复杂地质煤矿区煤层气(瓦斯)高效开发关键技术研究与应用

曹运兴

(河南理工大学煤层气/瓦斯地质工程研究中心,河南 焦作 454000)

1 煤层气开发的现实背景和意义

煤炭是我国现阶段的主体能源,且短期内这一形势很难发生改变。其中,山西对我国煤炭工业领域贡献巨大。自1966年以来,山西煤炭产量在全国的占比保持在20%～30%之间,2022年山西煤炭产量达13.1亿t,占全国煤炭总产量的28%。可以说“燃烧了山西点亮了全国”,因此在山西进行煤炭研究具有重要的意义。

目前煤炭开发所面临的两个最重大的问题:一是提高产煤效率,保障煤炭企业经济效益;二是解决安全问题。煤矿安全最大威胁来自于瓦斯,近期中国瓦斯事故依旧时有发生。2023年8月21日在陕西延川县新泰煤矿发生的重大瓦斯爆炸事故造成11人死亡。跟瓦斯突出事故不同,瓦斯爆炸的发生除与地质要素这一天然要素有关外,还取决于煤矿瓦斯的管理措施。尤其是在低瓦斯煤矿的瓦斯爆炸事故,说明我们在瓦斯管理方面还存在很多问题,仍需要继续努力和攻关。

从另外一个角度看,瓦斯燃烧的等当量的热值,其碳排放量是煤燃烧的45%左右,因此瓦斯是一种清洁能源。我国碳减排压力巨大,据计算目前我国每年碳排放量中90%是化石燃料,其中70%是煤炭。煤层气开发具有清洁能源供给、煤矿安全和碳减排的多重意义。全球非常规天然气储量丰富,已探明可采储量达到330万亿m3,其中煤层气占11%。我国煤层气资源总量为80万亿m3,其中2 000 m以内煤层气36.8万亿m3,2 000 m以上深部煤层气储量为40.47万亿m3。而煤层气资源量高达178万亿m3,是常规天然气储量的4～5倍。因此充分开发煤系气资源,对改善我国能源结构意义重大,中国煤层气开发与碳减排大有可为。山西2 000 m以内煤层气资源量为8.3万亿m3,占全国资源量的23%,且目前全国煤层气产量的95%开发于山西。山西在煤层气开发领域的技术经济引领作用,为全国煤层气产业发展提供了宝贵经验。

2 中国煤层气(瓦斯)高效开发的地质与技术挑战

在煤层气开发领域我们已经做了大量的努力,但是仍然存在一些技术挑战。主要问题是我们单井产量比较低,截止2020年底的21 217口井,年产气57.67亿m3,仅占天然气的3.07%。低产井普遍存在,直井平均日产量不到美国、加拿大、澳大利亚等国家的1/4。有气难采出是煤层气产业的共性技术难题。

地面开发和井下抽采是煤矿煤层气开发的两种主要方式。地面开发主要是通过钻井技术在地面进行煤层气的抽取。从1996年开始发展到现在超过20 a时间里,进度一直比较缓慢,主要因为中国的煤层气储层地质条件复杂,且地面开发技术针对性较差。煤层气地面开发面临的两个关键问题:第一要进行煤层储层的精细评断,精细评价和诊断;第二要寻求针对性的开发技术,做到辨症施治。在中石油、中石化、中海油等天然气开发大型企业,设有地质开发研究院和工程院,分别负责开展地质研究和技术研究。借鉴这种模式,在煤炭行业我们提出实现地质与工程一体化,以地质评价为基础,然后针对不同地质条件,寻求不同的开发技术。

3 复杂地质条件煤层气开发技术进展

3.1 地面煤层气开发

对于煤矿瓦斯治理需要两种方法并行实施,一是地面区域治理,通过瓦斯抽采可以有效减轻煤矿瓦斯灾害。通过地面瓦斯抽采主要抽出的是游离气和煤层中容易解吸的瓦斯部分,也是导致煤矿瓦斯灾害的重要组成成分。以潞安余吾煤矿南五采区为例,早期该地区瓦斯含量大约为16 m3/t,正式进入该采区前,该地区已经进行了长达10 a的煤层气地面开发,尽管抽采效果不太好,但在正式进入该采区后,测得的瓦斯含量大约为9～10 m3/t左右,其中危险性较大的游离瓦斯已经被抽采出来,可以保证井下安全生产。

中国煤层气开发有三个重要的评价参数:第一是气含量,我国一般要求煤层气含量达到8 m3/t瓦斯可进行开发,中高煤阶一般到10 m3/t以上可以进行开发;第二是渗透率,是衡量煤层气流动性能的关键指标,影响着煤层气的开发难度,除部分煤层如晋城的三号煤层渗透率较好以外,我国大部分地区煤层渗透率很差,增加了煤层气的开发难度;第三个参数是储层压力,指煤层在正常未改造状态下,煤层孔隙中水的流体压力,对于后续开采设计和储层保护至关重要。我国早期煤层气开发过程中,测得的煤层气含量相对可靠,而渗透率和储层压力测试结果存在较大误差。笔者对潞安、晋城及阳泉三个矿区的渗透率和区域水文地质条件进行了对比,发现储层压力相差大约一半,则所推断渗透率也欠准确,因为煤层气渗透率测试是依靠储层压降测试完成的。

因此受美国技术启发,团队引进了美国第三代测试装备,并开发了低渗低压煤储层套管-射孔延时试井技术。中国煤层气试井的规范是36～48 h,对于高渗储层这个时间是可行的,但是对于低渗透储层则完全行不通。通过将套管深射孔和压降时间合理延长2～3倍,测试出无污染原始煤储层流体的压降时程规律,获得准确的渗透率和储层压力参数。潞安早期测得储层压力系数为0.73,使用我们开发的技术测试获得的结果是0.4,获得了可靠的储层压力参数,相当于加拿大的干储层。我国大部分地区的煤储层在1 000 m以内,特别是在600 m以内,大部分是欠压储层即超低压储层,这与加拿大干储层以及美国的超压储层均不同,所以早期直接引进的美国技术和加拿大技术都表现出“水土不服”。在这种条件下,我们就应该开发针对该种储层条件的技术,储层压力低是需要保护的,而对于渗透率特别低的煤层则需要强化造缝。

中国煤层气开发具有的至关重要的地质特征:一是地质构造复杂,这在全球独一无二,比如说新疆地区;第二构造煤发育,存在很多构造煤区,构造煤质地很软,无法成功钻井,缺乏煤层气渗流通道,煤层气开发就是完全失败的;第三是渗透率很低,储层压力很低。针对不同的地质特征,我们开发了以下4种技术。

第一,团队在潞安研发了酸化氮气泡沫复合压裂液体系。潞安矿区总面积有3 464 km2,为低渗低压储层,连续14 a前后几轮试验无效果,平均日产100～200 m3。使用新技术后,实现了井井产气,最高单井产量长期稳定在1 400～2 600 m3/d,突破煤层气开发禁区,实现了潞安煤层气产量15 a(1997—2012年)的历史性突破,解放煤层气资源量3 347亿m3。

第二,提出新疆大倾角厚煤层走向水平井-垂向多段压裂改造技术。新疆煤层气资源量是9.5万亿m3,占全国资源量的26%,国家对新疆煤层气开发寄予厚望。从2000年到2012年12 a间,新疆进行了多轮开发,全疆58口勘探开发井日产均低于1 000 m3。2012年,受邀对阜康矿区煤层气开发开展研究。阜康矿区位于准噶尔盆地南缘,东西长57 km,南北宽3～15 km,面积是307 km2,煤炭84亿t,煤层气资源450亿m3。该矿区煤层条件很好,煤层气储量高,但开采效果不佳且瓦斯灾害严重。2005年7月11日,神龙煤矿发生特大瓦斯爆炸事故,83人遇难;2014年7月5日,大黄山豫新煤业发生一起重大瓦斯爆炸事故,死亡17人。开采效果不佳主要原因即地质条件和我们的开发技术不相匹配。该地区具有煤层厚、倾角大的特点,使用常规的技术压裂有较大局限性。因此,提出了进行直井纵向多阶压裂,且煤层沿走向设计水平井。我们设计的第一、二口直井日产煤层气17 125～27 896 m3,水平井稳定产量为35 000 m3,直井日产保持全国最高日产纪录。实现了新疆2000—2014年共14 a历史上技术和产量的双重突破;促进建成新疆第一个煤层气产业基地,引领国家煤层气开发战略西移新疆。

第三,开发了低渗低压区水平井氮气前置-活性水多簇压裂增产技术。晋城矿区阳城大宁煤矿共38 km2,中间存在断层。断层西部直井产量很低,110口直井平均日产量是362 m3,完全不能实现投入产出平衡。该技术基于煤储层物性差异性分布,将裂缝簇数由常规的1簇/100 m增加到4簇/100 m,簇间距25 m,形成基于煤层割理系统的复杂缝网,解决了高效增渗难题。在低渗低压区,该技术试验水平井长期稳产,日产量是同区多分支水平井的10倍以上,是周边119口垂直井平均日产量的40倍,创造了这类储层的高产历史纪录。这种技术在产出和投入上是平衡的,是当前煤层气开发的主流技术。

第四,在晋城矿区还开发了双管柱筛管完井与洗井增产一体化增产技术。外层为筛管支撑井壁防塌孔,内层为高压冲管冲洗井筒,解决了构造煤发育区井壁坍塌、井眼堵塞以及钻井液污染等技术难题。项目获得发明专利6项,实用新型专利7项,发表论文22篇(SCI/EI收录8篇)。

项目成果实践证明,该技术可以在构造煤矿区推广。经统计,2019年项目应用于331口井,产量由原来的1 200 m3提高到12 000 m3,产量提高10倍。项目成果在6个省区得到推广应用,实现了煤层气单井日产量的历史性突破,为煤层气产业发展和煤矿安全生产做出了重要贡献。近六年,新增产量32亿m3,占全国总年产量的7.3%;减排CO2>5 000万t,为实现低碳发展战略做出了积极贡献。解放高瓦斯煤炭6.9亿t和万亿方煤层气资源量,为超前高效抽采瓦斯、减少瓦斯事故、保障煤炭安全生产提供有利技术支撑。

3.2 煤矿井下瓦斯高效抽采

对于井下开发团队提出了CO2致裂技术,通过加热器将管中1～2.5 kg液态二氧化碳汽化,使其体积膨胀600倍形成高压气体并从喷头喷出,在孔壁周围形成定向密集多簇放射状裂缝,从而形成裂缝网络。通过高效造缝作用,引起局部卸压、大幅度增透、高效解吸和高效抽采效应,能够快速降低瓦斯含量、压力和突出危险性。在晋城玉溪煤矿开展试验,在1 140 m的掘进中,CO2致裂后煤的钻屑瓦斯解吸指标K1值大幅度降低,即煤层瓦斯含量快速降低,掘进速度提高一倍左右。

4 河南理工大学瓦斯地质与煤层气开发

河南理工大学对于瓦斯地质的研究具有阶段性,第一阶段为瓦斯突出地质学研究;第二阶段是杨力生教授带领的瓦斯赋存地质学研究,该团队编制了《中国煤矿瓦斯地质图》,第一次计算了中国煤层气资源量为31.4万亿m3,成为我国煤矿瓦斯治理和煤层气开发的基础依据;现阶段团队将研究重点放在煤层气开发上,把对煤储层地质学的认识转变成技术、工艺和产量,即追求煤层气极限高产,大幅度提高煤层气产量。

技术是没有穷尽的,在坚实的理论基础下技术是可以一直进步的。煤层气开发没有最好的技术,只有最适用的技术。