新疆煤层气大规模高效勘探开发关键技术领域研究进展与突破方向

新疆煤层气资源量7.5万亿m^(3)(2000 m以浅),已施工煤层气井450口,年产气量达到0.8亿m^(3),新疆维吾尔自治区提出了2025年实现煤层气产量25亿m^(3)的目标,煤层气大规模高效开发成为紧迫的重大需求。从煤层气富集模式与选区技术、“甜点”预测探测技术、加速滚动开发与快速增储上产策略、地质适配性开发技术、煤层气与煤炭、油气协同开发技术5个关键技术领域,系统梳理了新疆煤层气勘探开发已取得的主要研究进展,分析提出了可能突破方向。研究表明:新疆煤储层具有多-厚煤层普遍、低阶煤发育、急倾斜煤层多见、煤体变形与构造控制显著、水文条件和露头条件复杂,和三“低”(含气量低、甲烷体积分数低、含气饱和度低)五“高”(高含气强度、高孔隙度、高地应力变化、高储层压力变化、高渗透率变化)的含气性及物性等煤层气地质独特性;煤层气成因与富集模式具有多样性,包括生物成因气、热成因气或生物-热复合成因及其相应富集模式,生物成因气藏或生物成因气贡献普遍;煤层气分布赋存规律呈现前陆盆地、山间盆地显著差异性;创新形成基于“两”分开(浅部与深部,低阶煤与中高阶煤)“两”结合(地质评价与工程评价,多元数据)的科学评价与基于“机器学习+三维地质建模”的精准选区技术是第1个突破方向。深部煤层气/煤系气“甜点”发育区域主要为盆内坳陷的凸起、盆内隆起的凹陷、盆缘斜坡,高产井位多为构造高点,发育层位为割理裂隙发育的原生结构煤层或孔裂隙发育的煤系砂砾岩储层;基于“地球物理+岩石物理+岩石力学地层新方法”和“地质甜点+工程甜点新理念”的深部煤层气/煤系气“甜点”预测探测技术是第2个突破方向。低风险、短周期、高效率、多批次工程部署是加速滚动开发的基本原则;中浅部煤层气快速增储上产技术策略是在优选新区块布井建井、对老区块煤层气井进行增产改造;深部煤层气快速增储上产技术策略是在大型盆地缓坡深部和盆内凸起“甜点”区优先部署开发;科学加速滚动开发与高效快速增储上产的工程部署方法与技术策略是第3个突破方向。在井网井型差异性优化部署、低储层伤害钻井固井、高可靠性录井测井试井、多井型高效分段压裂、低套压-控压排采管控等工程技术取得重要进展;发展构建新疆煤层气大规模高效勘探开发地质适配性技术体系是第4个突破方向。开展先采气后采煤、煤层气与煤共采、煤层气与原位富油煤共采,推动中浅部煤层气与煤炭协同勘探开发;开展煤系叠合型气藏开发、煤层气与煤系气共探共采、煤系全油气系统勘探开发,推动深部煤层气与油气协同勘探开发,已有关注和探索;煤层气与煤、油气共探共采是第5个突破方向。成果试图为新疆煤层气大规模高效勘探开发提供技术支持和工程决策参考。

碎软低渗煤储层强化与煤层气地面开发技术进展

我国碎软低渗煤储层分布广泛,然而由于其煤体松软、破碎、渗透性差,常规的直井/水平井煤储层直接压裂技术应用于碎软低渗煤储层强化及其煤层气地面开发的效果并不理想,碎软低渗煤储层煤层气的高效开发是制约我国煤层气产业大规模发展以及煤矿瓦斯高效治理的重要技术瓶颈。在系统分析我国碎软低渗煤储层特征及煤层气地面开发中存在的问题基础上,以水平井为基础井型,围绕间接压裂、应力释放和先固结后压裂3种不同的技术方向,梳理了目前碎软低渗煤储层强化与煤层气地面开发技术进展。归纳评述了以顶板间接压裂、夹矸层间接压裂以及硬煤分层间接压裂为内涵的间接压裂煤层气开发技术,以水力喷射造穴、气体动力造穴、扩孔+水力喷射+流体加卸载诱导失稳造穴、水力割缝为不同应力释放方式的应力释放煤层气开发技术,以及先微生物诱导碳酸钙固结碎软煤储层再进行水力压裂的先固结后压裂煤层气开发技术。间接压裂技术的工程实践探索已有较多积累,在地质条件适宜地区对碎软低渗煤储层强化取得了较好效果,而以应力释放为代表的碎软低渗煤储层强化新技术探索已取得重大进展,并进入工程试验和验证阶段。水平井应力释放技术针对碎软低渗煤储层特性和新的开发原理,其对储层改造潜力更大、煤层气开发效果会更好。基于水平井应力释放技术,围绕扩大应力释放范围、提高煤层气开发效果以及实现煤与煤层气共采3个方面,对碎软低渗煤储层强化及煤层气地面开发技术的发展趋势进行了展望,以期为改善我国碎软低渗煤储层增产改造效果以及提高煤层气单井产量提供参考。

宁夏回族自治区碳捕集、利用与封存源汇匹配与集群部署

“双碳”(碳达峰、碳中和)战略背景下,碳捕集、利用与封存技术(CCUS)是实现化石能源大规模低碳化利用的关键技术之一。近年,CCUS技术呈现出规模化和集群化发展趋势,而科学、合理的源汇匹配是CCUS集群部署工程选址的重要依据,能够建立高效CO_(2)输运管网、降低减排成本。宁夏是国家能源安全战略布局的重要保障基地,能源结构偏煤、工业结构偏重特征明显,面临着巨大的碳减排压力。针对宁夏CCUS集群部署的源汇匹配问题,调研评估了宁夏工业碳排放源特征和地质碳汇潜力,构建了CCUS源汇匹配模型,在充分考虑源汇性质、捕集-输运-封存成本、CO_(2)运输距离、区域地理条件、土地利用类型、人口密度等因素基础上,应用改进的节约里程法和基于地理信息系统(GIS)的最低成本路径优化法,结合ArcGIS平台和优化求解软件,获得了宁夏CCUS源汇匹配优化和应用方案,并提出宁夏CCUS集群部署建议。结果表明,截止2021年,宁夏工业碳排放源107个,碳排放总量2.26亿t/a,以化工(含自备电厂)和电力行业碳排放为主。宁夏主要封存地质体包括深部咸水层、深部不可开采煤层和油气藏,CO_(2)理论地质封存容量151.55亿t,以深部咸水层封存潜力最大。宁夏CCUS源汇匹配效果较好,在源汇直接相连的情况下,区内年排放量10万t以上的大型工业排放源CCUS集群部署(30 a规划期)总成本约2.45万亿元,并以捕集成本为主,占比83.65%,单位减排成本402.32元/t,共需建设CO_(2)运输管道2 459 km;改进的节约里程法和基于GIS的最低成本路径优化法可大幅降低CCUS集群部署成本,优化后CCUS单位减排成本降至381.76元/t,节约管道建设里程938 km。宁夏应聚焦电力、化工等“两高”(高耗能、高排放)行业,在以宁东能源化工基地为重点的北部、东部地区超前应用CCUS技术,打造宁东能源化工基地、银川—吴忠、石嘴山、中卫和固原5个CCUS特色集群,构建宁夏特色的工程化CCUS全流程技术模式。

煤层亚临界/超临界CO_(2)吸附特征与封存模式

大规模高效CO_(2)地质封存是短期内快速实现CO_(2)减排的关键途径之一,以吸附特征为主要封存机制的深部不可采煤层CO_(2)封存具有规模化实施的潜力。为研究深部煤层CO_(2)封存机制,以沁水盆地无烟煤为研究对象,开展了高温高压CO_(2)吸附实验,并采用简化局部密度模型(SLD-PR)拟合,分析了温压变化下不同孔隙的吸附相密度分布特征,揭示了以吸附相密度和最大吸附层厚度协同变化为核心的煤层CO_(2)封存机理,最后通过准确划分孔内吸附空间与自由空间,预测了不同埋深下煤层CO_(2)封存量。研究结果表明:(1)不同温度下超临界CO_(2)吸附曲线均表现出典型的超临界气体吸附特征,过剩吸附量(最大值介于1·25~1·75 mmol/g)在达到最大值后下降;(2)孔隙内CO_(2)吸附层分为接触层、内层和过渡层,亚临界CO_(2)在孔内以单分子层吸附为主,而超临界CO_(2)吸附方式为多分子层吸附;(3)最大吸附层厚度随埋深增加而减小,与温度呈正相关,而与压力呈负相关;(4)CO_(2)平均吸附相密度随埋深“先增后减”,总封存量与绝对吸附量曲线在CO_(2)处于超临界状态下存在差异。结论认为:(1)在吸附空间与吸附相密度协变下,煤层CO_(2)微观封存模式随埋深可分为亚临界单分子层吸附、超临界类气态多分子层吸附型以及超临界类液态多分子层吸附3种类型,自由相封存量对总封存量的贡献随埋深增加,但吸附封存仍是煤层CO_(2)封存的主要方式;(2)研究成果揭示了原位煤层超临界CO_(2)封存机理,能够为深部煤层CO_(2)封存能力评价提供新认识。

中国煤炭甲烷管控与减排潜力

甲烷是最主要的非二氧化碳温室气体,受到越来越多的重视。煤炭甲烷是我国最主要的甲烷排放源类型,我国也是世界煤炭甲烷排放量最大的国家,煤炭甲烷的有效排放管控与高效开发利用兼具温室气体减排、能源气体开发利用和灾害气体防治三重意义。基于系统调研和研究工作积累,概述了煤炭甲烷排放管控背景,总结了全球与代表性国家煤炭甲烷排放及其管控现状,阐释了我国煤炭甲烷开发利用与排放管控历程及发展趋势,讨论和前瞻了我国煤炭甲烷减排路径与减排潜力。已有研究工作表明:我国煤炭甲烷排放主要来自煤炭地下开采风排瓦斯,且较长时期内仍是我国煤炭甲烷的主要来源;随着我国关闭矿井增多,由此产生的关闭矿井甲烷排放量呈增长趋势,是我国煤炭甲烷不容忽视的来源。随着碳中和目标的提出,温室气体减排的政策导向逐渐成为我国煤炭甲烷排放管控的重点,明确了煤炭甲烷减排方向。我国煤炭甲烷排放管控形成了以煤层气勘探开发利用、煤矿瓦斯抽采利用、关闭/废弃矿井瓦斯抽采利用、乏风瓦斯利用等全浓度利用,煤炭采前、采中和采后全周期利用为特征的关键技术路径。我国煤炭甲烷排放管控面临巨大压力和严峻挑战,诸多政策、机制、技术问题亟待破解。突破复杂地质条件适配性煤层气高效勘探开发技术体系,精准化、数字化、智能化、低碳化煤矿瓦斯高效抽采技术体系,关闭/废弃矿井煤炭甲烷减排管控与利用技术体系,全浓度瓦斯综合利用技术体系等是主要发展方向。

CO_(2)地质封存潜力与能源资源协同的技术基础研究进展

规模化集群化部署是CCUS技术发展方向和化石能源低碳化利用的国家重大需求,CO_(2)地质封存潜力与能源资源协同关系及机制是实现CCUS技术规模化、集群化部署的理论基础。系统梳理评述了国内外CO_(2)地质封存潜力及其评价方法、CCUS源汇匹配与管网设计模型、CO_(2)地质封存潜力与能源资源协同关系、CCUS集群部署技术基础与模式等领域的主要进展,讨论展望了我国CO_(2)地质封存潜力与能源资源协同理论方法体系的研究思路。研究工作取得以下认识:CO_(2)地质封存潜力制约着CCUS技术的发展潜力与应用规模,适宜性评价方法、封存容量评估方法和封存选址方法所构成的CO_(2)地质封存潜力评价方法体系已初步建立,但亟待完善发展;源汇匹配是CO_(2)运输管网设计与CCUS技术集群化部署的重要直接依据,完善建立CCUS源汇匹配规划优化模型与CCUS集群管网设计模型是技术关键,从单阶段静态规划模型向多阶段动态规划模型发展是方向;CO_(2)地质封存潜力与能源资源协同关系构成了CCUS技术的约束条件,CCUS技术与可再生能源、氢能、储能等新能源技术的协同有望形成实现能源系统脱碳的新路径、新模式和新方向,CO_(2)地质封存潜力与生物质、水资源协同关系约束了CCUS技术规模化部署地域和BECCS技术发展应用潜力,基于CCUS源汇匹配模型的能源资源系统优化模型研究也成为新的技术需求;CO_(2)地质封存潜力、能源系统约束的CCUS源汇匹配优化方案和CCUS全流程技术体系构成CCUS集群化部署的重要技术基础,近源输送陆上封存CCUS集群部署模式应是我国优先考虑发展方向,远源输送陆上封存CCUS集群部署模式和离岸封存CCUS集群部署模式在我国长三角、大湾区等区域也有发展前景。

华东地区深部煤层气资源与勘探开发前景

华东地区深部煤层气勘探开发对保障区域能源需求、优化地区能源结构、实现“双碳”目标具有重要意义。基于系统调研和前期研究积累,总结了华东地区煤层气及瓦斯抽采现状,分析了该地区深部煤层含气特征与资源潜力,探讨了已有深部煤层气勘探开发技术在华东地区的适用性,讨论并预测了华东地区深部煤层气勘探开发潜在有利区,最后提出了华东地区开展深部煤层气勘探开发的优势和挑战。已有研究结果表明:华东地区针对煤矿区及构造煤的煤层气勘探开发技术储备良好,形成了煤矿区煤层气开发“淮南模式”与构造煤煤层气顶板水平井分段压裂开发技术。华东地区深部煤层具有含气量高(大于10 cm^(3)/g)和含气饱和度高(大于80%)的特征,两淮矿区深部煤层气预测地质资源量占绝大多数,2000 m以浅高达8984.69×10^(8)m^(3),表明两淮地区深部煤层气具备良好的资源优势。深部煤层气的水平井等开发方式及造洞穴应力释放、水力割缝等增产工艺在华东地区具有较大的应用前景,淮南煤田潘谢矿区可作为华东地区深部煤层气勘探开发先导试验区。华东地区深部煤层气工作程度低,需要开展区域性的深部煤层气资源评价与典型地区成藏规律的深入解剖。

无烟煤储层煤层水的相变传质过程及其煤层气开发的工程启示

科学认识煤层孔裂隙中流体流动与传质机理是实现煤层气高效产出的治本之策。煤层气开发过程中,煤层水的赋存和运移产出特征不仅决定了煤层气井疏水降压效果,同时显著影响了CH4解吸、运移、产出过程,对煤层气井高效排采管控至关重要。以沁水盆地南部樊庄区块为例,基于煤层水赋存形式、产出过程和流动形态的认识,开展了煤层水相变传质机制的研究,并量化了工程背景下无烟煤储层煤层水相变传质的阈值孔径,探讨了其对煤层气开发的工程启示。结果表明:煤层水的赋存状态可动态转变,流体压差是发生动态转变的主要机制。水的单相流动阶段,可动水的运移主要受表面张力作用;工程背景下,大孔(孔径>50 nm)尺度孔裂隙中可动水的运移产出是煤层压力整体释放的前提,并奠定了煤层气井高产稳产的基础。气水两相流条件下,束缚水(毛管水)向可动水的转变受煤岩润湿性以及气水之间的界面性质与相互作用的重要影响,并因毛管效应发生而压力条件要求增加。其中,泡状流和气团流为主的阶段,CH4的解吸产出促进了部分介孔(2~50 nm)尺度孔裂隙中束缚水(毛管水)向可动水的转变,并决定了煤层压力的整体释放效果;指示了见套压后,煤层压力的整体释放是气水两相共同作用的结果,排水阶段向降压采气阶段缓慢过渡对煤层气井高产是必需,持续憋压可能造成介孔尺度孔裂隙中过早形成段塞流,不利于煤层气井高产稳产。随煤层压力降低,等效孔径>40 nm的孔裂隙中的液态水可汽化脱离形成气态水自由水,与吸附态CH4形成竞争吸附/解吸,而等效孔径<40 nm的孔裂隙中的煤层水则以液态形式保存或进行润湿迁移,对气水两相流阶段束缚水(毛管水)向可动水的转变影响较小。

压裂液矿化度对支撑裂缝及裂隙内煤粉运移的影响

在煤层气井水力压裂阶段,支撑裂缝内煤粉沉积以及裂隙内煤粉运移,将导致支撑裂缝和裂隙渗透率降低,影响水力压裂改造效果以及后续的煤层气井排采效果。为有效疏通支撑裂缝并避免裂隙堵塞,从优化压裂液矿化度的视角,提出了水力压裂阶段支撑裂缝及裂隙内煤粉防控新方法。基于石英砂充填柱和无烟煤样,分别开展了矿化度逐级递减条件下支撑裂缝及裂隙内煤粉运移实验,分析了煤粉运移对矿化度变化的响应特征;采用扩展Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek(DLVO)理论对煤粉运移进行了模拟,揭示了矿化度对煤粉运移的影响机制;并在此基础上,探究了兼顾支撑裂缝及裂隙内煤粉防控的最优矿化度范围。研究结果表明:支撑裂缝及裂隙内煤粉运移均存在临界矿化度现象,当矿化度低于临界矿化度时,支撑裂缝渗透率急剧增大,裂隙渗透率骤然降低,并伴有大量的煤粉产出;支撑裂缝内煤粉运移临界矿化度高于裂隙内煤粉运移临界矿化度,支撑剂表面电负性强于裂隙,而其疏水性弱于裂隙,是导致支撑裂缝内煤粉运移临界矿化度偏高的主要原因;随矿化度的逐级降低,煤粉与通道间的双电层斥力不断增大,当矿化度降至临界矿化度时,双电层斥力开始大于Lifshitz-van der Waals引力和Lewis酸碱引力之和,诱发煤粉运移;理论模型预测的支撑裂缝及裂隙内煤粉运移临界矿化度均与实验结果一致,证实了模型的可靠性。在水力压裂阶段,可将压裂液矿化度设计在支撑裂缝与裂隙内煤粉运移临界矿化度之间,从而促使支撑裂缝内煤粉产出,并抑制裂隙内煤粉运移,达到兼顾支撑裂缝及裂隙内煤粉防控的目的。

苏北—南黄海盆地工业固定排放源CO_(2)地质封存源汇匹配研究

围绕“双碳”目标,各省根据自身地域与产业特点,陆续开展碳减排方案研究。作为最发达的省份之,江苏省巨大的经济产值伴随着大量的CO_(2)排放,如何处置这部分CO_(2)成为减排的关键。CCUS作为减少化石能源发电和工业过程中CO_(2)排放的关键技术以及实现碳中和的兜底技术,可大幅减少江苏省工业碳排放的同时,确保能源结构由煤炭为主体的化石能源消费向清洁能源过渡.

CO_(2)地质封存GIS基础数据平台建设初探

CO_(2)地质封存GIS(Geographic Information System,地理信息系统)基础数据平台建设是部署CCUS(Carbon Capture,Utilization and Storage,碳捕集、利用与封存)全链条示范工程的重要基础。通过研究国内外典型碳封存数据平台,分析了碳封存数据的特征:多源、多尺度、多类型,认为有以下几方面需要进一步加强:平台功能基本为数据存储管理展示,需进一步加强模型嵌入动态分析;需进一步加强封存与能源资源协同方面研究。在此基础上,初步设计了CO_(2)地质封存GIS基础数据管理处理平台架构:以Map GIS空间数据库和SQL Server属性数据库为数据基础,利用实现系统Microsoft.Net Frame开发框架及Web GIS等技术构建,系统核心逻辑结构分为资源数据层、技术支撑层、业务应用层、用户权限层共4层,安全保障体系、管理支撑体系、标准规范体系共3个外围支持体系。数据平台建设关键技术包括碳封存地质GIS数据多元异构数据融合,二次开发导入封存能力评价模型、源汇匹配动态模型、能源资源协同模型共3个模型。并初步设计了数据平台首页界面、专题图件及成果输出界面、盆地级成果图件界面、封存潜力—源汇匹配—能源资源协同数据分析界面共4个界面。CO_(2)地质封存GIS基础数据管理处理平台的建设,将为源头减碳去碳解决方案选择、CCUS区域性规模化部署的地质封存选址和CCUS大规模示范工程开展提供科学基础。

基于煤储层三维非均质地质模型的CO_(2)-ECBM数值模拟研究

CO_(2)驱煤层气地质封存(CO_(2)-ECBM)强化煤层气开发、实现煤层气井增产的同时,将CO_(2)封存到深部煤层中,该技术极具发展前景。依托示范工程,基于地质建模开展数值模拟研究,仍是技术研发的重要路径。基于对角点地质模型和COMSOL Multiphysics地质建模能力的分析,利用拆分-重构法在COMSOL Multiphysics内建立了能有效描述沁水盆地柿庄南区块3号煤储层的三维空间展布和含气量、吸附时间、孔隙度、渗透率、弹性模量、泊松比非均质分布的地质模型。在此基础上,结合吸附-渗流-温度-应力-化学(AHTMC)多场耦合数学模型开展了控压注气方式的CO_(2)-ECBM数值模拟工作,分析了CO_(2)注入压力对CH_(4)增产、CO_(2)封存及煤储层地球化学环境的影响,提出了同时关井、序贯关井2种关井方式和省时提效、CH_(4)增产、CO_(2)封存以及3者综合兼顾4种CO_(2)-ECBM工程目标,优化了2种关井方式、分别实现4种工程目标场景下的CO_(2)注入压力。研究结果表明:(1)在15 a工期、5.5~9.5 MPa注气压力情况下,随着注入井CO_(2)注气压力的增加,生产井CH_(4)增产率、煤储层CO_(2)封存量均增加,最大可分别达14.39%和8.31×107 m3,含酸性裂隙水的煤储层区域扩大,受CO_(2)从生产井大量产出的影响,储层CO_(2)封存率降低,但保持在95%以上;(2)煤储层非均质性对煤层气井生产影响很大,煤层气井周围煤储层CH_(4)含气量越高、孔隙度和渗透率越大,CH_(4)增产效果越显著,周围煤储层吸附CO_(2)能力越强,CO_(2)产出速度越小;(3)同时关井和序贯关井方式下,CO_(2)注气压力对生产井组产出气CO_(2)体积分数和CH_(4)产气速度变化有显著影响,CO_(2)-ECBM工程结束时煤储层CH_(4)采收率随注气压力增加而降低,3.50、6.50、9.50 MPa的注气压力下分别为33.28%、18.90%、12.81%和41.63%、29.03%、23.01%;(4)以省时提效、CH_(4)增产、CO_(2)封存及3者综合兼顾为工程目标的CO_(2)最优注入压力在同时关井时分别为8.05、3.50、6.35和6.25 MPa,在序贯关井时分别9.50、9.50、3.50和9.50 MPa;(5)相较于同时关井,序贯关井在采用最优CO_(2)注气压力时能够通过延长工程时间获得较好的CH_(4)增产和CO_(2)封存效果。

构造裂隙对CO_(2)驱煤层气地质封存的影响

CO_(2)驱煤层气地质封存(CO_(2)-ECBM)过程中,煤储层中发育的构造裂隙在注入压力诱导作用下可能成为气-水渗流的优势通道,进而影响煤层气增产与CO_(2)封存效果。基于理论分析建立了煤储层CO_(2)驱替运移剖面,构建了CO_(2)驱煤层气地质封存数值模型,探讨了构造裂隙优势渗流通道对CH_(4)增产和CO_(2)封存的影响规律,评价了试验井组注CO_(2)驱煤层气地质封存效果,揭示了注入试验中CO_(2)快速突破机制,剖析了CO_(2)快速突破对注采工艺优化的启示内涵,并提出了构造裂隙发育煤储层注采工艺建议。研究结果表明,注-采井间可依次形成CO_(2)富集区、CH_(4)-CO_(2)混合区、CH_(4)富集区和裂隙水富集区。随注入进行,各富集区形成、演化并接续影响采气井,其中裂隙水运移难易决定了产能抑制强度,进而控制了采气井增产效果和储层封存效果。沿构造裂隙采气井能实现CH_(4)高效增产,但裂隙渗透率偏大往往导致CO_(2)窜流进而引起CH_(4)累计产气量与CO_(2)累计封存量降低。项目期内CO_(2)注入对强突破井具有显著的增产效果,实际累计产气量提高10.4%,流压等效累计产气量提高92.3%。构造裂隙为CO_(2)快速突破提供了潜在优势通道,注压是诱导其成为优势渗流通道的主要原因,储层压裂改造区的存在和液态CO_(2)相变膨胀增能可能加速CO_(2)运移突破,而煤基质膨胀降渗效应有望延缓突破。为达到更好的驱替封存效果,需要在前期快速提升井底压力,在产能抑制阶段微调注压或增加采气井排采强度,全阶段维持注入井井底压力低于储层最小主应力。突破后,通过不定期关启采气井或降低注压可增加CO_(2)与煤基质接触时间,有望进一步提高CH_(4)采收率。

江苏省及近海区域CO_(2)地质封存储层条件分析

对江苏省及近海区域地质进行了分析表明,下扬子地块发育的苏北—南黄海南部盆地为该省CO_(2)地质封存潜在目标场所。文章通过地层及岩性资料分析了CO_(2)封存适宜地层,在此基础上,根据钻井与地震测量剖面资料,阐述了各构造单元的800~3500 m深度范围存在的CO_(2)封存适宜地层的厚度,探讨CO_(2)封存空间适宜性。结果表明:盐城组下段、三垛组、戴南组、阜宁组一段与三段、赤山组砂岩具有较好CO_(2)储存空间;苏北—南黄海盆地的赤山组分布较少,盐城组、三垛组、戴南组、阜宁组地层分布范围较广;金湖凹陷、高邮凹陷、溱潼凹陷、海安凹陷、白驹凹陷、阜宁凹陷、盐城凹陷、南二凹陷、南四凹陷、南五凹陷、南七凹陷、南二低凸起具有较好的CO_(2)封存储层潜力;洪泽凹陷、临泽凹陷、涟南凹陷、涟北凹陷、南三凹陷、南六凹陷CO_(2)封存储层潜力较差。

典型煤系叠合型气藏生产模拟研究——以黔西地区龙潭组为例

【目的】煤系叠合型储层开发过程中储层组合影响了煤系气井的产气效果。煤系叠合型储层层间岩石力学性质和物性差异大,导致流体运移规律相对于单一储层更加复杂。因此,开展数值模拟研究是一种有效的解决方案。【方法】以黔西地区龙潭组典型煤层—砂岩—泥页岩互层型储层为研究对象,考虑叠合型储层的基质收缩效应、有效应力作用及层间流体流动对储层流体运移规律以及渗透率等储层物性参数的影响,建立煤系叠合型气藏流固耦合数学模型,开展煤系气生产数值模拟,分析不同储层组合排采下储层孔隙压力、基质含气量、渗透率等叠合型储层特征参数的演化规律以及层间流动差异对产气效果的影响。【结果】与单层排采相比,(煤+泥页岩)排采、(煤+砂岩)排采、全层段排采下,累计产气量分别提高了1.26倍、1.42倍、1.62倍;四种储层组合排采下均存在层间能量与物质传递;煤、砂岩和泥页岩储层在不同储层组合排采下,储层孔隙压力与传导方向、基质含气量以及渗透率比例均存在明显差异。【结论】全层段的储层组合排采下产气效果最好,砂岩层中游离态甲烷更易产出,有效减弱储层间垂向孔隙压差的影响,更有利于叠合型储层孔隙压力径向传导,促进煤与泥页岩基质中甲烷解吸,增强基质收缩作用,促使煤与泥页岩储层渗透率回弹,从而提高整体产气量。

基于流固耦合的煤系气排采数值模拟研究

煤系气开发过程中流体运移受叠合型储层物性差异影响,其产出规律较单储层更为复杂,通过对煤系气流体渗流规律的研究,分析煤系气流体渗流规律对开发工程的启示。本文以六盘水矿区大河边区块煤系气开发示范工程的地质、排采等资料为基础,考虑应力影响的CH4吸附、扩散与渗流作用,以及典型煤系叠合型储层孔隙度与渗透率的动态演化特征,构建典型煤系叠合型气藏渗流数学模型,并应用COMSOL Multiphysics数值模拟软件实现有限元求解.

碳中和地质技术及其煤炭低碳化应用前瞻

概述了碳中和地质技术的形成背景及其在碳中和知识体系中的定位,提出了碳中和地质技术的概念和内涵,评述了关键碳中和地质技术的国内外进展,分析讨论和前瞻了碳中和地质技术在煤炭低碳化开发利用进程中的重要应用方向、应用模式和发展前景。已有研究工作表明:作为碳中和知识体系的碳中和科学与工程交叉学科正在形成,在地球科学基本背景上碳中和相关学科群交叉融通形成了当前碳中和科学与工程主要研究领域和技术发展方向,碳中和地质技术是碳中和科学与工程交叉学科的重要组成部分,也是实现碳中和目标的关键技术;二氧化碳捕集利用与封存技术、生态地质与碳增汇技术、煤层中甲烷减排与资源化开发利用技术、化石能源低碳化开发利用地质技术、地热资源高效勘查与开发技术、新能源高效安全开发利用地质保障技术、矿化固碳地质技术和地球工程等构成了碳中和地质技术的当前核心内涵;以CCUS(Carbon Capture,Utilization and Storage,碳捕集、利用与封存)大规模集群化部署与全流程技术、煤层甲烷接续高效抽采与低浓度瓦斯(含乏风瓦斯)利用技术、煤型关键金属探采选冶全流程技术、矿区生态地质修复重构与碳增汇技术、干热岩型地热地质新能源勘查开发利用技术、供能蓄能一体化水电和核电等新能源开发利用地质工程保障技术、太阳辐射管理前沿技术探索为代表,关键碳中和地质技术已取得重要进展;CCUS将成为低排放燃煤发电、煤转化、煤制氢、煤制特种燃料、煤基材料等煤炭低碳洁净高效利用关键技术的关键,煤炭基地或煤矿区CCUS以煤基CO_(2)源、煤系CO_(2)地质碳汇、CO_(2)矿化固定与采空区充填封存为技术特色且具有紧迫需求;从原位煤层气高效勘探开发、煤矿瓦斯井下-地面协同高效抽采、关闭矿井瓦斯高效抽采到低浓度和乏风瓦斯高效利用,煤层甲烷高效抽采利用与减排综合技术应用模式将得到快速发展和推广;通过覆岩变形控制与地表植被生态系统保持、水资源与区域生态系统保护、采动裂隙与温室气体大气排放控制、数字矿山与节能提效等方式发展和应用绿色智慧矿山地质保障技术,实现煤炭生产过程减碳;应用煤矿区生态修复与碳增汇技术,实现煤矸石处置与减污降碳协同、塌陷区治理与碳增汇、土地整治利用与增汇固碳;加快应用和发展煤系共伴生资源共探共采与碳减排技术,实现煤系气、煤型关键金属高效勘查开发利用突破,对服务我国低碳洁净高效安全新能源体系构建和实现源头减碳意义重大。

论煤地质学与碳中和

煤基碳排放构成了中国碳排放总量中最重要的部分,做好煤基碳减排和煤炭高效洁净低碳化利用是实现“碳中和”国家目标的重要途径,碳中和背景下的煤地质学发展值得关注。系统评述与碳中和相关的煤地质学研究领域,分析煤地质学在碳中和研究与工程实践中的作用和应用前景,探讨碳中和背景下煤地质学的重要发展方向。取得以下认识:推进清洁煤地质研究、服务煤的高效洁净化燃烧,勘探开发煤系天然气低碳燃料、优化一次能源结构和化石能源结构,开展煤化工资源勘查与开发地质保障研究、推动煤炭的低碳能源转化和新型煤化工产业发展,深化瓦斯地质研究、提高煤矿瓦斯(井下)抽采率、控制煤矿瓦斯的大气排放和泄漏,研究煤层甲烷天然逸散和煤层自燃排放、控制煤层露头的天然排放,发展煤层CO_(2)地质封存与煤层气强化开发(CO_(2)-ECBM)技术、推动碳捕获、利用与封存(CCUS)技术发展及其在火力电厂烟气碳减排中的商业化应用,研究煤炭勘查企业的碳足迹、实现企业净零排放,是与煤地质学紧密相关的碳减排技术路径;其中煤层甲烷与煤系气高效勘探开发、深部煤层CO_(2)-ECBM、煤层露头气体逸散与自燃发火控制、洁净煤地质与煤炭精细勘查是碳中和背景下煤地质学优先发展的重要领域。

应力释放构造煤煤层气开发理论与关键技术研究进展

构造煤煤层气高效开发是我国煤层气资源禀赋的选择,构造煤储层与煤层气赋存特征决定了疏水降压煤层气开发理论技术不再适合构造煤储层,应力释放(原位)煤层气开发理论技术是新的技术方向,有望将构造煤煤储层从煤层气开发禁区变为新领域,同时也有望成为煤矿煤与瓦斯突出治理、煤矿区甲烷温室气体减排的治本之策。依托国家重大科研仪器研制项目,以应力释放构造煤煤层气开发关键实验平台和工程装备原理机为基本定位,以开发理论创新、技术原理探索为先导,以装置、装备及其工艺技术为研究核心,应力释放构造煤煤层气开发理论技术研究取得重要和实质性进展。探索构建了应力释放煤层气开发理论技术基础,阐明了水平井造洞穴应力释放构造煤原位煤层气开发的工程原理。水平井造洞穴应力释放构造煤原位煤层气开发模拟试验系统已完成设计进入加工阶段,系列配套基础实验取得了重要数据;探索建立了构造煤储层应力释放与煤层气解吸扩散关系模型;揭示了应力释放构造煤煤层气开发煤储层渗透率变化规律。研发形成了构造煤储层大口径水平井双向往复式钻进+多级扩孔+复杂循环钻井液成井、水平井泵注+喷射诱导控制造洞穴应力释放与储层激励、气/水/高浓度煤粉混合物直井射流泵+配套井底装置组合高效举升、产出物地面高效重力分离+回收+水循环、煤层气应力释放开发装置(装备)数据采集和控制系统等应力释放构造煤煤层气开发关键技术。

高煤阶煤层气富集机理的深化研究

高煤阶煤层气资源相对丰富是中国煤层气资源的重要禀赋之一,实现高煤阶煤层气大规模商业化开发突破是中国煤层气产业的世界贡献。以沁水盆地为代表的高煤阶煤层气生产基地是目前中国煤层气产量的主体来源,基于沁水盆地等高煤阶煤层气勘探开发工程实践数据和大量研究工作积累,开展了高煤阶煤层气富集机理的系统深化研究。研究工作表明:区域岩浆热变质作用成因高阶煤是高煤阶煤层气富集的基本地质背景,沁水盆地南部(晋城)、鄂尔多斯盆地东南缘(韩城—延川南)、沁水盆地北端(寿阳—阳泉)、黔北—川南(织金—筠连)等中国高煤阶煤层气富集区煤储层均以区域岩浆热变质成因为主;高煤阶煤层气富集规律是煤层含气量和渗透率在不同埋深和构造条件下耦合配置的结果,在沁水盆地高煤阶煤层气向斜富集模式、褶曲翼部斜坡带富集模式、构造高位富集模式分别对应于煤层埋深约500 m以浅、500~800 m埋深、约800 m以深;决定高阶煤储层渗透率的主控地质因素构成高煤阶煤层气富集关键主控地质因素,主要为煤层埋深、地质构造(含构造应力场)、煤体结构等;煤层渗透率随埋深呈负指数关系减小,煤层拉张裂隙发育且与现今最大主应力方向一致的构造部位煤层渗透率高,不同煤体结构高阶煤中碎裂煤渗透率最高;埋深、地质构造、煤体结构等关键主控地质因素通过煤储层地应力变化、裂隙发育与应变破坏等方式控制高阶煤储层渗透性,这是高煤阶煤层气富集的主要机理,在地应力场作用下煤岩应变破坏过程对煤层中裂隙发育的自然改造作用是高阶煤储层原始渗透率变化的根本原因。