煤層氣國家科技重大專項攻關(guān)

　　70年前發(fā)生在太行山上的上黨戰(zhàn)役，決定了中國革命的重要走向。70年后的今天，同樣發(fā)生在太行山上的煤層氣科技大戰(zhàn)，為煤層氣這種重要清潔資源能源的未來劃定了一個戰(zhàn)略性的發(fā)展標記。而剛剛獲得中國石油和化工自動化行業(yè)科學技術(shù)一等獎的中國石油華北油田公司(簡稱“華北油田”)《山西沁水盆地高煤階煤層氣水平井開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用》課題，無疑是敲定這個標記的重錘。項目主要完成人：朱慶忠、楊延輝、劉立軍、左銀卿、倪元勇等。

　　我國煤層氣資源潛力巨大，開發(fā)利用前景廣闊，2000米以淺的煤層氣30萬億立方米，高、中、低煤階煤層氣分別占34%、31%和35%，其中沁水盆地煤層氣資源總量4萬億立方米，占高煤階煤層氣資源的39%，是全國煤層氣資源的14%，是我國最重要的整裝煤層氣資源區(qū)。自2008年開始，國家依托“大型油氣田及煤層氣田”科技重大專項，首選煤層氣資源豐富、中國勘探開發(fā)最早見到成效的沁水盆地，開展具有歷史意義的示范工程。

　　“十一五”時期，隨著沁水盆地煤層氣產(chǎn)業(yè)的迅速興起，人們樂觀地認為將有一個超大的新型能源將被大規(guī)模開發(fā)出來。然而到“十二五”前期，紅紅火火的煤層氣開發(fā)卻遇到了一場強勁的寒流，以華北油田后續(xù)開發(fā)的鄭莊、夏店等區(qū)塊為例，在開發(fā)的三十幾個井區(qū)中，1個最差的井區(qū)實際產(chǎn)量僅是預(yù)計產(chǎn)量的17%。原因何在？復雜的地質(zhì)條件讓煤層氣開采理論和技術(shù)遇到“攔路虎”，新的技術(shù)難題擺在華北油田科研團隊的面前。

　　地質(zhì)條件差異、核心技術(shù)未破、基礎(chǔ)支撐不牢成新考驗

　　在沁水盆地高階煤層開采實踐中，華北油田的科研團隊從如何破解我國煤層氣開發(fā)的技術(shù)難題的大討論入手，梳理制約我國煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要瓶頸。

　　一方面，開發(fā)對象發(fā)生變化，地質(zhì)條件差異較大，煤層氣富集高產(chǎn)區(qū)難以掌控。從含氣豐度上來看，盡管沁水盆地“滿盆皆氣”，但區(qū)域差異很大，樊莊區(qū)域每噸煤含氣量在22立方米左右，而沁南、夏店等區(qū)域含氣量僅為10—20立方米，有些甚至低于10立方米。從煤巖特性上來看，樊莊“過火煤”(即經(jīng)過火山悶烤)煤質(zhì)較硬，更利于鉆井、壓裂和井筒支撐，鄭村和成莊區(qū)塊緊挨樊莊，地質(zhì)情況類似，而距離樊莊稍遠的長治區(qū)域煤質(zhì)卻較軟。除此之外，從埋藏深度、物性、煤體結(jié)構(gòu)、應(yīng)力大小等方面，其他區(qū)域與樊莊相比，都有不同程度的差別，由此可見煤層地質(zhì)特征的變化對產(chǎn)量的影響較大，開發(fā)技術(shù)也要適應(yīng)主體改造對象的基本特征。

　　另一方面，煤層氣開發(fā)技術(shù)不適應(yīng)特有的地質(zhì)特征變化，核心技術(shù)未破。在快速發(fā)展的前幾年，形成了整體推進以直井壓裂為主、以裸眼多分支水平井為輔的單一開發(fā)方式，支撐了煤層氣開發(fā)建產(chǎn)。其中樊莊區(qū)塊內(nèi)部存在近1/3的低產(chǎn)區(qū)，當開發(fā)煤儲層更為復雜的后續(xù)區(qū)塊時，由于對煤儲層的復雜性及主控地質(zhì)因素認識不足，采用了同一技術(shù)系列，開采效果不佳。同時，近2/3的低產(chǎn)井，在我國煤層氣開發(fā)的其他地區(qū)，例如柿莊、古交、和順等也存在類似的問題。

　　在指導方法上，理論研究不足，基礎(chǔ)支撐不牢。煤層氣已有的常規(guī)技術(shù)在新區(qū)域的不適應(yīng)性，越來越顯示出基礎(chǔ)研究的薄弱。對煤層氣的成藏理論、開發(fā)理論、開發(fā)規(guī)律認識還不到位的問題日益凸顯——煤層作為有機質(zhì)巖石，相適宜的增產(chǎn)方式是什么？如何科學排采管控？能傳導到多遠？等等。通過分析發(fā)現(xiàn)，煤體結(jié)構(gòu)、地應(yīng)力、流體可疏導性、構(gòu)造特征、煤巖變質(zhì)程度等儲層特點的差異，都會影響著煤層氣的開發(fā)方式。

　　創(chuàng)新地質(zhì)與開發(fā)理論、改變水平井設(shè)計理念、自動與智能系統(tǒng)出新方法

　　突出創(chuàng)新、效益和適用性，按照“創(chuàng)新地質(zhì)認識、攻克瓶頸技術(shù)、提高單井產(chǎn)量、形成配套系列”的原則，經(jīng)歷了示范推動、技術(shù)創(chuàng)新、創(chuàng)新驅(qū)動階段，華北油田的科研團隊取得了關(guān)鍵技術(shù)實質(zhì)性進展與突破，針對沁水高階煤特點，形成了以“基于疏導理論的開發(fā)優(yōu)化設(shè)計技術(shù)”為標志的重大技術(shù)成果：

　　理論方法上，創(chuàng)新提出高階煤煤層氣“四元”成藏地質(zhì)理論，建立“剔除法”富集區(qū)評價技術(shù)，揭示流固耦合控產(chǎn)機理，建立“三要素”定量化高產(chǎn)區(qū)評價技術(shù)，促成了煤層氣勘探評價方式及產(chǎn)能建設(shè)思路的重大轉(zhuǎn)變。而且，提出高階煤儲層疏導式開發(fā)理論，形成基于疏導理論的開發(fā)技術(shù)系列(低前置比快速返排煤層壓裂工藝技術(shù)、復合造穴壓裂增產(chǎn)技術(shù))，促成了工程技術(shù)由改造向疏導式轉(zhuǎn)移的新理念。

　　技術(shù)實現(xiàn)上，創(chuàng)新“主支疏通、分支控面、脈支增產(chǎn)”仿樹形水平井設(shè)計理念，成熟應(yīng)用可控水平井鉆完井技術(shù)，配套了登梯法井眼軌跡控制技術(shù)、“接力式”輔助攜巖井眼清潔技術(shù)、定點懸空側(cè)鉆技術(shù)、化學擠注固壁技術(shù)等特色技術(shù)，形成了完整煤層氣水平井鉆完井技術(shù)系列。同時，構(gòu)建煤層氣隨鉆導向地層判識新模式，自主搭建定導一體化遠程實時監(jiān)控指揮平臺，研發(fā)低成本地質(zhì)導向新裝備，形成煤層氣水平井定導一體化地層判識技術(shù)系列。

　　操作實踐上，第一次采用量化煤層氣排采控制技術(shù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)錄娶分析、參數(shù)調(diào)整自動化，研發(fā)高性能智能控制器，初步實現(xiàn)智能化排采控制，控制精度達到了流壓在±0.005MPa/d，套壓控制在±0.01MPa，水計量達0.001m3/d，流壓穩(wěn)定率達到91.5%。完善了集輸系統(tǒng)運行優(yōu)化技術(shù)，提高集輸系統(tǒng)運行效率。創(chuàng)新形成了單體設(shè)備和站場整體橇裝工藝、負(低)壓抽排技術(shù)，對降低運行成本、低產(chǎn)井增產(chǎn)提供了經(jīng)驗借鑒。

　　改變產(chǎn)能建設(shè)模式、改變排采控制工藝技術(shù)、以積極態(tài)度對待瓶頸制約

　　項目的實施，促成了煤層氣勘探評價、產(chǎn)能建設(shè)思路的重大轉(zhuǎn)變和疏導式工程設(shè)計新理念的形成，在沁水盆地實現(xiàn)成果轉(zhuǎn)化，建成了我國的煤層氣生產(chǎn)與科研示范基地，煤層氣探明儲量及產(chǎn)量大幅攀升，2011—2015年，共新增探明儲量1698億立方米，綜合建產(chǎn)5.02億立方米，累積產(chǎn)氣5.06億立方米。共新增銷售額8.55億元、利潤1.74億元、凈利潤1.3億元，實繳稅金0.47億元，節(jié)約鉆井、排采等投資費用2.1億元，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟效益和社會效益，為我國煤層氣產(chǎn)量上40億立方米發(fā)揮了重要的支撐作用。

　　華北石油科研團隊通過梳理關(guān)鍵問題，認識到在地質(zhì)條件差異較大的背景下，我國煤層氣的后續(xù)開發(fā)遵循“創(chuàng)新、非常規(guī)、高效”將有可能破解我國煤層氣開發(fā)的技術(shù)難題，但需要經(jīng)歷反復失利的考驗，需要時間的檢驗。提出首先必須改變產(chǎn)能建設(shè)模式，提高產(chǎn)建效率，是以改進地質(zhì)研究，深化成藏及控產(chǎn)機理研究，在“甜點區(qū)”科學設(shè)計井位和井型為前提。提出用辯證思維的方式，構(gòu)建主體技術(shù)。提高煤層氣單井產(chǎn)量首先要考慮目前壓裂工藝的利弊，煤層氣開采應(yīng)用辯證思維的方式來研究主體技術(shù)，充分考慮煤層有機成分占主體的地質(zhì)特性，工程技術(shù)由過去的改造式向疏導地層的方式轉(zhuǎn)變。提出改變排采控制工藝技術(shù)。提高投資效益。研究煤層氣產(chǎn)氣機理及開采過程中煤儲層的應(yīng)力應(yīng)變及動態(tài)滲透率的變化規(guī)律，現(xiàn)場試驗與室內(nèi)實驗緊密結(jié)合，科學量化排采管控技術(shù)，提高排采效率。改變排采工藝，解決抽油桿與油管的偏磨等問題。

　　朱慶忠作為項目負責人是中國石油華北油田公司副總經(jīng)理，博士，教授級高級工程師，曾獲全國勞動模范，河北省十大杰出青年榮譽稱號。長期從事油氣田開發(fā)、儲氣庫、煤層氣勘探開發(fā)地質(zhì)與工程技術(shù)綜合研究及綜合管理等工作，公開發(fā)表論文二十多篇?！八I(lǐng)導的煤層氣國家科技重大專項攻關(guān)團隊”2016年榮獲中國石油天然氣集團公司“科技工作創(chuàng)新團隊”榮譽稱號。

　　研究團隊應(yīng)用項目成果，申請發(fā)明專利50件(授權(quán)6件)，申請實用新型專利17件(授權(quán)16件)，授權(quán)軟件著作權(quán)3套，出版專著2部，發(fā)表重要論文33篇，發(fā)布行業(yè)標準1項、企業(yè)標準78項。項目成果通過發(fā)表學術(shù)論文、出版專著、國內(nèi)與國際研討會議并編寫有形化技術(shù)手冊、發(fā)明專利、編制行業(yè)標準等形式進行廣泛宣傳與推廣，使我國高階煤煤層氣的勘探開發(fā)從依賴、照搬國外技術(shù)到理論初步形成、關(guān)鍵技術(shù)系列基本完善，填補了國內(nèi)空白，引領(lǐng)了我國高階煤煤層氣勘探開發(fā)理論創(chuàng)新、技術(shù)進步。