长庆油田深层煤层气储层的录井分类评价

国内煤层气历经30年勘探开发,主要集中在1 200 m以浅煤层,随着浅层煤层气资源的逐步枯竭,深层煤层气资源的利用已成为必然趋势。鉴于深层煤层气评价在录井属于新领域,近两年针对深层煤层气多口新钻井围绕地质-工程“双甜点”评价开展技术攻关,结合之前在国内各浅层煤系气市场服务成果,通过优选适用于深层煤层气的录井技术系列,从岩性、脆性、烃源岩特性、含气性4个方面揭示储层的情况,形成了深层煤层气的录井分类评价方法。该方法已成功应用于长庆油田深层煤层气15口井评价和压裂选层方案设计,凸显了录井技术多信息综合评价的技术优势,满足了深层煤层气非常规储层勘探开发的需求。

煤矿地下水库技术原创试验平台体系研制及应用

煤炭是我国主体能源,西部是我国煤炭主产区,矿井水保护利用是煤炭开发面临的重大技术难题。国家能源集团煤炭绿色开采技术研发团队经过20多年持续技术攻关,首创了煤矿地下水库技术,在西部神东矿区推广应用,为矿区开发提供了95%以上用水,确保了矿区可持续开发。为进一步丰富完善煤矿地下水库理论和技术体系,在西部煤炭主产区不同地质和工况条件下推广应用该技术,保障国家能源安全和水资源安全,研发团队构建了煤矿地下水库原创技术试验平台体系,包括煤炭开采地下水运移与保护综合智能试验平台、多煤层开采煤矿地下水库模拟试验平台、煤矿地下水库坝体结构试验平台、西部深部井工矿井筒施工模拟试验台、地下水库水岩耦合机理试验、水处理工艺集成试验平台、煤矿地下水库冲击试验平台等,能够开展西部矿区不同煤层赋存条件下地下水运移规律、坝体结构参数优化、水库安全稳定性、水岩耦合作用机理、矿井水处理工艺参数优化、垮落岩体垮落冲击对坝体影响等研究,为煤矿地下水库建设、运行和安全提供理论支撑和技术验证。利用上述试验平台,开展了多煤层开采煤矿地下水库稳定性及渗流规律模拟、煤矿地下水库坝体结构安全、煤矿地下水库水岩耦合机理等多项试验研究,相关研究成果已应用于现场工程实践,确保了煤矿地下水库安全稳定运行。

焦作矿区煤系含气系统基本要素研究

煤系气是重要的天然气资源,明确煤系含气系统的基本要素对于煤系气勘探开发至关重要。以焦作矿区石炭—二叠系海陆过渡相含煤岩系为例,基于区内煤系气勘探资料,从生、储、盖及上覆岩层4方面,探讨了研究区煤系含气系统的基本要素及其特征。研究表明,焦作矿区石炭—二叠系烃源岩以煤和暗色泥岩为主,马厂1井太原组、山西组和下石盒子组泥岩的TOC含量分别为1.68%、0.905%和4.35%,二1煤顶底板泥岩的S_(1)+S_(2)含量分别为0.452、0.576 mg/g,达到了较好—好烃源岩级别;从镜质组含量、类型指数等方面,判定烃源岩为Ⅲ型有机质类型;烃源岩热演化程度整体处于成熟—过成熟阶段,处于主生气期。储集层以煤为主,其次为泥岩和部分砂岩,其含气量分为11.54~23.16、1~3、0.18~1.47 m^(3)/t,储集层矿物组成主要为石英和黏土矿物,主要发育植物胞腔孔和气孔,孔隙度介于0.80%~11.08%,渗透率介于0.004×10^(-3)~0.012×10^(-3)μm^(2),具有低孔低渗的物性特征;太原组、山西组和下石盒子组泥岩的饱和气突破压力为5.88~9.80 MPa,饱和煤油突破压力为13.72~14.11 MPa,具有很好的封闭能力。研究认为,焦作矿区石炭—二叠系煤系含气系统基本要素的组合关系为,烃源岩发育于太原组至下石盒子组,优势储集层为山西组,上石盒子组为区域盖层,第四系及新近系为研究区上覆岩层。

采空区破碎煤岩体溶蚀作用及净水机理实验研究

开展地下水库采空区破碎煤岩体溶蚀作用及净水机理研究,是实现矿井地下水库安全高效运行的关键。本文以锦界煤矿31409工作面开采形成的地下水库为工程背景,选取采空区破碎煤岩体及去离子水进行污染物释放规律实验研究,分析了采空区破碎煤岩体溶蚀作用规律,探究了破碎煤岩体对水体特征影响机理,获得了破碎煤岩体在不同温度、风化条件下污染物释放规律,并分析了地下水库净水过程中的沉淀溶蚀作用。溶蚀作用及岩体中黏土矿物表面对可溶性有机质的吸附、沉淀作用等水岩作用决定了地下水库净水特征,在不同的时间范围里,溶蚀作用和吸附沉淀作用各自占主导作用,影响矿井水质。

煤矿地下水库水岩作用时间规律模拟试验研究

矿井水在煤矿地下水库的停留时间会影响出水中离子浓度水平,而煤矿地下水库运行期间的水岩作用时间规律尚不明晰。为揭示煤矿地下水库不同运行阶段水岩作用的发生类型及强度,结合现场采样测试分析,设计细砂岩–矿井水(S-K)和泥岩–矿井水(N-K)2组水岩相互作用静态模拟试验,从试验前后岩石成分变化及水中主要离子变化2个方面解析水岩作用类型,并结合Q型聚类分析探讨水岩相互作用的时间规律。岩石矿物成分变化表明,水岩作用过程中发生了钠长石、正长石等矿物的溶解以及高岭石、石英等矿物的沉淀;离子比值分析与统计学分析表明,水岩作用过程中还发生了阳离子交换反应以及硅酸盐、蒸发岩等矿物的溶解和碳酸钙矿物的沉淀;Q型聚类分析表明,静态模拟试验水样样本按时间序列可划分为3类,分别代表水岩作用前期(0~0.5 d),中期(1~10 d或1~8 d)以及后期(12~47 d或10~47 d)。结合离子来源解析综合判定:在本试验中,水岩作用前期以阳离子交换反应为主,离子变化主要表现为Na^(+)浓度激增,而Ca^(2+)浓度锐减;中期以阳离子交换反应与矿物溶解-沉淀为主,离子变化主要表现为Na^(+)、K^(+)、Cl^(−)浓度增高,Ca^(2+)、HCO_(3)^(−)、Mg^(2+)浓度降低,S-K组中SO_(4)^(2−)浓度增高,而N-K组中SO_(4)^(2−)浓度降低;后期水岩作用微弱,处于动态平衡状态,各离子浓度没有明显变化;岩石性质对离子变化有一定影响。研究结果为煤矿地下水库不同运行时期的矿井水水质净化机理提供理论参考。

煤矿地下水库坝基层间岩体破坏及突渗力学模型

煤矿地下水库技术为西部矿区矿井水资源储存和利用提供了新的途径。煤矿地下水库安全稳定的科学问题之一是开采扰动下煤岩体渗透特性突变机理及量化表征。以陕西大柳塔煤矿为原型开展了煤矿地下水库层间岩体裂隙演化的物理相似模拟试验和三轴循环加卸载渗流耦合试验。结果表明:下煤层工作面朝上部水库推进过程中层间岩层发生拉伸剪切破坏,裂隙逐渐向水库坝体方向延伸,采用数字散斑方法观测到坝基岩体裂隙网络由离散局部变形连通形成宏观裂缝,并贯穿至煤柱坝体;从几何和拓扑角度定量地分析了裂隙网络的幂律分布特征,证实了裂隙演化在空间上存在连通概率,岩层的裂隙网络连通属于渐进式,区别于岩石试件裂隙激增式扩展过程。综合考虑原岩应力、初始采动应力、循环加卸载等作用,发现采动应力导致煤体的体胀作用远大于砂岩,砂岩作为硬岩关键层有利于抑制裂隙扩展和渗透增加;采用基于分数阶理论的非达西渗透率公式计算瞬态法测试的渗透率,相比常规计算方法具有更好的灵敏性,渗透率突变伴随着应力突降、体应变激增、破裂信号陡增等行为,揭示了渗透率的本质是裂隙网络的拓扑连接,提出了突渗的力学定义和拓扑定义。采用逾渗理论将裂隙网络连通视为连续相至非连续相的跳跃行为,建立了煤岩体突渗的逾渗模型,经应力渗流、蠕变渗流等试验验证模型有效且形式简单,为突渗力学行为的数学描述奠定了基础。

煤矿地下水库对矿井水净化机理研究进展

煤矿地下水库对矿井水的净化作用主要在于库内岩体与矿井水发生的水-岩耦合作用。本文系统梳理了煤矿地下水库水-岩耦合作用的研究方法,指出水样水质测试和岩样理化性质表征项目,并通过静态模拟、动态淋滤、循环净化模拟等试验,探索煤矿地下水库对矿井水的净化规律,利用数值模拟获取反应过程中离子的选择性吸附趋势,结合Piper三线图、Gibbs模型和相关性分析等方法揭示水-岩耦合作用机理。论述了煤矿地下水库对矿井水中悬浮物、特征离子和有机物的净化作用和研究进展,研究表明,煤矿地下水库对矿井水具有一定的净化效果,其中对特征离子的净化主要与溶滤和吸附作用相关;提出了未来煤矿地下水库净化技术的3个研究方向:(1)基于水-岩耦合净化作用的井下矿井水大规模低成本处理技术;(2)耦合多种水处理技术的煤矿地下水库“三位一体”水质控制技术;(3)浓盐废水井下存储及资源化利用技术。

神东矿区顶板垮落岩体在不同水化学条件下的离子迁移特征

采空区内含有大量的顶板垮落岩体,矿井水在地下水库内储存过程中,与采空区内顶板垮落岩体存在离子交换/吸附、溶滤等水岩相互作用,在一定程度上影响矿井水水质。采集了内蒙古哈拉沟矿区采空区顶板垮落岩体,对其阳离子交换容量(CEC)进行测定,并开展了不同水化学条件下(Na^(+)、Mg^(2+)、K^(+)、Ca^(2+)质量浓度各250 mg/L)的水岩耦合静态吸附-溶出实验。实验结果表明:采空区顶板垮落岩体的CEC与粒径大小成反比,当粒径小于120目(0.125 mm)时CEC达134 mmol^(+)/kg,采空区顶板垮落岩体中交换性盐基离子总量排序为交换性钙交换性镁>交换性钠>交换性钾;静态吸附-溶出实验48 h后各体系中离子质量浓度趋于平衡,Na^(+)体系溶液中阳离子质量浓度均有所升高,其他3种体系中,原有离子质量浓度均有所下降,且K^(+)质量浓度下降幅度最大。采空区顶板垮落岩体交换至水溶液中的离子质量浓度由高到低的顺序为:Ca^(2+)>Na^(+)>Mg^(2+)>K^(+),Ca^(2+)质量浓度在试验结束后依然有上升趋势。反应后采空区顶板垮落岩体的CEC均有所增加,Ca^(2+)体系下CEC最大达183.7 mmol^(+)/kg。基于XRD等表征结果进一步揭示了微斜长石、钠长石、硫铁矿等非黏土矿物的溶滤作用可以导致溶液中Ca^(2+)、Na^(+)的质量浓度增加,而伊利石、高岭石等黏土矿物则通过配位作用等对溶液中的阳离子进行吸附/交换。对于阳离子而言,若溶滤作用>离子交换作用(初始质量浓度较低)则质量浓度有所上升;反之则有所下降。因此当矿井水Ca^(2+)、Mg^(2+)质量浓度较高时,煤矿地下水库可通过水岩相互作用在一定程度上降低矿井水的硬度。

沁水盆地煤岩储层单井产能影响因素

沁水盆地煤层气资源丰富,最新一轮的资源评价结果表明,该区埋深2000m以浅的煤层气地质资源量可达3.98×1012m3。中联煤层气有限责任公司、中国石油天然气集团公司、蓝焰公司等单位相继在盆地南部的潘庄、寺庄、樊庄等区块获得了煤层气产能;然而该盆地目前煤层气井年产能仍小于20×108m3,距煤层气大规模产能建设目标差距甚远。由于影响煤层气高产的因素较复杂,导致各井排水采气生产特征差异较大,稳产周期与产能也复杂多变。基于此,重点分析了煤层气井单井产能的主要影响因素。结果表明:盆地煤层气产量较高的井主要分布于煤层厚度大于5m,含气量大于19m3/t,含气饱和度高于70%,渗透率为1.0×10-3μm2左右,临界解吸压力大于1.8MPa且地层水动力条件相对较弱的区域。

华北地区石炭系—二叠系煤岩储集性能的控制因素

沉积相及成岩作用对煤岩的储集性能都有重要控制作用,沉积相控制煤岩的灰分产率、煤岩显微组分,而这些因素又影响煤岩的储集性能。灰分与储集物性之间存在定量关系,灰分越多,储集物性越差。显微组分中,镜质组有利于割理的形成,镜质组含量越高,渗透性越好,孔隙度也越高。从暗煤到亮煤,总的趋势是镜质组含量增高、灰分产率降低,储集物性变好。华北地区石炭系—二叠系煤岩储集层主要形成于潮坪环境和三角洲环境,潮坪煤岩的储集物性优于三角洲煤岩,下三角洲平原沉积的煤岩储集物性优于上三角洲平原沉积的煤岩。处于潜流带和渗流带的煤岩,由于溶蚀作用强烈,其储集物性好,而处于深部缓流带的煤岩,由于胶结和压实作用强,储集物性差。因此,潜流带和渗流带是寻找优质煤岩储集层的有利部位。

沁水盆地盖层对煤层气富集的影响

从煤层气藏封盖机理探讨开始,分析了沁水盆地以及其他含煤盆地煤层气富集与盖层的关系。研究认为,实际上盖层对煤层气的保存同样重要,煤层气藏对盖层封盖性的要求就是要使煤层能够达到最佳的吸附量或含气量。研究结果①良好的盖层条件可以减缓煤层气的散失,同时可间接抑制煤层气的解吸;②具有封盖性好的上覆盖层(顶板)和下伏隔层(底板)的煤层有利于煤层气的富集;③煤层埋藏太浅,盖层封盖条件变差,不利于成藏;④埋深适中,具有稳定分布、封盖性好顶底板的煤层有利成藏。沁水盆地盖层与含气量的关系说明,盖层厚度大、泥质含量高、高突破压力和一定的埋深对煤层气的保存是有利的。

煤储层割理评价方法

割理是广泛存在于煤层中对煤层气的产出具有重要意义的内生裂隙系统 ,是煤层经过干缩作用、煤化作用、岩化作用和构造压力等各种过程形成的天然裂隙。由于在煤层气勘探中 ,割理及割理渗透率形成与保存对煤层气高产富集区预测有着重要意义 ,所以了解割理的成因和分类及相应的研究方法对煤层气地质选区评价至关重要。本次研究结论如下 :①割理形成既有外生成因 ,也有内生成因。煤层割理是干缩作用、煤化作用、成岩作用及古构造应力等内外地质作用共同作用的结果 ,双重成因假说更为贴切。②提出了一套研究煤层割理及割理系统的方法 ,并完善了用割理评价渗透率的方法。③通过对影响割理发育的内在因素的分析 ,认为割理是外在地质作用 (煤化作用、构造应力等 )通过煤层内在属性 (煤厚、煤岩组成、灰分等 )形成的 ,是各种地质作用在煤储层中的综合反映。煤层内在属性和外在地质作用缺一不可 ,这两者都是形成割理、改善煤层渗透性的必要条件。

流量替代渗透率评价破碎性储层工作流体伤害程度

若地层岩石整体强度偏低,在力学环境改变后岩石易破碎成不规则破裂体,则储存油气资源的此类破碎地层被称为破碎性储层。由于破碎性储层在纵向上存在着较强的非均质性,通过测试单个柱塞岩样在工作流体伤害前后的渗透率变化难以体现工作流体对储层的整体伤害程度。为此,利用达西定律先从理论上探讨用流量替代渗透率定量表征储层伤害程度的可行性,再开展单层开采、双层及三层并采的流量测试实验,评价工作流体对单层、多层储层的整体伤害程度,并将流量损害率与渗透率损害率进行对比以求证流量替代渗透率的可行性。研究结果表明:①单层开采时,流量损害率与渗透率损害率基本一致,渗透率损害率是流量损害率的一种特殊形式;②双层及三层并采时,单层各自稳定流量损害率与渗透率损害率接近,且流量损害率可以定量表征并采储层的整体伤害程度,而渗透率损害率则无法定量表证;③稳定流量损害率较累积流量损害率更接近渗透率损害率。结论认为,测定稳定流量可以替代测定渗透率评价工作流体对破碎性储层的伤害程度,从而为优选工程技术与评价工作流体的适应性提供了方法依据。

川西白马庙地区上侏罗统蓬莱镇组天然气成藏研究

本文通过烃源岩生烃史、油气运移史和成藏史分析 ,对川西白马庙地区上侏罗统蓬莱镇组天然气成藏进行研究。首先 ,采用有机相分析、埋藏史分析、TTI计算和生烃率法 ,建立了烃源岩生烃史 :上三叠统泥质岩和煤为烃源岩 ,侏罗纪末进入生油门限 ,早白垩至晚白垩世进入成熟期 ,晚白垩至今处于高成熟期 ,总生烃量为 115 0 6× 10 8m3 。其次 ,采用平衡浓度法计算天然气运移量为 2 6 46 .6× 10 8m3 ,且散失量小 ,分子扩散相运移对蓬莱镇组天然气成藏起决定性作用。然后 ,结合生排烃史分析 ,采用流体包裹体分析技术确定关键时刻早第三纪。最后 ,通过分析蓬莱镇组天然气成藏的基本要素及其时空配置关系 ,建立了蓬莱镇组天然气的成藏模式 ,动态地再现了天然气成藏的地史过程。

煤岩储气层岩石蠕变特性与本构模型研究

与一般煤岩相比,裂隙发育是煤岩储气层的主要物理特征,其结构较为软弱,在复杂地应力条件下易产生蠕变破坏,往往造成煤层气开采中钻井的破坏失稳。为探讨储气层煤岩钻井壁的蠕变失稳规律,采用美国RTR–1000型三轴岩石力学测试系统对储气层煤岩进行系统的单轴压缩试验。利用饱依丁–汤姆逊体与宾汉姆体,建立储气层煤岩蠕变模型,并通过拟合得到蠕变方程中的各个参数。根据储气层煤岩在不同载荷条件下的单轴压缩试验结果对蠕变模型进行验证。结果表明,所提出的储气层煤岩蠕变模型能很好地描述各蠕变阶段的变形特性,尤其是衰减阶段与稳定蠕变阶段,并能很好地反映蠕变的长期强度。同时,将煤岩蠕变特性与钻井方式相结合,提出煤层钻井液的优选思路,对保持煤岩钻井壁稳定、有效保护储集层以及高效安全建井等具有重要的实际意义。

煤层气钻探低密度钻井液物/化协同降滤失研究

针对低压力系数孔隙裂隙煤岩储气层钻进过程中的储层损害及孔壁不稳定问题,采用微观分析和试验研究相结合的方法,开展了拥有物/化协同降滤失性能的钻井液体系的研制。分别对由超细惰性材料、化学添加剂配制的钻井液进行API失水试验,并采用扫描电镜分析手段对所形成的泥皮进行微观形貌分析。通过正交试验研制出拥有物/化协同降滤失性能的钻井液优化配方,采用扫描电镜分析手段对其泥皮进行微观形貌分析及性能评价。通过API试验、扫描电镜分析得到了空心玻璃微珠颗粒在泥皮中搭桥形成微米级孔隙发育的空间结构,使基浆滤失量增加;纳米二氧化硅在泥皮中形成的空间结构松散,孔隙率大,导致滤失量随纳米二氧化硅剂量的增加由24 m L迅速增加至50m L。而降滤失剂泥皮光滑致密,能使基浆滤失量由24 m L降低至10 m L左右。最终通过正交试验优化了含超细惰性材料的钻井液配方。研究结果对于揭示超细惰性材料与黏土矿物及降滤失剂的相互作用机理以及低压力系数孔隙裂隙煤岩储气层的快速钻进具有重要意义。

断陷盆地天然气运聚成藏史研究--以东濮凹陷文23气田为例

天然气运聚成藏史包括天然气的来源、运移通道、充注过程、充注期次及成藏各要素的配置关系。以渤海湾盆地东濮凹陷文23气田为例,在油气地质综合研究基础上,借助天然气分析测试资料,对该气田沙四段气藏天然气生成、运移、聚集、保存等动态成藏过程进行了研究。结果表明,文23地区天然气主要来源于前梨园洼陷石炭-二叠系煤系源岩。在沙一段沉积期至东营组沉积末期,洼陷带生成的煤成气沿文东断层向上运移进入沙四段砂体,并沿着砂体高孔隙高渗透带向西北方向运聚,在沙四段储集层的有利部位聚集成藏,为一期连续充注成藏。其古气水界面比现今气藏的气水界面约低10m,表明文23沙四段气藏中的天然气在东营运动晚期存在一定程度的散失。

低阶煤储层甲烷吸附解吸过程中导电性变化规律

为了系统探究甲烷吸附解吸过程中低煤阶煤储层导电性变化规律,以彬长地区4#煤层为研究对象,通过测定不同煤岩组分样品甲烷吸附解吸过程中的电阻率,探究吸附和解吸过程中煤的导电性变化规律及机理,并对比分析不同煤岩组分导电性变化差异。研究认为,升压吸附过程中煤的导电性逐渐增强,电阻率与吸附量、平衡压力之间的关系可用一元二次函数描述;降压解吸过程中煤的电阻率小幅度回升,其与吸附量、平衡压力之间为线性关系;甲烷吸附过程中放热和煤基质膨胀变形,使得导电性增强,解吸过程中吸热和煤基质收缩,使得导电性变差;甲烷吸附会导致煤的结构发生不可逆转的变化,即使甲烷解吸后,煤的电阻率也难以恢复到初始水平;暗煤灰分高,孔喉结构相对均匀,双电层带电粒子更少,导电性较镜煤弱,加之暗煤吸附能力强,使得其在吸附过程中电阻率下降幅度和速率更大。

清江隔河岩水库茅坪滑坡复活机理初探

基于对茅坪滑坡体1993～2000年的降雨、水库水位、变形等监测资料的综合分析,初步认为茅坪滑坡体复活是其东侧白岩危岩体中不合理的采煤活动引起的。采煤活动诱发的危岩体开裂和崩塌,加强了滑坡体与危岩体的水力联系,间接扩大了滑坡体的受雨面积。因此,从滑坡体变形的影响因素上讲,降雨(特别是强降雨)的影响较大,水库蓄水和库水位波动的影响范围主要集中在滑坡体前缘。

鄂尔多斯盆地北部上古生界天然气成藏期次——以杭锦旗探区为例

杭锦旗探区是中国石油化工股份有限公司在鄂尔多斯盆地北部的一个重点区块,油气生、储、盖条件良好,目前对于该区上古生界天然气成藏期次的认识存在分歧。通过生烃时间法、圈闭形成期法、流体包裹体法以及储层致密化时间和煤热解模拟结果等方法对该区上古生界油气成藏期次展开研究。结论认为杭锦旗探区上古生界存在2期大规模油气运聚;结合生烃高峰和流体包裹体均一化温度结果,明确了该区上古生界油气成藏时间,分别对应于中—晚侏罗世和早白垩世末—至今,前者为油气兼生期,后者为大规模天然气生成期。研究过程中结合多种方法和手段来判识油气成藏期次,避免了单一方法的局限性,结论及认识的可信度更高。