准噶尔盆地南缘煤层气地质研究及技术进展

周梓欣 张 伟

(1.新疆煤田地质局,新疆 830091；2.新疆煤田地质局综合地质勘查队,新疆 830009)

新疆2000m以浅煤层气资源量7.51×1012m3，占全国资源总量(30.05×1012m3)的25%。“十二五”—“十三五”时期，新疆共投入约25亿元，以准噶尔盆地南缘和库拜煤田为重点开展勘查和先导试验建设，截至目前，全疆现有煤层气生产井280余口，最高年产气量8235×104m3，单直井峰值日产量达到2.8×104m3，水平井峰值日产量达到3.5×104m3。准噶尔盆地南缘作为新疆煤层气最具代表性的区域，针对煤层气富集主控因素等地质特征开展了大量的研究，并通过先导试验建设和科技攻关初步形成了适应其地质特点的开发技术体系。

1 煤层气地质特点

准噶尔盆地南缘煤层气地质特征除了具有国内高煤阶的“三低”(低饱和度、低渗透率、低压力)特征外，同时还具有地层倾角大、煤层厚度大、煤层层数多、风化带深度大的特殊地质特点(表1)。

表1 准噶尔盆地南缘煤层气基础地质特征

2 地质研究及技术进展

在煤层气勘查和先导试验建设中，针对大倾角、多厚煤层、中低煤阶地质特点和遇到的难题开展了大量的研究和攻关试验，初步形成了一套较为系统的理论和工艺技术体系。

(1)煤层气地质研究进展

以准噶尔盆地南缘为对象，研究构造、沉积环境、水文地质、煤层气成因特征，分析各因素对煤层气富集的影响，研究认为盆地周缘构造隆升、水力逸散、煤层气风化带深延是制约煤层气资源分布和勘探开发潜力的不可忽略的地质因素；提出了三种煤层气富集成藏模式：水动力滞留区封存性原生生物气成藏模式、水动力滞留区微生物改造热成因气成藏模式、水动力活跃区浅层生物气补给-深部热成因气逸散成藏模式三种煤层气富集成藏模式。基于以上煤层气赋存地质规律研究成果，分勘探和开发两个阶段，分别优化评价参数和权重，制定了《新疆地区中低煤阶煤层气地质选区评价方法》，在准噶尔盆地南缘优选出乌鲁木齐河东、阜康四工河、吉木萨尔水西沟等煤层气开发有利区，并针对各有利区优选了甜点段(目标煤层段或目标煤层段组合)，有效指导了准噶尔盆地南缘的煤层气开发部署。

通过煤层含气性及气成分展布规律研究，剖析气体成因及煤层气风化带形成演化过程，首次提出“以外源性N2为评价指标”的新疆中低煤阶风化带深度划定标准，即满足经济边界的前提下，以“氮气浓度小于等于20%”作为划定煤层气风化带下限的评价依据，在煤层气开发的井位部署中得到广泛应用，如依据该煤层气风化带划定方法，乌鲁木齐河东矿区目的层深度浅部边界由以往的650m调整到450m，相应部署的煤层气井产气量在排采3个月后迅速达到2000m3/d以上，获得较好排采效果，释放了较大的可供煤层气开发的区域。

通过对煤体结构、孔裂隙发育特征、煤层矿物组分等的研究，对主要矿区的主要可采煤层的可改造性进行评价，提出针对不同特性储层的改造方案(表2)，有效指导了各开发区块的压裂施工，获得较为理想的储层改造效果。

表2 研究区压裂增产措施方案

(2)钻井技术

为适应大倾角、多煤层、厚煤层的地质特点，节约土地资源和方便管理，形成以丛式井为主，水平井为辅的开发模式，其中，丛式井包括直井和定向井，水平井包括顺煤层井、L型井单分支水平井、多分支水平井3种井型。同时，为了解决多个主力煤层的等间距控制问题，创新研发五段制定向井；在保证快速钻完井方面，通过数学建模等手段，开展钻机、泥浆泵、固控设备和钻头选型优选，研发低固相低伤害强抑制水基/钾基钻井液和无固相低伤害钻井液体系，提高了稳定性能、抑制性能、封堵性能和储层保护性能；井身质量控制方面，开展了井眼轨迹优化设计和井眼轨迹控制理论技术研究，建立轨迹优化设计模型和底部钻具组合受力模型，优化设计和底部钻具组合，减少摩阻，达到井身质量控制的目的。针对900m以深煤层地质控制程度低的问题，为提高水平井钻遇率，引进优化地质导向技术，提出并试验了“井眼轨道控制原则”与“主动探顶技术与侧钻开分支技术”(图1)。

图1 主动探顶技术施工示意图

(3)压裂技术

为解决大倾角地层压裂裂缝上部支撑难，厚煤层难以充分改造，目的煤层多，活性水光套管注入填砂分层的方式对层间距要求高且施工周期长等难题，研发出低伤害、低摩阻高效压裂液体系，具有较好的携砂性能和降摩阻和降滤失的作用；形成多、厚煤层压裂选段原则，保障所选层段的资源和储层条件均较优；引进并优化水力喷砂射孔+连续油管底封拖动压裂技术，单层平均施工周期为2.74层/天；引进并优化带压射孔+全可溶桥塞层间分层压裂技术，实现了短期内大排量、大液量、大砂量高效充分压裂(表3)。

表3 单井压裂改造规模及效果

(4)排采技术

为解决排采管杆偏磨和腐蚀、出砂、出粉问题，多层和采分层产能贡献不清问题及大倾角煤层排采压降等规律不清问题，研究腐蚀机理，优选缓释剂，形成添加缓蚀剂排采防腐技术；利用阴极保护技术原理设计两套保护系统，形成阴极保护器排采防腐技术；建立三维井眼轨迹描述与三维力学模型，形成基于三维杆柱力学的综合防偏磨优化设计方法；通过对煤粉的形貌特征及运动特征研究，形成主动脉冲式排采煤粉防控工艺技术，通过对管柱及捞砂工具优化，形成针对L型水平井的捞砂技术；通过在多层排采丛式井开展分布式光纤温压多参数监测，开展多层合采产能计算模型与算法研究，开发煤层气井多层合采产能剖面定量解释软件，可以对单采、合采煤层气井产量历史进行拟合，对多层合采产量及各层产量贡献率进行预测；基于大倾角储层排采特征研究，结合前期排采井的经验，提出了“五段三点两控排采法(五个阶段、三个节点、两个控制关键)”(图2)，并开发排采智能管理系统软件，为试验井连续平稳排采和增产奠定了基础。

图2 五段三点两控制排采法

3 地质及技术攻关方向

地质研究和技术攻关有力支撑了各先导试验的开发建设，建成准噶尔盆地南缘煤层气产业化基地的核心区，实现新疆煤层气的突破性进展，但要实现规模有效开发还需大力推进技术创新，大幅提高单井产量和降低综合开发成本,探索煤层气精准评价体系，寻找提高单井增产新技术，准确确定目的煤层的开发时序，切实提高煤层气抽采率。需要攻克的主要地质和技术难题如下：

(1)地质精准选区和精细评价技术、地质与工程配套勘查开发工程技术是迫切需要解决的问题。虽然在阜康、乌鲁木齐河东等多个区块获得了单井高产突破，但高产井与稳产井总数偏少，低产井占有一定的数量，使得整个区块单井平均产量偏低。分析原因主要是由于当前新疆煤层气勘查开发的有利区多处于山前构造挤压带，地质条件复杂，煤层非均质强。这就要求我们在地质研究时进行横向、纵向上的精细描述和分区分类评价，提高选区和井位部署的有效性，并选择与地质条件相适应的井型和井网和储层改造方式等，确保施工成功率。

(2)储层充分有效改造技术急需有新的突破。针对新疆地层倾角大、煤层厚度大的特点，为实现对煤层的充分动用，采用L型水平井和多裂缝、全切割连续油管体积压裂工艺，实现了对煤层的充分改造，但后期排采中吐砂、吐粉严重，影响排采的连续性，产气效果没有达到预期，因此在实现储层充分改造的技术和工艺上还需研究探索；在当前已进行排采试验的区块中，部分区块如准噶尔盆地南缘的后峡区块、呼图壁区块煤层含气量大、渗透率高，具有较好的资源基础和开采条件，但由于煤层顶板多为含水层，加之煤层的倾角较大，储层改造中极易压穿上部含水层，导致排水降压失效，煤层有气但抽采不出来，如何实现该类储层的改造尚需攻克。

(3)合层排采层段优选和单层有序开发还需研究和创新。新疆煤层气资源量大，除了由于煤层分布广、煤层厚度大以外，另一个重要因素是煤层层数多，但在阜康矿区、乌鲁木齐河东矿区的煤层气开发中，采用2层或3层合采的排采井，虽然增加了动用煤层和建井成本，但部分合采井的产气效果并不理想，甚至低于单层排采井，因此，合层排采的选层及与地质条件的适应性还需研究，另一方面，因为新疆单煤层厚度普遍较大，单一煤层即可为排采提供充足的资源，未来为实现对新疆煤层气的充分动用，可能的发展方向为地质条件满足的情况下，临近薄煤层与薄煤层合采、临近薄煤层与厚煤层合采或厚煤层单采，如果以上三种情况逐层开采，如何有序开发尚未进行研究。

4 结论

(1)地质规律和成藏特征认识更加准确，有效指导了开发部署。主要地质认识和进步如下：明确了构造、水文地质、煤层气成因是准噶尔盆地南缘煤层气富集成藏的主控因素，基于富集成藏认识和大倾角、多厚煤层、风化带深度大的典型地质特点，优化评价参数和权重，制定《新疆地区中低煤阶煤层气地质选区评价方法》，提出以“氮气浓度小于等于20%”作为划定煤层气风化带下限的评价依据和针对不同特性储层的改造方案等，有效指导了各开发区块的井位部署和压裂施工，获得较好开发效果，释放出较大的可供煤层气开发的区域。

(2)通过开展勘查和先导试验建设，从地质选区到钻、压、排初步形成了一套较为系统的工艺技术体系：钻井技术方面采用定向井、水平井多种井型，优化钻井设备选型，研发出低固相和无固相钻井液体系，优化井眼轨迹和钻具组合，创新地质导向技术；压裂技术方面研发了高效压裂液体系、制定了压裂层段选层方法，引进并优化水力喷砂射孔+连续油管底封拖动压裂技术和带压射孔+全可溶桥塞层间分层压裂技术；排采技术方面形成了缓蚀剂、阴极保护器综合防腐和基于三维杆柱力学的防腐蚀防偏磨技术与排采控制方法等，开发工艺技术与新疆地质特点适应性进步增强。

(3)要实现新疆煤层气的规模有效开发，还需创新和突破以下主要关键技术：研究攻克地质精准选区和精细评价技术、地质与工程配套技术，解决构造复杂、储层非均质性强的问题；创新或优化储层改造工艺，细化储层改造方案，解决排采中的吐砂吐粉难题，在保证顶底板安全的前提实现对储层的充分改造；创新多煤层有序开发技术和合层排采层位优选方法，实现多煤层的充分、有效、低成本动用。