準噶爾盆地南緣煤層氣地質研究及技術進展

周梓欣 張 偉

(1.新疆煤田地質局,新疆 830091；2.新疆煤田地質局綜合地質勘查隊,新疆 830009)

新疆2000m以淺煤層氣資源量7.51×1012m3，占全國資源總量(30.05×1012m3)的25%。“十二五”—“十三五”時期，新疆共投入約25億元，以準噶爾盆地南緣和庫拜煤田為重點開展勘查和先導試驗建設，截至目前，全疆現有煤層氣生產井280余口，最高年產氣量8235×104m3，單直井峰值日產量達到2.8×104m3，水平井峰值日產量達到3.5×104m3。準噶爾盆地南緣作為新疆煤層氣最具代表性的區域，針對煤層氣富集主控因素等地質特征開展了大量的研究，并通過先導試驗建設和科技攻關初步形成了適應其地質特點的開發技術體系。

1 煤層氣地質特點

準噶爾盆地南緣煤層氣地質特征除了具有國內高煤階的“三低”(低飽和度、低滲透率、低壓力)特征外，同時還具有地層傾角大、煤層厚度大、煤層層數多、風化帶深度大的特殊地質特點(表1)。

表1 準噶爾盆地南緣煤層氣基礎地質特征

2 地質研究及技術進展

在煤層氣勘查和先導試驗建設中，針對大傾角、多厚煤層、中低煤階地質特點和遇到的難題開展了大量的研究和攻關試驗，初步形成了一套較為系統的理論和工藝技術體系。

(1)煤層氣地質研究進展

以準噶爾盆地南緣為對象，研究構造、沉積環境、水文地質、煤層氣成因特征，分析各因素對煤層氣富集的影響，研究認為盆地周緣構造隆升、水力逸散、煤層氣風化帶深延是制約煤層氣資源分布和勘探開發潛力的不可忽略的地質因素；提出了三種煤層氣富集成藏模式：水動力滯留區封存性原生生物氣成藏模式、水動力滯留區微生物改造熱成因氣成藏模式、水動力活躍區淺層生物氣補給-深部熱成因氣逸散成藏模式三種煤層氣富集成藏模式。基于以上煤層氣賦存地質規律研究成果，分勘探和開發兩個階段，分別優化評價參數和權重，制定了《新疆地區中低煤階煤層氣地質選區評價方法》，在準噶爾盆地南緣優選出烏魯木齊河東、阜康四工河、吉木薩爾水西溝等煤層氣開發有利區，并針對各有利區優選了甜點段(目標煤層段或目標煤層段組合)，有效指導了準噶爾盆地南緣的煤層氣開發部署。

通過煤層含氣性及氣成分展布規律研究，剖析氣體成因及煤層氣風化帶形成演化過程，首次提出“以外源性N2為評價指標”的新疆中低煤階風化帶深度劃定標準，即滿足經濟邊界的前提下，以“氮氣濃度小于等于20%”作為劃定煤層氣風化帶下限的評價依據，在煤層氣開發的井位部署中得到廣泛應用，如依據該煤層氣風化帶劃定方法，烏魯木齊河東礦區目的層深度淺部邊界由以往的650m調整到450m，相應部署的煤層氣井產氣量在排采3個月后迅速達到2000m3/d以上，獲得較好排采效果，釋放了較大的可供煤層氣開發的區域。

通過對煤體結構、孔裂隙發育特征、煤層礦物組分等的研究，對主要礦區的主要可采煤層的可改造性進行評價，提出針對不同特性儲層的改造方案(表2)，有效指導了各開發區塊的壓裂施工，獲得較為理想的儲層改造效果。

表2 研究區壓裂增產措施方案

(2)鉆井技術

為適應大傾角、多煤層、厚煤層的地質特點，節約土地資源和方便管理，形成以叢式井為主，水平井為輔的開發模式，其中，叢式井包括直井和定向井，水平井包括順煤層井、L型井單分支水平井、多分支水平井3種井型。同時，為了解決多個主力煤層的等間距控制問題，創新研發五段制定向井；在保證快速鉆完井方面，通過數學建模等手段，開展鉆機、泥漿泵、固控設備和鉆頭選型優選，研發低固相低傷害強抑制水基/鉀基鉆井液和無固相低傷害鉆井液體系，提高了穩定性能、抑制性能、封堵性能和儲層保護性能；井身質量控制方面，開展了井眼軌跡優化設計和井眼軌跡控制理論技術研究，建立軌跡優化設計模型和底部鉆具組合受力模型，優化設計和底部鉆具組合，減少摩阻，達到井身質量控制的目的。針對900m以深煤層地質控制程度低的問題，為提高水平井鉆遇率，引進優化地質導向技術，提出并試驗了“井眼軌道控制原則”與“主動探頂技術與側鉆開分支技術”(圖1)。

圖1 主動探頂技術施工示意圖

(3)壓裂技術

為解決大傾角地層壓裂裂縫上部支撐難，厚煤層難以充分改造，目的煤層多，活性水光套管注入填砂分層的方式對層間距要求高且施工周期長等難題，研發出低傷害、低摩阻高效壓裂液體系，具有較好的攜砂性能和降摩阻和降濾失的作用；形成多、厚煤層壓裂選段原則，保障所選層段的資源和儲層條件均較優；引進并優化水力噴砂射孔+連續油管底封拖動壓裂技術，單層平均施工周期為2.74層/天；引進并優化帶壓射孔+全可溶橋塞層間分層壓裂技術，實現了短期內大排量、大液量、大砂量高效充分壓裂(表3)。

表3 單井壓裂改造規模及效果

(4)排采技術

為解決排采管桿偏磨和腐蝕、出砂、出粉問題，多層和采分層產能貢獻不清問題及大傾角煤層排采壓降等規律不清問題，研究腐蝕機理，優選緩釋劑，形成添加緩蝕劑排采防腐技術；利用陰極保護技術原理設計兩套保護系統，形成陰極保護器排采防腐技術；建立三維井眼軌跡描述與三維力學模型，形成基于三維桿柱力學的綜合防偏磨優化設計方法；通過對煤粉的形貌特征及運動特征研究，形成主動脈沖式排采煤粉防控工藝技術，通過對管柱及撈砂工具優化，形成針對L型水平井的撈砂技術；通過在多層排采叢式井開展分布式光纖溫壓多參數監測，開展多層合采產能計算模型與算法研究，開發煤層氣井多層合采產能剖面定量解釋軟件，可以對單采、合采煤層氣井產量歷史進行擬合，對多層合采產量及各層產量貢獻率進行預測；基于大傾角儲層排采特征研究，結合前期排采井的經驗，提出了“五段三點兩控排采法(五個階段、三個節點、兩個控制關鍵)”(圖2)，并開發排采智能管理系統軟件，為試驗井連續平穩排采和增產奠定了基礎。

圖2 五段三點兩控制排采法

3 地質及技術攻關方向

地質研究和技術攻關有力支撐了各先導試驗的開發建設，建成準噶爾盆地南緣煤層氣產業化基地的核心區，實現新疆煤層氣的突破性進展，但要實現規模有效開發還需大力推進技術創新，大幅提高單井產量和降低綜合開發成本,探索煤層氣精準評價體系，尋找提高單井增產新技術，準確確定目的煤層的開發時序，切實提高煤層氣抽采率。需要攻克的主要地質和技術難題如下：

(1)地質精準選區和精細評價技術、地質與工程配套勘查開發工程技術是迫切需要解決的問題。雖然在阜康、烏魯木齊河東等多個區塊獲得了單井高產突破，但高產井與穩產井總數偏少，低產井占有一定的數量，使得整個區塊單井平均產量偏低。分析原因主要是由于當前新疆煤層氣勘查開發的有利區多處于山前構造擠壓帶，地質條件復雜，煤層非均質強。這就要求我們在地質研究時進行橫向、縱向上的精細描述和分區分類評價，提高選區和井位部署的有效性，并選擇與地質條件相適應的井型和井網和儲層改造方式等，確保施工成功率。

(2)儲層充分有效改造技術急需有新的突破。針對新疆地層傾角大、煤層厚度大的特點，為實現對煤層的充分動用，采用L型水平井和多裂縫、全切割連續油管體積壓裂工藝，實現了對煤層的充分改造，但后期排采中吐砂、吐粉嚴重，影響排采的連續性，產氣效果沒有達到預期，因此在實現儲層充分改造的技術和工藝上還需研究探索；在當前已進行排采試驗的區塊中，部分區塊如準噶爾盆地南緣的后峽區塊、呼圖壁區塊煤層含氣量大、滲透率高，具有較好的資源基礎和開采條件，但由于煤層頂板多為含水層，加之煤層的傾角較大，儲層改造中極易壓穿上部含水層，導致排水降壓失效，煤層有氣但抽采不出來，如何實現該類儲層的改造尚需攻克。

(3)合層排采層段優選和單層有序開發還需研究和創新。新疆煤層氣資源量大，除了由于煤層分布廣、煤層厚度大以外，另一個重要因素是煤層層數多，但在阜康礦區、烏魯木齊河東礦區的煤層氣開發中，采用2層或3層合采的排采井，雖然增加了動用煤層和建井成本，但部分合采井的產氣效果并不理想，甚至低于單層排采井，因此，合層排采的選層及與地質條件的適應性還需研究，另一方面，因為新疆單煤層厚度普遍較大，單一煤層即可為排采提供充足的資源，未來為實現對新疆煤層氣的充分動用，可能的發展方向為地質條件滿足的情況下，臨近薄煤層與薄煤層合采、臨近薄煤層與厚煤層合采或厚煤層單采，如果以上三種情況逐層開采，如何有序開發尚未進行研究。

4 結論

(1)地質規律和成藏特征認識更加準確，有效指導了開發部署。主要地質認識和進步如下：明確了構造、水文地質、煤層氣成因是準噶爾盆地南緣煤層氣富集成藏的主控因素，基于富集成藏認識和大傾角、多厚煤層、風化帶深度大的典型地質特點，優化評價參數和權重，制定《新疆地區中低煤階煤層氣地質選區評價方法》，提出以“氮氣濃度小于等于20%”作為劃定煤層氣風化帶下限的評價依據和針對不同特性儲層的改造方案等，有效指導了各開發區塊的井位部署和壓裂施工，獲得較好開發效果，釋放出較大的可供煤層氣開發的區域。

(2)通過開展勘查和先導試驗建設，從地質選區到鉆、壓、排初步形成了一套較為系統的工藝技術體系：鉆井技術方面采用定向井、水平井多種井型，優化鉆井設備選型，研發出低固相和無固相鉆井液體系，優化井眼軌跡和鉆具組合，創新地質導向技術；壓裂技術方面研發了高效壓裂液體系、制定了壓裂層段選層方法，引進并優化水力噴砂射孔+連續油管底封拖動壓裂技術和帶壓射孔+全可溶橋塞層間分層壓裂技術；排采技術方面形成了緩蝕劑、陰極保護器綜合防腐和基于三維桿柱力學的防腐蝕防偏磨技術與排采控制方法等，開發工藝技術與新疆地質特點適應性進步增強。

(3)要實現新疆煤層氣的規模有效開發，還需創新和突破以下主要關鍵技術：研究攻克地質精準選區和精細評價技術、地質與工程配套技術，解決構造復雜、儲層非均質性強的問題；創新或優化儲層改造工藝，細化儲層改造方案，解決排采中的吐砂吐粉難題，在保證頂底板安全的前提實現對儲層的充分改造；創新多煤層有序開發技術和合層排采層位優選方法，實現多煤層的充分、有效、低成本動用。