我國(guó)煤層氣勘探開發(fā)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

我國(guó)煤層氣勘探開發(fā)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

一、中國(guó)油氣勘探和開發(fā)的過(guò)程和成果中國(guó)的煤炭勘探、開發(fā)和利用主要經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展階段。1.年期氣象物理及氣相溫度分析1952年我國(guó)在撫順礦務(wù)局龍鳳礦建立起瓦斯抽放站,此后至1989年期間我國(guó)煤層氣勘探開發(fā)主要處于礦井瓦斯抽放發(fā)展階段,主要進(jìn)行井下瓦斯抽放及利用、煤的吸附性能和煤層氣含量測(cè)定工作。該期間的工作成果,為后來(lái)全國(guó)煤層氣資源預(yù)測(cè)和有利區(qū)塊選擇等積累了重要的實(shí)際資料。2.開源節(jié)流、開采,進(jìn)行煤氣勘探1989~1995年為我國(guó)現(xiàn)代煤層氣技術(shù)引進(jìn)階段。原能源部于1989年9月邀請(qǐng)美國(guó)有關(guān)煤層氣專家來(lái)華介紹情況,并于1989年11月在沈陽(yáng)市召開了我國(guó)第一次煤層氣會(huì)議“能源部開發(fā)煤層氣研討會(huì)”。隨后,國(guó)家“八五”攻關(guān)和地方企業(yè)、全球環(huán)境基金(GEF)資助設(shè)立了多個(gè)煤層氣的研究項(xiàng)目,并在河北大城、山西柳林進(jìn)行了煤層氣的勘探試驗(yàn),1991年出版了我國(guó)第一部煤層氣學(xué)術(shù)專著——《中國(guó)的煤層甲烷》。同時(shí),許多外國(guó)公司也紛紛出資在我國(guó)進(jìn)行煤層氣風(fēng)險(xiǎn)勘探。在這期間,我國(guó)引進(jìn)了煤層氣專用測(cè)試設(shè)備和應(yīng)用軟件,設(shè)備的引進(jìn)和人員交流使我國(guó)在煤層氣資源評(píng)價(jià)、儲(chǔ)層測(cè)試技術(shù)、開采技術(shù)等方面取得了較大的發(fā)展。3.國(guó)內(nèi)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究為了加快我國(guó)煤層氣開發(fā),國(guó)務(wù)院于1996年初批準(zhǔn)成立了中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司。“九五”和“十五”國(guó)家科技攻關(guān)都設(shè)立了煤層氣研究和試驗(yàn)項(xiàng)目,同期國(guó)家計(jì)委設(shè)立了“中國(guó)煤層氣資源評(píng)價(jià)”國(guó)家一類地勘項(xiàng)目。為了推進(jìn)煤層氣的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程,2002年國(guó)家973計(jì)劃設(shè)立了“中國(guó)煤層氣成藏機(jī)制及經(jīng)濟(jì)開采基礎(chǔ)研究”項(xiàng)目,從基礎(chǔ)及應(yīng)用基礎(chǔ)理論的層面對(duì)制約我國(guó)煤層氣發(fā)展的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題進(jìn)行系統(tǒng)研究,并將其成果應(yīng)用于煤層氣的勘探開發(fā)中。到目前為止,我國(guó)施工煤層氣井270余口,共有31個(gè)區(qū)塊進(jìn)行過(guò)不同程度的試驗(yàn),主要集中在華北、東北和華南聚氣區(qū),建成煤層氣井組12個(gè);探明煤層氣地質(zhì)儲(chǔ)量1023×108m3。二、盆地采氣試驗(yàn)研究的現(xiàn)狀煤層氣地質(zhì)作為一個(gè)嶄新的研究領(lǐng)域,國(guó)外起步較早,而在我國(guó)只有10余年的發(fā)展歷史。近年來(lái)經(jīng)過(guò)卓有成效的研究工作,我國(guó)在沁水盆地、鄂爾多斯盆地等地取得采氣試驗(yàn)的突破。這些突破給我國(guó)煤層氣基礎(chǔ)研究創(chuàng)造了較好的條件,國(guó)家973煤層氣項(xiàng)目在此基礎(chǔ)上,在一些方面取得創(chuàng)新性的成果,這些成果基本代表了我國(guó)煤層氣研究的最新進(jìn)展。1.煤中原生煤中發(fā)揮著及其形成氣的地球化學(xué)特征與常規(guī)天然氣成因研究一樣,煤層氣成因的研究往往建立在地球化學(xué)方法對(duì)氣體來(lái)源的判識(shí)基礎(chǔ)上。煤層氣起源于兩個(gè)成因,即生物成因和熱成因,生物成因煤層氣又可分為泥炭至軟褐煤階段的原生生物成因氣和在煙煤中形成的次生生物成因氣。然而,部分地區(qū)煤層氣碳穩(wěn)定同位素組成的顯示出不同成因煤層氣的疊合。王彥龍等、張小軍等通過(guò)煤層氣組分、碳同位素及氫同位素的研究,對(duì)我國(guó)山西沁水盆地、云南洪恩地區(qū)和淮南新集的煤層氣成因進(jìn)行了厘定,其中首次系統(tǒng)大量的氫同位素的分析為煤層氣成因類型的確定提供了充分的依據(jù),并建立了相應(yīng)的地球化學(xué)判識(shí)指標(biāo)。研究表明,沁水盆地南部煤層氣屬熱裂解煤層氣,沁水盆地西北部的山西霍州煤田李雅莊煤礦煤層氣具有次生生物氣的地球化學(xué)特征;淮南新集地區(qū)煤層氣成因類型為次生生物氣為主的混合型煤層氣,煤層氣由次生微生物成因甲烷、熱成因甲烷、大氣源N2和殘留的CO2和重?zé)N組成。2.煤儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)系統(tǒng)煤儲(chǔ)層特性包括裂隙—孔隙特性、吸附性、含氣性、滲透性、煤儲(chǔ)層壓力等,是煤層氣地質(zhì)研究的一個(gè)重要方向。傳統(tǒng)的對(duì)煤儲(chǔ)層的認(rèn)識(shí)建立在以干燥煤樣為基準(zhǔn)的基礎(chǔ)之上,提出了煤的蘭氏體積“三段式”的演化模式,我國(guó)研究者通過(guò)煤在平衡水條件下的吸附特性及其演化規(guī)律的研究,發(fā)現(xiàn)了“兩段式”演化模式。煤儲(chǔ)層特性研究的另一個(gè)方面是煤儲(chǔ)層裂隙—孔隙系統(tǒng)的非線性特征及其分維描述。國(guó)內(nèi)外一直將煤儲(chǔ)層看成是由孔隙、裂隙組成的“雙重孔隙”結(jié)構(gòu)系統(tǒng),某些研究者也曾嘗試采用分形理論和方法對(duì)其進(jìn)行描述。傅雪海提出了煤儲(chǔ)層是由宏觀裂隙、顯微裂隙、孔隙共同組成的三元裂隙—孔隙介質(zhì),并建立起煤儲(chǔ)層三元裂隙—孔隙系統(tǒng)的分形數(shù)學(xué)模型和分類方案。針對(duì)煤儲(chǔ)層研究存在的問(wèn)題及年近來(lái)的研究熱點(diǎn),國(guó)家973煤層氣項(xiàng)目進(jìn)行了大量的工作。首先進(jìn)行了高煤級(jí)煤儲(chǔ)層參數(shù)厘定并提出煤儲(chǔ)層評(píng)價(jià)方法,提出壓汞實(shí)驗(yàn)、低溫氮吸附、單相滲透率測(cè)定是便于實(shí)施、容易對(duì)比的儲(chǔ)層物性參數(shù)獲取方法;提煉和優(yōu)化了煤儲(chǔ)層物性的描述參數(shù),選擇孔隙度、孔喉平均直徑、比表面積、滲透率、儲(chǔ)層壓力梯度等5個(gè)參數(shù)構(gòu)建了煤儲(chǔ)層物性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。其次,以沁水盆地為例,提出了高煤級(jí)煤儲(chǔ)層孔隙系統(tǒng)的地質(zhì)模型和相應(yīng)的分形數(shù)學(xué)模型,分析了各模型的儲(chǔ)層物性貢獻(xiàn);針對(duì)我國(guó)高煤級(jí)煤儲(chǔ)層的低滲透性特征開展煤儲(chǔ)層大裂隙系統(tǒng)研究,提出不同煤級(jí)的低滲透性煤儲(chǔ)層大裂隙系統(tǒng)發(fā)育特征也不同,通過(guò)研究提出熱演化作用、沉積成巖作用、構(gòu)造應(yīng)力應(yīng)變等是造成煤儲(chǔ)層非均性的主要原因。3.氣-水動(dòng)力條件“九五”以來(lái),在構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)、熱力場(chǎng)、水動(dòng)力場(chǎng)等煤層氣成藏控制因素方面開展了廣泛的工作,取得了一些成果。構(gòu)造從宏觀上控制了煤盆地形成和演化的大地構(gòu)造背景,從盆地的角度看,構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)特征和內(nèi)部應(yīng)力分布不均一是導(dǎo)致煤儲(chǔ)層和封蓋層的產(chǎn)狀、結(jié)構(gòu)、物性、裂隙發(fā)育狀況及地下水徑流條件差異性的重要原因,進(jìn)而影響到煤儲(chǔ)層的含氣性和可采性。在熱動(dòng)力學(xué)條件控制下的生氣特征研究方面,認(rèn)識(shí)到控制我國(guó)東部晚古生代煤層氣富集的古熱場(chǎng)具有“多期多熱源疊加”的特征,結(jié)合特定地區(qū)煤化作用和生氣特征,將熱動(dòng)力條件與煤層氣生成保存條件之間的關(guān)系分為不同的類型。相對(duì)于煤層氣地質(zhì)研究的其它方向,我國(guó)在煤層氣成藏的水動(dòng)力條件方面前期研究較為薄弱,但近年來(lái)在水文地質(zhì)條件區(qū)域控氣作用、控藏作用、數(shù)值模擬、評(píng)價(jià)理論等方面都取得顯著進(jìn)展。水化學(xué)場(chǎng)對(duì)煤層氣成藏過(guò)程的影響近年來(lái)受到重視,國(guó)家973項(xiàng)目組秦勇等通過(guò)物理模擬并結(jié)合對(duì)鉆孔抽水試驗(yàn)、煤層氣試井等資料,提出甲烷溶解度隨壓力增加而呈對(duì)數(shù)形式增大;甲烷溶解度隨礦化度的增加而呈指數(shù)形式降低,礦化度增高,不同埋藏深度(壓力)條件下煤層水的甲烷溶解度趨同。煤層氣成藏動(dòng)力場(chǎng)的研究工作,過(guò)去主要強(qiáng)調(diào)了單因素的作用以及規(guī)律的總結(jié),控氣機(jī)理及不同因素的耦合研究較少,秦勇等通過(guò)對(duì)我國(guó)沁水盆地的研究,提出了耦合構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)、構(gòu)造變形特征、煤儲(chǔ)層鏡質(zhì)組光性組構(gòu)特征來(lái)研究煤層氣成藏構(gòu)造動(dòng)力條件的新思路;通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)研究,針對(duì)煤儲(chǔ)層天然裂隙開合程度的變化,提出煤基塊彈性自調(diào)節(jié)綜合效應(yīng),并且發(fā)現(xiàn),在煤級(jí)恒定的情況下,煤儲(chǔ)層孔隙、裂隙流體壓力增大,綜合效應(yīng)呈逐漸降低的趨勢(shì);在流體壓力恒定的條件下,煤級(jí)增高,煤基塊彈性自調(diào)節(jié)綜合效應(yīng)逐漸降低,并利用綜合效應(yīng)對(duì)沁水盆地煤層氣成藏動(dòng)力學(xué)條件有利地區(qū)進(jìn)行了預(yù)測(cè)[32,33,34,35,36,37,38,39]。4.氣藏類型劃分煤層氣藏在儲(chǔ)集機(jī)理、成藏過(guò)程、氣藏邊界、流體狀態(tài)等方面不同于常規(guī)氣藏,煤層氣成藏過(guò)程、成藏模式等方面的研究一直是我國(guó)很多研究者關(guān)心的煤層氣研究領(lǐng)域之一。鑒于煤層氣藏的非常規(guī)性,許多學(xué)者在煤層氣地質(zhì)研究中也試圖對(duì)煤層氣藏賦予了一定涵義和定義,但普遍認(rèn)為煤層氣藏不僅難以給出確切的定義,而且在地質(zhì)空間上也難以界定,所以煤層氣藏的定義及邊界的研究一直是煤層氣藏研究中懸而未決的問(wèn)題。煤層氣藏的封閉條件可以分為水壓和氣壓封閉兩種類型,以此為基礎(chǔ),很多研究者結(jié)合賦氣構(gòu)造特征劃分出不同的氣藏類型,但目前為止煤層氣藏類型劃分還沒有一個(gè)統(tǒng)一的方案,而且對(duì)于煤層氣藏的成藏過(guò)程的研究往往側(cè)重于地球化學(xué)方法,綜合分析較少。近兩年來(lái),通過(guò)國(guó)家973煤層氣項(xiàng)目的研究,宋巖等在地溫梯度、埋藏史研究的基礎(chǔ)上,探討了沁水盆地煤層氣藏的成藏過(guò)程和聚氣歷史。通過(guò)對(duì)沁水盆地南部陽(yáng)城地區(qū)和西部霍州地區(qū)的煤層熱演化史、煤層氣地化特征和聚氣歷史的對(duì)比研究提出,現(xiàn)今沁水盆地煤層氣藏的形成取決于決定現(xiàn)今煤層含氣量的“關(guān)鍵地質(zhì)時(shí)刻”,即煤層上覆“有效厚度”(地史上煤層埋藏最小的厚度)時(shí)期。通過(guò)正演和反演相結(jié)合的方式探討“關(guān)鍵地質(zhì)時(shí)刻”的溫、壓條件,并計(jì)算了成藏演化過(guò)程中含氣量的變化。蘇現(xiàn)波等根據(jù)國(guó)內(nèi)外相關(guān)資料,提出了煤層氣藏的四種邊界類型:斷層邊界、水動(dòng)力邊界、物性邊界和風(fēng)氧化帶邊界,并進(jìn)行了邊界作用機(jī)理的探討,對(duì)我國(guó)目前發(fā)現(xiàn)最大的煤層氣藏——沁水盆地南部煤層氣藏的邊界進(jìn)行了劃分和厘定。5.壓力和溫度對(duì)煤的吸附特性的影響在吸附作用研究中,Langmuir等溫吸附模型和方程長(zhǎng)期占統(tǒng)治地位,國(guó)外70年代、國(guó)內(nèi)90年代開始考慮煤內(nèi)表面的非均勻性,嘗試用勢(shì)差理論模型、DR方程、GF方程、LF方程描述煤的吸附特征。對(duì)于多組分吸附特征的研究,雖然開始于20世紀(jì)60年代末,但主要是20世紀(jì)90年代以后由于勘探開發(fā)的需要,N2、CO2等其它氣體以及不同組分的混合氣體的吸附作用才越來(lái)越受到重視,研究表明,煤儲(chǔ)層對(duì)氣體的吸附具有以下規(guī)律:隨煤級(jí)增加,煤對(duì)各種氣體吸附能力增大;任一種煤,對(duì)不同單組分氣體的吸附能力都有顯著差異:總體表現(xiàn)是CO2>CH4>N2。針對(duì)較高的溫度和壓力條件及多組分的吸附、地層水對(duì)煤層氣吸附作用的影響研究較少,崔永君等通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)取得了較大的進(jìn)展:對(duì)CH4+N2、CH4+CO2混合氣的吸附試驗(yàn)表明,不同煤對(duì)相同混合氣體的吸附特征有很大差異,同一煤樣對(duì)不同混合氣體的吸附特征也不同?？偽搅拷橛趶?qiáng)吸附質(zhì)和弱吸附質(zhì)之間,強(qiáng)吸附質(zhì)的比例越高,吸附量越大。在以前的研究工作中,一般在研究壓力和溫度對(duì)煤吸附性能影響時(shí),是對(duì)這兩個(gè)因素分開進(jìn)行討論的。煤層氣973項(xiàng)目組張群等根據(jù)溫度和吸附量的線性關(guān)系,討論了壓力和溫度綜合影響下煤吸附性能的變化規(guī)律,得出在較低溫度和壓力區(qū),壓力對(duì)煤吸附量的影響大于溫度的影響,隨著溫度和壓力的增加,煤吸附甲烷量增大;在較高溫度和壓力區(qū),溫度對(duì)煤吸附能力的影響大于壓力的影響,煤吸附甲烷量減少等結(jié)論。同時(shí)研究工作還通過(guò)物理模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步揭示了氣—液—固三相作用條件下煤層氣吸附參數(shù)的變化特征。解吸作用是與吸附作用的相反過(guò)程,在煤層氣開發(fā)中解吸作用的研究十分重要。與吸附作用研究相比,解吸作用的研究相對(duì)薄弱一些。近年來(lái)隨著國(guó)內(nèi)煤層氣的開發(fā)及研究的深入,煤層氣解吸作用研究也取得了一些新的認(rèn)識(shí)。張遂安等通過(guò)對(duì)不同樣品不同單組分氣體(CH4、CO2、N2)和不同配比的多組分混合氣體的等溫吸附—解吸實(shí)驗(yàn)?zāi)M實(shí)驗(yàn),提出煤層氣的具有吸附—解吸過(guò)程的可逆性和解吸過(guò)程的滯后性,同時(shí)進(jìn)行了煤層氣變形雙重介質(zhì)煤層氣廣義流動(dòng)分析,建立了變形雙重介質(zhì)煤層氣擬穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)滲流模型。6.資源評(píng)價(jià)的應(yīng)用煤層氣資源評(píng)價(jià)是一個(gè)長(zhǎng)期延續(xù)的基礎(chǔ)性工作,自20世紀(jì)80年代以來(lái)很多人進(jìn)行了全國(guó)或地區(qū)性的煤層氣的資源評(píng)價(jià)。迄今為止,全國(guó)系統(tǒng)性的煤層氣資源評(píng)價(jià)共產(chǎn)生了4個(gè)煤層氣資源量數(shù)據(jù):“七五”和“八五”期間由煤炭科學(xué)研究總院西安分院等計(jì)算得出煤層氣資源量分別為(30~35)×1012m3和32.68×1012m3;1995~1998年中國(guó)煤田地質(zhì)總局計(jì)算的資源量為14.34×1012m3;國(guó)家計(jì)委1997~1999年設(shè)立的項(xiàng)目,由中聯(lián)煤層氣公司和煤科總院西安分院計(jì)算的資源量為31.46×1012m3。在這些資源評(píng)價(jià)中主要存在的問(wèn)題是:對(duì)煤層氣的可采性沒有引起重視,沒有得到相應(yīng)的可采資源量,資源數(shù)據(jù)的應(yīng)用及與國(guó)外的對(duì)比受到限制;褐煤中的煤層氣資源被忽略?；谶@些問(wèn)題,張新民、趙靖舟等在國(guó)內(nèi)外多種油氣資源分類系統(tǒng)進(jìn)行了對(duì)比分析的基礎(chǔ)上,提出了新的煤層氣資源系列的劃分方案,針對(duì)煤層氣資源評(píng)價(jià)的特殊性,首次提出了針對(duì)不同的煤層氣勘探開發(fā)程度的兩種煤層氣資源評(píng)價(jià)方法,即煤層氣藏?cái)?shù)值模擬法和損失分析法,并在沁水盆地和阜新盆地取得了初步的應(yīng)用效果。從而,使煤層氣資源量計(jì)算方法和結(jié)果不僅可以與常規(guī)油氣資源進(jìn)行對(duì)比,也與國(guó)際上的煤層氣資源量具有可比性;此外計(jì)算方法中突出了煤層氣可采性研究,其結(jié)果對(duì)煤層氣的勘探開發(fā)更具實(shí)際價(jià)值。三、煤氣勘探的技術(shù)攻關(guān)由于煤層氣是以吸附狀態(tài)賦存于地下煤層之中,且煤儲(chǔ)層又是一種低滲透、變形雙重介質(zhì),給煤層氣藏的識(shí)別和開采帶來(lái)了較高的難度。近年來(lái),國(guó)內(nèi)外加強(qiáng)對(duì)煤層氣勘探和開發(fā)的技術(shù)攻關(guān),例如,煤層氣地球物理勘探技術(shù)、煤層氣鉆井技術(shù)、煤層氣完井技術(shù)、煤層氣增產(chǎn)工藝技術(shù)等。特別是我國(guó)高變質(zhì)無(wú)煙煤煤層氣的開采技術(shù),通過(guò)多年的攻關(guān)取得了實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。1.地震波地震反演的方法地球物理資料在煤層氣勘探中的作用主要表現(xiàn)在:利用測(cè)井資料準(zhǔn)確確定煤層厚度,測(cè)井資料與工業(yè)分析相結(jié)合確定煤層氣含量,利用地震資料確定煤層的構(gòu)造發(fā)育程度,利用多波多分量、AVO資料確定煤層的裂縫發(fā)育情況。近年來(lái),國(guó)內(nèi)利用地震勘探技術(shù)進(jìn)行煤層及煤層氣勘探方面取得較大的進(jìn)展,彭蘇萍等在淮南煤田開展了三維三分量地震勘探,初步建立了煤層厚度、裂縫發(fā)育和煤層氣富集的預(yù)測(cè)方法:按照地震屬性反演的對(duì)象,將地震屬性反演分為三個(gè)層次進(jìn)行,即縱波疊后反演,縱波疊前反演、方位AVO反演和多波聯(lián)合反演?？v波疊后主要反演與縱波速度有關(guān)的巖性參數(shù);縱波疊前反演以AVO為主要手段(包括方位AVO),主要反演與含氣性有關(guān)的參數(shù);方位AVO反演用于預(yù)測(cè)裂隙和非均質(zhì)性方面的巖性信息;多波聯(lián)合反演以探測(cè)裂隙(方向和密度)、壓力、流體性質(zhì)為主,同時(shí)在縱波反演的基礎(chǔ)上更精確的厘定巖石物性參數(shù)。地下裂隙的存在導(dǎo)致地震波場(chǎng)呈現(xiàn)方位各向異性的特征,地震波反射振幅隨炮檢距和方位角的變換而變化。在弱各向異性假設(shè)下,隨炮檢距和方位角變化的縱波反射系數(shù)可以簡(jiǎn)明地表示為裂隙參數(shù)的解析函數(shù)。為了利用地震波反射振幅與炮檢距和方位角的變化規(guī)律預(yù)測(cè)地下裂隙分布情況,通過(guò)對(duì)淮南煤田全方位三維地震資料的精細(xì)分析和處理,主力煤層附近的地震波場(chǎng)呈現(xiàn)明顯的方位各向異性特征,反射振幅隨方位角的變換規(guī)律與方位各向異性理論預(yù)測(cè)結(jié)果吻合良好,表明縱波方位AVO理論可以用于該煤田裂隙方位和裂隙密度的預(yù)測(cè)。2.定向羽狀水平井地面煤層氣井主要有垂直井和水平井兩種,鉆井工藝方式也有所不同。對(duì)于壓力低的煤層一般采用旋轉(zhuǎn)或沖擊鉆鉆井,用空氣、泡沫做循環(huán)介質(zhì),由于煤層壓力低,孔滲低,易污染,在欠平衡方式下鉆進(jìn),對(duì)地層傷害小;對(duì)于壓力較高的煤層一般采用常規(guī)旋轉(zhuǎn)。煤層氣完井方式有五種:裸眼完井、套管完井、裸眼/套管混合完井、裸眼洞穴完井和水平排空襯管完井。除了常規(guī)煤層氣鉆井技術(shù),目前美國(guó)開發(fā)出定向羽狀水平井新技術(shù),其單井日產(chǎn)氣(3.4~5.7)×104m3,5年采出程度達(dá)到85%。羽狀水平井開采技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)有:增加有效供給范圍,提高了導(dǎo)流能力;對(duì)煤層的傷害減少;單井產(chǎn)量高,采出程度高;井場(chǎng)占地面積小,環(huán)境影響小,地面集輸設(shè)施少;經(jīng)濟(jì)效益好。中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院經(jīng)過(guò)兩年多的煤層氣定向羽狀水平井的基礎(chǔ)研究,提出了我國(guó)第一口煤層氣定向羽狀水平井設(shè)計(jì)方案。通過(guò)數(shù)值模擬及增產(chǎn)機(jī)理研究,認(rèn)識(shí)到地層壓力下降是以整個(gè)羽狀水平井為“源”向外逐步擴(kuò)散的,從平面上看,整個(gè)水平井筒都可看作地層壓力下降的“源”,幾乎整個(gè)煤層區(qū)域同時(shí)得到動(dòng)用,使煤層的開采潛力得到了充分的發(fā)揮。特別是對(duì)中國(guó)高變質(zhì)低滲透無(wú)煙煤煤層氣的開采,羽狀水平井技術(shù)更為有效。3.通風(fēng)容量生產(chǎn)技術(shù)(1)煤巖水力壓裂裂縫研究進(jìn)展煤層氣開采最常用的增產(chǎn)措施是水力壓裂。但是由于我國(guó)含煤地層一般都經(jīng)歷了成煤后的強(qiáng)烈構(gòu)造運(yùn)動(dòng),煤層的原始結(jié)構(gòu)往往遭到很大破壞,塑性大大增強(qiáng),導(dǎo)致水力壓裂時(shí),往往既不能進(jìn)一步擴(kuò)展原有的裂隙和割理,也不能產(chǎn)生新的較長(zhǎng)的水力裂縫,而主要是在煤層發(fā)生塑性形變,總的來(lái)看效果并不理想。因此,對(duì)煤層水力壓裂裂縫展布規(guī)律的認(rèn)識(shí)對(duì)于提高壓裂效果至關(guān)重要。針對(duì)這一問(wèn)題,張士誠(chéng)等在對(duì)國(guó)內(nèi)煤層氣水力壓裂井進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析的同時(shí),進(jìn)行了煤樣三軸力學(xué)性質(zhì)、靜動(dòng)態(tài)試驗(yàn)和煤巖的水力壓裂裂縫啟裂實(shí)驗(yàn),得到了沁水盆地煤巖楊氏模量、泊松比、體積壓縮系數(shù)、顆粒壓縮系數(shù)、孔隙彈性系數(shù)以及抗張強(qiáng)度等力學(xué)參數(shù),對(duì)煤巖裂縫展布規(guī)律有了新的認(rèn)識(shí):低圍壓時(shí),煤巖的天然割理多在開啟狀態(tài),有很強(qiáng)的滲流能力,裂縫會(huì)沿天然裂縫的方向發(fā)展;高圍壓時(shí),煤巖的天然割理多在處于關(guān)閉狀態(tài),水力裂縫的發(fā)展向垂直于最小主應(yīng)力方向接近;煤層不同于常規(guī)砂巖氣藏儲(chǔ)層,煤層的天然裂縫(割理)發(fā)育,加之煤層彈性模量小、泊松比大,所以煤層的裂縫擴(kuò)張極其復(fù)雜,呈現(xiàn)大量的不規(guī)則性裂縫。在上述工作和認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上,建立了煤巖水力壓裂的數(shù)學(xué)模型。中國(guó)石油煤層氣項(xiàng)目經(jīng)理部在煤層氣勘探開發(fā)實(shí)踐中建立了煤層水力壓裂裂縫診斷測(cè)試方法:利用井溫測(cè)試近井地帶裂縫高度和位置;利用地面電位測(cè)試裂縫的方位和長(zhǎng)度;利用壓后試井測(cè)試裂縫的長(zhǎng)度和導(dǎo)流能力;利用井間地震“CT”法判斷水力壓裂裂縫延伸方向和高度。中聯(lián)煤層氣公司還采用放射性同位素及煤層破裂微地震檢測(cè)方法來(lái)測(cè)試裂縫的高度、方位和長(zhǎng)度。(2)煤體分壓開發(fā)注氣增產(chǎn)法是美國(guó)Amoco公司開發(fā)的一項(xiàng)提高煤層氣產(chǎn)量的新方法。該方法被認(rèn)為是一種具有發(fā)展前途的新措施,受到各方面的廣泛關(guān)注。注氣增產(chǎn)法是將N2、CO2或煙道氣注入煤層,降低甲烷在煤層中的分壓,有利于甲烷從煤體中置換解吸出來(lái),提高單井產(chǎn)量和采收率。該工藝可以有效地提高煤層氣的生產(chǎn)潛力,而且還可以利用該工藝開發(fā)深部低滲透性煤層中的煤層氣,因?yàn)樽⑷隒O2有助于維持孔隙壓力,可以較好地保護(hù)深部煤層中的割理和其他孔隙的開啟程度。為探索注CO2提高煤層氣采收率技術(shù),中聯(lián)煤層氣公司在加拿大專家的協(xié)作下,進(jìn)行了單井注入、單井產(chǎn)出的注CO2采氣試驗(yàn)。試驗(yàn)選在山西沁水盆地南部棗園井組的TL—003井作為試驗(yàn)井,經(jīng)注入、關(guān)井(使CO2充分地置換CH4)、排采和氣體組分監(jiān)測(cè),實(shí)現(xiàn)了單井注入/產(chǎn)出試驗(yàn),取得了預(yù)期成果。四、存在問(wèn)題和發(fā)展方向1.煤儲(chǔ)層流變學(xué)模擬國(guó)內(nèi)外針對(duì)煤層