宁夏汝箕沟矿区煤层气地质学特征

根据煤田勘探、煤矿开采阶段的资料,结合室内外观测测试,探讨了二号煤的煤层气地质学特征: a. 汝箕沟矿区二号煤厚度巨大、连续性强、含气量高,为煤层气开发奠定了物质基础; b. 煤阶高,但基质孔隙、割理、外生裂隙发育,储层渗透性好; c. 区域上异常高压的分布范围可能比较广泛,且吸附等温线反映出利于降压排采的特征。这些都充分说明该区煤层气的勘探开发可与沁水盆地相媲美,且在煤厚、渗透性、异常压力、吸附等方面优于沁水盆地。      

煤变质作用对煤层气赋存和富集的控制--以沁水盆地为例

通过对国内外有关煤变质作用与煤层气形成、赋存和富集关系研究成果的系统总结，阐述了煤变质作用类型及煤变质作用程度与煤层气的生成、吸附量、煤储层孔隙—裂隙系统形成发育及煤层特性的相互关系，认为煤变质作用对煤层气赋存富集的影响集中体现在它对煤储层孔隙一裂隙系统形成发育过程的控制上。并以沁水盆地为例，探讨了高阶煤煤变质作用对煤层气赋存富集的控制作用，提出了对沁水盆地高阶煤煤层气勘探开发研究的几点思考和建议。     

沁水盆地煤与煤层气地质条件

沁水盆地位于山西省东南部,含煤面积29 500km^2,煤炭储量5 100亿t,为特大型含煤盆地。通过分析沁水盆地煤层埋深、厚度、构造特征、顶底板岩性及煤储层特征,认为该区主要煤层含气量高,煤层割理、裂隙发育,煤变质程度高,煤层厚度大、埋深适度,构造简单,煤层气资源量大,产出条件优良,是我国煤层气勘探开发最有利的地区之一。     

含煤地层煤与页岩储层纳米级孔隙结构精细对比

煤系中煤层气与页岩气均以游离、吸附为主的赋存方式叠置成藏于煤与页岩储层中,二者赋存富集机理与其纳米级孔隙结构密切相关。借助高压压汞实验、氩离子抛光-扫描电镜实验等手段对沁水盆地太原组煤及页岩储层孔隙特征开展研究,并运用分形法对纳米级孔隙特征进行定量评价,从孔隙孔径分布特征、孔隙分形特征、孔隙成因类型等角度进行沁水盆地太原组煤层与页岩孔隙特征的对比。研究表明,沁水盆地太原组页岩与煤储层孔隙均以纳米级孔隙发育占主体,同时孔径分布差异明显,且煤储层孔隙孔容及比表面积远大于页岩储层;页岩储层小孔及微孔中半封闭孔较多,连通性较差;从孔隙分形数据上来看,页岩与煤储层中小于25nm的孔隙在形态、空间复杂程度方面差异较大,而大于25nm的孔隙却相近。煤与页岩储层纳米孔隙结构主要受沉积及成岩作用共同控制。该研究成果对本区页岩气与煤层气勘探开发具有指导意义。     

高渗透性煤储层分布的构造预测

以我国山西沁水盆地为例,采用现代构造应力场和构造曲率分析相结合的方法,就构造对煤储层高渗透性区发育特征的控制规律及其地质机理进行了研究。结果表明：沁水盆地下二叠统山西组主煤储层试井渗透率与现代构造应力场最大主应力差之间具有指数正相关关系,煤储层构造裂隙在构造主曲率大于O．1×10^4／m的地段可能相对发育;高构造曲率与高最大主应力差相匹配的地段在盆地中-南部呈NNW向展布,是较高渗透性煤储层发育的地带;构造应力实质上是通过对天然裂隙开合程度的控制而对煤储层渗透率施加影响。     

山西沁水盆地煤层气成藏的微观动力能条件研究

煤层气成藏的微观动力能条件主要包括煤储层的孔隙—裂隙系统、煤储层的生气作用和储气作用两个方面。以山西沁水盆地为例,深入剖析了煤储层的孔隙—裂隙系统及其发育历程、煤储层的生气作用与能量聚散,阐明了煤层气成藏的微观动力能对成藏效应的控制作用。结果表明:构造作用对储层渗透率具有明显的控制作用,成烃增压致使能量聚集,成为盖层突破作用的主要驱动力,而能量放散则主要是通过煤储层孔隙—裂隙系统的产生、发展。根据上述研究成果,沁水盆地煤层气成藏的地质区划结果为:盆地南部的有利区带为阳城和晋城的北部地区,包括潘庄、樊庄、郑庄等地区;盆地中部的有利区带为安泽—沁源地区,位于盆地西斜坡的中南部;盆地北部的可能有利区带为寿阳东南部地区,位于榆次东北部和阳泉西南部之间。     

煤储层弹性能及其控藏效应:以沁水盆地为例

煤层气成藏的主控因素包括合适的压力系统、运移系统以及相应的能量作用机制,其实质是煤储层有效压力系统和有效运移系统时空配置关系。而煤储层弹性能正是有效压力系统与有效运移系统之间的联系和作用纽带。文中提出了不同相态物质的弹性能模型,建立了煤层气成藏效应三元判识标志,并探讨了沁水盆地三元判识标志的展布特征。三元判识标志包括煤储层裂隙发育程度系数ζ1、煤储层裂隙开合程度系数Δ、煤储层压力系统发育程度系数ζ2。其中ζ1、Δ可以定量表示煤储层有效运移系统,ζ2可以定量表示煤储层有效压力系统。依据三元判识标志,分析了煤储层弹性能控藏效应,并提出判别煤层气成藏类型的三元模式。研究认为:煤层气成藏效应类型可分为27种,其中8种类型有利于煤层气富集高产。而沁水盆地实际上只存在2种有利类型,即有效压力系统-有效运移系统类型和较有效压力系统-较有效运移系统类型,分别分布于盆地南部大宁—潘庄—樊庄地区、沁水—郑庄—樊庄以及中部的沁源—安泽之间。     

高煤级煤储层煤层气产能“瓶颈”问题研究

基于山西沁水盆地高煤级煤储层宏观裂隙、显微裂隙的连续观测,孔隙的系统测量,结合应力渗透率、气-水相对渗透率、吸附膨胀等实验成果,分析了高煤级煤储层三级渗流特征,探讨了有效应力和煤基质收缩对高煤级煤储层渗透率的耦合作用,系统揭示了在地面排水降压开发煤层气的过程中,高煤级煤储层初期产气量高,数月后急剧衰减之“瓶颈”现象,找出了造成高煤级煤储层产气缺陷的根本原因。鉴于高煤级煤储层物性的特殊性,指出了高煤级煤储层煤层气开发的技术和措施。     

华北盆-山演化和岩石圈转型与煤层气富集的关系

以华北陆块盆-山构造与岩石圈岩浆热结构演化研究为基础,以区内不同富集机制的含煤区域为研究对象,对华北典型地区盆-山演化、岩石圈转型及其与煤层气富集的关系进行了深入探讨。研究表明,华北典型地区盆-山动力学过程从中生代开始经历了挤压盆-山阶段、挤压盆-山向伸展盆-山转换阶段以及伸展盆-山阶段;华北岩石圈结构演化则经历了岩石圈增厚与稳定过程、岩石圈转型过程、岩石圈快速减薄过程等,且自古生代以来至少经历了两次以上具有时空不均一性的岩石圈转型。沁水盆地和两淮煤田的构造—热动力学环境有利于煤层气富集,且在挤压与伸展作用的转换和叠加过程中形成的构造过渡带是煤层气富集的有利构造单元。沁水盆地煤层气富集特征是岩浆—热作用有利于煤层气储集,而一定的构造变形有利于煤层气的渗流和开采;两淮煤田的强构造作用和后期叠加的张性应力场有利于煤层气的富集和储层的增渗,可在构造煤发育区寻找煤层气开发的有利区域。     

不同变质变形煤储层孔隙特征与煤层气可采性

煤储层孔隙是煤层气的主要聚集场所和运移通道,煤储层孔隙结构不仅制约着煤层气的含气量,而且对其可采性也有重要影响。文中选取淮北煤田和沁水盆地不同矿区有代表性的煤样,通过对研究区不同变质与变形煤样的宏微观构造观测、镜质组反射率与孔隙度测试以及压汞实验分析,研究了不同变质变形煤储层孔隙结构特征及其对煤层气可采性的制约。研究结果表明,按照不同的变质变形特征将研究区煤储层主要划分为5类,即:高变质较强至强变形程度煤储层(Ⅰ类)、高变质较弱变形程度煤储层(Ⅱ类)、中变质较强变形程度煤储层(Ⅲ类)、中变质较弱变形程度煤储层(Ⅳ类)及低变质强变形程度煤储层(Ⅴ类)。不同变质变形煤储层的孔隙结构具有以下特征:Ⅰ类和Ⅱ类煤储层吸附孔占主导,Ⅰ类煤储层孔隙连通性差,Ⅱ类煤储层因后期叠加了构造裂隙,孔隙连通性变好;Ⅲ类煤储层中孔、大孔增多,但有效孔隙少,孔隙连通性变差;Ⅳ类煤储层吸附孔较多,中孔、大孔中等,且煤储层内生裂隙发育,孔隙具有较好的连通性,渗透性明显变好;Ⅴ类煤储层吸附孔含量较低,中孔较发育,大孔不太发育,有效孔隙少,孔隙连通性差。由此,变质程度高且叠加了一定构造变形的煤储层(Ⅱ类)以及中等变质程度变形较弱且内生裂隙发育的煤储层(Ⅳ类),其煤层气有较好的渗透性,可采性较好。     

沁水盆地南部柿庄南区块煤层气地质特征

以国家科技重大专项《山西沁水盆地南部煤层气直井开发示范工程》成果为依据,以以往的地质勘查及研究成果为参考,对沁水盆地南部柿庄南区块煤层气地质特征进行分析。分析认为南部柿庄南区块构造简单,煤变质程度高、煤层厚度大、埋深适中而且分布稳定,有利于煤层气生成,煤层吸附能力较强,储层渗透率较好,煤层气保存条件好,是沁南煤层气勘探开发最有利区块之一。开发利用该区块煤层气资源,可有效改善地区能源结构、加快区域经济发展,降低后期煤炭开发风险,具有非常可观的社会及经济效益。     

沁水盆地煤层气成藏主控因素与成藏模式分析

沁水盆地石炭-二叠系煤层厚度大、分布稳定、演化程度高,具有良好的煤层气勘探潜力,是目前国内首个成功商业化开发的煤层气盆地。基于研究区已有地质成果,对影响沁水盆地煤层气富集成藏的主控地质因素与成藏模式进行分析,认为构造运动、水动力条件、煤层埋深、煤岩组成及热演化程度是控制沁水盆地煤层气成藏的主要地质因素,高镜质组含量、高热演化程度、弱水动力条件和较大的埋深是煤层气成藏的有利条件,向斜是煤层气富集成藏的有利部位。     

中高煤阶煤层气富集高产区形成模式与地质评价方法

煤层气富集高产区富集机理和地质评价方法对煤层气勘探选区至关重要,以往的研究主要集中在资源富集区形成机理和预测方面,但煤层气勘探开发实践表明资源富集区并不一定是高产区,如何在煤层气资源富集区中寻找高产区即煤层气富集高产区是国内外煤层气勘探面临的难题。通过国内外典型煤层气富集高产区的剖析,结合我国中高煤阶富集区地质特点,以沁水盆地南部、鄂尔多斯盆地东缘和两淮矿区为研究对象,采用地质统计、实验验证和生产数据分析相结合的研究方法,揭示了基于含气量渗透率耦合控制的煤层气富集高产区形成机理,提出了3种中高煤阶煤层气富集高产区形成模式;围绕煤层含气量和渗透率两个核心要素,利用层次分析法和主成分分析法确定了包含7大地质参数的评价指标体系,建立了基于产能分析的煤层气富集高产区方法体系。这些认识对我国中高煤阶煤层气区带、区块、目标的优选具有重要的指导作用。     

沁水盆地东缘洪水地区15号煤层储层特征研究

洪水地区位于沁水盆地东缘中部,15号煤层是该区主要的可采煤层之一,根据区内煤层气参数井测试数据、试井资料及煤炭地质勘查资料,对15号煤层储层特征进行了研究。结果显示：研究区15号煤层为高变质程度的贫煤,煤储层渗透率在0．047～0．1lmD,属低渗透率煤层,储层压力梯度为0．402～0．965MPa／lOOm,平均为0．672MPa／100m,属于欠压地层,煤层含气量为9．02—20．67m3／t,平均16．18m。／t,含气量较高。整体来看,研究区属于低渗透、低储层压力梯度和临储比,高含气量的煤层气富集区。     

Accumulation models for coalbed methane in medium- to high-rank coals: examples from the southern Qinshui Basin and southeastern Ordos Basin

The majority of known coalbed methane (CBM) production worldwide comes primarily from high-abundance CBM-enrichment areas or ‘fairways.’ The high-abundance CBM-enrichment areas are primarily characterised by large CBM resources with high single-well productions. CBM accumulation areas from the medium- to high-rank coals in the southern Qinshui Basin and the Hancheng CBM fields in the Ordos Basin were investigated based on regional geological analyses and physical analogue experiments. The results show that gas contents in the study areas increase with depths over the range from approximately 300 to 800 m, while permeabilities generally decrease with depths. Intervals with optimal gas content and permeability exist at a moderate depth along an inclined coal seam under the coupled control of temperature and stress. Brittle–ductile transition deformation increases the permeability and the pore-specific surface areas of coals. The gas content and permeability of the CBM reservoirs are shown to be two key factors determining the formation of high-abundance CBM areas. The coupling of gas enrichment and high permeability provides a favourable combination for CBM accumulation and high production. Combining CBM exploration and development practices in the study areas with physical analogue experiments, two CBM-enrichment models for medium- to high-rank coal have been recognised for different geological conditions, including (1) the model controlled by the depth in the slope zone and (2) the model controlled by the coal brittle and ductile in the deformation zones.     

煤层气地质学新进展

自20世纪80年代以来,我国的煤层气勘探取得了突破性进展。在沁水盆地南部获得了可观的煤层气地质储量;河东煤田的煤层气勘探也取得了重大进展。煤层气地质学研究取得了明显进展:a 煤储层岩石物理研究取得重要进展;b 提出了煤层气藏的概念并依据我国的煤层气地质条件识别出几种主要煤层气藏类型;c 深化了对煤层气藏封闭保存条件的认识,充分认识到煤层气耗散对煤层气封闭保存的重要影响。d 对高煤阶煤层气藏研究有了突破性进展,突破了无烟煤勘探煤层气的禁区,获得了可观的煤层气地质储量;e 强化了低煤阶煤层气藏的研究;f深化了对煤层气藏不均一性的认识,初步揭示了煤层气藏不均一性的产生原因及其分布规律。      

Geological Controls on the CBM Productivity of No.15 Coal Seam of Carboniferous–Permian Taiyuan Formation in Southern Qinshui Basin and Prediction for CBM High-yield Potential Regions

Coalbed methane (CBM) resources in No.15 coal seam of Taiyuan Formation account for 55% of the total CBM resources in southern Qinshui Basin (SQB), and have a great production potential. This study aims at investigating the CBM production in No.15 coal seam and its influence factors. Based on a series of laboratory experiments and latest exploration and development data from local coal mines and CBM companies, the spatial characteristics of gas production of No.15 coal seam were analyzed and then the influences of seven factors on the gas productivity of this coal seam were discussed, including coal thickness, burial depth, gas content, ratio of critical desorption pressure to original coal reservoir pressure (RCPOP), porosity, permeability, and hydrogeological condition. The influences of hydrological condition on CBM production were analyzed based on the discussions of four aspects: hydrogeochemistry, roof lithology and its distribution, hydrodynamic field of groundwater, and recharge rate of groundwater. Finally, a three-level analytic hierarchy process (AHP) evaluation model was proposed for predicting the CBM potentials of the No.15 coal seam in the SQB. The best prospective target area for CBM production of the No.15 coal seam is predicted to be in the districts of Panzhuang, Chengzhuang and south of Hudi.     

柳林地区煤层渗透率逐步回归分析与预测

渗透率是制约煤层气商业化开发至关重要的因素之一。以柳林地区煤层气勘探阶段获取的试井有效渗透率为基础,分析渗透率与有效应力、储层压力、煤层埋深等影响因素之间的关系,利用多元逐步回归分析方法建立渗透率预测模型。结果显示:柳林地区煤层渗透率回归方程具有较高的拟合度;多元逐步回归分析方法预测渗透率具有一定合理性;有利于煤层气开发的高渗区位于柳林地区中北部。      

低阶煤煤层气富集区预测方法研究与应用

目前低阶煤煤层气勘探面临资源探明率低,单井产量低的问题,中、低阶煤煤层气勘探还处于摸索阶段。为提高低阶煤煤层气富集区预测精度,探索性应用“弹性模量参数反演技术”。应用韩城、晋城、保德、吉尔嘎朗图、沁水盆地、淮南、淮北等地56口井652个煤样实验室测试数据,进行高、中、低阶煤含气量与弹性参量关系对比分析,结果表明:不同煤阶的煤层含气量与弹性参量之间相关关系具有一致性,且密度对低阶煤含气量的变化较中、高阶煤更为敏感,认为低阶煤煤层气储层具有利用地球物理方法进行识别的基础。在此基础上,选取吉尔嘎朗图凹陷三维地震数据,应用叠前弹性模量参数反演方法,预测其白垩系下统赛罕塔拉组Ⅳ煤组煤层气富集区面积总计101 km2,为下一步开发提供了优质建产区;经验证,预测结果与含气量测试结果吻合率为83.3%。叠前弹性模量参数反演可应用于低阶煤煤层气富集区预测,研究结果对低阶煤煤层气勘探开发具有一定的指导意义。      

郑庄区块煤层气赋存特征及控气地质因素

沁水盆地南部郑庄区块煤层气资源条件良好,勘探开发潜力大。通过对郑庄区块煤层气地质条件和储层条件的深入分析,认为本区煤层气赋存条件良好,含气量较高,储层吸附/解吸能力较好,但储层渗透率相对较低;郑庄区块煤层气藏主要受3类地质因素控制:构造对煤层气含量和赋存规律具有明显的控制作用;水文地质条件对煤层气具明显的水力封闭作用,该区地下水径流较弱,为典型的等势面扇状缓流型,有利于区块内煤层气的富集;燕山晚期岩浆活动和高异常地热场对煤层热演化和煤层气生成有显著的控制作用。