煤層氣開發工程關鍵技術研究現狀及發展趨勢分析*

王辰龍，韓金良，劉奕杉，楊 干，喬 磊，尚立濤

1.中國石油集團工程技術研究院有限公司，北京 102218

2.中國石油煤層氣有限責任公司，北京 100028

隨著我國經濟水平的不斷提高，各行各業對能源的需求量也一直在不斷發生著變化，煤層氣的合理應用能夠有效解決天然氣的供需問題，煤層氣可以作為一種能源燃料和化工原材料。在國際能源局勢趨緊的情況下，煤層氣的大規模開發利用前景十分廣闊。由于我國煤層氣賦存盆地地質特征相對于其他國家更為復雜，且勘探開發時間又相對較晚，雖然已實現煤層氣的初步開發，但是未形成一套完整的煤層氣開發體系。為了能夠有效提高我國煤層氣的開采效率，文章通過分析國外現有的煤層氣賦存盆地特征及工程技術現狀的特點，并結合我國煤層氣賦存盆地的特點分析出適宜于我國高、中、低煤階層和松軟低滲透煤階層的開發方向和技術發展趨勢。

1 國外煤層氣開發工程技術發展現狀

1.1 美國煤層氣開發情況及關鍵鉆采技術研究現狀

（1）美國主要煤層氣賦存盆地特征。美國的煤層氣資源主要集中在西部落基山脈中，大多屬于中、低媒階煤層，其煤層氣資源量占美國煤層氣總資源量的80%以上；其余的煤層氣資源主要分布于東部的阿巴拉契亞含煤盆地和中部的石炭紀含煤盆地中。

（2）美國煤層氣關鍵鉆采工程技術。①鉆完井工程技術。在鉆完井技術方面，支撐美國煤層氣產業快速發展的鉆井技術主要有以下方面：低成本直井鉆井技術、低階煤層氣洞穴完井技術、中低階煤層氣藏羽狀水平井鉆井技術。②壓裂工程技術。在壓裂技術方面，氣體泡沫壓裂液快速突破了水基壓裂液濾失大、水敏傷害重、攜砂困難和返排效率低等技術瓶頸，成為圣胡安、黑勇士、皮申思、云他等盆地實現提采穩產的主要推動力。③排采工程技術。美國常用的排采設備主要是傳統的有桿設備，但是在實際應用過程中對排采設計和選型方面進行了創新，在以圣胡安和黑勇士盆地進行了試驗研究，并取得了優異的成績。

1.2 澳大利亞煤層氣開發情況及關鍵鉆采技術研究現狀

（1）澳大利亞主要煤層氣賦存盆地特征。澳大利亞的含煤盆地主要分布在東部沿海地區，包括4個二疊紀煤盆地：博文盆地、悉尼盆地、蘇拉特盆地和加里里盆地。澳大利亞煤炭資源量1.7萬億t，煤層平均含氣量為0.8～16.8m3/t，煤層埋深小于1000m，滲透率多為1～10md，煤層氣資源量為8～14萬億t。

（2）澳大利亞煤層氣關鍵鉆采工程技術。①鉆完井工程技術。在鉆井技術方面，澳大利亞主要有三種成熟的鉆完井技術：一是水力壓裂或裸眼完井直井；二是大斜度定向井；三是多分支水平井。不同的鉆井技術結合相應的完井方式，配合壓裂等措施提高采收率，實現效益的最大化。②壓裂工程技術。澳大利亞博文盆地的東部邊緣氣田煤厚度為7.1～22.7m，煤層深度為600～1200m。以提高產量和降低成本為目的，應用多煤層氮氣泡沫橋塞分段壓裂，提高了完井效率。并根據煤的特性設計壓裂液添加劑，確保降低表界面張力，易于返排，降低傷害。③排采工程技術。在排采工程技術方面，通過調研總結了澳大利亞蘇拉特區塊排采工程現狀，蘇拉特盆地主要的排采技術如下：煤層氣井舉升方式優選技術和叢式斜井井組防偏磨技術。

2 國內煤層氣開發工程技術發展現狀

2.1 我國主要煤層氣賦存盆地特征

我國是世界煤炭資源大國，煤炭資源和煤層氣資源非常豐富，我國煤層氣資源可劃分為東北、華北、西北、南方和青藏共五大賦氣區，資源量達36.8×1012m3，煤層滲透率通常小于1md?；趯ξ覈簩託赓Y源及分布特征分析，認為我國煤層氣資源具有多個煤階、多個深度、多期生氣、多源疊加、多期改造的地質特征。

2.2 我國煤層氣關鍵鉆采工程技術

（1）直井、叢式井鉆完井技術。由于淺層煤層氣叢式井鉆井周期短、單井成本低等特點，直井、叢式井鉆完井技術成為煤層氣低成本開發的主體技術，在中國的沁水及鄂東煤層氣田等氣田得到了廣泛應用。

（2）持續探索水平井等其他適用鉆完井工藝技術。針對構造平緩、煤層結構完整的中高煤階儲層，引進并發展羽狀水平井技術。羽狀水平井主要采用機動靈活的車載鉆機、注氣欠平衡設備、特種定向井井下工具，實現了安全、快速、經濟鉆井的目標。

（3）活性水壓裂液為主的增產改造技術。自煤層氣規模開發以來，先后應用了活性水、清潔壓裂液、瓜膠等三種壓裂液體系。其中，活性水因具有無殘渣、低傷害、低成本的優點，成為煤層改造的首選工藝。

2.3 我國煤層氣開發技術痛點

（1）煤層氣鉆井技術急需升級換代。煤層氣直井、叢式井數量占總開發井數96%，該技術地面工程成本高，且對地面環境影響大，同時已無成本下降空間，不能滿足深部低滲透煤層氣的高效動用需求。

（2）壓裂整體效果差，需要從設計理念和工藝技術上進一步創新。①加強地質工程一體化壓裂設計及施工，有效提高單井產量。國內煤層氣勘探開發面臨的最大挑戰，要求壓裂工程從設計理念和工藝技術上進一步創新。影響壓裂增產效果的關鍵影響因素主要有儲層地質因素，天然裂縫發育程度、水平主應力差、煤體結構對壓裂效果的影響較大。②深部煤層氣未形成有效增產的主體壓裂技術，需要進一步實現技術突破。深部煤層氣儲層壓裂以垂直縫為主，裂縫縱向過度擴展容易壓穿頂、底板，縫高失控，導致裂縫控制區域小，效果差。

3 我國煤層氣開發技術的發展趨勢

3.1 鉆完井技術發展方向

我國煤層氣鉆完井技術的發展趨勢主要表現在六個方面：（1）大井叢集約化建井模式；（2）地質工程一體化鉆井技術；（3）煤層氣長水平段鉆井優化技術；（4）鉆井提速配套技術；（5）玻璃鋼篩管、套管完井技術；（6）深部煤層氣鉆完井技術的發展。

3.2 壓裂增產技術發展方向

隨著我國高新技術的不斷發展，酸化壓裂技術在實際應用過程中已經取得了非常優異的成績，煤層氣壓裂增產技術的發展趨勢主要表現在以下五個方面：（1）多井聯動的工廠化壓裂模式；（2）多巖性協同開發的合層壓裂作業模式；（3）活性水為主體的多元化壓裂液體系；（4）暫堵轉向相結合的重復壓裂技術；（5）先進高效的鉆完井配套設備。

3.3 排采技術發展方向

排采作為煤層氣產氣的重要環節，是鉆井、壓裂效果成敗的關鍵。煤層氣排采技術呈現出如下趨勢：（1）建立多層系多氣合采工藝技術模式；（2）動態監測技術；（3）延長檢泵周期綜合治理技術；（4）等離子脈沖增透增產技術；（5）連續管自動化修井技術；（6）建立基于人工智能和大數據的煤層氣田智能信息技術的發展趨勢。

4 適合我國煤層氣的開發方式

4.1 適宜規模開發區高階煤的穩產高產技術

針對高階煤層氣的開采應加強穩產、高產以及提高采收率等方面的研究，這樣才能有效提高高階煤層氣的開采量。穩產高產技術主要包括直井人工裂縫解堵技術、智能管控排采技術以及直井重復壓裂技術，但是在實際開采過程中應注重煤儲層變化規律，結合實際情況選擇合適的開采技術。

4.2 適宜鄂爾多斯東緣中階煤區的鉆壓采技術

探索適宜于中階煤的煤儲層精細描述技術，定向井安全高效鉆完井技術，直井壓裂改造技術，水平井分段壓裂技術，高產水、弱含水煤儲層的智能排采技術等。

4.3 適宜低階煤區的煤層氣勘探開發關鍵技術

低煤階煤層氣屬于一種非常規資源，因此在開采過程中，不能按照傳統理念進行開采，需要在符合國家相關規定標準的前提下選擇合理的開采技術，主要包括密閉取心技術、資源評價技術、連續油管壓裂技術等，應用這些技術可以有效提升低煤階煤層氣的開采效率。

5 結束語

煤層氣開發的質量和效率與勘探開發技術密切相關，因此企業必須重視勘探技術的研究，優化現有的施工技術，這對提高煤層氣的開發效率具有非常重要的意義。為了促進我國的煤層氣勘探開發的發展，仍需繼續創新突破，進而實現對煤層氣的高效開采。