鄂尔多斯盆地石炭系本溪组煤岩气地质特征与勘探突破

通过对鄂尔多斯盆地石炭系本溪组煤岩分布、煤岩储层特征、煤质特征、煤岩气特征以及煤岩气资源和富集规律等方面开展系统研究,评价其勘探潜力。研究表明:①煤岩气是有别于煤层气的优质天然气资源,在埋深、气源、储层、含气性、碳同位素组成等方面具有独特特征;②本溪组煤岩分布面积达16×10^(4)km^(2),厚度2~25m,以原生结构的光亮和半亮煤为主,挥发分和灰分含量低,煤质好;③中高阶煤岩TOC值为33.49%~86.11%,平均值为75.16%,演化程度高(Ro为1.2%~2.8%),生气能力强,气体稳定碳同位素值高(δ^(13)C_(1)值为-37.6‰~-16.0‰,δ^(13)C_(2)值为-21.7‰~-14.3‰);④深层煤岩发育气孔、有机质孔和无机矿物孔等基质孔隙,与割理、裂缝共同构成良好储集空间,储层孔隙度为0.54%~10.67%,平均值为5.42%,渗透率为(0.001~14.600)×10^(-3)μm^(2),平均值为2.32×10^(-3)μm^(2);⑤纵向上发育5种煤岩气聚散组合,其中煤岩-泥岩聚气组合与煤岩-灰岩聚气组合最为重要,封闭条件好,录井全烃气测峰值高;⑥构建了广覆式分布的中高阶煤岩持续生气、煤岩基质孔和割理裂缝规模储集、源-储一体赋存、致密岩盖层密闭封堵的煤岩气富集模式,存在煤岩侧向尖灭体、透镜体、低幅度构造、鼻状构造和岩性自封闭5种高效聚气类型。⑦依据煤岩气地质特征评价划分出8个区带,估算埋深超过2000m的煤岩气资源量超过12.33×10^(12)m^(3)。上述认识指导风险勘探部署,两口井实施后分别获得工业气流,推动进一步部署预探井和评价井,获得规模突破,提交超万亿方预测储量和超千亿方探明储量,对中国天然气效益增储和高效开发具有重大意义。

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。

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。

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。

我国西北地区中低煤阶煤层气成藏规律及控气因素探讨

我国中低煤阶煤层气资源丰富,其勘探开发一直备受关注。基于中低煤阶煤层气富集成藏自身的特殊性,研究中低煤阶的成藏规律及控气因素是煤层气勘探开发及综合评价的前提和基础。通过系统分析、总结我国西北地区煤层气成藏地质特征、煤层气富集规律,认为我国西北地区中低煤阶煤层气含量的地质控制因素主要表现为煤变质作用、构造演化、沉积特征、岩浆活动等,各种地质因素系统作用控制了煤层气赋存和富集格局,煤变质作用是影响煤层含气量的直接因素。

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。

中低阶煤温和氧化制备草酸的研究

以云南昭通褐煤(ZT)和新疆伊宁次烟煤(YN)为原料,通过电化学氧化法制备草酸,采用红外光谱法(FTIR)对原煤进行表征,液相色谱法(HPLC)对氧化产物进行表征。考察了电解体系对于中低阶煤制备草酸的影响,探究了两种煤在NaCl体系中生成的苯羧酸(BCAs)对生成草酸影响及相应草酸收率占比规律,考察了ZT电解时间、电流密度、NaCl电解质与煤样质量4个因素对草酸收率的影响。结果表明,在0.5~5 h内ZT及YN在NaCl体系中草酸收率均显著高于NaOH体系,NaCl体系更适合制备草酸。ZT草酸占比相对于YN更高,较低煤阶的ZT更适宜制备草酸。较长的电解时间、较大的电流密度、较多的NaCl电解质添加量,较少的煤样质量对ZT生成草酸具有促进作用。

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。

低变质烟煤中低温热解机理研究进展

中国低变质烟煤储量丰富,中低温热解是低变质烟煤极佳的利用方式,介绍了煤热解、煤热解过程的影响因素及煤热解的研究现状,重点梳理了煤热解机理的发展及热解机理的最新研究成果,现阶段实现了对煤热解过程的定量描述,对煤热解过程中的二次反应认识也得到了一定的细化,继续加大煤热解的基础研究将为中国煤炭资源的高效清洁利用指出方向,实现煤的定向热解和产物调控,更好地指导工业实际应用。

Triple Medium Physical Model of Post Fracturing High-Rank Coal Reservoir in Southern Qinshui Basin

In this paper, influences on the reservoir permeability, the reservoir architecture and the fluid flow pattern caused by hydraulic fracturing are analyzed. Based on the structure and production fluid flow model of post fracturing high-rank coal reservoir, Warren-Root Model is improved. A new physical model that is more suitable for post fracturing high-rank coal reservoir is established. The results show that the width, the flow conductivity and the permeability of hydraulic fractures are much larger than natural fractures in coal bed reservoir. Hydraulic fracture changes the flow pattern of gas and flow channel to wellbore, thus should be treated as an independent medium. Warrant-Root Model has some limitations and can’t give a comprehensive interpretation of seepage mechanism in post fracturing high-rank coal reservoir. Modified Warrant-Root Model simplifies coal bed reservoir to an ideal system with hydraulic fracture, orthogonal macroscopic fracture and cuboid matrix. Hydraulic fracture is double wing, vertical and symmetric to wellbore. Coal bed reservoir is divided into cuboids by hydraulic fracture and further by macroscopic fractures. Flow behaviors in coal bed reservoir are simplified to three step flows of gas and two step flows of water. The swap mode of methane between coal matrix and macroscopic fractures is pseudo steady fluid channeling. The flow behaviors of methane to wellbore no longer follow Darcy’s Law and are mainly affected by inertia force. The flow pattern of water follows Darcy’s Law. The new physical model is more suitable for post fracturing high-rank coal reservoir.

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。

50万t/a中低温煤焦油全馏分加氢制环烷基特种油品成套工业化装置试车及运行

分析了采用国内自主技术的第一套“50万t/a中低温煤焦油全馏分加氢制环烷基特种油品成套工业化装置”的构成、工艺流程特点、原料及产品方案,介绍了自试车成功到2022年的装置运行、各系列产品的生产和营销情况。装置的顺利投产表明:采用此技术可以利用中低温煤焦油生产出优质的环烷基特种油品。

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。

中煤阶煤岩控制下的煤储层孔裂隙结构特征——以柳林矿区为例

为了探讨煤岩类型和煤储层孔隙结构的耦合关系,建立了煤层层内非均质模型,采用压汞、液氮、CT等实验测试手段和分形数学理论,根据实验得到的各孔径段孔隙含量、视孔隙率、体积中值半径、退汞效率、BET比表面积、BJH总孔容、平均孔径等参数的均值来研究光亮煤、半亮煤、半暗煤和暗淡煤储层物性差异,结合CT三维空间建模,分析了不同煤岩类型煤储层孔隙结构特征与差异性。结果表明:光亮煤微裂隙发育,连通性好,有利于煤层气的解吸、扩散和渗流,为煤层气勘探开发的有利储层;半亮煤孔隙连通性好,较有利于煤层气解吸、扩散和渗流,同样为有利储层;半暗煤孔径分布较均衡,半封闭-开放孔发育,较有利于煤层气富集和渗流,为煤层气勘探开发的中等储层;暗淡煤微小孔含量最低,空间呈点状分布,矿物含量高,裂隙不发育,对于煤层气的渗流和储集均不利。原生结构煤为主的矿区煤层气开发应首选光亮煤发育带,其次为半亮煤和半暗煤发育带。该结论可为煤层气开采过程中层间非均质性提供指导依据。

中煤阶煤层气水平对接井开发效果与优化

通过理论分析与数值模拟相结合,分析对比SIS水平井与常规水平井的开发效果,在此基础上从生产制度与井型设计两方面对SIS水平井进行优化设计。研究表明,渗透率在1~40 mD,含气量小于12 m3/m3时,SIS水平井的采出程度是常规水平井的2~7倍。因此对于含气量较低,渗透率中等,割理较发育的中煤阶煤层气藏,SIS水平井具有较大的优势。SIS水平井合理泵排量为60~90 m3/d,合理生产井井底流压应控制在0.15~0.2 MPa.同时SIS水平井分支长度在1 100 m左右,分支夹角在40°~50°,SIS水平井主轴方向与面割理垂直时,SIS水平井开发效果最佳。

大宁地区煤层气成藏控气因素分析

大宁地区是鄂尔多斯盆地东部石炭—二叠含煤层系的主要分布区,煤层气资源量约为1.8×1012m3。通过研究该区上石炭统太原组和下二叠统山西组主力煤层厚度、埋深、煤岩煤质特征及演化程度、煤层吸附性、煤储层物性及含气性、煤层气保存条件和资源分布等因素,得出了以下结论:大宁地区煤层气成藏控气条件有利,具有煤层厚度大、分布面积广、煤储层孔裂隙发育、含气量高,煤层吸附饱和度高、顶底板封盖性能好、水动力条件优越等特点,是中煤阶煤层气勘探的有利目标区。

中–高煤级煤岩孔隙发育特征

煤层气的吸附、解吸、扩散、运移与煤储层孔隙发育情况密切相关,煤岩孔隙特征实验研究至关重要。离心法获取煤样毛管压力资料快速简便,无毒无害,通过离心取代常规压汞来表征并划分中–高煤级煤岩孔隙结构类型,将二者实验结果进行对比,同时结合扫描电镜实验探究孔隙发育成因。结果表明:依据煤级高低可将煤岩孔隙结构划分为3类,从类型Ⅰ到类型Ⅲ,孔隙发育情况由大–中孔向微–小孔过渡,气体储运模式由吸附扩散向游离渗流过渡;离心与压汞在表征煤岩孔隙发育特征上具有一致性;不同种类的煤孔隙成因导致煤层气在各类煤储层中的储运方式存在差异。

中低煤阶煤的生物气生成特征

为得到中低煤阶煤的生物气生成特征,以龙口褐煤和淮南肥煤为产气母源进行生物气生成模拟试验,在控制其他影响因素相同的情况下,同时进行7组试验,其中6组试验组分别添加褐煤和肥煤样品为底物,通过统计和分析生物气的产气量、产气速率,探讨中低煤阶煤的生物气生成特征。结果表明:90 d的煤生物气生成模拟试验中,褐煤和肥煤试验组的生物甲烷气生成量和生气速率总体表现为煤阶越低,生气累积量和生气速率越大;在试验组生物气生成整体上经历了3个阶段:第一个阶段是迅速上升期,第二阶段是平稳下降期,第三阶段为趋于稳定期。但第一个阶段的不同煤阶煤样生气特征存在差异:淮南肥煤较龙口褐煤生气较早。生物气生成前期,生物产甲烷菌种主要以培养基中营养液为主要原料,生气速率较高,到生物气生成后期,生物产甲烷菌种消耗煤中有机质产气,从而导致生气速率降低。

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。

澳大利亚Bowen盆地M气田中煤阶煤层气水平井开发优化

以澳大利亚Bowen盆地M气田中煤阶煤层气为例,依据渗透率和含气量,将储集层划分为4类,建立井组模型,提出相应的中煤阶煤层气水平井开发策略。针对Ⅰ类和Ⅱ类煤储集层渗透率较高,优化单井控制面积,采用与面割理垂直的单分支SIS水平井开发,后期加密,大幅减少钻井进尺、地面井口数;针对Ⅲ类煤储集层,考虑先期投产井对该区域压力的影响,适当增加单井控制面积,优化水平分支长度和夹角;Ⅳ类煤储集层渗透率较低,单井控制面积小,SIS水平井和MBL井开发效果均较差,建议暂不开发。