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从英雄气短到扬煤吐气(图)

2022/11/25   关键字:   来源:[互联网]
  走进西部·神奇的石头
  [中国石油新闻中心2022-11-24]

  吐哈油田工作人员在岩芯库调取岩芯样本。王希瑞 摄
  这是一块煤,一块你很可能从来没有见过的煤。
  10月28日,在吐哈油田岩芯库,记者第一次见到这块特殊的煤,严格地讲,应该是煤岩岩芯。在地质研究人员眼里,这是一块具有煤光泽的岩芯样本。
  沧海桑田的昨天
  远古植物沉积演变成煤岩
  岩石,人们并不陌生,但在地质研究人员看来,岩石是天然产出的具有稳定外形的矿物或玻璃集合体,按照一定方式结构构造结合而成。岩石是组成地壳的物质之一,是构成地球岩石圈的主要成分。
  吐哈油田企业技术专家陈旋介绍说,虽然岩石的面貌是千变万化的,但从它们形成的环境,也就是从成因上来划分,可以把岩石分为三大类:沉积岩、岩浆岩和变质岩。而煤岩是沉积岩中的一种,主要由有机物质等碎屑物质在常温常压下经过搬运、沉积和石化作用,最后形成的。
  为了方便大家认识煤岩,陈旋描绘了一场发生在约1.5亿年前的故事。
  那时的地球正处于古生代的石炭纪、二叠纪和中生代的三叠纪、侏罗纪,阳光充足,气候温润潮湿,森林和湖泊遍布,孢子植物丛生。
  在一处低洼盆地,浅水沼泽一望无际。这里植物茂盛,生物多样,物种丰富。它们和谐共生,一茬又一茬,一代又一代。
  落下的树叶、脱落的树枝、倒伏的枯树沉浸在水下。由于缺乏氧气,时间久了,除了一种叫作木质素的物质以外,植物其他部分都被微生物和真菌吞噬了。剩下的木质素形成了厚厚的泥炭,这就是最原始的煤。
  又过了很久很久时间,沼泽干涸,可河流又从另一个方向侵袭过来,在泥炭上部敷上大量的砂石和泥土,从而形成了厚厚的三角洲平原。泥炭被深深掩埋。
  紧接着,由于微生物的作用及泥炭被进一步压实,在高压和高温的作用下,经历千百万年,泥炭发生了很大变化,厚度在不断地变薄。越薄表明泥炭的变质程度越深。
  正是在这个压实、变薄的过程中,完成了从泥炭、褐煤、烟煤、无烟煤的一系列变化,也就形成了煤岩。大多数地质学家认为,1米煤岩的形成需要100米左右的植物残骸。
  再后来,地球又经过不断的板块运动和地壳活动。在一些特殊地区,由于地质构造运动,有些煤岩会被抬升并在地面露出头来。在阳光的长时间照射下,煤岩的体内积蓄了大量热量。于是,先是冒烟,后来就自燃了。这让人们发现了煤岩的价值,从而催生了煤炭的开采利用史。
  在地质构造运动的作用下,有些煤岩会被抬升,也有些煤岩被深埋地下。在吐哈油田见到的这块煤岩岩芯,就取自柯新1H导眼井。颜色乌黑,沥青光泽,用手轻轻一掰,就可破碎。若用火点燃,一股烟呛味即刻蹿入鼻腔。
  要是没有人告诉你,你不会怀疑这就是一块煤。
  方兴未艾的今天
  煤岩气开辟天然气勘探新领域
  透过煤岩岩芯,看似不起眼的小小石块,石油勘探专家实现了天然气地质认识新突破,开辟了天然气勘探新领域,引领了天然气勘探新方向。
  这就是煤岩气。
  在石油地质专家眼中,煤岩气既不同于煤层气,也不同于常规气,是一种介于常规气和煤层气之间的一种新的天然气资源类型,具有常规储层和非常规储层共存、游离气和吸附气共生、自源气和它源气互补聚集并有序分布的特征。
  简单地讲,煤层气主要是煤岩自生气,产自煤层并吸附在煤岩上;煤岩气则来源多样,可能来自煤岩自生气,也可能来自其他产气层,或多种来源并存。直观地看,煤层气以甲烷为主,而煤岩气与天然气组分基本一致。
  放眼世界,煤岩在美国的圣胡安、粉河盆地,澳大利亚的苏拉特、博文盆地,以及俄罗斯的西西伯利亚盆地广泛分布。在国内,煤岩在各地质时代几乎均有分布,主要是二叠系、侏罗系两大聚煤期;地理上主要集中在中西部的8个大型聚煤盆地。
  目前,深层(部)煤岩气尚属新概念,与它一字之差的煤层气组分不同、储存方式也不同。打个比方,如果把煤岩看作一块海绵,那么吸附在海绵表面的水就相当于煤层气,游离在海绵内部的水相当于煤岩气。
  我国以准噶尔盆地白家海地区、鄂尔多斯盆地大-吉地区为代表,近两年开展了2000米以浅的煤岩气勘探开发相关工作,并相继获得成功。白家海地区的彩探1H井通过水平井体积压裂的方式在煤岩层获得了初期日产5万立方米、稳产2万立方米的产量。大-吉地区通过相似的钻采方式更是获得了日产超过10万立方米的高产气流,展示出该领域极好的勘探前景。
  准噶尔盆地、鄂尔多斯盆地煤岩气勘探的重大发现,对含煤盆地天然气勘探具有重要且深远的影响,点燃了我国西部诸多盆地进军煤岩气的激情与希望。
  地质历史上,吐哈盆地和准噶尔盆地原本是同一个沉积盆地。大约距今2亿年前,造山运动成就了古天山雏形,而隆起的天山山脉则把原本一体的吐哈盆地和准噶尔盆地一分为二。研究表明,两个兄弟盆地的煤岩气成藏地质条件相似,都发育中侏罗统西山窑组和下侏罗统八道湾组两套含煤地层,砂岩、泥岩、煤岩像扑克牌一样上下交叠排列。
  天山北面,准噶尔盆地白家海地区煤岩物性好,煤层上下泥岩顶底板厚度大,保存条件好,煤层厚度普遍大于6米且分布稳定,可确保水平段煤层的钻遇率,有利于进行水平井钻探及后期压裂提产。而天山南麓,吐哈盆地的柯柯亚地区煤岩埋深更深,构造更复杂,对勘探开发并不友好。
  为了解放地层深处的煤岩气,吐哈油田勘探开发工作者正在全力攻关。
  扬"煤"吐气的明天
  吐哈有望被重新认识资源潜力
  天然气,在吐哈油田开发建设历史上有着特殊的经历与情感。
  自1991年投入规模开发以后,吐哈油田生产的伴生天然气一度面临"英雄无用武之地"的尴尬。直到鄯乌管线建成投运,吐哈天然气一路西行,进入乌鲁木齐,或燃旺百姓灶台,或温暖万户千家,或加工成肥料赋能天山南北农田增产。
  至此,吐哈天然气迎来大发现、大开发,油田进入"油气并举"时代,天然气年产量曾多年稳定在10亿立方米以上。
  进入"十三五",由于缺乏优质天然气资源发现,吐哈油田天然气产量一路走低,一时间英雄"气"短。2021年,吐哈油田年产天然气2.9亿立方米,是近年来最低值。
  进入"十四五",吐哈油田锚定油气当量再上年300万吨战略目标,其中天然气贡献要超过1/3。煤岩气的勘探发现,有望为这一目标的实现增添资源底气。
  相对煤层气研究,吐哈油田对煤岩和煤岩气的探索相对较晚,井下深部取芯则始于柯新1H井。
  技术人员经过室内岩芯测试分析发现,吐哈盆地侏罗系煤层既有一定的生烃能力,又可作为良好的储集层,煤岩中不但有传统认识中的煤层吸附气,还有大量以前未曾被重视的游离气。这相当于一个全新的勘探领域。
  陈旋说,如果把吐哈盆地比作一口大锅沿的平底锅,不论是锅的浅部还是深部,煤岩呈全盆地分布。从平面地域上看,吐哈油田三大探区,吐哈盆地、三塘湖盆地、准噶尔盆地东部等,均有煤岩分布。
  陈旋也表示,想要拥抱扬"煤"吐气的明天,吐哈油田还有系列难题需要深入研究破解。相信,依靠科技"利器",这些尚未开发的宝藏终将散发能量,为保障国家能源安全贡献力量。(许忠安凤霞;张华王兴刚对本文亦有贡献)
  石头档案
  岩芯取自部署在吐哈盆地的一口深部煤岩气风险探井--柯新1H井。这口井可分为两种不同结构类型,较浅部分煤岩煤质松软,煤体结构破碎较严重;较深部分煤体结构完整,煤岩含气量相对较高,更利于煤岩气的后续开发。
  柯新1H井煤岩岩芯。安凤霞 摄

  勘探工作者在野外现场踏勘井位。 王波 摄
  讲述
  取芯记
  把岩芯从3000多米深处地层取至地面,如果说泥岩、砂岩取芯是抓取石头,那么煤岩取芯就好比抓取生鸡蛋。
  一方面,煤岩结构疏松、性脆易碎,不容易取到完整的岩芯。另一方面,当钻具穿行于地层深处钻进、取芯时,煤岩极易发生垮塌和卡钻,导致钻具提不起来也钻不下去。要想取到一筒完整的煤岩岩芯,难度可想而知。用技术人员的话形象地讲:"劲大了易碎,劲小了落空,张飞抓鸡蛋--不好拿捏!"
  东天山南麓的柯新1H井取芯,是吐哈盆地第一次深部煤岩取芯,过程回环曲折。
  首次取芯落空--取芯筒起出井口,结果发现空无一物。
  第二次取芯,再告失败--又遇空筒。
  连续两次取芯都落空,这在吐哈钻井取芯史上还从未遇见过。问题出在哪里?
  前两次取芯,应用的都是密闭保形取芯工艺。这种工艺首次在吐哈盆地应用,主要是使用密闭取芯液保护岩芯避免泥浆污染,减少煤岩储层中天然气在取芯过程中逸散,并尽最大可能维护岩芯形状完整性。
  如果真的能够实现技术预期,那么密闭保形取芯工艺将为岩芯室内分析研究获得最接近地层原始参数提供保障。然而,理想很丰满,现实很骨感--欲速则不达。
  通过对前两次密闭保形取芯失利原因进行分析,煤岩与砂岩不同的岩石结构,是导致取芯失利的关键所在。技术人员结合煤岩特性,改进密闭取芯钻头。三战取芯终于见到新成效。使用新的取芯钻头后,取芯进尺1.2米,虽然长度与常规取芯相比大幅缩减,且取出的岩芯松散破碎,但总算是见到了深埋地层的煤岩真容。
  在天山的北边,是准噶尔盆地。那里的家探2井也是煤岩,采用的是常规方式取芯。柯新1H井,能不能也采取常规方式取芯?
  第四次取芯,柯新1H井现场人员采用常规工艺,取芯进尺0.66米,芯长0.4米,取芯进尺还是太短,收获率只有60.6%。
  一山之隔的两口井,同样是煤岩,为何天差地别?
  在后来的第七次取芯中,工作人员再次应用常规方式,结果取芯只有0.1米,收获率低,依旧不理想。技术人员反复研讨查找原因,认为这与两口井所处的地质构造部位不同有关系。
  在地质研究人员眼中,家探2井位于构造平缓区,煤岩层应力差小,岩芯处于相对稳定压力环境之中;柯新1H井位于构造轴部,煤岩应力差大,裂缝发育,岩芯出筒在压力释放后极易破碎。
  技术人员打了个比方,如果家探2井是在平缓的地面,那么柯新1H井就好比是拱形桥的顶部,受到重重压力。家探2井地层相对规整,就像一面齐整的墙体,取出其中一块砖就是一块砖。柯新1H井地层受构造各方面挤压,煤岩就好比受压弹簧,一旦取出就会因压力释放而变形破碎。
  常规方式取芯行不通,还得走密闭保形取芯工艺。经过不断改进,效果不断改善。第八次至第十三次取芯,有5次取芯收获率达到100%,主力煤层段共取了8.6米岩芯,目的煤层段取了12.2米岩芯。在主力厚煤层段取芯进尺虽然小于2米,但煤岩出筒成形相对较好,能见到成块的岩芯,满足岩芯室内分析所需。
  相较国内其他地区如此深度的煤岩岩芯,柯新1H井的岩芯破碎程度更高。
  先后取芯13次,吐哈石油人屡败屡战不言弃,越战越勇解难题,终于揭开煤岩神秘面纱,让神奇的岩芯为煤岩气开发探路。(许忠安凤霞郑佳奎)
  延伸阅读
  煤岩气、煤层气有何不同?
  煤层气主要生自含煤岩系中的煤层,是在成煤过程中形成并附存于煤层中的一种非常规天然气,与煤炭资源伴生,其存附于煤孔隙之中,主要成分为甲烷,是近年来不断崛起的洁净、优质能源和化工原料。
  煤岩气是介于常规气和煤层气之间的一种新的天然气资源类型,具有常规储层和非常规储层共存、游离气和吸附气共生、自源气和它源气互补聚集并有序分布的特征。
  两者最大区别是,煤岩气组分与天然气大体一致,而煤层气烃类组分甲烷大于98%至99%(除去非烃气体统计),占绝对优势,一般不含重烃。
  两者的开采方式也迥然不同。煤层气主要是吸附在煤岩上,主要的开发方式就是排水采气,需要先实施排水使压力降至煤层临界解吸压力,促使煤层孔隙表面吸附的气体进行解吸后,向低压区移动并最终采出至井口。煤岩气的开采原理与油气田相同,不需长期排采即可快速获得气流,且需要努力保持储层压力以确保高产。
  限于当前的工艺水平和经济技术条件,适宜开发的煤层气埋藏深度通常小于1200米,而经济开发煤岩气的深度大多超过2000米。(许忠安凤霞整理)