【文章內(nèi)容簡介】 煤中有兩組大致相互垂直的內(nèi)生裂隙 (割理 ),主內(nèi)生裂隙 (面割理 )和次內(nèi)生裂隙 (端割理 )。 主內(nèi)生裂隙延伸較遠(yuǎn) (可達(dá)數(shù) m)；次內(nèi)生裂隙僅發(fā)育在兩條相鄰的內(nèi)生裂隙之間。兩組內(nèi)生裂隙與煤層層面垂直或陡角相交，從而把煤體切 割成一系列的斜方形基質(zhì)塊。面割理與煤巖組分和煤化程度密切相關(guān)，一般只發(fā)育在鏡煤和亮煤分層中。中變質(zhì)階段的煤內(nèi)生裂隙最發(fā)育，每 5cm達(dá) 40～ 60 條 ,而低變質(zhì)煙煤和高變質(zhì)無煙煤階段逐漸減少。 煤基質(zhì)對氣和水是相對不滲透的，而煤層中的裂隙系統(tǒng)則是流體滲流和產(chǎn)出的主要通道，煤層的滲透率主要受煤層裂隙控制，割理是煤層中的主要裂隙系統(tǒng)，是決定煤層滲透率的關(guān)鍵地質(zhì)因素之一，在有足夠氣體儲量、儲層壓力及氣體解吸和擴(kuò)散速度情況下，割理滲透率往往是影響煤層氣開發(fā)成敗的關(guān)鍵地質(zhì)因素。因此，研究和認(rèn)識割理特征對成功地進(jìn)行煤層氣勘探 開發(fā)是非常重要的。 煤層的滲透性 我國煤層的滲透率極低，一般小于一個毫達(dá)西。煤層滲透率隨著儲層壓力的變大而變??；隨著儲層壓力的下降，煤層中裂縫變窄，但是隨著煤層氣的解吸和采出，煤基質(zhì)塊收縮，相應(yīng)的裂縫變寬。影響煤層滲透率的因素有煤的變質(zhì)程度、煤巖組分和煤的灰分。隨著煤的變質(zhì)程度的增大，煤層的滲透率是降低的；隨著煤中惰質(zhì)組含量降低、灰分升高，煤層滲透率降低，反之升高。各向煤層的滲透重慶科技學(xué) 院本科生畢業(yè)設(shè)計 8 率差別很大，這是因為煤層滲透率主要是受裂縫孔隙控制。在裂縫發(fā)育較好的方向，煤層通常具有較好的滲透性，因此水平方向的滲透 率要比垂直方向的滲透率高出很多。 圖 煤層割理 煤層氣藏區(qū)別于常規(guī)天然氣藏的特征 煤層氣與常規(guī)天然氣作為兩種不同的天然氣藏，其儲層特征、儲集機(jī)理、賦 存狀態(tài)明顯不同。常規(guī)天然氣藏原始儲集層被水飽和，生氣層中的氣經(jīng)初次運移進(jìn)入儲集層中，在浮力及水動力作用下，天然氣在儲集層中發(fā)生二次運移，遇到圈閉時便聚集形成氣藏?？梢?，常規(guī)天然氣藏必須具備生氣層、儲層、圈閉，儲層必須有一定的孔隙度，氣體主要以游離態(tài)存在于孔隙中，且氣體成分較復(fù)雜。 而煤層氣則是由煤在煤化作用過程形成的，目前仍然儲集在煤層中的 天然氣，以三種形式儲存于煤層中，即吸附在煤孔隙表面上的吸附狀態(tài)、分布在煤孔隙及裂隙內(nèi)的游離狀態(tài)和溶解在煤層水中的溶解狀態(tài)。當(dāng)煤層生成的氣體超過煤巖表面臨界吸附量時，氣體中的一小部分可能成為煤層孔隙或裂隙 (割理 )中以及薄巖石夾層中的游離氣，或溶解在水中的溶解氣。通常情況下， 90%以上的氣體以吸附氣的形式保存在煤的內(nèi)表面，游離氣和溶解氣不足 10%。由于煤層的比表面積極大，甲烷吸附在基質(zhì)孔隙的內(nèi)表面 ,且堆積緊密 ,因而煤層比常規(guī)砂巖具更大的儲集能力。因此，煤層氣屬于煤層自生自儲氣藏，無須圈閉，主要以吸附狀態(tài)存在于煤 層微孔隙中，成分主要為甲烷。同時，煤儲層是一種具有雙重孔隙系統(tǒng)的儲集層，既發(fā)育有天然裂縫系統(tǒng)，也發(fā)育有基質(zhì)孔隙?；|(zhì)孔隙直徑小，但數(shù)量多，具有很大的孔隙內(nèi)表面積，從而為甲烷分子的吸附儲集提供充足的空間。通常研究的煤層氣主要是指以物理方式吸附在煤層基質(zhì)表面上的煤層甲烷。 煤層氣的吸附屬于物理現(xiàn)象，是 100%的可逆過程。而一般天然氣儲層中的重慶科技學(xué) 院本科生畢業(yè)設(shè)計 9 氣主要儲集在骨架顆粒間的孔隙空間內(nèi)，因此傳統(tǒng)評價天然氣儲層含氣量的方法顯然不能適合于評估煤層的含氣量。 表 常規(guī)天然氣與煤層氣儲集特征比較 特征 氣藏類型 煤 層氣 常規(guī)天然氣 巖石中的最終孔隙度 除低煤階煤儲層以外，普遍10% 好： 15%25%；中等： 10%15%； 差： 5%10% 孔隙類型 基質(zhì)和裂縫雙孔隙系統(tǒng)，基質(zhì)孔隙以微孔隙為主 幾乎全為粒間孔隙，大小不等 孔隙大小 基質(zhì)孔隙與顯微組分關(guān)系密切，裂縫孔隙有煤化作用決定 與克里直徑和分選作用關(guān)系密切 孔隙結(jié)構(gòu) 雙孔隙結(jié)構(gòu) 單孔隙或雙孔隙結(jié)構(gòu) 成巖作用的影響 隨媒階升高孔隙度先減少，后增大 由于壓實作用混合膠結(jié)作用，原始孔隙有所減少 裂縫的影響 對儲 集層的影響很大，是決定滲透率的關(guān)鍵因素 對儲集層性質(zhì)的影響一般不大 機(jī)械性質(zhì) 易碎、較致密、楊氏模數(shù)低、泊松比高、不適于做巖心分析 膠結(jié)好、致密、楊氏模數(shù)高、泊松比相對低、適于做巖心分析 孔隙度于滲透率之間的關(guān)系 兩者關(guān)系不一致，主要影響因素是媒階和古應(yīng)力場 兩者關(guān)系比較一致，一般決定于顆粒大小和分選情況 氣體儲存狀態(tài) 以吸附態(tài)為主 以游離態(tài)為主 總結(jié) 煤層它不但為煤層氣提供了儲存空間，同時也為其運移提供了通道，與常規(guī)的油汽儲層不同，具有很多獨有的特點，從儲層孔隙特征和儲層滲透性揭示煤層氣儲層所表現(xiàn)的特殊性。著重闡述了煤層氣溶解態(tài)、游離態(tài)和吸附態(tài)的的儲集機(jī)理。 重慶科技學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 3 常用完井方法 10 3 煤層氣 完井方法 研究 煤層氣完井要求 煤層氣完井是指煤層氣與煤層聯(lián)通方式，以及為實現(xiàn)特定聯(lián)通方式所采用的井身結(jié)構(gòu)、井口裝置和有關(guān)的技術(shù)措施。這一流程才用的是常規(guī)油氣井完井的原理和技術(shù)，并針對煤儲層的特性加以改進(jìn)的方法，對最終煤層氣的生產(chǎn)開發(fā)至關(guān)重要。完井過程中有時可能會造成對煤層的損害，使?jié)B透率降低。因此，在選擇煤層氣井的完井方法時必須最大限度地保護(hù)煤層，防止對目標(biāo)煤層的傷害，減少煤層流入井筒的阻力。所以煤層氣完 井必須滿足以下幾點要求： 煤 層和井筒之間應(yīng)保持最佳的連通條件， 煤 層所受的損害最小。 煤層 和井筒之間應(yīng)具有盡可能大的滲流面積， 煤層氣 入井的阻力最小。 應(yīng)能有效地封隔氣、水層，防止氣竄或水竄，防止層間的相互干擾。 應(yīng)能有效地控制油層出砂，防止井壁垮塌，確保油井長期生產(chǎn)。 應(yīng)具備進(jìn)行分層注水、注氣、分層壓裂、酸化等分層處理措施，便于人工舉升和井下作業(yè)等條件。 能達(dá)到熱采（主要蒸汽吞吐和蒸汽驅(qū)）的要求。 煤層氣井 開發(fā)后期具備側(cè)鉆定向井及水平井的條件。 施工工藝盡可能簡便，成本盡可能低 。 煤層氣井的完井目的有以下幾點： 使井筒與煤層的天然裂縫系統(tǒng)有效的連通，這種連通常用裸眼完井、套管射孔或割縫來實現(xiàn)，且往往要進(jìn)行強化處理。 有效地封堵出水地層和不同壓力體系的煤層，有利于增產(chǎn)措施和產(chǎn)氣作業(yè)。 降低鉆井污染，提高產(chǎn)氣量。鉆井作業(yè)產(chǎn)生的鉆井污染可導(dǎo)致近井地帶氣、水流動受到限制，為連通鉆井與原始儲層，必須消除這種流動限制，通過消除或繞過污染可以克服鉆井污染問題。 防止井壁坍塌和煤層出砂，保障煤層氣井的采氣作業(yè)和長期生產(chǎn)。 降低成本。為確保煤層氣井的經(jīng)濟(jì)開發(fā)，完井作業(yè)簡便易行 ，施工時間短、成本低、經(jīng)濟(jì)效益高。 目前，已用于煤層氣井的完井方法可歸納為以裸眼完井、射孔完井、套管 —裸眼混合完井。完井方式的選擇主要依據(jù)目標(biāo)層煤巖的地質(zhì)環(huán)境、儲層自身的特性和所要開采層所能滿足作業(yè)的條件，如埋深、井壁穩(wěn)定性、水文地質(zhì)、底層壓力、開采方式和投入產(chǎn)出比等。 重慶科技學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 3 常用完井方法 11 煤層氣完井種類 裸眼完井 裸眼完井就是井眼完全裸露，井內(nèi)不下任何管柱。分先期裸眼完井和后期裸眼完井。 先期裸眼完井 先 期裸眼完井是指在煤層頂部下入套管并固井，然后鉆開煤層投產(chǎn)的完井法。 圖 先期 裸眼完井 使用條件： A 煤層埋藏深度較淺，厚度適中（ 5～ 10 m）滲透率大于 1 103，含氣量大于 10m3/t煤，裂隙系統(tǒng)發(fā)育，煤層均質(zhì)性好、穩(wěn)定。 B 頂板巖性穩(wěn)定、致密，不易垮塌，頂?shù)装宀怀鏊? C 對煤層不進(jìn)行大規(guī)模的改造，目的煤層為單一煤層或可視為單一煤層。 D 能卡準(zhǔn)煤層深度，準(zhǔn)確地在煤層頂部下入套管。 井身結(jié)構(gòu) 將套管鞋下入頂板內(nèi)，套管鞋與煤層的距離不要大于 2m，愈靠近煤層越好。一般采用以下兩種井身結(jié)構(gòu)。 用φ 的鉆頭鉆至煤層頂部，下入φ 的套管并固井，水泥漿反至地面。然后用φ 的鉆頭鉆至完鉆井深完井。這種井身結(jié)構(gòu)一般用于煤層產(chǎn)出水較大的煤層氣生產(chǎn)井。 用φ 的鉆頭鉆至煤層頂部，下人 的套管并完井，水泥漿反至地面。然后用φ 105mm 的鉆頭鉆至完鉆井深完井。這種井身結(jié)構(gòu)一般用于煤層氣資料井或探井。 技術(shù)要求 重慶科技學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 3 常用完井方法 12 由于采用這種完井方法一般不再進(jìn)行其他增產(chǎn)作業(yè)，因此保護(hù)煤層、降低對煤層的傷害是這種完井方法必須重點解決的問題。具體技術(shù)要求有以下幾個方面。 A、以媒儲層壓力為依據(jù)，調(diào)整完井液密度，平衡煤儲層壓力鉆井。 B、必須按保護(hù) 煤層對完井液的要求，調(diào)整完井液的各項性能，最好采用煤層水或者與煤層水理化性能相近的活性水作為完井液。 C、技術(shù)套管尺寸，必須以采氣作業(yè)所需安裝的井下設(shè)備對井筒大小的要求為依據(jù)，以保證完井以后的后期施工能順利進(jìn)行。 D、技術(shù)套管固井質(zhì)量合格。 先期裸眼效果分析 先期裸眼完井的優(yōu)點：簡化了井身結(jié)構(gòu)和套管程序；由于完井井段為單一煤層，有利于實施對煤層的保護(hù)，同時避免了固井、射孔和壓裂作業(yè)隊煤層的傷害；完井施工工藝簡單，節(jié)約了固井、射孔和壓裂作業(yè)費用，完井成本低。 先期裸眼完井的局限性有井筒穩(wěn)定性差，不利于修井 、后期強化增產(chǎn)和分層開采這幾個方面。在采氣過程中對煤粉的控制盒清除比較困難。 后期裸眼完井 后期裸眼完井是指在鉆完全部設(shè)計井深后，將生產(chǎn)套管下至煤層頂部并固定的方法。 圖 后期裸眼完井 使用條件 后期裸眼完井除要求先期裸眼完井條件外，主要適用于對煤層深度掌握不夠準(zhǔn)確的煤層氣井。 井身結(jié)構(gòu) 將技術(shù)套管鞋下入頂板內(nèi)，套管鞋與煤層的距離不要大于 2m，越靠近越好。重慶科技學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 3 常用完井方法 13 一般采用以下井身結(jié)構(gòu)。 用φ 的鉆頭鉆完全部設(shè)計井深，將底部帶有分級箍和管外封隔器（水泥傘）的φ 的技術(shù)套管下至煤層頂部 2m 并固井；也可用砂或其他類似充填材料將井筒回填至技術(shù)套管鞋的位置再固井，然后再洗出填充物讓煤層裸露。 技術(shù)要求 由于采用這種完井方法一般不再進(jìn)行其他增產(chǎn)作業(yè)，因此保護(hù)煤層、降低對煤層的傷害是這種完井方法必須重點解決的問題。具體技術(shù)要求與先期裸眼完井基本相同。但是若煤儲層壓力較高，采用這種完井方法時，下套管和固井注水泥均需有可靠的防噴措施。一般不提倡使用后期裸眼完井。 后期裸眼完井效果分析 后期裸眼完井的優(yōu)點： 降低了固井作業(yè)隊煤層的傷害，同時也避免了射孔和壓裂作業(yè)對煤層的傷害 ；完井施工工藝比射孔完井簡單，節(jié)約了固井、射孔和壓裂作業(yè)費用，完井成本較低。 后期裸眼完井的局限性：井筒穩(wěn)定性差，不利于修井、后期強化增產(chǎn)和分層開采；與先期裸眼完井比較，完井作業(yè)實施煤層保護(hù)的難度較大。 礫石充填完井 對于膠結(jié)疏松出煤粉嚴(yán)重的煤層，一般采用礫石充填完井，充填在井底的礫石層起著濾砂器的作用，它只允許流體通過，而不允許煤層煤粉通過。 套管礫石充填的完井工序是：鉆頭鉆穿油層至設(shè)計井深后，下油層套管于油層底部，注水泥固井，然后對油層部位射孔。要求采用高孔密 (30 孔 /m 左右 )，大孔徑 (20mm 左右 )射孔，以增大充填流通面積，有時還把套管外的油層砂沖掉，以便于向孔眼外的周圍油層填入礫石，避免礫石和地層砂混和增大滲流阻力。由于高密度充填 (高粘充填液 )緊實，充填效率高，防砂效果好，有效期長，故當(dāng)前大多采用高密度充填。 重慶科技學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 3 常用完井方法 14 圖 礪 石充填完井 礫石質(zhì)量要求 礫石粒徑 國內(nèi)外推薦的礫石粒徑是油層砂粒度中值 d50 的 5～ 6倍。 礫石尺寸合格程度 礫石尺寸合格程度的標(biāo)準(zhǔn)是大于要求尺寸的礫石重量不得超過砂樣的%，小于要求尺寸的礫石重量不得超過砂樣的 2％。 礫石的強度 礫石強度的標(biāo) 準(zhǔn)是抗破碎試驗所測出的破碎砂重量含量不超過下表所示的數(shù)值。 礫石的球度和圓度：要求礫石的平均圓度應(yīng)大于 。 礫石的酸溶度 礫石酸溶度的標(biāo)準(zhǔn)是 :在標(biāo)準(zhǔn)土酸 (3％ HF＋ 12％ HCl)中礫石的溶解重量百分?jǐn)?shù)不得超過 1％。 礫石的結(jié)團(tuán) 要求為：礫石應(yīng)由單個石英砂粒所組成，如果砂樣中含有 1％或更多個砂粒結(jié)團(tuán)，該砂樣不能使用。 篩管完井 篩管完井是指在鉆穿煤層后，把帶篩管的套管柱下入煤層部位，然后注水泥封隔煤層頂部以上的環(huán)形空間完井。篩管完井有時也叫襯管完