徐凤银团队提出煤层气产业未来九方面理论研究及技术攻关方向

　　近日，中联煤层气国家工程研究中心徐凤银教授团队以“十三五”国家科技重大专项项目“煤层气高效增产及排采关键技术研究”部分成果为主线，对“十三五”以来煤层气勘探选区、高效增产和排采关键技术进展进行梳理和阐述，并针对当前“双碳”目标背景，提出了煤层气产业未来九方面理论研究及技术攻关方向。相关研究成果以《我国煤层气高效开发关键技术研究进展与发展方向》为题于12月22日在《煤田地质与勘探》进行了网络首发，闫霞博士为通讯作者。

　　“十三五”期间，围绕“突破煤层气单井产量低”这一制约我国煤层气高效开发的重大难题，煤层气勘探开发理论认识和工程技术取得的进展表现在4个方面：

（1）勘探理念从寻找富集甜点区向高产甜点区转变,开发部署由平铺式到精细化调整转变。

　　（2）围绕高效增产技术方面，在实现由二维地震向三维地震、由直井（丛式井）向水平井实践拓展的同时，创新形成以储层改造为主的系列压裂技术，包括碎软煤间接压裂、方解石填充深部（层）煤层水平井少段多簇体积酸化压裂、特低渗深部（层）煤层水平井超大规模极限压裂等技术，初步解决了构造煤煤层气效益开发难题，突破了2 000 m以深部（层）压裂改造技术瓶颈，推动了煤层气开发从中浅层向深部（层）的延伸；

　　（3）围绕排采技术方面，创新形成定量化排采多目标优化设计、煤层气井无杆举升、负压排采等关键技术，推动煤层气排采控制由定性向半定量、定量转深变，解决了丛式井组集成化排采和水平井下倾排采难题，有效提高了单井产量和煤层气采收率；

　　（4）围绕稳产增产储备技术方面，创新提出包括大直径水平井应力释放采气、煤层气可控温注氮驱替增产等技术，为实现煤层气二次开发提供了技术储备。

　　针对我国煤层气产业处于“爬坡期”和“战略机遇期”的阶段特点，徐凤银等围绕“碳达峰碳中和”目标背景，在系统梳理目前亟需解决的技术难题基础上，提出了我国煤层气产业“两步走”发展战略：到2025年实现理论与技术新突破，达到国家“十四五”规划年产100×10⁸ m³目标，坚定产业发展信心；到2030年形成针对我国不同地质条件的适用性技术，达到年产300×10⁸ m³目标，成为天然气总产量的重要组成部分。

　　为了实现上述目标，研究提出的相应对策为：从技术和管理2个维度，按照资源、技术、人才、政策和投资等五大要素，遵循“技术突破为核心、五位一体、协同创新”原则，研究制定并落实配套保障措施，并从高效开发和提高单井产量两方面，提出关系煤层气产业未来发展9方面的理论研究及技术攻关方向，以满足实现煤层气产业高质量发展的目标。

　　基础理论研究方面

　　1) 煤层气高产模式和“地质–工程”一体化甜点评价

　　研究以往把煤层气井产量低的关注点更多放在煤储层富集规律研究，而煤层气“可采性”的开发有利区评价与有利目标优选恰恰是提高煤层气单井产量和开发效益的关键，可从根本上解决煤层气的开发技术和发展战略。因此，需要强化煤层气高产模式和“地质–工程”一体化综合甜点评价研究。

　　研究内容包括影响煤层气高产主控因素再认识和高产模式；煤层气、煤系气“可开发性”的有利区/段综合评价与目标优选；地质甜点、工程甜点综合评价，聚焦“地质–工程”双甜点可开发性的评价体系；“地质–工程”甜点区最大化动用资源的优化部署策略研究。

　　2) 深部(层)煤层气开发机理及能量调控下的排采机制研究

　　深部(层)煤层气赋存机理、产气机理及全生命周期的开发规律与中浅层存在明显差异，将制约着深部(层)煤层气井的后期排采及生产制度的确定，甚至将影响深部(层)煤层气能否规模开发。

　　研究内容主要包括：深部(层)煤层气赋存机理及开发甜点预测评价；深部(层)煤层气解吸机理、裂隙发育控制因素及游离气占比研究(开始解吸时的参数表征)；深部(层)煤层气资源潜力评价方法；深部(层)煤层气储层能量(气体膨胀能、基质压缩能、流体压强能)构成体系；深部(层)煤层气开发技术原理与创新研究(除传统排水降压机制外的能量调节)；深部(层)煤层气全生命周期开发规律研究；深部(层)煤层气开发技术政策优化研究。

　　3) 煤层气产出过程动态平衡原理和渗流机理研究

　　煤层气产出受控于地质条件和产出强度的储层孔渗动态变化，为保证不同类型的煤层气藏孔渗有序正向变化，须对产出方式和产出强度提出相应要求，开发过程中煤岩性质、渗透率、应力方向等都可能发生改变，目前这些机理仍然不十分清楚，有待进一步加强研究。

　　研究内容包括煤层气产出时煤储层孔渗动态变化过程的地质和物理化学特征；煤储层损伤机理；煤储层渗流规律与渗流理论，基于煤储层“固气”与“固液”双状态协同吸附/解吸理论，建立考虑储层“气孔/分子孔”–“原生孔/粒间孔”–割理/人工裂缝复杂连通的多相多尺度耦合渗流模型；煤层气藏地应力与渗流耦合数值模拟技术；煤层气开发过程中的地质控制机理；煤层气产出过程的宏观–微观控制机理；提高单井EUR 的排采制度优化研究。

　　工程技术研究方面

　　1) 深部(层)煤层气高效排采技术

　　深部(层)煤层气产液量低，气液比高、泵效低，能耗高，气锁现象严重；地层矿化度高，结垢卡泵现象突出。需要开展针对性的高效排采技术。

　　研究内容包括：深部(层)煤层气同心管一体化携液管柱设计研究，利用邻井产气实现本井的产液，根据本井产量变化情况，按需气举；深部(层)煤层气一机多井智能化气举排液系统研制，实现一台压缩机控制同井台数口井的气举工作，单井运维成本降低50%以上；研制煤层气自适应排采装备，探索煤层气井下原位气水分离排采技术。

　　2) 煤系气立体开发技术

　　煤系具有煤层气、页岩气及致密气多套含气地层，多层系同时开发有利于降低单层系开发成本，提高单井产量，但也面临着层间干扰难题。煤系“三气”合采机理尚不明确，开发技术不成熟。针对煤系“三气”共生区块，如何才能真正实现更安全、高效、科学的“协同开发”，将是持续研究的重点。

　　以现有鄂尔多斯盆地东缘、沁水盆地和我国南方煤系为基础，开发区煤系气立体开发研究重点包括：煤系气耦合成藏有效配置；煤系“三气”合采兼容性评价指标体系和方法；煤系气产层组合及改造技术；煤系气合采产能动态及产层贡献；煤系气合采储渗动态及排采控制；不同类型煤系储层合层排采制度的科学确定；不同压力系数的多含气系统有效排采技术、煤系全井段立体排采技术；煤系天然气综合效益开发技术研究。

　　3) 煤层气技术–经济一体化高效开发技术

　　煤层气地质–工程一体化、技术–经济一体化开发，将是未来煤层气经济高效开发的必由之路。四川、贵州等地中浅层煤层气尚未系统开展高效开发技术适应性评价，围绕“价值链条为本”的中浅层煤层气提质增效理论、地质–工程一体化评价的排采模式、技术–经济一体化开发技术研究将变得非常必要。

　　包括现行煤层气开发技术适用性评价；煤层气二次甚至三次开发相应的地质–工程–排采一体化开发技术；储层二次改造及强化排采技术；构造煤煤层气含气系统特征及高效开发技术；煤层气开发全生命周期预测理论与评价；基于地质–工程一体化评价的排采模式总结与优化；煤层气技术–经济一体化工程技术；基于大数据、物联网、人工智能的煤层气智能排采及信息化技术。

　　4) 深部(层)煤层气低成本超大规模高效储层体积改造技术

　　目前形成的深部(层)煤储层改造技术作业成本仍然很高；对比投入，产气量仍然较低；储层物性条件差，渗透率低，有效缝网体积还有极大提升空间；压裂液体系不满足低伤害且规模改造的需求，需要开展进一步的技术攻关。

　　该技术包括：深部(层)煤层可压性综合评价技术，水平段簇间距优化技术，缝网体积表征技术，低成本暂堵转向剂，提升单段改造效果；地质–工程一体化建模和施工工艺优化技术，优化注入排量、砂比、液体黏度随注入时机的调整等参数；可实现返排液100%重复利用的低成本、低伤害、可变黏、可重复利用压裂液体系，满足大砂量携砂和低前置液比造缝等需求。

　　5) 煤储层原位改造及提高采收率技术

　　煤作为“有机岩”具有能源、储集层、工业原料三大属性，但储集属性至今未被利用，煤岩吸附能力、储集空间和高矿化度地层水是CO₂ 长期封存的良好条件。部分煤层气开发区块已进入开发中后期，地层能量不足导致产量递减，采用以“能量补充为供给侧”的注CO₂ 增能方式提高煤层气采收率，应成为下一步攻关方向。深部(层)煤层具有吸附能力强、封盖能力好、甲烷含量高、含水饱和度低、面积大的有利条件，为实现“碳中和”愿景，有必要充分利用煤岩储集特征开展CO2 封存、储气库相关技术攻关，以实现颠覆性储层改造为代表的煤层气高效开发、二氧化碳捕集封存、零排放发电和碳资源化利用。

　　包括煤层高能物理激光原位改造技术，高聚能重复强脉冲波煤层增渗技术，煤层二氧化碳封存技术，储气库技术，煤炭地下气化(UCG)技术，高压氮气闷井增产技术，注二氧化碳煤层有利区优选，二氧化碳集输工艺，甲烷置换机理，注入井和产出井监测技术，微生物菌培养与驱替机理，微生物注入工艺等。

　　6) 低阶煤煤层气高效开发技术

　　我国低阶煤发育广泛，煤层厚度大，含气量低，煤层气资源量约占1/3，但煤层渗透率相比国外低得多。实现充分开发仍需解决以下两方面难题：① 厚煤层的充分改造，保证煤层气资源的充分动用；②低阶煤煤层气生产特征与排采控制。低阶煤普遍含有游离气，其生产特征和产气机理方面与中高阶煤煤层气明显不同，如何实现高效开发，需要在排采控制方法上进行研究。

　　以新疆、内蒙古等地区煤层气资源地质条件为基础，研究内容包括：低阶煤煤层气储层特征与产出机理，厚煤层高效压裂工艺技术，低阶煤煤层气生产特征与控制方法，低阶煤、多煤层煤层气合采评价与合采工艺技术等。

这项研究得到了国家科技重大专项、中国石油天然气股份有限公司前瞻性基础性技术攻关科技项目的资金支持。

引用格式：

徐凤银,闫霞,林振盘,等.我国煤层气高效开发关键技术研究进展与发展方向[J/OL].煤田地质与勘探:1-15[2021-12-24].