基于FTIR与烷烃气碳同位素特征的中阶煤结构演化研究

煤变质作用过程存在多次阶跃点,并发生以热降解-热裂解作用为主形成烷烃气。为探究中阶煤结构演化特征,以西山煤田中阶煤为研究对象,采用傅里叶红外光谱测试分析方法对中阶煤化学结构演化特征及其与烷烃气碳同位素关系进行了研究。结果表明,煤层气碳同位素值位于-57.20‰~-31.41‰之间,乙烷与甲烷碳同位素值相比变化相对较弱。样品中羟基以自缔合氢键为主,芳香烃结构以苯环三取代为主,芳碳率在演化中变化较弱,芳环缩合度则出现增大—减小—增大的变化趋势,脂肪烃以亚甲基含量为主,支链化程度参数在演化中出现减小—急增—减小的阶段性变化。结合甲烷碳同位素特征分析认为,中阶煤阶段结构演化可划分为五个阶段,第一阶段(0.65%<Ro<1.10%)以热解作用为主导,δ13C1呈微弱减小的趋势;第二阶段(1.10%<Ro<1.30%)以热解与缩聚的叠合为主,δ13C1值开始变重;第三阶段(1.30%<Ro<1.50%)由煤的热解逐渐进入以缩聚作用为主,烷烃气大量生成,δ13C1值变重趋势减弱;第四阶段(1.50%<Ro<1.80%)以缩聚作用为主,第五阶段(1.80%<Ro<2.0%)则由芳环的缩聚为叠合阶段做准备,δ13C1值的减小或与纳米孔隙结构变化对甲烷吸附的差异有关。中阶煤化学结构演化和碳同位素变化关系的研究对指导煤层气勘探开发和煤炭资源清洁利用具有重要意义。

低–中阶煤压汞实验可靠性分析与压缩性校正

低−中阶煤煤质软、在高压条件下煤基质压缩效应明显,应用压汞实验能否得到可靠的孔隙结构存在争议。选取4种低−中阶煤样品,通过对比不同粒度样品的进汞曲线、压汞前后的宏观与显微特征,建立高压段进汞量的校正方法,研究了压汞实验对低−中阶煤中孔隙测试结果的可靠性。结果表明:(1)柱状样品能保留更多的原生裂隙,有效避免低压阶段的粒间孔与麻皮效应,更适用于低−中阶煤的压汞测试;(2)宏观与微观尺度下均未发现汞在高压下对煤基质与孔隙的破坏作用,压汞孔容偏高主要是煤基质压缩效应的结果,压缩性校正后压汞测孔隙率与氦气测孔隙率基本一致,6~100 nm的孔容校正后与低温N2吸附结果的差值降低了29.87%~55.49%,表明压汞实验可以应用于低−中阶煤中孔隙结构的测定;(3)针对高压阶段的煤基质压缩效应,建立了压缩性累积校正方法,对大于20 MPa高压段数据进行校正后,进汞量降低了0.0170~0.0323 mL/g,纳米孔隙与低温N2吸附实验结果更为接近;(4)低−中阶煤中孔隙的孔容主要源于大孔,褐煤与长焰煤孔隙发育差异显著,褐煤压汞孔容为0.1687 cm^(3)/g,长焰煤压汞孔容介于0.0272~0.0720 cm^(3)/g,孔隙特别发育的样品,植物组织胞腔孔是孔容的主要来源。

鄂尔多斯盆地西缘中阶煤储层改造效果分析

储层改造是煤层气增产的最有效方式之一,而不同区块的储层物性特征和构造地质条件差异性较大,储层改造工艺及参数的合理选择是决定改造增产效果的关键因素,文章针对鄂尔多斯盆地西缘北段贺兰山煤田某矿区中阶煤储层已实施的3口煤层气直井的压裂工艺和排采产气效果分析,对水力压裂改造工艺参数提出了优化改进方向,对本地区今后煤层气高效开发具有重要意义。

中阶煤有效弹性力学性质研究

煤的力学性质是制定钻完井与煤层气开发方案和工程措施的重要依据,也是影响煤层气储层改造效果的重要因素。煤内部含有大量的内生裂隙、构造裂隙和微孔隙,在不同应力条件下其力学参数具有显著差异。目前关于煤在不同应力条件下的有效力学参数变化规律及其内在原因的研究成果还较为欠缺,通过三轴压缩试验,可对不同应力状态下中阶煤有效弹性力学性质进行研究。研究表明,不同应力作用下煤的变形受孔隙、裂隙影响显著;在弹性变形阶段,随着围压的增加,中阶煤的有效弹性模量及有效泊松比有增加趋势,煤的有效弹性模量及有效泊松比与围压间呈非线性关系,且当围压增大到一定程度后有效弹性模量及有效泊松比趋于恒定。对应力状态影响煤有效弹性力学性质进行分析,给出了基于三轴压缩试验的含张裂缝中阶煤有效弹性模量及有效泊松比经验公式,同时对公式的适用性进行了分析。

中阶煤孔隙结构的氮吸附-压汞-核磁共振联合表征研究

为精确表征中阶煤储层的孔隙特征,以不同煤阶的4组煤样为研究对象,采用压汞、液氮吸附及核磁共振等试验方法,对其特征参数进行定量研究。结果表明,煤储层是以微小孔为主、中孔次之、大孔最少,微小孔为比表面积与孔容积的主要贡献者。中阶煤的孔容积为(3.19~5.21)×10^(-2) mL/g,比表面积为6.25~9.81 m^(2)/g,孔隙度为5.171%~8.307%,渗透率为(0.008~1.253)×10^(-3)μm^(2)。肥煤与焦煤的孔隙是以开放性孔为主,瘦煤与贫煤的孔隙以封闭或半封闭型孔为主;肥煤微小孔隙多为平行板孔,焦煤与瘦煤为双锥管孔或锥形孔,贫煤为尖劈形孔或圆筒孔。随着煤阶的升高,微小孔、吸附孔喉占比逐渐增大,中大孔、渗流孔喉占比逐渐减小,孔隙之间连通性越来越差,渗透率逐渐降低。随着煤阶的降低,比表面积逐渐减小,有效孔隙度逐渐增大,残余孔隙度逐渐减小,孔容积、总孔隙度呈现出先减小后增大的趋势。

ASE萃取对低、中阶煤增产生物气的研究

为研究有机溶剂萃取对不同煤阶煤生物气的增产效果,采用加速溶剂萃取法(ASE)分别对中阶煤与低阶煤进行预处理,对原煤预处理后所得残煤和萃余物进行微生物成气实验。通过改变ASE的条件参数,讨论不同萃取温度和萃取次数对煤萃取效果的影响,分析了不同煤阶的原煤、萃取残煤和萃余物的生物甲烷的产生途径及增产效果,对原煤、萃取残煤和成气后残煤进行了傅里叶变换红外光谱(FTIR)分析,研究了煤中化学结构和官能团的变化。结果表明:ASE萃取的最佳条件是萃取温度为100℃,萃取次数为10次;中阶煤的萃取率为1.06%,低阶煤的萃取率为4.23%。在煤生物产甲烷过程中,第一阶段生成的甲烷主要是二氧化碳氢还原途径产出,而第二阶段产生的甲烷主要由乙酸发酵主导。ASE萃取后,中阶煤的残煤和萃余物的生物甲烷产量分别比原煤提高了38%和210%;低阶煤的残煤和萃余物的生物甲烷产量分别比原煤提高了17%和113%。低阶煤经ASE萃取后所得残煤和萃余物的甲烷产量均大于中阶煤的残煤和萃余物,分别高出了33%和4%。原煤经ASE萃取后部分芳环被打开,碳碳双键和羧基含量增加;萃取残煤经微生物作用后,煤中碳碳双键和羧基含量均减少。不同煤阶煤经萃取后明显提高了微生物的利用效率,增加了生物甲烷产量,该方法可为煤生物甲烷的增效研究提供一种新途径。

中国中阶煤和高阶煤的储层特性及提高单井产量主要对策

中国山西河东地区中阶煤储层的含气量比较低、含气饱和度低,而储层渗透性好,储层能量比较大;山西沁水盆地南部高阶煤储层的含气饱和度比较低,渗透率小,储层能量低。文章针对这些特点,进行了精细的地质对比研究,提出了提高气产量的对策。认为最大限度地降低储层的废弃压力可提高采收率;应通过改善钻井液、采用欠平衡钻井和羽状水平井钻井技术,最大限度地降低钻井工程对煤层气储层造成的伤害;同时还要利用合理的固井程序和水泥浆、套管射孔完井技术和压裂技术;通过排水降压提高有效压差及注入CO2来达到加快煤层气解吸和提高解吸量的目的。实践表明,该技术对提高单井气产量意义重大。

重复荷载下不同饱水压力中阶煤应力敏感性研究

为了查明煤层气开发中有效应力变化对含水中阶煤储层渗透性的影响,对黔西松河区块1+3号煤层的同一煤柱重复开展了应力敏感性试验,分析了重复荷载作用与饱水压力对煤储层渗透率及应力敏感性的影响机理,并探讨了煤层气井储层改造与排采优化措施。研究表明:重复荷载作用与煤样饱水压力共同影响着中阶煤储层气测渗透率及应力敏感性。随着重复荷载次数增加,煤体发生塑性-弹性变形演化,应力敏感性逐渐减弱,渗透率不可逆损害率降低。与10 MPa饱水压力相比,20MPa饱水煤样初始气测渗透率显著降低,应力敏感性减弱并逐渐趋于稳定。中阶煤储层微观孔裂隙发育,渗透率应力敏感性强,煤层气开发工程中应重视煤储层保护。

含水饱和度对中阶煤储层应力敏感性影响实验

为了查明含水饱和度对中阶煤储层应力敏感性的影响,对煤层气井储层改造及排采工作提供指导,利用自主设计的实验装置开展了黔西松河矿龙潭组1+3号、15号煤干燥、含水及饱水条件下液测、气测渗透率应力敏感性实验,分析了煤样渗透率、渗透率损害率、渗透率不可逆损害率、应力敏感性系数变化特征。研究结果表明:随着含水饱和度升高,中阶煤液测渗透率应力敏感性增强,加卸载造成的渗透率不可逆损害率增大。含水饱和度升高导致初始气测渗透率降低,干燥煤样孔裂隙闭合程度高,饱水煤样因束缚水饱和度高,具有较强的气测渗透率应力敏感性。干燥煤样、含水煤样适宜采用幂函数表征无因次气测渗透率与有效应力的关系,饱水煤样则更适合采用负指数函数表征两者关系。中阶煤储层压裂及排采过程中应重视储层保护,当煤储层含水性较弱时,应优先考虑采用CO_2或N_2泡沫压裂方式进行储层改造。

新疆中低阶煤微晶结构研究

基于X射线衍射实验和傅里叶红外光谱实验,探讨了新疆准东、准南、吐哈及库拜煤田6组煤样的微晶结构特征及演化规律。结果表明:低阶煤中,002峰和100峰均峰形平缓,002峰随煤阶的增高逐渐尖锐,且“对称性”变好,100峰高度逐渐增高,但峰宽逐渐变窄;随着煤样变质程度的增大,芳香层片堆砌高度、延展度及其数量逐渐增大,芳香层片间距整体上呈下降趋势,煤中芳香结构的缩合程度逐渐增大;芳香族化合物和含氧官能团波段峰形尖锐,脂肪烃类物质和羟基官能团波段峰形平缓,均随着煤阶的升高而逐渐宽缓;随着煤阶的升高,芳香度、脂肪链长及其支链化程度、成熟度逐渐减小,而缩聚程度、生烃(油)能力逐渐增大;煤的演化过程以含氧官能团的脱落、脂肪烃类的富集、部分芳烃的缩聚为特征。

整合压汞、N_(2)和CO_(2)吸附的中−高阶煤多重分形特征

煤储层孔隙结构多重分形特征控制着煤层气的运移和可持续产出,直接决定了煤层气的开采效率,对煤层气开采具有重要意义。为了研究中−高阶煤孔隙结构多重分形特征及其在煤化作用过程中的演化趋势,针对取自沁水煤田生产矿井的中−高阶煤样,整合高压压汞、低温氮气吸附实验和二氧化碳吸附实验,结合多重分形理论,表征并探究了中−高阶煤储层宏孔(>50 nm)、介孔(2~50 nm)和微孔(<2 nm)的多重分形特征在煤化作用过程中的演化趋势及其影响因素。结果表明,中−高阶煤宏孔、介孔和微孔的广义维数谱(D_(q)−q)和多重分形奇异谱(f(α)−α)均满足多重分形特征,这意味着中−高阶煤宏孔、介孔和微孔均表现出多重分形行为。相对于宏孔和介孔,微孔表现出更大的奇异性指数α_(0)和谱宽(ΔD)与较小的赫斯特指数(Hurst,H),即微孔具有更强的非均质性和更差的孔隙连通性。煤化作用促进了煤中大分子的聚合,使煤储层由宏孔优势型和宏孔−微孔并存型储层转变为更为致密的微孔优势型储层,煤中不同尺度孔隙孔径分布趋于均质化,导致中−高阶煤储层孔隙结构均质性的增强和孔隙连通性的改善。宏孔和微孔体积分数对其相应孔径范围内孔隙结构非均质性分别存在积极和消极的影响,而介孔体积分数并不是介孔孔隙孔径分布非均质性的有效约束。镜质组和惰质组对孔隙孔径分布非均质性表现出相反的影响,镜惰比(V/I)与H之间存在正相关性,与α_(0)之间呈负相关性,富镜质组煤发育更多的微孔从而表现出更强的孔隙结构均质性和较好的孔隙连通性。

中低煤阶煤孔隙特征及对瓦斯放散特性的影响

为了研究中低煤阶煤孔隙特征及其对瓦斯放散特性的影响,对采集的中低煤阶长焰煤、气煤、焦煤和1/3焦煤4个煤类共计14组样品进行了煤工业分析、煤岩分析、液氮吸附和瓦斯放散初速度测试,结合分形理论研究了中低煤阶煤比表面积、孔容和孔隙分布特征及其瓦斯放散特性。结果表明:中低煤阶煤孔比表面积孔径分布主要以小孔和微孔为主,孔隙形态为以一端开口的孔为主,含有少量两端开口的孔,部分样品含有少量墨水瓶形孔。中低煤阶煤孔隙具有较好的分形特征,孔比表面积、孔容与分形维数具有明显的对数关系。中低阶煤瓦斯放散初速度较小,瓦斯放散初速度随着分形维数增大而减小,随着平均孔径的增大而增大。随着各孔径段孔容积、孔比表面积含量增加瓦斯放散初速度均呈负对数减小趋势,各孔径段比例和煤孔隙形态类型的细微变化对瓦斯放散初速度的影响不大。

新疆后峡盆地中–低阶煤煤层气成藏模式

低阶煤层气在国外有规模开发成功的案例,我国低阶煤层气资源丰富,但其勘探开发进展缓慢。新疆后峡盆地煤层气勘探程度较低,为进一步认识后峡盆地中–低阶煤煤层气成藏条件,指导勘探实践,根据研究区内地震、地质及已钻探井的煤岩分析化验和排采生产资料进行总结分析。结果表明,该区构造较为复杂,煤层厚度较大(4.1~24.3 m),发育较稳定,含气量差异较大(1.16~12.30 m^(3)/t),物性较好,渗透率(1.61~13.30)×10^(-3)μm^(2),渗透性较好;并且存在热成因、次生热成因、混合成因及生物成因4种煤层气成因类型,结合构造演化、水文地质及煤层顶底板保存条件,形成了深层热成因、常规圈闭次生热成因及中浅斜坡生物气3种成藏模式,每一种成藏模式代表了不同的煤层气富集过程。认为研究区中–低阶煤煤层气在匹配的构造、水文及顶底板封盖条件下能够形成有利的资源富集区;3种成藏模式中,深层热成因及常规圈闭次生热成因成藏模式更有利于聚集成藏,其对应的区域是今后勘探开发有利区。

宁夏煤的分子结构演化特征

以宁夏宁东、贺兰山、宁南和香山等四大煤田不同矿区典型煤样为研究对象,采用X射线衍射、拉曼光谱和傅里叶红外光谱对煤结构进行表征,结合分峰拟合来获取煤结构参数及变化规律。结果表明:低-中煤阶煤光学性质是各向同性的,芳香层片尺寸较小,任意取向;随着煤级的增加,芳香层间距d002值以最快的速率减小,延展度La则加快增长,在Rmax大于2.0%后,d002值变化幅度减缓与堆砌度Lc值增大相对应;在d002<0.3480 nm,拉曼参数ID1/IG、AD1/AD1+G开始线性减小,煤的分子结构中芳香层片尺寸增大,定向性增强,光学性质在平行和垂直于芳香层片方向上呈现各向异性,结构有序化程度增大;随着煤化程度的增高,红外光谱显示脂肪结构含量较低,芳香结构吸收带显著,芳香度参数迅速增大,脂肪烃侧链快速脱落,生烃潜力参数‘A’变小;贺兰山煤田和香山煤田煤叠加了岩浆热作用,变质温度较高,导致芳香环缩合程度增强,芳香烃类物质增多。研究结果对煤的结构演化与煤炭清洁高效利用有一定指导意义。

准南煤田低煤阶煤层气甲烷风化带的确定及影响因素分析

通过对准南煤田两大矿区低煤阶煤层气勘探和开发资料的对比研究,发现硫磺沟矿区甲烷风化带深度为670 m,阜康矿区甲烷风化带深度为450m,水文地质条件的差异导致了两大矿区甲烷风化带的巨大差异。进一步研究发现火烧区滞水层的存在与否是导致两矿区甲烷风化带差异的主控因素:阜康矿区由于火烧区的存在,火烧区烧变岩系渗透性被强烈改造,成为最直接的地表水下渗补偿通道,一方面由此形成的滞水层有效隔绝了氧气,避免了煤层氧化,另一方面地表水的下渗有效抑制了煤层气的逸散,减少了煤层气的损失,从而导致其甲烷风化带较不存在火烧区的硫磺沟矿区浅。

准南煤田呼图壁矿区单斜-承压式煤层气富集规律研究

通过系统收集、分析已有煤田、煤矿及油气勘探资料,对影响呼图壁矿区煤层气富集的煤级、构造、沉积、水文地质等诸多因素进行深入研究。综合各项研究分析得出:煤级较高、单斜构造、地下水矿化度适中及封盖条件较好的区域为煤层气最有利富集区,是呼图壁矿区下一步勘探开发的有利地区。

高陡倾斜煤层沿煤层钻井研究——以准南昌吉地区为例

针对准噶尔盆地南缘煤层倾角大、地应力复杂的煤层气井钻探难题,基于弱面理论研究了煤层倾角、地应力、造(降)斜对井壁安全的影响,建立起多目标约束的沿煤层钻井轨迹优化模型。研究表明:(1)昌吉地区煤层倾角为10°~25°,局部达到25°~40°,属于高陡倾斜煤层,具有渗透率各向异性强、地应力各向异性强、岩体力学性质各向异性强的特点。(2)钻水平井时,根据倾角对井壁稳定影响分为作用区、过渡区和反转区,倾角在5°~25°时为作用区,沿倾向钻井最安全,沿走向钻井最危险;倾角大于65°后进入反转区,沿倾向、走向都成为安全钻井方位。地应力各向异性越大,坍塌压力越高、安全钻井方位的范围越小。(3)沿煤层倾向钻井时,倾角小于35°时建议沿煤层上倾方向钻井;倾角大于65°时建议沿煤层下倾方向钻井;倾角在35°~65°范围内井壁安全性最低,建议沿煤层走向钻井;井斜角在45°~65°时是最危险造(降)斜段,应尽量避免在此井斜范围对煤层造(降)斜。(4)为降低煤层着陆点到首靶点的坍塌压力,提出S型、J型两种沿煤层钻井轨迹类型,从对比结果看出本文方法比常规方法设计的井眼进尺更短、摩阻扭矩更小。

Coal reservoir characteristics and their controlling factors in the eastern Ordos basin in China

In the eastern Ordos basin, due to the diversity of the tectonic setting, coal rank, gas content and permeability, coal reservoirs have differing characteristics. In this paper, based on coal reservoir geometry, gas content, adsorption capacity, pores and fissures developments and permeability data, the coalbed methane(CBM) reservoir characteristics and their controlling factors in the eastern Ordos basin is discussed. The results show that, due to undergoing different paleo-temperatures in the geological history,coal rank has a higher trend from the north part to the south and from the shallow part to the inward basin, which determines CBM distribution and recoverability. In the north, although having large coal thickness and high permeability, Zhungeer-Xingxian coal rank is low, and gas content is small. In the central part, with medium rank, higher gas content and relatively high permeability, and the Wubao-Liulin area is the most favorable area in the eastern Ordos basin. In the southern part, medium and high metamorphism coal occurs, and although having the highest gas content, the permeability in the Hancheng area is low due to the development of sheared coal.