煤层气与页岩气吸附差异性分析

查明页岩气与煤层气的吸附差异对指导其勘探开发具有重要意义。通过测试不同成熟度和有机质(TOC)的煤与页岩的等温吸附曲线,结果表明:TOC含量是影响页岩吸附的主要因素,成熟度相当的煤与页岩相比,煤的吸附量远远大于页岩,主要是由于成藏特征、物质组成和孔隙结构不同造成的;页岩吸附过程中出现的异常吸附可能有其他的吸附理论支撑。

鄂尔多斯盆地东缘山西组煤系页岩孔隙结构特征及其演化规律研究

目的为了解煤系页岩中孔隙结构特征及其演化规律,方法采用X射线衍射、岩石热解、扫描电镜、低压CO_(2)/N_(2)吸附和高压压汞等实验,对鄂尔多斯盆地东缘山西组煤系页岩不同岩相孔隙结构进行表征,分析成岩作用对各岩相孔隙演化的影响。结果结果表明,山西组主要发育富硅泥质页岩岩相(A-1)、泥质/硅质混合页岩岩相(M-2)和富黏土硅质页岩岩相(S-3);介孔是储层孔容的主要来源,贡献度达65%以上,微孔是储层比表面积的主要来源,贡献度达62%以上;S-3页岩总孔容和总比表面积均较大,均值分别为0.0362 cm^(3)/g,35.15 cm^(2)/g,A-1页岩总孔容和总比表面积均较小,均值分别为0.0266 cm^(3)/g,21.39 cm^(2)/g;有机质通过控制微孔发育对页岩比表面积起控制作用,另外,黏土矿物对页岩比表面积有一定促进作用,黄铁矿对M-2页岩和S-3页岩孔隙结构均有一定促进作用;A-1页岩孔隙演化受压实作用、黏土矿物转化作用最为明显,S-3页岩孔隙受胶结作用、有机质生烃作用和溶蚀作用影响均较显著,M-2页岩孔隙兼具A-1和S-3页岩的成岩演化特点。结论研究结果可为鄂尔多斯盆地煤系页岩孔隙结构研究提供借鉴与参考。

煤与煤层气资源开发全过程阶段划分及其开发效果评价

为更好地认识煤与煤层气两种资源开发的全过程,科学评价各阶段开发效果,基于煤层气矿业权和煤炭采矿权分置的现实以及现行的煤炭和煤层气开采的安全生产许可制度,考虑不同类型开采企业的性质和特点以及不同时空煤层气开发对煤炭生产的影响,对煤和煤层气开发全过程进行了系统研究分析。研究结果表明:煤炭与煤层气开发全过程可分为相互独立又相互联系的4个阶段,即:单纯性煤层气开发阶段、互惠性煤层气开发阶段、煤与瓦斯共采阶段和废弃矿井煤层气开发阶段。但随着“煤层气勘查、开采结束前,不设置煤炭矿业权”规定的落实,将来煤炭与煤层气开发仅有单纯性煤层气开发阶段、煤与瓦斯共采阶段和废弃矿井煤层气开发3个阶段。基于各开发阶段不同的的开发目标,提出了各阶段开发效果评价的内容和方法,用于指导各开发阶段开发方案的优选。

造穴-CO_(2)气相压裂复合技术造缝卸压增渗机理研究

我国煤矿煤与瓦斯突出灾害严重,目前增透主要采用静力型技术和动力型技术,不同程度地解决了瓦斯治理难题。为获得更好的复合造缝卸压增渗效果,开发出造穴-气相压裂复合技术,综合采用185 MPa高压力CO_(2)冲击煤样、数值模拟、光纤应变监测3种技术手段,研究造穴-气相压裂复合技术的瓦斯治理机理。结果表明:①煤样在CO_(2)气相压裂应力波作用下,在煤基质表面新形成损伤坑(DM)和三翼型裂隙(TRW)典型显微构造。②煤层在静力型和动力型荷载复合作用下近钻孔中心范围内煤层中原始的裂隙被重新打开,形成以钻孔为中心的放射状多尺度、张剪性破坏为主的裂缝,该裂缝能够充分均化应力集中区,并使得煤层产生不可逆的破坏,其应力扰动范围为24 m。③在有效的气相压裂-造穴复合技术影响范围内,造穴孔有助于提高气相压裂应力波的能量利用效率,避免能量耗散在无效的震动区,充分导通压裂孔与造穴孔多尺度裂缝,使得煤层裂缝区域范围大、连续性强、卸压充分。研究为解决煤层低渗、难抽、高地应力的问题提供了参考。

煤储层粗糙割理中煤层气运移机理数值分析

有效描述粗糙割理中煤层气运移机理是实现其产能准确评估的基本前提。结合裂隙的立方定律以及广义Kozeny-Carman孔-渗方程,于理论层面推导了考虑内、外摩擦所致的裂-渗关系模型。其中内摩擦效应以煤层气运移的水文弯曲度来描述,外摩擦则通过引入端面曲折率来定义。借助分形理论实现了割理端面粗糙几何的定量描述,并采用格子Boltzmann方法模拟了煤层气运移过程,分析了端面分形维、绝对粗糙度以及相对粗糙度对煤层气输运特征的影响。在此基础上,对比分析了新裂-渗方程解析值同数值模拟渗透率之间的关系。结果表明,考虑了内、外摩擦效应的新方程能有效描述微观粗糙割理中煤层气的运移规律,并且物理意义明确。

河南省巩义地区本溪组铝土矿成矿物质来源——来自碎屑锆石LA-ICP-MS U-Pb年龄的证据

巩义地区是河南省本溪组铝土矿发现最早的地区,也是豫西铝土矿成矿带的重要组成部分,但对其成矿物质来源尚不清晰。选取该区一个露天采坑内的豆鲕状铝土矿样品,进行岩石薄片观察、X衍射分析和LA-ICP-MS碎屑锆石U-Pb测年。结果表明,该区铝土矿主要矿物成分为硬水铝石、锐钛矿和伊利石;碎屑锆石年龄可以分成2组,第一组介于393—484 Ma间,峰值约为442 Ma,占86%,主要为早古生代岩浆锆石,第二组介于555—2 714 Ma间,具有约901 Ma,约1 718 Ma,约2 440 Ma的峰值年龄,占14%,主要为前寒武纪岩浆锆石或为岩浆成因的变质增生锆石;早古生代碎屑锆石主要来自于北秦岭造山带加里东期中-酸性花岗质侵入岩,前寒武纪碎屑锆石可能主要来源于北秦岭地区的变质地层,它们与侵入其中的加里东期岩浆岩一同被剥蚀,共同为研究区提供物源;该区铝土矿中缺少晚古生代碎屑锆石的原因可能与远离内蒙古隆起,靠近北秦岭造山带有关。

沁水盆地武乡南煤层气赋存主控地质因素及富集区预测

通过对沁水盆地武乡南区块石炭—二叠系太原组15号煤和山西组3号煤的沉积环境、地质构造以及含气性和煤层赋存特征开展研究,探讨了煤层气富集主控地质因素,并采用模糊数学评价和层次分析法,综合评价了研究区煤层气的有利富集区。结果表明:研究区太原组潮坪灰岩-砂泥岩相、山西组三角洲分流间湾泥岩-粉砂岩相和泥炭沼泽-黑色泥岩相为煤层主要形成环境,其中潮坪和三角洲分流间湾中泥炭沼泽区为煤层发育的最佳地带;两层煤赋存形态一致,均为走向北北东向、倾向向西的单斜构造,埋深自东向西逐渐加深;煤层厚度太原组15号煤由西南向东北逐渐变厚,山西组3号煤则整体从北向南逐渐变厚。煤层含气量主要受控于煤层厚度、埋深、顶板岩性特征以及地质构造。含气量与煤层厚度、埋深呈正相关性;砂质泥岩、泥岩封盖性能好,有利于煤层气的赋存;构造因素中封闭性较差的正断层导致煤层气的逸散,逆断层则相反,往往具有较好的封闭性。因此,研究区煤层气富集区为构造简单或逆断层发育、煤层厚度大,埋深大以及顶底板岩性为厚层砂质泥岩和泥岩区域,同时多层次模糊数学综合评价表明,研究区煤层气富集区15号煤、3号煤分别位于勘探井W26-W31-W41和W1-W20-W2一带。

煤层气井水力压裂有效消突边界物理模型

针对低渗煤储层煤层气井水力压裂裂缝扩展范围和消突边界确定问题,以潞安矿区煤层气井为例,采用微地震裂缝实时监测数据、有限元地应力模拟技术及井下瓦斯抽采参数,对煤层气井水力压裂范围、裂缝几何形态、压裂前后地应力分布进行研究,建立了压裂裂缝扩展和消突边界物理模型,划分了菱形井网消突范围。结果表明:研究区裂缝类型属于PKN型,压裂区呈近似椭圆形,主裂缝沿最大水平主应力方向延伸,区内划分出铺砂区、最终解吸区、裂缝区、渗透区、气涌区等5边界;压裂区四周应力沿σ_H,σ_h分别升高19%和7%,区内下降15.5%和9.5%,地应力模拟结果与压裂边界物理模型相吻合;在排采达标情况下,有效消突边界小于压裂边界,与支撑剂铺置边界一致,有效消突边界之外存在突出危险区,菱形井网采用200 m×125 m布置方式更有利于井下对应区瓦斯防治。

生物产气对煤层气可采性指标的影响

煤层气开发受多种因素的影响,为了研究生物甲烷代谢对煤层气开采指标的影响,选择不同煤阶的煤样进行了生物代谢模拟实验。通过生物产气数据、代谢前后煤样等温吸附和孔隙结构等参数测试,计算煤层气的采收率、含气饱和度、临储比等开采性指标并分析其变化规律。结果表明:1煤层生物产气能提高煤层气资源量,但随着煤变质程度的增加,生物产气量逐渐下降,同时煤的亲甲烷能力也降低;2生物产气对煤储层孔隙结构有明显的改善,其大孔数量和总孔容两个指标显著增加,从而提高了煤储层的孔渗性;3生物产气后煤储层的临界解吸压力、含气饱和度与采收率等开采指标也都有不同程度的提高,河南义马千秋矿和山西柳林沙曲矿煤样的含气饱和度提高的幅度较大,山西西山官地矿煤样的变化幅度次之,但总体的变化趋势具有一致性。结论认为,煤层生物产气不但能增加煤层气资源量,而且还有助于提高煤层的可采性。该研究成果可以为我国煤层气生物工程现场实施提供参考。

沁中南断层不发育区多期构造运动作用下煤层气直井产水产气特征

查明小范围内煤层气直井产气特征是减少工程盲目投资、准确进行产能预测的重要保障。通过对沁水盆地中南部小范围内断层不发育区不同构造部位煤层气井产气量、产水量差异主控因素的分析,得出小范围内燕山期、喜山期等多期构造运动作用引起的气水分异、渗透率差异是引起产气量和产水量大小的根本。底板标高差值引起气/水分异,最终导致小范围内储层压力梯度、产水量差异。煤层变形中等/较强区域多期褶皱叠加的隆起或凹陷块段,渗透率最低;变形弱/较弱区多期褶皱叠加的底板高值块段渗透率最好。小范围内储层压力梯度、水/气分流和渗透率的差异导致煤层气井表现出"水大气大、水大气小、水小气大、水小气小"等产气产水曲线特征。

柿庄南区块煤层气低产井原因分析及增产技术对策研究

准确确定出煤层气直井低产的原因并提出针对性的增产技术对策,是减少盲目投资、提高产气效益的关键之一。以柿庄南区块为研究对象,从煤储层地质资源条件、钻井工艺、压裂工艺、排采工作制度等4个方面分析了煤层气低产原因。在此基础上,通过实验室酸化解污试验、压裂参数优化模拟研究、解除煤粉堵塞工艺原理分析、降低泵挂深度增产原理分析等方法,提出了不同低产原因下的针对性技术对策。结果表明:钻井污染严重的井可采用酸化解污+常规水力压裂方式实现增产;煤体结构以原生结构+碎裂煤为主,压裂参数不合理造成的煤层气低产井,优先采用重复压裂技术;煤体结构以碎粒或糜棱煤为主的低产井,需根据顶/底板岩性及围岩补给情况,确定顶/底板压裂的可行性;泵挂深度在煤层5 m以上的且曾经有较高产气量的低产井,可通过加深泵挂实现增产;排采应力敏感的低产井,优化二次压裂泵注参数,实现裂缝转向的目的;井筒内煤粉堵塞、泵效低造成的低产井,优先选用冲洗泵等循环洗井装置洗井提高泵效,实现正常产液来提高产气量;井筒附近煤粉堵塞引起产水量、产气量急剧下降的低产井,优先选用氮气等解堵技术实现增产。现场部分增产技术的应用验证了理论分析的可靠性。该研究成果为煤层气低产井区二次改造方案设计提供了借鉴。

单一煤储层煤层气直井合理日产气量的确定

确定单一煤储层煤层气直井合理日产气量可为煤层气井布井及经济评价提供依据。根据等温吸附、水气启动压力梯度流动等理论,建立了单一煤储层条件下煤层气直井合理日产气量的数理模型,研究了平均日产气量与主控影响因素间的关系。研究表明:渗透率、临储压力比与平均日产气量呈指数形式变化;含气饱和度与平均日产气量呈线性关系。沁水盆地中南部煤层气实际排水采气资料与预测结果的对比验证了模型的准确性。该研究结果为现场煤层气直井选址及经济评价提供了理论依据。

沁水盆地煤层气井排出水污染特征及评价

随着煤层气开发利用商业化进程推进,煤层气井排出水作为开采过程中的副产品对环境的影响越来越引起人们的关注。以沁水盆地为研究区域,根据地下水流向将沁水盆地划分为5个区块。对采集区块内40口煤层气井的排出水水样中的TOC、典型阴离子、重金属离子以及有机物进行了测定,分析其污染特征,并根据《地下水质量标准》进行评价。分析表明各区块萘和Cl-质量浓度高,井位质量浓度差别大。对于Cr,Mn,Ni,沁水区块Mn质量浓度较高,襄垣、太原和阳泉区块中Cr质量浓度较高。不同区块间水质污染特征存在差异,沁水和长治区块有机物污染明显;除长治区块外,其他区块普遍受到重金属污染。评价结果表明:在所研究的5个区块中,排出水整体F-污染最为严重,平均超标7.32倍;有机物污染在沁水区块表现突出,其中苯酚、甲基酚和萘分别超标4.4倍、4.21倍、2.19倍;重金属主要表现为Cr污染,襄垣区块平均超标1.55倍,太原区块平均超标2.71倍,阳泉区块平均超标3.11倍。襄垣区块水质较差,其他区块均为极差,应引起足够重视。

不同煤储层渗透率下煤层气直井极限产气量的确定

为了查明不同煤储层渗透率条件下煤层气井极限产气量,保障煤层气井持续稳定高产,根据煤储层几何模型、启动压力梯度与渗透率关系及气体试井、渗流理论,结合实验室测试,构建了不同煤储层渗透率条件下煤层气直井极限产气量的数学模型。柿庄区块勘探开发资料的验证结果表明:当极限产气量与产气高峰的平均产气量接近时,产气控制合理,稳产期能够保持持续、高产;其他条件相同时,极限产气量随渗透率增加呈乘幂型增加,随单相水流阶段产水时间的延长呈指数型增加;煤储层渗透率相对较低时,尽量延长单相水流阶段的排采时间是提高煤层气井产气量的一项关键措施。

煤层气直井提产阶段合理压降速率的确定

目前,煤层气直井提产阶段的排采控制主要根据排采理论结合工程经验进行定性控制,缺少基于理论的数学模型,难以对排采进行定量控制。基于试井、渗流、等温吸附等理论,结合实验室测试及结果分析,建立了提产阶段合理压降速率的数学模型,并分析模型参数对压降速率的影响及验证模型的准确性。现场排采数据分析和数学模型计算结果对比表明,根据数学模型可以对提产阶段的排采进行定量控制,为煤层气直井的现场生产提供指导。

煤层气井合理放气套压的确定及其应用

煤层气井提产阶段和稳产阶段需要确定合理放气套压,才能够获得稳定的气流补给。根据煤储层启动压力梯度、渗流理论和煤层气开发地质理论,构建了煤层气井憋压阶段套压变化的数学模型;利用沁水盆地大宁区块的煤层气勘探开发资料验证了该模型的准确性,并分析了放气套压差值对平均日产气量的影响规律。模型计算结果与现场数据吻合较好时,煤层气井的产气量较高;当计算出的放气套压与实际放气套压的差值小于等于0.15MPa时,煤层气井稳产期的产气量能达到1 000m3/d以上;大于0.15MPa时,需要降低产气量来维持其稳定性。研究结果表明,日产气量随实际放气套压与计算值之间差值的增大呈幂函数减小,建立的煤层气井憋压阶段合理放气套压数学模型可为现场排采控制提供理论依据。

中国煤层气高效开发井型与钻完井技术进展

较之于美国、澳大利亚、加拿大等国家,中国的煤层气储层具有低地层压力、低渗透率、低含气饱和度及强非均质性等基本特征,增加了储层改造的难度,制约了煤层气单井产量与采收率的提高。为了给中国煤层气水平井工程技术发展提供借鉴与支持,针对我国煤层气高效开发所面临的工程技术难题,综述了国内外煤层气水平井钻完井技术研究及应用进展,介绍了煤层气井型设计与井身结构优化、井眼轨迹控制、井壁稳定、优化完井与储层保护等一系列技术,讨论了水平井双管柱筛管完井与洗井增产、径向水平井筛管完井及磁导向钻井等新技术及其适应性,提出了地下“井工厂”绿色开发模式以及深地煤层气与煤炭一体化绿色开发之道。结论认为:①针对我国煤层地质条件与地表环境,在进一步精细化高煤阶水平井钻井与完井技术的同时,需要兼顾煤系气综合开发;②加强中—低煤阶与碎软煤层水平井钻完井技术创新研究,深入探索复杂煤层气藏高效开发模式;③针对我国深地煤矿、低品位煤矿及薄煤层等非常规煤矿绿色高效开发面临的重大技术难题,有必要积极探索地下“井工厂”与非常规能矿原位转化开发模式,力求实现深部煤层气与煤炭一体化绿色高效开发的目标;④高质量推进我国能源低碳绿色转型,既要保障国家能源安全,又要实现“碳达峰和碳中和”战略目标。

钻孔瓦斯压力恢复法求解煤层透气性系数

煤层透气性系数可以准确评估煤层瓦斯的可抽采性能,指导煤层增透改造工艺。借鉴油气试井中的压力恢复曲线相关方法求解煤层透气性系数,建立适应于煤矿井下钻孔瓦斯流动的理论模型。采用半对数直线段分析方法,利用双对数、半对数压力恢复特征曲线,合理确定压力恢复曲线中期直线段起始点位置,准确计算中期直线段的斜率大小,继而计算煤层透气性系数。通过现场实例验证,并和径向流量法计算结果对比,其相对误差为13%~36.6%,平均误差为24.62%,验证了压力恢复曲线求解煤层透气性系数方法的可行性。

煤层气井HPG压裂液低温破胶剂实验优选

实验室进行了4种不同酸溶液的破胶实验,应用旋转黏度计、马尔文激光粒度仪、离心机、分光光度计等多手段测定了破胶液的黏度、残渣粒径分布、残渣含量及滤液中的含糖量,优选出了适用于低温煤储层的破胶剂。实验测试评价了该破胶液对煤储层的伤害性。结果表明:温度20℃时HXM+NH_4Cl复合酸破胶效果好,浓度越大破胶速度越快。使用浓度0.10%HXM+0.05%NH_4Cl的酸液进行破胶,2 h内压裂液黏度可降到5 m Pa·s以下,破胶液残渣中值粒径为86μm,残渣含量70 mg/L。原始渗透率小于0.87×10^(-15)m^2时,煤芯渗透率的伤害率小于20%;煤储层的原始渗透率越大,破胶液对岩芯的伤害率越大。该复合酸破胶剂与常规氧化破胶剂相比,具有低温下破胶彻底、残渣含量少、伤害轻等优点。

不同温度下含煤层气(瓦斯)煤蠕变规律实验研究

为探索温度场中含气煤体的蠕变规律,首先采用型煤进行了不同温度下的含气煤体全应力应变加载实验,确定了含气煤体蠕变实验时的轴向加载应力。随后,保持轴压、围压、气压不变进行了不同温度下的蠕变实验,测得了不同温度下含气煤体的轴向应变、径向应变、体积应变与时间的动态变化曲线。实验结果表明:不同温度下含气煤体蠕变过程中,轴向应变-时间曲线、径向应变-时间曲线、体积应变-时间曲线均随温度升高而增大,各类应变-时间曲线有不同程度的交叉,反映出不同温度下各类应变的初始瞬时应变及衰减速率不同,并有明显的减速蠕变与等速蠕变两阶段,加速蠕变阶段不明显;各温度下的蠕变全过程中,蠕变体积应变以轴向压缩应变占主导。温度越高,体积应变中轴向压缩应变越大。最后,建立含气煤体的蠕变应变表达式。计算表明,温度升高使得含气煤体弹性降低,黏性增大,煤体更易于产生压缩变形。