煤層氣開采裝備技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(上)

1、,1.煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀,2.煤層氣鉆機和油水井鉆機的區(qū)別,3.國內(nèi)外煤層氣鉆機技術(shù)分析,4.國產(chǎn)煤層氣鉆機發(fā)展趨勢,1.1 開發(fā)煤層氣的意義1.2 煤層氣的儲量1.3 煤層氣的產(chǎn)量1.4 煤層氣的開發(fā)1.5 媒層氣的利用 1.6 特殊工藝井1.7 空氣鉆井1.8 煤層氣勘探開發(fā)技術(shù)1.9 煤層氣開采裝備,1.煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀,煤層氣（主要成分甲烷，俗稱煤礦瓦斯）屬于自生自儲式的非常規(guī)天 然氣，煤層氣作為一種新型潔凈能源，一般均埋于2000m以淺的煤層里， 是煤炭的伴生氣，開發(fā)煤層氣對緩解能源的供需矛盾、保證煤炭開采安全 ，實施可持續(xù)發(fā)展的能源戰(zhàn)略具有十分重要的現(xiàn)實意義。,1.1 開發(fā)煤層氣

2、的意義,煤礦安全 減少爆炸的可能性 提高煤產(chǎn)量 減少工作面甲烷含量過高而造成的停工 采煤前抽采煤層氣可以減少操作成本，增加煤的產(chǎn)量 降低能源的對外依存度 獲得的甲烷可以作為一種能源 減少溫室氣體排放11,1.2 煤層氣的儲量,“三步法”是預(yù)測某一煤礦甲烷含量、排放量/儲量的常用方法8 第一步 全球平均值法 擬開采的地下煤炭總量乘以高/低的排放系數(shù)可得到涌出量的 范圍（低甲烷排放系數(shù)為10 m3/Mt，高排放系數(shù)為25m3/Mt ），將 所得結(jié)果乘以甲烷密度， 即1.49x109 m3/Mt，可將 甲烷量從體積量轉(zhuǎn)化為 重量 第二步 乘該國或該盆地特定 的涌出量因子 第三步 乘該礦特定的排放系數(shù)

3、,我國煤層氣資源十分豐富，煤層氣資源總量約為36.811012m3，廣泛分布在各 大盆地中，是僅次于俄羅斯、加拿大的世界第三大煤層氣儲藏國,居世界第3位1。 山西擁有10萬億m3的煤層氣資源，與煤炭資源一樣，占到全國煤層氣儲量的三分之 一，與美國全國的儲量相當(dāng)。 我國煤層氣資源的歷次評價6,塔里木 1.9,中國煤層氣資源量大、分布相對集中 我國煤層氣資源分布圖6,41個聚煤盆地，2000m以淺的煤層氣資源量為約36.8萬億m3。,9個主要盆地資源量大于 1 萬億m3 ，合計28萬億m3 ，占全國 76%,中國煤層氣具有巨大的資源量和需求量，是國家重點發(fā)展的重要接替 能源之一。國家從能源有效利用

4、和減少煤礦安全隱患出發(fā)，推出了大力支 持煤層氣開發(fā)利用的 相關(guān)產(chǎn)業(yè)政策。 新能源產(chǎn)業(yè)振 興發(fā)展規(guī)劃已為煤 層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展圈出了 2個產(chǎn)業(yè)化基地，15 個抽采利用礦區(qū)和 5條輸氣管道。 中國煤層氣抽采 量將逐年增加， “十 一五” 的規(guī)劃目標(biāo)為 年產(chǎn)100億m3 ， “十 二五”規(guī)劃目標(biāo)為年 產(chǎn)200億m3 , 到2020 年計劃達(dá)到500億m32。,1.3 煤層氣的產(chǎn)量,煤的特性 煤層厚度 煤層甲烷含量 氣體解吸率 甲烷儲存量 割理系統(tǒng)孔隙度/相對滲 透率/絕對滲透率 儲層特性 儲層幾何形態(tài) 平均儲層壓力 原地含水量 流體性質(zhì)影響流體流動 巖石性質(zhì)影響流體流動,擴散解吸,置換解吸,升溫解吸,降壓

5、解吸,O,先抽后采高質(zhì)量瓦斯 煤層氣 采礦前預(yù)抽 邊抽邊采中高質(zhì)量瓦斯 礦井抽采 采動區(qū)瓦斯 礦井通風(fēng)氣 先采后抽低中質(zhì)量瓦斯 采動區(qū)瓦斯 礦井通風(fēng)氣,1.4 煤層氣的開發(fā),O,國外非常規(guī)氣大規(guī)模開發(fā)有30年的歷史，在煤層氣的儲藏、開采上形成了較為完備的理論和技術(shù)，已經(jīng)形成了效益顯著的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。,O,我國煤層氣開發(fā)利用僅十年時間，總體來說水平還較低，開采、儲運等相關(guān)上下游產(chǎn)業(yè)的發(fā)育成熟度低，尚處在待完善階段。 2008年中國煤礦瓦斯抽采量為55億m3；2009年中國的煤層氣產(chǎn)量為71.85億m3 ，其中地面抽采僅為10.15億m3 ；2010年中國的煤層氣產(chǎn)量為85.3億m3 ，其中地面抽采

6、僅為15.67億m3 。 過去五年，由于受制于政策環(huán)境支持不夠、機制體制的制約、勘探費用不足以及煤層氣價格偏低等因素，“十一五”煤層氣年產(chǎn)100億m3、地面抽采產(chǎn)量50億m3 的目標(biāo)并沒有達(dá)到。 我國煤層氣產(chǎn)業(yè)在具有廣闊發(fā)展前景的同時，也面臨著一些困難，主要表現(xiàn)在（1）煤層氣的礦業(yè)權(quán)設(shè)置不合理，不僅導(dǎo)致了資源配置效率低下，而且引發(fā)了煤層氣與煤炭之間的紛爭；（2）基礎(chǔ)設(shè)施缺乏，輸氣管線（特別是直達(dá)井口的支線管網(wǎng)）缺乏，管輸監(jiān)管力度不足，導(dǎo)致煤層氣進(jìn)網(wǎng)難，資源難以有效利用；（3）稅收優(yōu)惠政策存在力度不夠、系統(tǒng)性較差等問題，挫傷了煤層氣開發(fā)企業(yè)的積極性；（4）還存在技術(shù)研發(fā)投入不足等問題。,O,目前

7、國內(nèi)直接進(jìn)行煤層氣地面抽采的公司主要有中石油、中聯(lián)煤、晉 煤藍(lán)焰等。,O,三大石油公司全面進(jìn)入煤層氣勘探開發(fā)領(lǐng)域 中石油曾持有中聯(lián)公司50%股份，國資委于2008年3月對中聯(lián)公司股權(quán) 進(jìn)行調(diào)整，將中石油所持股權(quán)協(xié)議轉(zhuǎn)讓給中煤集團，中聯(lián)公司將部分區(qū)塊 和資產(chǎn)有償轉(zhuǎn)讓給中石油。 華北油田2006年開始在沁水盆地實施煤層氣勘探開發(fā)，建成了我國第 一個數(shù)字化規(guī)模化煤層氣田，完成6億m3產(chǎn)能建設(shè)，并實現(xiàn)商業(yè)化運營，每 天有110多萬m3的煤層氣注入到西氣東輸主管網(wǎng)。,O,中石化經(jīng)過兩年多的非常規(guī)油氣資源勘探，已在華北中高階煤、南方 構(gòu)造煤和西北低階煤區(qū)塊開展煤層氣勘探評價工作，獲取了主要煤層評價 的第一

8、手參數(shù)。沁水盆地北部和順、鄂爾多斯盆地南部延川南區(qū)塊煤層氣 勘探獲得了重大進(jìn)展，山西境內(nèi)的和2井組、延1井獲得了持續(xù)穩(wěn)定的氣 流，煤層氣勘探取得實質(zhì)性成果，正積極努力盡快形成規(guī)模產(chǎn)能。 中海油今年初取得中聯(lián)煤層氣公司50%的股權(quán)，正式加入煤層氣開采 大軍之列。,三大石油公司的進(jìn)入使煤層氣的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程明顯提速 經(jīng)過多年攻關(guān)，我國地面煤層氣勘探、鉆井、測試、排采等技術(shù)取得了長足進(jìn)步，羽狀水平井已推廣應(yīng)用。在一些地區(qū)，如山西沁水、陜西韓城、遼寧阜新，煤層氣地面開發(fā)已經(jīng)攻克了無法抽采利用、抽采利用不經(jīng)濟的難題，奠定了產(chǎn)業(yè)化開發(fā)利用煤層氣的技術(shù)、經(jīng)濟基礎(chǔ)。尤其是煤層氣集輸并入西氣東輸管線后，我國煤層氣產(chǎn)

9、業(yè)化已進(jìn)入快速發(fā)展軌道。,煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展速度慢和煤層氣價格低有直接關(guān)系。過去我國的煤層 氣出廠價格比照天然氣，而國內(nèi)天然氣價格長期較低，使煤層氣開發(fā)的經(jīng) 濟效益較低。支持煤層氣開采，一方面應(yīng)當(dāng)硬性規(guī)定并落實“先抽后采”； 同時對煤層氣利用實施稅費補貼政策，將煤層氣的價值提高到煤炭開采的 價值之上，用經(jīng)濟杠桿來引導(dǎo)煤炭企業(yè)對瓦斯的抽采利用。,為了鼓勵煤層氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，國家現(xiàn)已出臺一系列鼓勵政策：上調(diào)天然氣價格，提價0.23元/ m3 ，煤層氣價格也隨之提高；中央財政按0.2元/ m3（折純）標(biāo)準(zhǔn)對煤層氣進(jìn)行補貼；從事煤層氣勘查開采的企業(yè)，2020年前可按國家有關(guān)規(guī)定申請減免探礦權(quán)使用費和采礦權(quán)使

10、用費，對地面抽采煤層氣暫不征收資源稅；對煤層氣勘探開發(fā)作業(yè)的設(shè)備等免征進(jìn)口關(guān)稅和進(jìn)口環(huán)節(jié)增值稅，增值稅先征后退。,據(jù)不完全統(tǒng)計，截止到2011年 2月，全國已有煤層氣井約5600口。 而2010年完井總數(shù)約為前十年的 總和。,燃料來源9 煤礦甲烷可以作為加熱的首要或第 二位燃料來源。 煤礦甲烷可以作為燃料電池發(fā)電、 微透平和逆流反應(yīng)器的動力來源。 化學(xué)品原料 煤礦甲烷可以直接作為工廠的原料 管線注水 高質(zhì)量煤礦甲烷可以直接賣給銷售 管線 燃燒 當(dāng)沒有其它經(jīng)濟的手段減少溫室氣 體甲烷排放的時候，可以選擇燃燒 VOC 集中器 低質(zhì)量煤礦甲烷,1.5 煤層氣的利用,據(jù)有關(guān)研究報告顯示，使用煤層氣的汽

11、車與使用汽油的汽車相比，前 者比后者在眾多污染指數(shù)上都有明顯下降，分別是：排放一氧化碳減少 97%；碳?xì)浠餃p少72%；氮氧化物減少39%；二氧化碳減少24%；二氧化硫 減少90%；苯、鉛等粉塵減少100%；噪音減少40%。使用煤層氣的汽車排出 的都是水，幾乎是零污染。,O,特殊工藝井是指除常規(guī)鉆井工藝所鉆直井之外其它井的總稱，主要包括定向井、叢式井、水平井、大位移井、側(cè)鉆井、分支井、徑向水平井、小井眼井、柔性管鉆井及欠平衡壓力鉆井等。,1.6 特殊工藝井,發(fā)展特殊工藝井的目的 （1）、盡可能挖掘各種儲層潛能，提高采收率； （2）、減少布井?dāng)?shù)量，減少開發(fā)投資； （3）、避免或減少開采過程中的井

12、下復(fù)雜情況； （4）、少占用土地，減小環(huán)境保護的壓力，提高勘探開發(fā)的總體經(jīng)濟效益。,-井斜角,實際井眼軌跡,設(shè)計井筒軌跡,定向井是使井筒沿特定方向鉆達(dá)地下預(yù)定目標(biāo)的油氣井。沿著預(yù)先設(shè)計的方向鉆達(dá)目的層位的鉆井方法，稱為定向鉆井。,直井段,（1）定向井,O,定向井施工的難度主要在井眼軌跡控制，實際定向井施工需要多次重復(fù)跟蹤監(jiān)控，根據(jù)具體情況合理地選擇和調(diào)整不同鉆具組合，達(dá)到安全有效控制井眼軌跡確保合格井身質(zhì)量的目的。 定向井因井斜角大、井眼形狀及鉆具受力復(fù)雜，加之地層因素及鉆井措施不當(dāng)?shù)确矫娴脑?，容易引起井下事故，對工具儀器及鉆機配套設(shè)備有特殊的要求。,（2）叢式井,叢式井的基本概念：凡在一個

13、井場或平臺上，有計劃的鉆幾口或幾十口定向井和一口直井，這些井統(tǒng)稱為叢式井。叢式井要涉及到合理的井距及布井的先后順序及防碰跟蹤等問題。節(jié)約占地、減少搬家、減少采氣地面管線、加快開發(fā)步伐。,水平井是指井眼軌跡達(dá)到水平（85 以上）以后，再繼續(xù)延伸一定長 度的井（延伸的長度一般大于儲層厚度的六倍）。 在垂直井筒底部鉆出的中央豎井上帶有多分支水平井眼的大口徑鉆孔， 減少鋪設(shè)復(fù)雜的地下瓦斯管線網(wǎng)。,（3）水平井,水平井開發(fā)多層系氣藏,側(cè)鉆水平井可有效的解決生產(chǎn)井的水錐問題,用水平井連通有高低差的兩孤立煤層,水平井的經(jīng)濟性可以表現(xiàn)在以下幾個方面 （1）水平井控制的泄氣面積比直井大； （2）水平井單井控制的

14、開發(fā)面積比直井大； （3）水平井可增加可采儲量，應(yīng)用水平井可縮小井距，更好地控制注入流體和改善波及效率，從而增加可采儲量； （4）水平井可提高產(chǎn)量和采收率，提高勘探開發(fā)的發(fā)經(jīng)濟效益。,多方向鉆孔可以在采礦前由一個單一的井墊完成10 優(yōu)點包括: 減少現(xiàn)場準(zhǔn)備成本 生產(chǎn)設(shè)施集中 減少鋪設(shè)地下管線網(wǎng) 可以在采煤后采收采動區(qū)瓦斯 缺點包括: 一般只能有一個井筒下套管 未下套管的水平井有脫落和倒塌的可能 脫水水平井比垂直井困難 表面入口可能受限制或不可用,（4）多方向井,分支井也稱為多底井，是指在一口主井眼中鉆出兩口或多口進(jìn)入氣藏的分支井眼，主井眼可以是直井，也可以是定向井或水平井。主井眼為直井的分支井

15、能有效地開采多層段的氣藏。而主井眼為水平井的分支井則極大地提高了氣藏的裸露程度，增加了泄氣面積，進(jìn)而提高產(chǎn)量和采收率。,（5）多分支井,分支井的演變,多口直井,少量水平井,一口多分支井,羽狀分支水平井 羽狀分支水平井是水平井的一種，指在一個主水平井眼兩側(cè)再鉆出多個分支井眼作為泄氣通道，分支井筒能夠穿越更多的煤層割理裂縫系統(tǒng)，最大限度地溝通裂縫通道，增加泄氣的面積和氣流的滲透率，使更多的甲烷氣進(jìn)入主流道，提高單井產(chǎn)氣量。這是針對我國很多地區(qū)的地質(zhì)條件不滿足地面鉆井、排采降壓采氣方法的應(yīng)用條件而引進(jìn)、研制的技術(shù)。,目前煤層氣井主要有直井和多分支水平井兩種，直井的深度一般在 400-1400m，直井

16、完成后就可進(jìn)行壓裂抽采，可以分為地上抽采和井下抽 采兩種，適合地上抽采的占不足1/3，主要采用的是井下增透抽采；多分支 水平井進(jìn)尺最多可達(dá)4500m，一般不超過800m，水平井在實際應(yīng)用中主 要問題是煤層斷后的堵塞問題。水平井或直井的大修機率都不大，新鉆的 井可以使用較長的時間。定向鉆井技術(shù)在短期內(nèi)可以得到更多的煤層氣； 但是較長時間后，垂直井就可以達(dá)到相同水平。特殊工藝井的鉆井成本、 工藝裝備和建井周期比直井復(fù)雜得多，煤層氣井以直井居多，一般為300 米見方的叢式井。,煤層氣井,煤層縫隙中充入過多的固相鉆井液，對煤層氣的排采有較大影響；空氣鉆井可以提高鉆井效率。由于解吸、解堵和提高效率的要求

17、，煤層氣鉆井需要采用空氣鉆進(jìn)。高壓大排量的空氣循環(huán)系統(tǒng)是煤層氣開采設(shè)備必備的關(guān)鍵裝備。,1.7 空氣鉆井,O,煤層氣勘探開發(fā)的技術(shù)主要有： 選區(qū)技術(shù) 鉆井（完井）技術(shù) 試井技術(shù) 壓裂技術(shù)及增產(chǎn)措施 排采技術(shù) 集氣和儲運技術(shù) 環(huán)保技術(shù),1.8 煤層氣勘探開發(fā)技術(shù),O,（1）鉆井（完井）技術(shù) 煤層氣井施工包括鉆井、完井、增產(chǎn)和采氣等。 為了避免對煤儲層的傷害，采用平衡鉆井技術(shù)、空氣鉆井技術(shù)，針對一些 特殊地層也使用旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井。我國煤層氣井大多采用繩索取芯、低溫低壓 固井技術(shù)。鉆井在非煤層段一般采用泥漿鉆進(jìn)，目的層采用清水、優(yōu)質(zhì)低固 相或無固相泥漿作為鉆井液，以防止對煤儲層的傷害。在鉆至煤層系以上

18、部 位時，進(jìn)行下套管固井作業(yè)，再采取欠平衡鉆井鉆開煤層系，使用內(nèi)插帶眼 篩管或割縫篩管進(jìn)行完井作業(yè)。,根據(jù)不同地質(zhì)條件，完井技術(shù)有裸眼完井、裸眼洞穴完井、套管射孔壓裂 完井。其中套管射孔壓裂完井是我國低滲透率煤層使用最多的完井方法，其 原理是：先用完井液鉆穿煤層，下套管固定，將煤層封隔；再在煤層部位射 孔，射穿套管和水泥環(huán)，使煤層與井筒連通；然后以高壓水力壓裂在煤層中 造隙，提高產(chǎn)層的透氣性。,（2）壓裂技術(shù)及增產(chǎn)措施 井下壓裂增透成套抽采利用技術(shù)：利用井下定向壓裂增透技術(shù)可顯效提 高煤層氣的壓裂成功率，提高抽采率。壓裂技術(shù)是煤層氣開發(fā)過程中的關(guān)鍵 技術(shù)，其重要性在于對產(chǎn)層進(jìn)行改造，以提高生產(chǎn)層的產(chǎn)量。目前國外針對 不同儲層的壓裂技術(shù)主要有交聯(lián)凝膠壓裂，加砂水力壓裂，不加砂水壓壓裂 和氮氣泡沫壓裂等，這些技術(shù)均已成熟。此外，在生產(chǎn)實踐中，