低煤阶开采过程中燃烧控制与防治技术研究

随着煤炭资源开采深度的不断增加,低煤阶煤炭的自燃问题日益凸显,成为制约煤炭行业可持续发展的关键因素之一。低煤阶煤炭自燃的控制与防治,不仅是保证煤矿安全生产的需要,也是实现煤炭资源高效利用的必然要求。近年来,虽然在低煤阶煤炭自燃控制与防治领域取得了一定进展,但仍面临许多挑战和问题。因此系统研究低煤阶开采过程中燃烧控制与防治技术,探索更为有效、经济的解决方案,对于提高我国煤炭行业的安全生产水平具有重要意义。

深部低煤阶煤层高值化学品与天然气共采技术构想

温和氧化解聚作用下,低阶煤(褐煤、长焰煤)可高效生成高值化学品,同时煤体多尺度流动能力显著改善。针对我国低阶煤资源丰富与煤层中赋存巨量天然气的地质背景,结合低阶煤化学性质特点,提出了基于原位氧化改性的深部低煤阶煤层高值化学品与天然气共采技术构想,从氧化解聚制备羧基化学品方法、氧化改性提高煤层气采收率机理、共采技术模式、地质及工程有利条件等4方面论证了该技术可行性。调研总结发现:低阶煤具有丰富的含氧官能团(如羧基—COOH和酚羟基—OH)和侧链,为氧化解聚制备高值化学品(如羧酸)提供了关键前体结构;过氧化氢、次氯酸钠等氧化剂,在低温(<100℃)、常压条件下,温和氧化解聚低阶煤可高效、低成本制备羧基化学品,实现低阶煤非能源化高值利用;氧化解聚反应对低阶煤具有明显的氧化改性作用,主要表现为煤表面对甲烷的吸附能力减弱、水的疏水性增强、形成溶蚀孔与微裂缝,并可原位生成CO_(2),从而增加了煤层气解吸-渗流能力。围绕深部低煤阶煤层气井高效增产改造需求与枯竭煤层气井二次利用,设计了单井压裂-溶浸开采(采气为主)与群井压裂-溶浸开采(采高值化学品为主)2种技术模式。前者通过注入氧化性压裂液,合理控制压后焖井时间,充分发挥力学-化学协同改造增渗作用,返排阶段分离压裂液中高值化学品,并高效抽采天然气;后者对各枯竭气井重复改造,通过压裂缝网形成相互沟通的注采井网,持续生成、抽采高值化学品。我国巨厚(数十米~近百米)、深埋藏(500~1000 m)低煤阶煤层分布广泛,能有效减小氧化剂及反应产物泄漏诱发的地下水污染,为共采提供了有利地质条件;现有大规模煤层气水平井及水力压裂缝网,避免了高值化学品原位制备的高额建井成本,为共采提供了有利工程条件。结论认为,利用温和氧化解聚反应,实现深部低煤阶煤层高值化学品与天然气共采,丰富了原位改性采矿理论与技术体系,有望形成煤层气增产改造新模式,增加低煤阶煤层资源开采综合经济效益。

准噶尔盆地南缘低煤阶煤层气富集区三维地震预测

为深化煤层气资源潜力调查与评价,开展了准噶尔盆地南缘呼图壁区块三维地震勘探。地震数据采集针对宽方位、小道距和高覆盖次数目标设计,采用16L×6S×160R观测系统。地震数据处理针对复杂地貌野外静校正问题和陡倾角煤层成像精度要求高的技术难点,建立了高分辨率三维地震数据处理流程,以满足煤层气富集区预测需求。根据影响煤层气富集的主要地质因素(煤层埋深、断层特征、煤层厚度、煤层顶板岩性和煤层含气量等)定义了煤层气富集区划分原则和有利区分类模式。基于三维地震资料,将地震资料解释与地震属性分析相结合,利用地震岩性反演结果获得煤层厚度、煤层顶板岩性和煤层含气量信息。在钻孔约束下,进行了研究区B4煤层气富集区预测,提出了煤层气开发生产井部署建议。

吐哈盆地低煤阶煤岩孔隙结构精细表征及吸附性主控因素评价

为研究吐哈盆地低煤阶煤岩孔隙结构及其吸附特性,探讨煤岩吸附性能主控因素,通过高压压汞、低温液氮、核磁共振及等温吸附实验,对该盆地主要含煤地区低煤阶煤的孔隙结构及其甲烷吸附性影响因素进行了精细表征与分析。结果表明:①低煤阶煤岩发育多种吸附—脱附曲线,孔隙类型主要以细颈瓶状的一端封闭型孔为主,连通性较差。②吸附孔比表面积主要由微孔贡献,而吸附孔孔容主要由小孔提供,比表面积等孔隙结构参数差异大。③核磁共振实验表明煤样发育多种孔裂隙系统,但主要以微、小孔为主,中大孔及裂隙相对发育。④煤岩吸附性能受煤岩煤质及吸附孔孔隙结构共同控制,灰分及水分不利于甲烷的吸附。⑤镜质组孔隙发育,与最大吸附气量呈正相关关系;不同尺度吸附孔隙的吸附性能差异明显,小孔孔容及比表面积与最大吸附气量呈正相关关系,是吐哈盆地低煤阶煤岩吸附性能的主要贡献者。

二连盆地巴彦宝力格煤田伊敏组低煤阶煤层气成藏条件及有利区预测

为了明确二连盆地巴彦宝力格煤田伊敏组煤层气资源潜力,在伊敏组煤层发育及含气性分析基础上,对沉积环境、煤层厚度、构造特征、储层物性、盖层封闭能力及水文地质条件等煤层气成藏条件进行了系统剖析。结果表明:巴彦宝力格煤田伊敏组煤层的煤岩组分以暗煤为主,最大镜质体反射率为0.38%~0.46%,属于褐煤-长焰煤;伊敏组主力煤层为2#、3#、4#、4-1#煤,煤层分布广泛,结构简单,平均厚度为21.33 m,具备丰富的生气物质基础;煤层含气量差异较大,平均含气量为0.79~1.57 m^(3)/t,其中4#煤层含气量最高,4-1#煤层含气性最差;煤层沉积环境以扇三角洲及滨浅湖湖沼相为主,有利于形成广覆式中厚煤层;盆地构造形态简单,煤层主要赋存于向斜,受断裂影响较小,并且顶底板多为分布稳定的厚层泥岩;煤系含水层处于承压水封闭环境,为煤层气赋存提供了良好的保存条件;伊敏组煤层气有利勘探区主要位于中部的巴彦宝力格向斜轴部地区及东北部的五间房向斜轴部地区。研究成果对伊敏组及类似条件的低煤阶煤层气勘探开发具有指导意义。

二连盆地霍林河凹陷低煤阶煤层气储层特征

为了揭示二连盆地霍林河凹陷低煤阶煤层气储层特征,在对地质背景进行研究的基础上,以霍林河凹陷下白垩统大磨拐河组低阶煤为研究对象,利用低温液氮吸附实验、光学显微以及孔渗测试等方法,分析了低阶煤的孔隙结构、裂隙结构、渗透率和孔渗主控因素,明确了大磨拐河组低煤阶煤层气储层性质和主控因素。研究结果表明:①大磨拐河组低煤阶煤层气储层主要以微小孔(孔径小于100 nm)为主,占比在90%以上,孔隙形态以一端封闭的不透气孔为主,孔隙度介于11.33%~26.32%、平均值为18.62%,属于中等孔隙度;②裂隙类型以Ⅱ类为主,裂隙宽度大于5μm,长度小于10 mm;③储层渗透率介于0.067~38.550 mD、平均值为5.440 mD,一般介于0.067~1.830 mD,渗透率整体较低;④孔隙度、渗透率主要受显微组分、灰分产率和裂隙发育程度的影响。结论认为,该研究成果可以给二连盆地霍林河凹陷及其他地区的低煤阶煤层气勘探开发工作提供借鉴。

达坂城地区低煤阶煤层气成藏主控因素分析

煤田钻孔资料显示,准噶尔盆地南缘达坂城地区煤层发育稳定,层数多,厚度大,但目前煤层气勘探程度较低。结合已钻井及实验室化验资料,开展研究区煤层气地质特征研究。结果表明:该区煤层厚度大,埋深中等,煤阶低,煤体结构以原生或碎裂结构为主,孔渗较好,含气量较低,煤层气资源潜力较好。进一步分析认为,研究区煤层气以生物成因为主,构造、顶底板岩性及水文地质条件是控制煤层气成藏主要因素,预测山前斜坡带是研究区煤层气富集有利区。

中国低煤阶煤层气成藏模式研究

借鉴国外煤层气成藏理论研究的思路和方法,开展了中国低煤阶煤层气藏的地质特征和成藏模式研究。研究表明,中国低煤阶煤层气藏具有煤储层厚度大、含气量低、渗透率易改造、吸附时间短和两个解吸峰值的特征;存在深部承压式超压成藏模式、盆缘缓坡晚期生物气成藏模式及构造高点常规圈闭水动力成藏模式3种低煤阶煤层气成藏模式。在目前技术条件下,构造高点常规圈闭水动力煤层气藏和盆缘缓坡晚期生物煤层气藏是勘探开发的首选目标。

中国低煤阶煤层气地质特征

低煤阶煤层气是中国煤层气勘探开发一个相当重要的潜在接替领域。中国含煤盆地的地质构造背景复杂,多数煤田经历了不同期次、不同性质构造及其组合以及应力-应变对煤储集层的改造,煤层气的富集成藏有自身的特点:厚度大、层数多、含气量低、渗透性较好、煤层气资源量和资源丰度大,厚度大而分布广泛的煤层及巨大的煤炭资源弥补了含气量小的缺点,使得低煤阶煤层气具有良好的勘探开发前景。低煤阶煤层气藏开发过程中解吸引起的基质收缩效应造成储集层渗透率增大,从而有利于低煤阶煤层气的开发,易形成工业性气流。低煤阶煤层气成藏过程简单,多为一次沉降,一次调整,如果构造、成煤环境及水文地质等主控因素能够有利匹配,有可能形成煤层气高产富集区。

低煤阶煤层气成藏特点与勘探开发技术

低煤阶煤层气藏具有煤层厚度大、渗透性好、含气量低但吸附饱和度较高等特征。国外近几年煤层气突破主要集中在美国粉河盆地、加拿大阿尔伯达盆地等低煤阶区,其勘探开发实践证实,低煤阶煤层气藏可以获得工业气流,达到商业开发规模。在介绍低煤阶煤层气勘探开发技术的基础上,对我国的低煤阶煤层气资源与勘探开发前景进行了初步分析、评估和展望。结果表明:我国低煤阶煤层气资源丰富,其中西部地区的准噶尔、吐哈、三塘湖、天山、塔里木、鄂尔多斯等盆地侏罗系低煤阶含气面积共计约20.68×104km2,煤层气资源量达19.96×1012m3,占全国煤层气总资源量的54%,具有很好的勘探开发前景。

盐度、pH对低煤阶煤层生物甲烷生成的影响

在温箱培养条件下对采自河南义马的低煤阶煤进行了6个盐度(0、5 000、10 000、15 000、20 000、25 000 mg/L)和5个pH值(6、7、8、9、10)的生物甲烷生成模拟实验。结果表明:不同条件下的煤样均有CH4生成,同时生成了CO2及少量其它气体;随盐度升高,CH4生成量逐渐减少,至盐度为25 000 mg/L时CH4生成量急剧减少,同时,盐度升高也导致了CH4浓度的减少;对于不同pH条件,pH=8时,CH4生成量最大,随着酸性或碱性增强,CH4生成量大幅减少,CH4浓度也有类似的减少规律,且pH条件不适宜会延迟气体的生成时间;与盐度相比,pH值对CH4生成的影响作用更明显。这些结果表明,盐度、pH是影响CH4生成的重要因素,对它们的了解是研究生物甲烷生成机理的重要内容。

高煤阶与低煤阶煤层气藏物性差异及其成因

利用扫描电镜、煤层气成藏物理模拟及热变模拟实验手段,系统研究了高煤阶、低煤阶煤储层在孔隙特征、渗透性、吸附/解吸特征等方面的根本性差异,并深入剖析了该差异的形成机制。研究结果显示,高煤阶气藏的孔隙度低,渗透性差,吸附平衡时间长且较分散,初期相对解吸率与相对解吸速率低;低煤阶气藏孔隙度高,渗透性好,吸附平衡时间短而集中,初期相对解吸率与相对解吸速率高。煤的化学分子结构、物理结构及显微组分的差异是导致其差异的主要原因。因此,高煤阶煤层气藏解吸效率较低,开发难度较大,而低煤阶煤层气藏开发较容易。同时,构造热事件对高煤阶煤储层的改造作用很显著,有利于高煤阶煤层气藏开发。

二连盆地吉尔嘎朗图凹陷低煤阶煤层气勘探

二连盆地群低煤阶煤层气资源丰富但勘探程度相对较低,煤层气富集和主控因素认识不足,制约了开发实践。以吉尔嘎朗图凹陷为重点,对二连盆地群的构造、沉积、水文、物性和含气量分布进行精细解剖,总结了煤层气富集成藏规律。二连盆地群具有断陷小湖盆和残留盆地的特点,分割性强。煤系主要发育中、下侏罗统阿拉坦合力群及下白垩统巴彦花群赛汉塔拉组两套含煤建造,以辫状河三角洲相为主,煤层层数多且与砂泥岩叠置发育,煤层倾角平缓。针对研究区"浅部低煤阶、平缓厚煤层、多层砂煤组"的特点,建立了符合吉尔嘎朗图"斜坡区正向构造带富集模式",提出在煤层气勘探中应注意优选埋深适中、相对高渗、高含气量的"甜点区",并需要规避断层,在向斜两翼、背斜和单斜地层中寻找高产区。优选部署的吉煤4井在埋深430~470 m煤层段获得大于2 000 m^3/d的产气量,证实中国低含气量、厚煤层的褐煤区煤层气可以获得高产工业气流,有助于推进低煤阶煤层气资源的勘探进程。

准噶尔盆地南缘中低煤阶煤层气富集成藏规律

准噶尔盆地南缘（准南）中低煤阶煤层气资源丰富但勘探程度相对较低,气体富集和主控因素认识不足,制约了开发。基于对准南地区构造、沉积、水文、物性和含气量分布的精细解剖,总结了煤层气富集成藏规律。准南煤系主要发育在天山山前断褶带,EW向断层和背斜密集;煤系沉积以冲积扇和河流相为主,煤层层数多且与砂岩叠置发育;煤层倾角大（部分地区大于50°）,风氧化带深延（大于400~600 m）;构造切割作用明显,多个水文地质单元发育;煤岩孔径较大,孔隙连通性好。针对研究区＂深部低煤阶、急倾厚煤层、多层砂煤组、构造断煤区＂的特点,提出了符合东部阜康等地区＂急倾斜煤层自吸附-水力封堵型＂,中部构造密集区＂断冲褶皱带多煤层压力封闭型＂,和西部大埋深地区＂构造-岩性圈闭煤系多源气混合型＂富集成藏模式。在煤层气开发中应优选相对构造高点和缓倾斜,并考虑地表水与地下水的稳定过渡带。多层次模糊评价表明东部四工河—乌鲁木齐河区段的煤层气资源、储层和保存条件均相对有利,可优先开发。

基于多层次模糊数学的中国低煤阶煤层气选区评价标准——以吐哈盆地为例

中国低煤阶含煤盆地煤层厚度大,储层物性好,煤层气资源丰富,而对于低煤阶煤层气有利区优选评价目前还没有成型的模型,本文以占全国低煤阶煤层气总资源量50%的吐哈盆地为例,运用多层次模糊数学的思路,对资源因素、煤储层因素、保存因素以及次一级影响因素共计19项参数,进行关键要素定量排序,针对吐哈盆地特有的成藏地质条件建立了煤层气选区评价标准,通过"赋值加权求和定量排序"的方法,探讨了中国低煤阶煤层气评价标准及主控因素对煤层气赋存的影响。研究表明:吐哈盆地二级构造单元沙尔湖浅凹陷、大南湖浅凹陷和哈密凹陷是适合煤层气勘探开发的有利目标区。

低煤阶煤层气勘探思路

世界范围内低阶煤层气勘探开发已获得了巨大的成功,中国拥有丰富的低煤阶煤层气资源,具有广阔的勘探前景。从分析美国粉河、尤因塔盆地的勘探开发基础资料入手,得出这2个盆地低煤阶煤层气有多种气源存在、储层物性好、早期勘探立足于成藏背景优越地区的局部构造可取得较好成效的认识;进而在分析低煤阶煤层气成因的基础上,指出我国东北、西北含煤盆地和煤、油共生的湖盆具备形成多源气的地质条件,是寻找低煤阶煤层气的有利地区,其中准噶尔盆地是近期勘探的现实地区。同时也指出,在勘探思路上,必须坚持将煤层气勘探与常规气勘探进行有机结合,即走综合立体勘探的道路,才能取得理想的勘探效果。

构造抬升对高、低煤阶煤层气藏储集层物性的影响

构造抬升对高、低煤阶煤层气藏储集层物性的影响具有显著差异。低煤阶煤层主要为基质型孔隙,高煤阶煤层主要为裂隙型孔隙。煤岩储集层原地受力分析表明,构造抬升使得基质承受的压力降低。构造抬升模拟实验及煤基质、裂隙渗透率应力敏感性实验表明,构造抬升后煤层压力传导加速,割理开启,渗透率变大;基质渗透率比裂隙渗透率的应力敏感性弱。分析认为:构造抬升对高煤阶煤储集层物性影响明显,地层压力降低,割理、裂缝开启,裂隙渗透率显著增强;高煤阶煤层强烈抬升会使其渗透率增大,造成气体大量散失,对煤层气聚集不利;低煤阶煤层储集层物性受构造抬升影响较弱,由于构造抬升,压力降低,煤层气运移速率增大,对煤层气开采有利。

中国低煤阶煤层气多元成藏特征及勘探方向

我国低煤阶含煤盆地地质背景复杂,煤层气富集成藏具有自身的特殊性,煤层气勘探一直处于小型试验阶段。为了促进我国低煤阶煤层气的勘探开发,在系统分析、总结我国含煤盆地类型、煤层气成因、赋存状态、富集模式的基础上,梳理了目前勘探开发工作面临的挑战与科研攻关目标,并提出低煤阶煤层气的有利勘探方向。结果表明:(1)我国低煤阶煤层气具有盆地类型多元、煤层气成因类型多元、赋存状态多元、富集类型多元的成藏特征;(2)低煤阶煤层气勘探面临目标区优选、深层煤系气共探共采系统评价、钻完井及增产改造工艺等3个方面的挑战;(3)应加强对煤层气成藏过程及动力学机制、气源成因及其资源贡献、吸附态和游离态煤层气空间分布规律及地质控制因素等的研究攻关,开展煤层气资源有效性和可采性评价,形成一套深部煤系气勘探开发评价方法。结论认为:(1)我国浅层煤层气资源有利勘探区包括二连盆地吉尔嘎朗图、霍林河、白彦花等凹陷,海拉尔盆地伊敏、呼和湖、陈旗等凹陷,鄂尔多斯盆地彬县、焦坪、黄陵、乌审旗东部等地区,以及准噶尔盆地南缘地区;(2)深层煤层气资源则主要分布在准噶尔、吐哈、三塘湖、海拉尔和三江等盆地或盆地群。

准噶尔盆地低煤阶煤储集层吸附特征及煤层气开发潜力

等温吸附实验表明,准噶尔盆地侏罗系西山窑组、八道湾组低煤阶煤储集层具有较强的煤层甲烷吸附和储集能力。层位上,西山窑组煤储集层对甲烷的吸附和解吸能力明显较强,储集性相对更好,也更利于煤层气开采。地域上,盆地南缘昌吉—乌鲁木齐—阜康、东部彩南—巴里坤矿区、腹部地区均达到较富—极富甲烷煤储集层级别,对甲烷的吸附、储集能力较强。兰氏体积随镜质体反射率Ro增大而增大,与Ro呈三阶多项式函数对应关系。煤储集层对甲烷的吸附量随着压力增大而变大。依据兰氏体积划分出贫气区、含气区、较富气区、富气区4类区块,盆地南缘清1井—齐8井区、昌吉—乌鲁木齐—阜康矿区、西北缘斜坡区及盆地腹部主要为较富气区,盆地东部彩南—巴里坤煤矿区为富气区,其与周边厚煤区和腹部较深层煤层气开发潜力较大。

准噶尔盆地南缘煤系水矿化度对低煤阶煤层气的影响

煤系水矿化度是影响低煤阶煤层气生成、运移和成藏的重要因素之一。以新疆准噶尔盆地南缘地区为研究区,把研究区划分为8个水文地质单元,分析了研究区煤系水矿化度的分布特征及其对产甲烷菌生存的影响。以1 000 m埋深为例,估算了各个水文地质单元内煤系水的甲烷溶解度,据此分析评价了各水文地质单元溶解运移甲烷的能力。通过煤系水的矿化度分布、氯离子浓度和区域地质构造形态分析,综合判断区域内煤系水的大致流向。以准南地区硫磺沟水文地质单元为例,探讨了矿化度与煤层气富集成藏的关系。研究结果表明,研究区矿化度分布具有南北分带、东西分段的特征。后峡水文地质单元、玛纳斯河–呼图壁河水文地质单元的南部、硫磺沟水文地质单元的南端和阜康水文地质单元的西部地区矿化度有利于产甲烷菌的生存和产气。后峡水文地质单元溶解运移甲烷能力最强。地下水的流向大致由南向北,地表水的径流会使地下水流向发生偏转。指出了硫磺沟水文地质单元内高矿化度中心和低水位的汇水洼地是低煤阶煤层气富集成藏的地区。