温度对低煤阶煤生物甲烷生成的影响

温度是煤层生物甲烷生成的重要控制因素之一。为研究不同温度条件下生物甲烷的生成量及其变化规律,在实验室条件下,对河南义马低煤阶煤在不同温度(25℃、35℃、45℃、55℃、65)℃下进行了生物甲烷模拟生成实验,并通过对不同反应阶段生成气体的组分及体积分数的检测,探讨了温度对低煤阶煤之甲烷生成的影响。实验结果表明:35℃时,生物甲烷含量最大,而在45℃和55℃时,甲烷含量有所下降;随着反应的持续进行,生成气体中甲烷体积分数逐渐增高(由11.4%增至65.71%),而二氧化碳的体积分数则呈下降趋势(由30.59%降至15.37%)。      

低煤阶煤中甲烷扩散性能分析

甲烷在煤基质中的扩散性能是影响煤层气产出的重要储层参数。采用云南东南部地区新近系中新统小龙潭组褐煤样品,开展了低煤阶煤中甲烷等温吸附实验。基于等温吸附实验获得的吸附量与时间的关系数据,应用一元孔隙结构气体非稳态扩散模型,计算了煤中甲烷气体扩散系数,揭示了煤中甲烷扩散规律和控制机理。研究结果表明,低煤阶煤中气体扩散规律服从Langmuir方程,煤中甲烷有效扩散系数和扩散系数随着压力的增高而增大;吸附时间常数随着压力的增高而减小,服从负指数函数规律。4个实验煤样Langmuir有效扩散系数和扩散系数分别是（1.71~5.46）×10-4 s-1和（2.17~6.91）×10-12 m2/s,Langmuir压力为0.63~1.97 MPa。在相同温度和压力条件下,干燥煤样的有效扩散系数和扩散系数大于平衡水分煤样,随着温度的增高,其有效扩散系数和扩散系数增加,煤中气体扩散性能增强。      

高、低煤阶煤层气富集主控因素的差异性分析

不同煤阶煤的物理化学性质存在着显著差别,这直接影响着不同煤阶煤储层的物性和煤层气的富集。结合煤层气富集控制因素,分析了包括煤层条件、构造、构造热事件和水动力条件对于不同煤阶煤层气富集控制的差异性,高煤阶煤层产气量大,吸附能力强,含气量高;构造影响着高、低煤阶煤的区域分布,构造抬升导致高煤阶煤层渗透率增大,利于煤层气的运聚或散失;构造热事件使得煤层气大量生成,并对煤储层进行改造;水文地质条件影响着不同煤阶煤层气的保存,并能促进低煤阶煤层气的生成。这些主控因素对不同煤阶煤层气富集控制的差异将影响其成藏的差异,从而导致针对不同煤阶煤层气的勘探过程需要采用不同的评价方法和开采技术。     

高、低煤阶煤层气藏地质特征及控气作用差异性研究

高、低煤阶煤层气地质特征及控气作用差异性是研究煤层气富集成藏的重要组成部分,是煤层气勘探开发理论研究过程中重要的基础性研究领域之一。本文以中国沁水、阜新盆地和美国粉河盆地等典型的含气盆地为例,探讨了高、低煤阶煤层气的储层物性差异,分析了构造控气和水文地质控气作用的差异性。研究表明,高煤阶气藏含气量高,CH4百分含量高,δ13C1值大于-38.75‰,储层渗透率变化小,储层改造难,构造热事件对煤层气的生成、富集贡献大,持续的水动力使气藏遭到破坏,且破坏幅度大,现今地下水格局对气藏的形成具有一定的影响;低煤阶气藏含气量低,CH4百分含量低,δ13C1值大于-49.11‰,储层渗透率变化大,储层易改造,煤热演化史及煤阶影响着煤层气的生成、富集,在煤层气生成过程中活跃的水动力是甲烷生成的主要的水文地质条件之一,但持续的水动力使气藏遭到破坏,且破坏幅度小,而合适的地层水矿化度则是低煤阶煤层气生成的重要条件,地下水格局对气藏的调整和改造起到决定性的影响。     

煤基质中甲烷扩散特征及其对气井产能的影响

扩散是煤层甲烷运移的关键环节之一,而目前有关煤层中甲烷扩散特征的认识并不充分.以沁水盆地南部高煤阶煤层气藏为例,应用微纳渗流力学理论分析了煤基质中气体扩散模式及定量表征参数;应用Simed软件开展了扩散性能对不同煤体结构煤层气排采规律的影响数值研究.结果表明:煤层甲烷的扩散受化学势梯度的驱动,产气过程中体相扩散、努森扩散和构型扩散模式并存且呈动态变化;甲烷扩散性能受气体温度、压力、气体种类、水分以及基质孔隙结构共同影响,基质孔隙吸附甲烷会改变微孔孔径并影响扩散路径的空间形态;煤基质中甲烷的扩散是非热力平衡过程,扩散系数是吸附量的函数.基于拟稳态扩散的数值研究表明,扩散性能强弱对于长期累计产气量几乎没有影响,而对短期产气速率具有较大的影响;扩散性能弱的,产气速率峰值较低,但峰值之后的一段时间内产气速率相对较高;与高渗煤层相比,低渗构造煤层的产气速率对吸附时间常数更敏感.      

不同煤阶深煤层含气量差异及其变化规律

基于Langmuir 等温吸附方程式,开展不同煤阶不同温压条件下等温吸附模拟实验,实验结果表明：在煤岩镜质组反 射率Ro<3.0%时,Langmuir 等温吸附曲线随煤阶、温度、压力升高表现出明显的分带性。随着煤阶的升高,煤吸附能力逐 渐增强。温度小于55℃时不同煤阶Langmuir 体积受温度影响较小,之后影响逐渐增大。低煤阶在12 MPa、中高煤阶在 15 MPa以前随压力增加Langmuir 体积增大明显。根据实测含气量外推法结合高温高压等温吸附实验建立了深煤层含气量数 学模型,显示煤层含气量随埋深呈现快速增加—缓慢增加—不增加—缓慢减小的变化规律,其中低煤阶临界深度介 于1400~1700 m,中高煤阶临界深度介于1500~1800 m。该含气量数学模型对预测深部煤层含气量变化规律及煤层气资源评 价提供基础依据。     

热模拟实验中低变质煤的突出参数变化特征

为了研究瓦斯突出煤体的演化过程,采用煤化变质热模拟实验装置对煤样进行热模拟实验,分析不同实验温度条件下煤样的产气量、气体组分及加热前后煤体结构性能参数的变化规律。结果显示:在较高的实验温度下（450℃）产生的气体总量比较低温度（200℃）下大得多,前者的产气量几乎是后者的10倍,且相应的煤挥发分、坚固性系数和瓦斯放散初速度变化了5~7倍;350℃左右是低变质煤热解大量产生CH₄和焦油的临界温度,且在此温度时,低变质煤的坚固性系数和瓦斯放散初速度值已经超过突出煤层鉴定指标。由此认为,温度能改变煤体化学结构并产生瓦斯气体,且大量瓦斯气体的生成改变了煤的物理结构,其综合作用表现为煤体更易破碎,其突出危险性增加。      

高岭土对煤生物产气的影响及微生物群落响应

高岭土是自然界较常见的无机矿物,对微生物的生长代谢有促进作用,煤中赋存大量高岭土,而有关其对煤生物产气影响的报道确较少。为探究高岭土对煤生物产气的影响,以陕西榆林煤为研究对象,以驯化的微生物作为产气菌群,通过在培养基中添加不同质量分数的高岭土进行煤生物模拟产气,利用气相色谱仪、酶标仪、傅里叶红外光谱仪、Illumina高通量测序平台,研究CH₄产量、总挥发性脂肪酸(Volatile Fatty Acids, VFAs)浓度、辅酶F₄₂₀含量、产气前后煤的有机官能团和微生物群落结构的变化。结果表明:高岭土的添加影响生物产气过程,0~8.0%高岭土添加量可明显分为2个区间,0~1.0%和2.0%~8.0%,产甲烷量、累积产甲烷量和F₄₂₀在2个区间内呈先升后降趋势,而乙酸和VFAs浓度变化趋势相反;模拟生物产气50 d后,添加高岭土实验组(0.5%)每克煤累积产甲烷量最高可达216 μmol,较空白组提高55.4%;同时,添加高岭土可以提高辅酶F₄₂₀的含量,最高可达48.93 ng/L,也有助于煤中的醇、酚—OH、—NH—和—NH₂被微生物利用。高岭土对煤生物产气体系中细菌种群结构的影响规律不明显,仅Firmicutes(厚壁菌门)在0~1.0%和2.0%~8.0%添加区间呈现先增后减的变化趋势;相比之下,高岭土的添加对古菌丰度变化影响较明显,体系中的古菌主要是Euryarchaeota(广古菌门),其中,Methanosarcina(甲烷八叠球菌属)和Methanobacterium(甲烷杆菌属)是古菌中丰度最高的种属,Euryarchaeota和Methanosarcina丰度在0~1.0%和2.0%~8.0%区间内与甲烷累积产量变化、F₄₂₀变化趋势一致,Methanobacterium却和VFAs变化趋势一致。由此得出,高岭土的添加会影响榆林煤的生物产气,其产甲烷量、VFAs、F₄₂₀酶活性、微生物群落结构和煤中有机官能团组成均会发生变化,这为后续研究煤中无机矿物对煤的生物产气的影响提供参考。      

温度对煤吸附甲烷的影响实验

为了研究温度对煤吸附甲烷的影响,实验测定了不同温度下煤对甲烷的吸附等温线,并对实验数据进行了拟合,同时对覆盖度与压力、温度、吸附量以及孔隙类型的关系进行了分析。结果表明:随着温度的增高,饱和吸附量和吸附速率明显降低,并且含气量与覆盖度呈正相关关系;同一压力下,随着温度升高,覆盖度降低;相对覆盖度概念可以解释高温覆盖度高而吸附量小于低温阶段的现象;结合孔隙度和液氮分析结果发现,随着温度的增高,小孔和微孔的吸附能力强于中孔和大孔;甲烷在煤上的等量吸附热随吸附量的增大而增大,但无规律可循,且由Clausius-Clapeyron方程预测出的等温吸附曲线与实测值有偏差,表明煤表面能量的不均匀性和表面离子的复杂性。      

鄂东低煤阶U型井排采特征及产气量预测研究

为研究鄂尔多斯盆地东部北缘低煤阶U型井排采特征,以山西保德矿区8#+9#煤层的U型井地质资料和历史排采数据为基础,利用无因次产气率将低煤阶U型井排采划分为排水降压、稳产、产量递减三个阶段,分析各阶段排采特征,结合井底压力、气水产量确定了鄂东低煤阶U型井排采曲线特征图。研究排采各阶段排采参数的相关关系,显示低煤阶U型井日产气量与排水量之间呈现二项式相关;日产气量与井底流压呈现线性负相关关系;日气产量/气累计产量与排采时间在产气量上升阶段呈对数关系,在产气量下降阶段呈幂指数关系。在此基础上优化排采制度,并以此构建了以日产量与累计产量之比和开发时间之间的关系为基础的煤层气井产能预测模型,拟合相关系数在产气量上升阶段高达0.977 5、在产气量下降阶段高达0.989 3。     

西北低阶煤中生物成因煤层气的成藏模拟实验

以往经验认为,具有商业价值的煤层气资源主要存在于中煤阶的煤层中,煤阶太低,一般含气量不高,不具有勘探价值.但是近几年来发现美国的粉河和澳大利亚的苏拉特等低煤阶盆地煤层厚度大,渗透率高,资源丰度大,含气饱和度高,可获得商业性的气流.从其气体的成因来看,其中有很大一部分是生物成因的煤层气.通过本次采用FY-Ⅱ型煤层气成藏模拟装置和西北低煤阶含煤盆地的煤岩样品开展了低煤阶生物成因的煤层气成藏模拟,从实验角度证明了中国西北地区虽然煤层煤阶较低,热成因气较少,但是却存在着具有商业价值的二次生物成因的甲烷气,再加上含煤层系众多,煤层厚度大,资源丰度极高,仍具有巨大的勘探潜力.     

准噶尔盆地彩南地区深层低阶煤吸附特征及其影响因素

现有数据表明我国1 000 m以浅低阶煤层含气量普遍偏低,而深层低阶煤试采效果显示较好。基于Langmuir方程开展了低阶煤高温高压环境下等温吸附模拟实验,结果表明:褐煤吸附量约占长焰煤、气煤吸附量的1/3,吸附能力最弱,随着煤阶的升高,吸附量逐渐增大;实验发现低阶煤在55℃、12 MPa以下吸附量随温度、压力增大而增加较快,并建立了基于煤阶-温度-压力条件下的深层低阶煤饱和吸附模型;煤层随着埋藏深度的增加,吸附量呈现出快速增加-缓慢增加-缓慢递减的过程,即深层煤层吸附量存在吸附临界深度带,为1 400~1 700 m。1 400 m以浅吸附量受压力正效应大于温度负效应,吸附量随埋深增加而增加,临界深度带内吸附量达到极限,不再增加,1 700 m以深温度负效应大于压力正效应,吸附量随深度增加而减小。实验结果为深层低阶煤层气资源评价及开发潜力提供理论依据。      

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。      

http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1674987112000308

The Panguan Syncline contains abundant coal resources,which may be a potential source of coalbed methane.In order to evaluate the coalbed methane production potential in this area,we investigated the pore-fracture system of coalbed methane reservoirs,and analyzed the gas sorption and seepage capacities by using various analytical methods,including scanning electron microscopy（SEM）,optical microscopy,mercury-injection test,low-temperature N₂ isotherm adsorption/desorption analyses,lowfield nuclear magnetic resonance and methane isothermal adsorption measurements.The results show that the samples of the coal reservoirs in the Panguan Syncline have moderate gas sorption capacity.However, the coals in the study area have favorable seepage capacities,and are conductive for the coalbed methane production.The physical properties of the coalbed methane reservoirs in the Panguan Syncline are generally controlled by coal metamorphism:the low rank coal usually has low methane sorption capacity and its pore and microfractures are poorly developed;while the medium rank coal has better methane sorption capacity,and its seepage pores and microfractures are well developed,which are sufficient for the coalbed methane’s gathering and exploration.Therefore,the medium rank coals in the Panguan Syncline are the most prospective targets for the coalbed methane exploration and production.     

铁镍离子组合对褐煤发酵产甲烷的影响

为研究外源最佳铁镍离子组合对煤发酵产气过程的影响机理,以陕北大柳塔褐煤为例,对不同含量的铁镍离子分别进行煤发酵实验,优选出单一离子的最佳含量,进一步通过二元二次旋转组合设计法确定铁镍离子的最优组合,利用气相色谱、X射线衍射仪、傅里叶红外线光谱分析仪等手段对添加最优组合质量浓度的实验组和空白组（不添加两种离子）产气过程的发酵液及反应前后的煤样进行对比分析。结果表明:Fe2+、Ni2+的最佳质量浓度分别为15 mg/L、0.005 mg/L,Ni2+的添加存在明显的低促高抑现象;添加最优Fe2+和Ni2+组合的产气量相较于添加单一Fe2+、Ni2+分别增加了13.64%和20.69%;实验组的pH值、挥发性脂肪酸含量VFA及OD₆₀₀相较于空白组的变化均提前3 d达到峰值,且煤的大分子结构得到更加充分的降解。最后分析了铁镍离子组合对产甲烷过程的影响,阐明了两种微量元素对于促进煤发酵产甲烷的内在机理,研究成果为提高次生生物成因气的产量及产气效率打下了理论基础。      

鄂尔多斯盆地侏罗系低煤阶煤层气系统演化

低煤阶煤层气作为一种非常规天然气资源,具有良好的勘探开发前景。我国低煤阶煤层气资源丰富,进行低煤阶煤层气系统演化分析,对其富集成藏及开发具有重要的理论意义。鄂尔多斯盆地煤层甲烷的碳同位素δ13C₁为–33.1‰~–80.0‰,氢同位素δ_CH4为–235‰~–268‰。该盆地侏罗系煤层气藏主要有次生生物气与热成因气构成的混合型煤层气藏和热成因气藏两种类型。据构造热事件、煤层气组分及成因,结合不同阶段的煤层埋深、变质程度和生气特征等,将鄂尔多斯盆地侏罗系低煤阶煤层气系统演化划分为4个阶段:煤系浅埋–原生生物气阶段﹑煤系深埋–热成因气阶段﹑煤系抬升–吸附气逃逸散失阶段﹑煤系局部沉降–次生生物气补充阶段。其中,煤系深埋–热成因气阶段和局部沉降–次生生物气阶段是低煤阶煤层气资源的主要形成阶段。次生生物气的补充是鄂尔多斯盆地侏罗系低煤阶煤层气成功开发的重要气源。鄂尔多斯盆地侏罗系煤层气藏应属于单斜式富气成藏模式。