度。

4.核磁共振解释

核磁共振测井可以求得地层可动流体和束缚流体孔隙度,由于本地区几口井均未见到明显油水界面,因此地层中的可动流体应为油,所以可用核磁测井资料解释含油饱和度

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式中:So——含油饱和度,%;

MBVM——可动流体孔隙度,%;

MPHI——核磁共振测井总孔隙度,%。

这种方法的关键是求准 T2截止值,根据岩心样品的核磁共振实验分析,古生界的T2截止值平均为39.1ms,太古宇的T2截止值平均为14.4ms。利用核磁测井资料和 T2截止值可求出每口井的含油饱和度。

以上各种方法求得的含油饱和度具有不同的含义,油藏的含油饱和度选值应综合考虑。

五、结论和认识

埕岛油田埕北30潜山具有岩性复杂、储集类型多、非均质强的特点。利用新的测井方法——核磁共振测井,结合取心统计、试井解释、压汞处理对孔隙度、渗透率、饱和度等参数进行分析,建立了储集层参数的解释模型,并论证了参数的解释精度。利用该方法处理埕岛油田埕北30潜山5口探井,均达到较好的应用效果。该套方法也适用于类似的复杂岩性、裂缝型油藏。

主要参考文献

[1]周文.裂缝性油气储集层评价方法.成都:四川科学技术出版社,1998.

[2]柏松章等.碳酸盐岩潜山油田开发.北京:石油工业出版社,1996.

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