青海木里地区天然气水合物和煤层气联合开发可行性分析

白玉湖

(中海油研究总院有限责任公司 北京 100028)

天然气水合物因其储量巨大、分布广泛、清洁，被认为是一种很有潜力的未来能源。据估计，全球27%的陆地面积和90%的海域均有天然气水合物的存在。我国青藏高原具有广泛分布的永冻土带，符合天然气水合物的赋存条件。2008年在青海省天峻县祁连山脉的木里地区钻探了陆地永久冻土带天然气水合物调查科学试验井，首次在我国永久冻土带证实了天然气水合物的存在。2010年，我国首次在青海木里水合物发现区实施了开采试验井施工、开采装置和开采工艺的试验。2011年，我国首次成功实施了陆域冻土天然气水合物开采试验，证实了降压、加热、控制方法、监测、记录、天然气采集等方案的可行性[1]。针对青海木里天然气水合物，研究人员围绕天然气水合物气源[2-3]、成因[4-5]、分布[6]、成藏模式[7]、资源量[8-9]、稳定带厚度[10]、勘探部署[11]、开采试验和装备及开采方法[1,12]等开展了大量的研究工作，并取得一定进展，为未来天然气水合物开发提供借鉴和参考。

青海木里水合物区煤层发育，部分区域是目前的煤矿开采区。针对该区煤层气的勘探开发潜力，邵龙义 等[13]采用模糊数学方法对木里煤田中低煤阶煤层气资源勘探开发潜力进行了评价，认为江仓矿区是木里煤层气勘探开发的最佳试验区。郭晋宁 等[14]对聚乎更矿区的煤层地质、煤岩煤质特征、煤层割理及裂隙、煤层孔渗、吸附条件、煤储层压力、水文地质等进行了综合评价分析，认为煤层气是该地区今后勘探开发重点研究区域。从现有认识来看，木里地区水合物和煤层气两种资源具备同时赋存的条件，因此，如果能够同时开发这两种资源，则会降低开采成本，提高开发效益。虽然木里地区没有实际的煤层气勘探开发实践，但考虑到未来的水合物开发，笔者提出了木里地区天然气水合物和煤层气联合开采的概念模式，并对联合开发的可行性进行分析，以期为后续的天然气水合物和煤层气的综合勘探开发提供参考。

1 水合物降压法开采潜力评价

2008年木里地区钻探取样实践证明了水合物的埋藏深度范围在133 m(DK-1井)～396 m(DK-3井)。中国地质调查局地科院力学所对祁连山木里DK-9孔进行了510 m深度范围的温度连续观测，确定木里聚乎更矿区冻土层厚达160 m，冻土层和冻土层下地温梯度分别为1.38 ℃/100 m和4.85 ℃/100 m；根据天然气水合物相图估算的天然气水合物稳定带底界深为510～617 m，厚度为485～607 m。部分学者对该地区的天然气水合物的分布范围及资源量情况进行了计算[9]，认为水合物中的天然气总量可达(2.710～2.991)×1011m3，是煤层气地质资源量(9.144×109m3)的30倍，显示了木里煤田冻土带天然气水合物的巨大资源潜力。下面对木里天然气水合物的降压法开采潜力进行评价。

利用降压法开采水合物藏，1口直井钻穿水合物层，结合现有认识，考虑3组分(水合物、甲烷气和水)及四相(气相、水相、水合物相、冰相)。模型中引入基本假设：①只考虑甲烷气形成的SI型水合物，不考虑盐的影响；②冰的成分为纯水，气相中只含有甲烷气体；③水相和气相的渗流符合达西定律；④不考虑分子扩散及水动力学扩散。则有

气相控制方程

(1)

水相控制方程

(2)

水合物相控制方程

(3)

能量方程

(4)

饱和度方程

sw+sg+sh+sI=1

(5)

毛管力方程

pc=pw-pg

(6)

假定储层的岩石和流体是微可压缩的，则水相和岩石状态方程为

(7)

边界条件

(8)

初始条件

(9)

由于天然气水合物的特殊性，需要考虑一些描述水合物分解特殊机理的方程，包括水合物分解动力学方程、水合物和水的相平衡方程、水合物分解吸热模型、考虑水合物影响的储层绝对渗透率模型与相对渗透率模型等，具体参见文献[15]。模拟计算中采用基本变量转换法处理水合物分解过程中出现的复杂相态过程,采用有限差分方法对控制方程进行离散，具体离散形式及求解步骤见文献[16-17]。结合对木里水合物现有认识，给定主要参数见表1，其中水合物饱和度参数是非常重要的参数，但目前尚未有共识，本研究分别取20%、30%进行产量预测对比，结果如图1所示。

表1 降压法开采天然气水合物模型中基本参数取值 (针对青海木里地区)Table 1 Main parameters value in the model of gas hydrate exploited by depressurization(aiming at Muli area of Qinghai province)

图1 天然气水合物饱和度分别为20%、30%时降压法开采 的产气量和累计产气量(针对青海木里地区)Fig .1 Comparison of gas rates and cumulative gas volume under the conditions of 20% and 30% gas hydrate saturation (aiming at Muli area of Qinghai province)

由图1a可以看出，不同水合物饱和度下产气量随时间变化呈现相同的规律，可明显分为2个阶段。第1个阶段为产气量上升阶段：在降压开始阶段，由于地层中含有水合物，储层渗透率较低，压力波及范围较小，且压力前沿向地层中传播较慢，因此初期产气量较低；随着降压的进行，压力波及范围逐渐增大，水合物分解的范围也逐渐变大，产量逐渐增加；当压力波及到井控边界时，压力波及范围达到最大值，水合物分解范围也达到最大值，产气量达到峰值。第2个阶段为产量递减阶段：随着压力波及到边界后，地层流体流动进入拟稳态流动阶段，由于水合物分解吸热，储层温度降低，水合物分解速度也随之降低；同时由于地层压力的消耗，水合物分解驱动压差也逐渐减小；水合物分解速度以及分解驱动压力的降低导致了水合物分解产气量减小。由图1a中还可发现，水合物饱和度越高，产气量峰值到达的时间越晚，这是因为随着水合物饱和度增加，地层渗透率降低，从而在同样生产压差下，压力在地层内部波及减慢，压力前沿到达井控边界的时间也就越长，从而产气峰值出现的时间就越晚。但随着水合物饱和度增加，产气量峰值增加，这是因为水合物饱和度增加，单位储层体积内的含气量就增大。

由图1b可以看出，累计产气量随着水合物饱和度增加而增加，在生产的第11年末，当水合物饱和度为20%、30%时，累计产气量分别为213×104m3、269×104m3。可见，采用降压法可以从水合物层中开采出天然气，但由于储层能量的限制，中后期产气速度较低。因此，在开采天然气水合物时，仅依靠单一的降压法开采效率受限，应考虑降压、注热及注化学剂等方法的综合应用，以提高采气速度和开采效率。上述分析可见，木里地区天然气水合物的开采会为煤层气开发增加额外产量，提高开采单一煤层气资源的经济效益。

2 煤层气勘探开发潜力分析

已有研究[13-14]表明木里煤田含有丰富的煤层气。该地区成煤时代为中侏罗世，属挤压背景下的内陆坳陷型盆地沉积，湖泊相沉积发育，发育厚—巨厚煤层，煤层结构以较简单—较复杂为主。煤岩显微组成以镜质组为主，大多介于40%～80%。煤质特征以低—中灰、中高挥发分、特低—低硫为特征。属于中低煤阶煤，煤体结构以原生结构和碎裂结构为主，区内光亮煤和亮煤割理发育，密度范围为3～30条/5 cm，以孤立网状割理组合为主，且由于后期构造运动的影响，煤层外生裂隙普遍发育，有利于煤层渗透率的提高。以小孔和微孔为主，并有少量中孔，有利于储层对甲烷的吸附作用。孔隙度普遍较高，大中孔对孔隙度贡献较大。渗透率较好，有利于煤层气的开采。平衡水兰氏体积介于17.25～24.04 m3/t，表明木里煤田具有较强的储气能力[14]。

郭晋宁 等[13]研究表明，木里聚乎更矿区主要含煤地层为中侏罗统木里组，煤层厚度大，平均厚度为175.4 m，含下1、下2两层可采煤层，其中下1煤层厚0.72～32.25 m，平均厚8.41 m；下2煤层厚1.98～46.92 m，平均厚12.06 m。变质程度一般在气煤—焦煤，镜质组质量分数普遍较高(达60%～80%)，煤层结构简单—较复杂，煤储层微观结构以小孔和微孔为主，割理裂隙发育。等温吸附实验结果表明，煤储层平衡水兰氏体积为20.5～21.79 m3/t，兰氏压力为2.84～4.75 MPa，该区兰氏体积偏低，而兰氏压力偏高，煤层吸附特性为中—好级别，顶底板封闭性好，地下水活动弱，有利于煤层气的形成与赋存。区内下1煤层含气量在0.05～5.52 m3/t，下2煤层含气量在0.05～11.14 m3/t，含气量普遍偏低可能与后期构造活动使得煤层埋深变浅导致储层压力降低、煤层甲烷大量解吸有关。储层吸附特性为中—好级别，表明该区煤层气含量较为丰富。由于煤变质程度较低，而煤储层孔隙度普遍较高，为2.7%～4.4%，煤储层渗透率也同样普遍较高，煤储层水平渗透率为0.304～1.51 mD，煤储层垂直渗透率为0.339～0.928 mD，较有利于煤层气的开发[13]。

经初步估算，木里煤田总的煤层气地质资源量为91.44×108m3，平均资源丰度为0.96×108m3/km2。由于目前木里煤田没有煤层气开发试验井，对于煤储层参数的认识还属于静态认识，按照国内煤层气开发井井距300 m计算，每平方千米部署开发井11口，因此平均单井控制储量约为870×104m3，按照采收率40%～60%估算，单井控制可采储量约为348×104～522×104m3，因此具有一定的开发潜力。但考虑到木里地区煤层气资源规模较小，仅开展煤层气勘探开发还是具有一定限制。

3 水合物和煤层气联合开发可行性分析

3.1 联合开发概念模式的提出

前人研究[2-4]表明木里地区天然气水合物部分气源来源于煤层气，说明水合物和煤层气具有共生共存关系，煤层气下伏在水合物层之下。前述分析也表明，如果能够把天然气水合物和煤层气进行联合开发，即在同一口井中同时实现水合物和煤层气的开采，则能大幅度降低开发成本，提高开采效率，并使得多种资源能够同时得到充分利用。本文提出利用直井和水平井联合开发水合物和煤层气的概念模式(图2)。由图2a可以看出，利用直井开发时，1口直井钻穿水合物层和煤储层，可以根据煤储层、水合物层物性情况确定是否压裂。按照木里煤层物性，应需进行压裂开采；而对于水合物储层，也可以采用压裂方式，增加降压速度，促进水合物分解。采用单井直井开采时，由于降压及加热在水平辐射区域效果是有限的，结合油气及煤层气开采经验，可以考虑采用多分支水平井开发模式，增加水合物分解释放的自由度，使得降压和加热的作用覆盖到更多的区域，这无疑会增加水合物的开采效率。同样，水平井对于煤层气开采也有成功的经验。

由图2b可以看出，利用水平井开发时，先打1口导眼井钻穿水合物层和煤储层，然后在水合物层进行侧钻水平井，在煤储层也进行侧钻水平井，形成两分支或者多分支水平井。根据水合物层、煤储层的物性、厚度、储量丰度等情况，确定是否进行压裂作业。对于厚煤层或者多套煤层，可以适当考虑使用水平井多段压裂的开发模式。由于开发模式的选择与储层物性及经济效益有关，可以把图2所示的2种开发模式进行结合，即采用直井和水平井相结合的方式，如主井眼为直井、水合物层或煤储层可以是水平井。

图2 利用直井、水平井联合开发水合物和煤层气(针对青海木里地区)Fig .2 Commingled production of CBM and gas hydrate with vertical well and horizontal well (aiming at Muli area of Qinghai province)

3.2 联合开发可行性分析

1) 资源富集模式分析。现有研究[4]表明木里地区水合物和煤层气具有叠置赋存模式，煤储层演化过程中产生大量的天然气，天然气在向上运移过程中遇到低温富水条件便可生成水合物，随着水合物生成的增多，水合物储层渗透率降低，阻碍了天然气继续向上运移，导致天然气在水合物层中压力逐渐增大，从而保障了水合物进一步持续生成。而目前研究已经证明，该地区水合物层之下的煤储层仍具有一定的含气量。因此，从该地区水合物和煤层气的赋存模式及资源情况而言，联合开发是可行的。

2) 联合开发原理可行性。一般而言，水合物开发会采用降压法、注热法、注化学剂法，或者是其中2种或者3种方式的组合，而煤层气的开发方式是排水降压法。因此，如果采用降压法进行联合开发，不会涉及到两层的干扰问题，既使煤层气排水，由于其温度高于水合物层，且含有一定矿化度，煤层水不会对水合物层造成伤害，甚至可以作为温水或者其中含有的盐类能作为化学剂起到促进水合物分解的作用。如果采用注热法或者注化学剂方法开采水合物，可以考虑采用适当的采气工艺减少或者避免干扰。

3) 联合开发井型可行性。对于直井联合开发，无论是从钻井工艺或者完井方式来看，都具有可实施性。如果煤层压裂，可以采用分层压裂工艺实现压裂开发。对于多分支水平井，在煤层气开发中已具有较为成熟的技术，在水合物层也成功实施过水平井工艺[12]。

3.3 联合开发关键技术

1) 联合开发资源评价及选区。联合开发资源评价及选区技术是联合开发的第一步，需要从地震、地质、测井、地化、沉积等方面对木里地区进行详实的研究，优选出水合物和煤层气共存的有利区。

2) 联合开发压裂增产及采气工艺。木里地区海拔高，水资源有限，而大规模压裂开发煤层气及水合物会涉及到大量用水问题，因此可以考虑二氧化碳压裂、氮气泡沫压裂等方式，减少规模开发对水资源的依赖。二氧化碳压裂煤层气已经被证实具有可行性；同样，二氧化碳压裂水合物层在原理上也是可行的，这是因为二氧化碳具有置换天然气水合物中甲烷的作用，在压裂过程中二氧化碳比甲烷气更加容易形成水合物，而且形成水合物过程所放出的热量超过甲烷水合物分解所吸收的热量，因此，二氧化碳压裂对于联合开发水合物是较好的选择。当然，如果水合物采用注热、注化学剂等方式开采，则需要在井筒采气工艺上进行创新，比如需要实现同井注采工艺等。

3) 联合开发的环境保护。木里地区地处高寒地带，生态环境极其脆弱，一旦破坏，则很难恢复，因此，如何在规模开发时保护好环境是重中之重，包括如何处理钻屑、返排水的处理、水资源节约利用和保护、植被保护及复原等。这些环境保护问题一定要在联合开发之前得到彻底解决，保证环境安全是高效、经济联合开发水合物和煤层气的前提。

4 结论

1) 青海木里地区天然气水合物资源丰富，具有一定的煤层气勘探开发潜力，但单一开采水合物或者煤层气都面临着效益偏低的问题。本文提出了在青海木里地区采用直井或者水平井进行天然气水合物和煤层气联合开发的概念模式，并从这两种资源的赋存模式、开采原理、开发技术等方面论证了联合开发是可行的。

2) 基于本文提出的木里地区天然气水合物和煤层气联合开发模式，分析了联合开发资源评价及选区、联合开发压裂增产、联合开发的环境保护等联合开发关键性技术，为实现该地区天然气水合物和煤层气的联合开发提供了参考依据。