煤层气系统的定义、内涵、形成及应用——以鄂尔多斯盆地石炭系—二叠系煤层为例

煤层气在温度、压力和应力等敏感地质要素的作用控制下形成煤—气—水强耦合系统,深刻理解该系统对加快发展煤层气赋存地质理论、高效推进煤层气勘探开发具有重要意义。为此,提出了煤层气系统的基本概念,并在明确煤层气系统的基本要素基础上,研究了煤层气系统形成过程及基本特点,总结分析了煤层气系统储层压力、地层温度、地下水化学特征和煤层气的赋存状态、构成、含气饱和度以及生产特征,最后以鄂尔多斯盆地煤层气为例,分析了煤层气系统在空间上的展布规律。研究结果表明:①煤层气系统应考虑的基本要素包括煤层及其与之相关联的地层压力系数相近的煤系其他岩层、盖层系统以及相近地层压力系数下的煤层气/水流体系统。②储层—盖层—流体3大要素与系统环境演化的耦合决定了不同深度煤层气系统的煤—气—水的赋存状态。③以煤层气赋存状态等为主要依据将煤层气系统划分为“两带”,两带为改造带和原生带,其中改造带对应于通常意义上的浅层煤层气,原生带对应于深层煤层气;原生带进一步划分为吸附气为主带(原生A带)、游离气—吸附气带(原生B带)、吸附气—游离气带(原生C带)。结论认为:①改造带煤层气主要以向斜控气模式为主,原生带煤层气特别是原生B带、原生C带应重视圈闭区的勘探;②鄂尔多斯盆地石炭系—二叠系煤层气系统自东西两翼至中部由改造带—原生A带—原生B带—原生C带依次转变,盆地中部主要为原生B带及原生C带煤层气。

深部低阶煤三相态含气量建模及勘探启示——以准噶尔盆地侏罗纪煤层为例

准噶尔盆地低阶煤煤层气资源量巨大,其勘探开发突破是提高我国煤层气产量的重要途径之一。针对该区低阶煤浅部含气性差、深部含气量测试数据匮乏且现有技术手段难以准确测试的状况,从煤层气三相态含气量基本构成出发,开展了低阶煤较高温度和压力条件下甲烷的等温吸附、溶解度、密度和孔隙率等一系列实验,分析了影响甲烷吸附气量、溶解气量和游离气量的相关因素,构建了深部低阶煤吸附气、溶解气和游离气三相态含气量的计算模型。以准噶尔盆地低阶煤储层为例,利用该模型计算的结果显示:三相态含气量构成以吸附气量和游离气量为主,溶解气量所占比例较少;随埋深增加和含水饱和度降低,含气量构成序列由吸附气量高于游离气量转换为游离气量高于吸附气量;含水饱和度越低,其相对含气量转换深度越浅。综合分析后认为,该区深部低阶煤气体构成以游离气为主,煤层气勘探的思路则要以寻找圈闭和局部构造高点为主。

鄂尔多斯盆地东缘临兴区块煤系叠置含气系统及其兼容性

叠置含气系统及其兼容性是煤系多类型非常规天然气合采可行性判识基础。基于临兴区块地层压力、天然气地球化学及生产数据解译,划分了叠置独立含气系统,探讨了含气系统间兼容性。基于地层压力梯度差异认为目标层段至少存在7套独立含气系统;基于产层的天然气甲烷同位素差异,认为太2段、山2~山1段、盒8~盒6段、盒3段等4套层系互不连通;基于天然气生产曲线差异,识别出山西组与石盒子组为2套独立含气系统。综合将研究区自上而下划分为千1~千4段、千5段、盒1~4段、盒5~8段、山1~太1段、太1~太2、本1段及本2段等独立含气系统。提取了地层压力梯度、气层厚度、渗透率及可动水量等影响合采兼容性关键因素,采用最优分割分类方法,指出研究区含气系统兼容性最佳分类数为5~6类,千5段、盒1~4段、盒5~8段等3套叠置含气系统合采兼容性较好。

沁水盆地深煤层注入CO_2提高煤层气采收率可行性分析

探讨CO2注入深煤层提高煤层气采收率可行性对于解放我国丰富深部煤层气资源具有积极意义。分析了沁水盆地不同深度条件下储层参数的变化规律,开展了CO2注入煤层增产效应的数值模拟研究。结果显示,煤储层参数随埋深呈非线性变化且各参数显著变化深度具有较好的对应性,存在500～600 m,950～1 150 m两个关键转折界限,据此将煤层划分为浅部、过渡、深部三带。随着埋深增加煤储层强非均质向均质转换,即所有参数在浅部较为离散而深部收敛。通过不同深度煤层的CO2注入生产效果模拟显示,注入CO2后煤层气采收率均得到不同幅度提高;注入CO2提高煤层气采收率效果由过渡带、浅部、深部逐步递减;注入时间越早和越长,提高采收率效果越显著;要实现深部煤层气采收率显著增加必须保证一定的CO2注入量;深部CO2封存优势显著。

平项山八矿煤层底板构造曲率对瓦斯的控制作用

基于河南平顶山八矿瓦斯地质背景分析,揭示了煤层瓦斯含量与煤层埋深的关系,探讨了断裂构造对煤层瓦斯的控制作用。采用曲度方法定量计算了煤层底板等高线构造曲率,并分别进行了构造曲率与煤田钻孔实测瓦斯含量、矿井实测相对瓦斯涌出量及突出煤量和瓦斯量的相关性分析。结果表明,构造曲率与瓦斯含量、瓦斯相对涌出量、突出瓦斯量、突出煤量呈负相关关系,反映研究区己15煤层位于褶皱中和面以上,即煤层在向斜轴部受挤压而背斜轴部受拉张,正曲率值反映煤层受到拉张应力作用,负曲率值反映煤层受到挤压应力作用,曲率绝对值越大,受力越大。

论深部煤层气成藏效应

从理论上分析了深部煤层气成藏的特殊性,系统阐述了煤层含气性、渗透性及流体压力系统的特征及其地质控制因素。研究认为:受地应力机制转换,深部煤层天然裂隙的产状和组合模式存在垂向分带性,进而影响到煤层渗透率的发育状况。构建了基于温压条件下吸附收缩膨胀、热膨胀、地应力及地下水化学等效应深部煤层渗透率数学模型,分析了深部煤层渗透率的分布规律。建模分析了地应力场、地温场及煤基质收缩膨胀效应对煤层压力状态的控制作用,发现深部煤层与浅部煤层的成压因素差异显著。在埋深1 200 m以浅,地应力和吸附量增加诱导的流体压力增强效应基本相当,地温效应最弱;埋深继续增大,地温效应变强,地应力次之,吸附膨胀效应最弱。基于较高温压条件下的煤吸附-解吸物理模拟,揭示了深部地层条件下煤吸附行为的特殊性。研究发现:埋深增大,煤级对煤吸附性的影响减小,高煤级煤吸附性对储层压力的敏感性弱于低～中煤级煤。构建了耦合煤级-温度-压力的有效扩散系数模型和深部煤层含气量数学模型,发现深部煤层含气量与埋深之间的"临界深度"受煤级、地层温度、地层压力的综合控制,临界深度在同煤级条件下随储层压力梯度增大而变浅,在相同煤级和储层压力梯度条件下随地温梯度减小而变深。认为临界深度以浅的地层压力对煤层含气量影响更为显著,临界深度以深则温度起着更为重要的控制作用。基于温压条件下的流固耦合实验,初步揭示了深部煤层力学性质和渗透性的特殊性及其地质影响因素。研究发现:无论煤级如何,围压均是影响煤岩力学性质最显著的因素;流体压力对较低煤级煤力学性质的影响相对较大,温度对较高煤级煤力学性质的影响似乎更为显著。以此为基础,进一步构建了深部煤岩力学性质预测模型。发现煤岩渗透率与有效应力、弹性模量、泊松比均呈负指数关系,温度对煤岩渗流能力的影响受控于煤级且极为复杂。通过三步加载地质因素,导出了吸附-温度-应力-流体压力效应耦合的深部煤层渗透率数学模型。研究提出了深部煤储层流体压力预测的"压力梯度校正系数法",构建了深部煤层气成藏效应预测的三元指标体系和模型。应用该套方法体系,对鄂尔多斯盆地东部的深部煤层气成藏效应进行分析,发现存在3种有利成藏组合方式和18种较有利组合,并预测了其区域分布规律。

李口集区块煤储层地质条件及煤层气采收率

基于煤田勘探资料和矿井实际观测结果,结合测试分析和数值计算,对平顶山矿区李口集区块煤储层地质条件进行了研究。结果表明:区块内主煤层的煤体结构破坏严重,小型裂隙发育但连通性较差,含气量中等且属于低压煤储层,煤层气采收率偏低,地面原位开采的难度较大。为此,建议该区块的煤层气开发以矿井抽采为主,并在煤矿采动带和采空区辅以合理的地面抽采工程。

中澳“能源地质学”课程教学探索与比较——以中国矿业大学和昆士兰大学为例

"能源地质学"课程建设是中国矿业大学资源勘查专业实现培养目标的重要工作。以产业需求为导向,以学生需求和体验为核心,以有限课时掌握基本事实、理论与方法为目标,深度融合煤、油、气地质理论与方法,将教学内容精炼为5大模块17个知识要点,设置从实验室到现场实训,采用多阶段、多类型课程考核方式。通过比较澳大利亚昆士兰大学能源地质学教学,下一步教学探索将集中在教学内容再凝练、实训及考核再优化、网络技术融合等。

深部煤层气成藏效应及其耦合关系

深部煤层气是中国非常规天然气勘探的一个新领域。从深部地应力状态转换、深部煤层吸附能力地温场负效应、深部温压下煤岩物理性质特殊性3个方面,分析了深部煤层气成藏的地质条件及其基本原理,论证了深部煤层气成藏效应的特殊性。结果显示:深部地应力状态发生转换的临界深度与水平最大主应力有关,对转换临界深度以深的煤储层渗透率造成不利影响;深部地温场对煤层吸附能力影响的负效应大于地层压力的正效应,造成深部煤层含气量同样存在一个临界深度,不能简单采用浅部梯度予以推测;围压是影响深部煤岩力学性质的主要因素,温度和流体压力对煤岩力学性质的影响更为复杂,它们不同程度地影响到煤储层的孔隙性、渗透性和吸附性。由于煤层围岩渗流能力的差异,深部煤层流体压力系统明显受含煤地层沉积格架的控制,可能导致同一套含煤地层中煤层与非煤储层分属于不同的含气系统。在此基础上,进一步提出了"四步递阶"的深部煤层气成藏效应耦合分析思路,为建立深部煤层气有利区带优选方法提供了基础。

沁水盆地南部高阶煤层气成藏规律与勘探开发技术

基于对沁水盆地南部高阶煤层气基本地质特征及成藏控制因素的分析,研究其成藏规律与勘探开发技术。勘探开发实践证实研究区煤层气藏具有三大特性:1煤阶高,吸附能力强,资源条件优势明显;2孔隙率低,双峰态孔隙结构,渗流条件瓶颈显著;3储集层压力梯度低,制约产出。在深入分析高阶煤特性基础上,提出了构造、沉积、热动力和水文地质条件"协同、互补、共存"成藏理论,建立了研究区煤层气非富集成藏模式,使成藏界定问题简化且直接指导煤层气开发选区。沁水盆地南部煤层气区块勘探开发形成了五大关键技术体系:1地球物理勘探综合评价技术,2适合于高阶煤储集层的钻完井技术,3储集层改造主体技术,4智能化排采控制技术,5煤层气田的数字化技术,为新区块煤层气产能建设的有序推进提供了技术支撑。

多叶光栅技术在鼻咽癌放疗中的应用

目的探讨多叶光栅(MLC)技术在鼻咽癌放疗中面颈联合野或耳前野与颈部切线野的衔接方法。方法用带多叶光栅和独立准直器的直线加速器,采取同中心、MLC半野技术,配合整体挡铅照射面颈联合野或耳前野与颈部切线野治疗鼻咽癌患者。结果根据测量,面颈联合野或耳前野与颈部切线野之间的剂量分布满意,无冷点和热点,与初步临床观察相符。结论用同中心、MLC半野技术,配合整体挡铅治疗鼻咽癌时,面颈联合野或耳前野与颈部切线野间的剂量衔接满意。

沁水盆地南部致密砂岩和页岩的气测显示与气藏类型

煤系本身及其上覆地层能够形成具有工业开发价值的致密砂岩和页岩气藏,综合勘探这些非常规天然气资源将有助于提高煤层气开发效益。依托17口井的气测录井资料,分析了沁水盆地南部石炭二叠纪煤系及其上覆地层致密砂岩和页岩的气测显示规律,讨论了致密砂岩气与页岩气的赋存方式和勘探前景。结果显示:区内砂岩和页岩的气测显示十分普遍,区域和层位显示差异较大;砂岩气发现几率相对较高,页岩气品位相对较好;下石盒子组具有砂岩气和页岩气的勘探潜力,太原组具有页岩储层厚度品位,山西组具有砂岩储层厚度品位。研究认为,页岩气最有利勘探层位为太原组,砂岩气最有利层位是下石盒子组,山西组也有一定的砂岩气和页岩气勘探潜力。以此为基础,初步划分出独立砂岩气、独立页岩气、煤-页岩-砂岩互层气组合3种气藏类型,认为砂岩气和页岩气有利区主要位于盆地中央地带,总体上沿复向斜轴部呈NNE向展布。其中,沁源区块中—南部、郑庄区块-马必区块-沁南区块结合部、柿庄北区块西北部3个核心区值得关注。

煤系非常规天然气资源特征及分隔合采技术

煤系为煤层气、页岩气、致密砂岩气多层叠置的储层群(青海木里煤田侏罗纪煤系上部还有天然气水合物矿层),海陆过渡相煤系以多层叠置页岩气与煤层气储层为主,陆相煤系以多层叠置煤层气与致密气储层为特色;煤-泥-砂结构系统使煤系内经常出现煤层气和页岩气的混合储层。中国煤系中煤层气资源量约为36.8×10^(12) m^3;页岩气、致密气资源量分别约为32×10^(12) m3和20×10^(12) m^3(未包括东北地区)。煤系"三气"单独开发经济效益不明显;煤系"三气"具有地面卸压带抽采和煤矿井下穿层钻孔抽采的便利条件;通过增加悬挂套管和连通管,文中设计了煤系"三气"原位分隔合采工艺技术。

煤系气合采地质技术前缘性探索

煤系气以不同相态赋存在不同岩性储层之中,勘探开发效果取决于吸附气与游离气或有机储层气与无机储层气之间合采兼容性及其地质控因。鉴于此,合采地质技术是煤系气开发技术体系的核心构成之一。通过近年来研究,认识到煤系气合采产层的层间矛盾正是煤系气合采兼容性问题,这一兼容性起源于合采产层能量状态、产层物性之间的差异,可采用生产数据统计分析、数值模拟、物理模拟等方法予以识别,但关于主要影响因素的认识却存在差异。尝试和研发了多种煤系气合采产层贡献判识手段,如井筒分层实时监测装置以及产出水地球化学动态分析、数值模拟与物理模拟、生产曲线分峰剥离等判识方法。这些手段和方法各具特色,其中基于生产曲线分峰剥离的合采产层贡献全过程反演分析值得关注。认识到煤系气合采门限问题无法回避,建立了以产气贡献为目标函数的煤系气合采产层组合优化与甜点区预测方法,并初步应用于工程示范实践。同时,煤系气开发模式与开发方式、合采产层排采地质动态诊断等技术也已提上研发日程。这些进展表明,我国煤系气地质评价技术体系正在形成,技术内涵正在不断丰富和深化,并将在煤系气规模性开发中发挥重要作用。

煤系气开采模式探索及先导工程示范

煤系气赋存态多种多样,储层属性复杂多变,经济高效开采模式尚处于探索起步阶段。分析了国内科技攻关和现场试验近期进展,初步总结关于煤系气开采模式现有认识,对比分析了不同模式的适用性和局限性,并以临兴区块示范工程为例分析归纳了产量曲线类型及其合采有效性特点,介绍了煤系气合采成功范例。以管柱结构设计和排采管控方式为主,考虑井型选择和压裂方式,将煤系气开采工艺初步归纳为分排、先分后合、合排3类模式。每类模式包括若干具体方式;这些模式和方式各有优缺点,分排及合排模式中的主要方式在应用中见到初步效果,先分后合模式目前尚处于设计乃至设想阶段。建议煤系气开采模式及其技术创新本着“因地制宜、取长补短、多措并举、有所侧重”的策略,根据气藏具体地质条件选用和发展适应性开采工艺。目前仅有的两个国家级示范专项工程推进了我国煤系气开采模式的创新,临汾示范区采用分区分采方式实现了煤系气开发规模快速扩展,临兴示范区探索“排气降压”诱控接续合排工艺初步实现了煤系多气经济高效合采。重点分析了临兴示范区煤系气开采工程示范效果,揭示了自然接续工艺下的煤系气生产规律,发现存在4种单井产量曲线类型,包括以解吸气多层合采为特征的I型曲线,以游离气-解吸气诱导控制接续合采的Ⅱ类、Ⅲ类曲线,以及单纯游离气产出的IV型曲线。工程示范结果展示,采用“排气降压”的诱控接续方式,可以在较为广泛的气藏条件下实现煤层气-煤系致密砂岩气、煤系致密砂岩气-页岩气的有效合采,是值得进一步探索和具有推广应用潜力的煤系气经济高效合采新模式。值得关注的是,具有工业价值的煤系多类型共生气藏均赋存在深部,而深部地层富水性往往微弱,使得“排水降压”传统模式难以奏效;而“排气降压”诱控接续恰恰针对于弱富水储层降压面临的这一局限,可能成为煤系气经济高效综合开发的一项重要技术。

我国煤层气矿井中—长期抽采规模情景预测

基于情景分析,探讨了我国矿井煤层气抽采规模的中—长期发展趋势。约束我国矿井煤层气抽采规模进一步提高的情景要素包括原煤产量、抽采率和吨煤抽采量,其中提高抽采率是增大抽采规模的惟一途径,仍有极大的提升空间,但需要抽采工艺与技术的进一步创新予以支撑。基于我国矿井煤层气抽采水平现状,参考相关机构对我国中—长期煤炭生产与消费量预测成果及美国主要煤矿抽采率状况,将全国矿井煤层气平均抽采率设置为30%,40%,50%,60%和70%五种情景,全国原煤产量设计为低、中、高3种情景。模拟分析了15种交叉情景下全国矿井煤层气抽采规模的中—长期发展趋势,探讨了各类情景出现的可能性,认为未来4个五年计划末期全国矿井煤层气抽采规模的最有可能情景分别为162亿,223亿,244亿,198亿m3。其中,2025年之前抽采规模将会大幅度持续上升,然后可能趋于下降,"天花板"在245亿m3左右。

鄂尔多斯盆地东缘上古生界煤系叠置含气系统发育的沉积控制机理

鄂尔多斯盆地东缘煤层气、致密砂岩气及页岩气"三气"共存,该区上古生界煤系储层垂向上存在着多个独立的含气系统,目前对该类煤系叠置含气系统发育的沉积控制机理尚缺乏系统深入的研究。为此,基于该区临兴区块上石炭统本溪组—下二叠统山西组钻井岩心观察及钻井、测井资料分析结果,探讨了上述问题。研究结果表明:(1)该区煤系叠置含气系统的发育受控于层序格架内具低孔隙度、低渗透率和高突破压力的含菱铁矿层(关键层)的空间展布;(2)关键层的发育受控于区域海侵事件层的空间分布,主要发育于最大海泛面附近并构成叠置含气系统隔水阻气的边界;(3)二级层序内最大海泛面附近广泛发育的关键层,构成了全区稳定发育的含气系统边界,三级层序最大海泛面附近发育的关键层常因后期(水下)分流河道冲刷切割而保存不全,促使相邻层序的煤系储层组合成统一的含气系统,为该区煤层气与致密砂岩气的共采创造了有利的地质条件。

叠置含气系统共采兼容性——煤系“三气”及深部煤层气开采中的共性地质问题

以煤层气、致密砂岩气和页岩气共生为特征的煤系"三气"是一类重要的非常规天然气资源,但我国目前尚未实现规模性共采。煤系"三气"地质条件客观存在的六大基本特点,一方面提供了优越的气源及其保存条件,另一方面造成多套流体压力系统叠置共生,共采兼容性问题突出,常规措施难以解决这一技术难题。控制叠置含气系统共采兼容性的核心地质条件在于2个方面:一是流体能量差异影响到含气系统之间的兼容性;二是不同储层力学性质和孔渗条件差异影响到系统内部共采兼容性。研究认为,层序地层格架、流体能量系统和岩石力学性质是影响叠置含气系统兼容性的3个关键地质要素;实现煤系"三气"共探与共采的基础是对相关地质问题的深刻理解,对共生特性及其共采地质动态的深入阐释则是贯穿煤系"三气"共采工艺优化和技术创新的主线。煤系"三气"共采工艺技术优化和创新的途径,需要以充分释放产能为目标,以叠置含气系统共采兼容性为约束条件。为此,叠置含气系统共采兼容性未来探索方向,集中在关键层高分辨识别、地层流体及能量高分辨识别、共采兼容性定量表征、开发地质单元与开发方式4个方面。

中国煤层气地面井中长期生产规模的情景预测

采用情景分析这一基本方法分析了影响煤层气产业发展的情景因素,认为中国煤层气产业发展规模呈国家需求与技术进步双要素单向增长趋势,存在较低规模、基准规模、跨越规模3类可能的基本情景。根据中国煤层气产业发展现状并参考美国煤层气产业发展历史,进一步筛选出单井产量、钻井总数、投产井比例3个关键要素,对今后20年期间中国煤层气地面井产量进行了情景设计和模拟分析。研究认为,在技术较大进步情景下,未来4个五年计划末期的全国地面井产量规模可能分别为113×108 m3、252×108 m3、452×108 m3和624×108 m3。这种情景的实现,需要在现有基础上进一步强化国家产业政策的扶持,提高煤层气井增产技术进步的速度,加大煤层气基地产能建设的力度。

不同煤阶深煤层含气量差异及其变化规律

基于Langmuir等温吸附方程式,开展不同煤阶不同温压条件下等温吸附模拟实验,实验结果表明：在煤岩镜质组反射率Ro〈3.0%时,Langmuir等温吸附曲线随煤阶、温度、压力升高表现出明显的分带性。随着煤阶的升高,煤吸附能力逐渐增强。温度小于55℃时不同煤阶Langmuir体积受温度影响较小,之后影响逐渐增大。低煤阶在12 MPa、中高煤阶在15 MPa以前随压力增加Langmuir体积增大明显。根据实测含气量外推法结合高温高压等温吸附实验建立了深煤层含气量数学模型,显示煤层含气量随埋深呈现快速增加—缓慢增加—不增加—缓慢减小的变化规律,其中低煤阶临界深度介于1400~1700 m,中高煤阶临界深度介于1500~1800 m。该含气量数学模型对预测深部煤层含气量变化规律及煤层气资源评价提供基础依据。