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。

不同煤阶煤孔隙结构与煤制生物甲烷的相互影响

为研究不同煤阶煤的孔隙差异与生物甲烷产出的相互影响。以白音华(BYH)褐煤、马兰(ML)肥煤、沙曲(SQ)焦煤、祁东(QD)贫煤为研究底物,选用古汉山矿矿井水为菌源,进行厌氧发酵产甲烷实验。采用BET比表面积分析仪测定生物降解前后不同煤阶煤的孔隙参数变化特征,借助扫描电镜观察产气后煤表面孔裂隙分布及微生物附着情况,并通过主成分分析法研究了孔隙结构参数对煤制生物甲烷的贡献度。结果表明:煤的比表面积和孔体积随煤阶增加均呈现先减小后增大的变化趋势,而煤厌氧发酵过程的生物甲烷产量却随煤阶增加依次递减;高阶煤虽孔隙发育,但煤中大分子结构趋于稳定,同样不利于微生物降解;生物产气后,不同煤阶煤样的比表面积、总孔体积以及不同孔径段的孔体积均出现不同程度减小;煤表面附着有大量微生物,以球菌和杆菌为主,且部分微生物附着在煤的孔裂隙中;主成分分析表明总孔体积(主要为大孔和中孔孔体积)、分形维数D3以及比表面积对煤制生物甲烷的贡献较大,而微孔及分形维数D1对煤制生物甲烷影响较小,微生物作用改变了煤的孔隙结构,使比表面积和微孔大量减少,导致孔隙内吸附的甲烷大量解吸,这些均有利于煤层气的增产。

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。

基于层理和煤阶影响的煤体固有频率特征研究

为探明振动波激励煤体共振增渗技术的优势频率,采用自主搭建的煤体固有频率测试试验系统,依据敲击法测试原理对高、中、低3种不同煤阶的正方体干燥煤样进行三维面固有频率测试和分析。结果表明:汉宁窗较适合煤体振动信号FFT分析,可以准确识别频谱峰值所对应的频率,从而直接得出煤体的固有频率;力锤敲击力度只影响振动信号加速度幅值大小,对煤体固有频率变化无影响;同一煤样平行于层理面的固有频率大于垂直于层理面的,且垂直于层理两个面的固有频率略有差异;受煤基质、矿物质含量等因素影响,高、中、低3种不同煤阶煤样的力学性质不同,这是造成不同煤阶煤体固有频率差异性的主要原因。研究结果可为振动波激励煤体共振增渗技术应用提供理论依据。

不同煤阶煤储层吸附/解吸特征差异及其对产能的影响

吸附/解吸参数是煤层气储量及产能潜力评估的核心,而解吸过程规律与煤层气井产能动态密切相关。为研究不同煤阶煤储层吸附/解吸特征及其对产能的影响,基于沁水盆地南部樊庄、安泽区块和鄂尔多斯盆地东缘保德、柳林区块的49件煤心样品的煤岩煤质、含气量及等温吸附测试数据,结合试井及排采资料,揭示了煤岩煤质特征对等温吸附特征的影响,划分并对比了煤层气解吸阶段特征差异,建立了煤吸附/解吸特征参数与煤阶之间的数学关系,基于20口典型煤层气井探讨了解吸特征参数对气井产能的影响,并对不同煤阶煤储层煤层气勘探开发策略给出针对性建议。结果表明:(1)从山西保德到晋城樊庄区块,随着煤阶的增高,煤储层解吸过程中的转折压力、启动压力和敏感压力均逐渐增大,低效、缓慢、快速和敏感解吸阶段范围逐渐向高压区间方向偏移;高阶煤对应的有效解吸阶段区间宽度明显要大于低阶煤,对煤层气开发更有利。(2)高阶煤与中低阶煤相比,煤层气井的解吸指数更高,达到稳产的时间更短且产气潜力更高,但较低的渗透率是制约其产能的关键。(3)综合考虑资源丰度、解吸能力和渗透率,高阶煤优势在于解吸指数较高,而中低阶煤优势在于渗透性较好;高阶煤煤层气高产的关键在于大规模高效压裂技术,中低阶煤则在于煤层气资源富集甜点区的精准优选技术。

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。

陕南地区中煤阶煤分子结构演化特征

为研究陕南地区中煤阶煤结构中官能团的变化,以北秦岭商洛煤产地和上扬子镇巴煤产地的8个中等变质程度煤样为研究对象,采用X射线衍射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官能团的相对含量及结构参数。结果表明:随着镜质体反射率增大,芳环层面网间距逐渐减小,堆砌度与延展度逐渐增大,芳香度在反射率为1.30%时出现拐点;中煤阶煤芳香结构中苯环取代方式以三取代和二取代为主,随着变质程度的增高,苯环二取代的比例升高,脂肪族结构逐渐脱落导致相对比例降低,含氧官能团的吸收峰强度逐渐减弱,其中在反射率为1.3%时羰基相对含量最低;自缔合羟基、醚氧羟基和环羟基的相对含量均呈先减小后增大的趋势,煤分子结构中链状结构的环化使环状羟基相对含量在反射率为1.30%后增大,环化作用增强导致甲基含量减少,分子结构空间排列紧密,自缔合羟基相对含量增加;红外结构参数芳碳率、芳香性、芳香环缩聚程度和CH _(2)/CH_(3)等随反射率的增大而增大,成熟度的变化与醚氧或酚羟基的转化相关。总体上芳香结构相对含量增大,脂族结构减少,缩聚程度增加,生烃潜力随反射率增大,反映煤结构的生烃潜力降低。

中煤阶煤结构演化的Raman光谱表征

发生在中煤阶阶段的第二次煤化作用跃变导致煤的许多物理化学性质出现了转折性变化,而聚集态结构变化可能是导致这种转折性变化的根本原因。为详尽研究中煤阶煤结构演化特征及其与第二次煤化作用跃变的关系,选取了6个跨越第二次煤化作用跃变的中煤阶煤样(R_(o,max)=1.10%~1.63%),应用拉曼光谱法(Raman)对其进行结构表征,并利用分峰拟合软件分别对其一级模和二级模光谱曲线进行分峰拟合,在此基础上计算了相关结构参数。结果表明:Raman结构参数随R_(o,max)的演化不是线性的,反映煤结构演化的复杂性,据Raman结构参数的演化特征,可以将R_(o,max)=1.10%~1.63%阶段的煤化作用分为3个阶段,转折点分别位于R_(o,max)=1.30%和R_(o,max)=1.50%附近,正好与前人发现的第2次和第3次煤化作用跃变发生的位置相当,说明Raman结构参数可以反映煤化作用跃变的发生,同时也表明Raman光谱是一种研究煤结构的有效手段。第1阶段为R_(o,max)=1.10%~1.30%,以长链脂肪族结构裂解生成液相物质为主,同时断裂后的较短链的脂肪烃及芳环上的脂肪族取代基会形成脂肪环结构,煤结构的支链化程度增加,阻碍了芳香体系之间的定向排列,芳香体系排列有序度达到最差,表现为WG最小(G峰位置),FG/D最大(F为两峰半高宽比),A_(D)/A_(G)最小(A为峰面积),AS/A1增加,A_((2G)R)/A_(2)大幅减小;第2阶段为R_(o,max)=1.30%~1.50%,上一阶段形成的脂肪环发生芳香化作用,导致芳香C—H结构含量增加,无定形碳含量达到最少,芳香化程度及芳香结构有序度均增加,表现为A_((GR+VL+VR))/A_(D)、A_((GR+VL+VR))/A_(G)和FG/D大幅减小,A_(D)/A_(G)增加,WG及d(G-D)快速增加;第3阶段为R_(o,max)=1.50%~1.63%,一方面,第二阶段形成的芳香环之间发生缩聚反应,导致A_((2G)R)/A_(2)减小,另一方面,芳香环体系间的各种桥键继续断裂,导致一些小尺寸芳香结构的生成,表现为A_((2G)R)/A_(2)减小,WG小幅减小,A_((GR+VL+VR))/A_(D)和A_((GR+VL+VR))/A_(G)增加。这些结果是深入理解煤化作用跃变机制及煤化作用机制的基础。

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。

对不同煤阶煤孔隙分布特征浅析

煤层气作为一种重要的天然气资源,其开发利用对能源供应和环境可持续发展具有重要意义.煤孔隙结构是煤层气储存和运移的关键因素.基于此,针对不同煤阶煤的孔隙分布特征,分析了其对煤层气开发的影响机制,通过对不同煤阶煤的孔隙类型、孔径分布、孔隙连通性和渗透性等特征进行研究,揭示了煤孔隙结构与煤层气储存能力、渗透性和产能之间的关系.此外,还提出了煤层气开发中的煤孔隙优化方法.

不同煤阶煤孔隙分布特征及其对煤层气开发的影响

为了查明高、低煤阶煤储层孔隙分布差异性对煤层气富集与渗透运移的影响,根据高、低煤阶煤岩样品的压汞、平衡水等温吸附试验结果,分析了高、低煤阶煤孔隙发育特征,对比了高、低煤阶煤孔隙体积分形差异。结果表明:高煤阶煤孔隙度低、渗流孔含量小、"墨水瓶"型的半封闭孔发育导致孔隙连通性降低、渗流能力差;微孔含量高、水分含量低、吸附能力强,有利于煤层气富集。低煤阶煤孔隙度大,大、中、过渡孔比孔容均较大,孔隙连通性好,渗流能力强;比表面积小、水分含量高,致使吸附能力低下。高煤阶储层煤层气开发应提高渗透性而低煤阶煤层气开发则应首选优势富气区。

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。

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。

低、中煤阶煤层气地质选区评价体系

地质选区是煤层气勘探与开发的基础工作。我国低、中煤阶煤层气资源丰富,完善煤层气地质选区评价体系十分重要。笔者对影响煤层气勘探开发潜力的各种因素进行了综合分析,确定了主要影响因素,并利用多层次模糊评判法建立了低、中煤阶煤层气地质选区评价体系。研究表明:处在勘探初期的低煤阶煤层气选区的主要影响因素为煤层的生气潜力、储集性能和煤层气的保存条件;进入开发期的中煤阶煤层气选区的主要影响因素为煤层气的资源条件、赋存条件和开发条件。通过实例应用,彬长区块低煤阶煤层气勘探区可分为6类,一类区主要分布在亭南—大佛寺矿区以及雅店矿区北部区域,向周围煤层气勘探潜力降低;柳林区块中煤阶煤层气开发区可分为5类,一类区主要分布在东南部CLY井组和中北部FL-EP1井区的东北侧区域,北部聚财塔断层附近最不利于煤层气开发。

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。

不同煤阶煤样对N_(2)和CO_(2)的吸附特性对比研究

为对比研究煤对惰性气体N_(2)和CO_(2)的吸附特性,选取不同煤阶的5份煤样分别进行不同初始压力下N_(2)和CO_(2)的定容等温吸附实验。根据本课题组提出的经验公式,将气体累积吸附量倒数和吸附时间函数进行拟合,求得气体饱和吸附量A和反映气体吸附速率的参数B。研究结果表明:吸附压力和煤阶对N_(2)和CO_(2)吸附参数A、B的影响既有共性又有区别,但同一初始压力下,各煤阶煤样吸附CO_(2)的A值均大于吸附N_(2)的A值,除褐煤外各煤样吸附CO_(2)的B值均大于吸附N_(2)的B值。即相同压力下,各煤阶煤样对CO_(2)的饱和吸附量均大于N_(2),除褐煤外各煤样对CO_(2)的吸附速率大于N_(2)。

不同煤阶煤体甲烷吸附特性的对比分析

以新疆拜城矿区及库拜矿区煤体作为研究对象,以高低阶煤体孔隙特征及吸附规律研究为出发点,采用实验室测试等方法研究不同煤阶煤体物质组成、孔隙结构等对其吸附解吸特征的影响规律。结果表明,高阶煤体密度高于低阶煤体,但孔隙率低于低阶煤体;高低阶煤煤体密度均随镜质组含量增加而降低,随矿物含量增加而增加;通过液氮吸附试验发现高低阶煤煤体比表面积相差较小;等温吸附试验结果表明煤体最大吸附量与镜质组反射率呈正相关关系,与镜质组含量呈正相关关系,与惰质组含量呈负相关关系。试验结果可为后续新疆低阶煤煤层气开发提供一定借鉴意义。

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。

不同煤阶煤层气吸附、解吸特征差异对比

研究煤层气吸附、解吸特征差异,是揭示煤层气成藏机理及高效开发煤层气的基础。高、低煤阶煤层气藏吸附、解吸特征受煤储层物性差异的控制,呈现出显著差别,目前这方面的研究还基本上处于空白。利用煤层气成藏物理模拟及热变模拟实验等手段,研究了高、低煤阶煤层气吸附、解吸特征的根本性差异,并深入剖析了该差异的形成机制。结果显示:高煤阶煤层气藏吸附平衡时间长且较分散,初期相对解吸百分率与相对解吸速率低;低煤阶煤层气藏吸附平衡时间短而集中,初期相对解吸百分率与相对解吸速率高;其化学分子结构、物理结构及显微组分的差异是导致该差异的主要原因。因此,高煤阶煤层气藏解吸效率较低,开发难度较大,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,有助于高煤阶煤层气藏的开发生产。