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。     

沁水盆地南部煤层气成藏的有效压力系统研究

有效压力系统是宏观动力能共同作用于煤储层而形成的压力体系,是联系煤储层地层能量与煤层气成藏的桥梁和纽带。它的主要影响因素为构造应力、地下水水头高度以及地下水矿化度。通过对沁水盆地南部有效压力系统的研究可以发现,影响煤层气藏形成和破坏的关键时期是晚侏罗世—早白垩世末,本阶段有效压力系统处于开放体系和封闭体系不断转换的状态,并因此造成煤储层孔裂隙大量形成,不仅为有效运移系统的形成奠定了基础,而且也为沁水盆地南部区域高煤级煤层气藏的可采性埋下了伏笔。     

织纳煤田上二叠统煤层气能量系统及其控藏效应

基于织纳煤田上二叠统煤层气富集成藏条件,结合统计资料和实验测试数据成果,依据煤储层弹性能表征模型,定量分析了研究区煤储层能量系统的分布规律及煤层气成藏效应。结果表明:织纳煤田弹性能呈"西高东低,南高北低,西南部显著较高"的分布格局,煤基块弹性能分布格局比气体弹性能复杂,煤层气体弹性能对能量系统的贡献率随埋深加大而显著增高,但在一定埋深处发生"跳跃"。结合沁水盆地煤层气勘探开发效果,煤层气成藏效应可划分为四种基本类型,通过对比分析,纳煤田煤层气成藏效应分属两个类型,绝大部分地段属于Ⅰ型,主要分布在织纳煤田西部;Ⅲ型位于文家坝南段勘探区。     

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。     

中国煤层气地质研究进展与述评

基于对国内近年来有代表性的学术论著的研究分析,从煤层气生成演化与运移效应、煤储层特性及其预测理论、煤层气成藏动力学条件及数值模拟、煤层气成藏类型及区域聚集规律等方面,评述了我国煤层气基础地质近年来研究进展,并指出煤层气超临界吸附效应、煤层气能量平衡系统与聚散机制、煤层气有效资源评价理论与方法、煤储层渗透率构造-采动控制效应、含煤层气系统有效失衡叠加场效应等是我国煤层气地质近期研究的发展趋势。     

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。     

和顺地区煤储层裂隙系统评价与渗透率预测研究

通过对沁水盆地和顺登记区周边矿井实际资料的研究,综合分析了煤储层裂隙的发育特征,15号煤储层渗透率非均质性的变化因素,并结合有效地应力的变化,对该区储层渗透率进行了预测,按其渗透率的大小分为4个类型,同时综合煤层气选区评价的其他参数认为,Ⅰ类区是下步勘探的首选目标。      

沁水盆地煤层气构造动力条件耦合控藏效应

构造动力条件涵盖诸多要素,综合分析这些要素与煤层气成藏效应之间关系,是全面认识构造动力条件控藏效应的基础。为此,本文采用盆地分析、构造应力场模拟、镜质组光性组构、构造曲率等方法,分析了盆地构造演化、构造应力场、盆内构造分异、煤储层构造变动等与煤层气成藏效应之间关系,探讨了有利于煤层气富集高渗条件发育的构造动力特点。研究表明：燕山期是控制煤层气成藏的关键时期,该期NW-SE向近水平挤压构造应力场作用下形成的次级褶曲和高角度正断层,奠定了盆地煤层气赋存规律的总体格局,使NNE-NE向次级褶曲成为主要的控气构造类型;构造动力通过煤储层改造程度对煤储层渗透性发育特点的控制,不仅体现于镜质组光性指示面形态及其空间展布特征,也使得中等程度的构造主曲率可能提供最有利于煤层气渗流的构造条件,导致现代构造应力场高主应力差有利于煤层渗透率的发育。耦合分析认为,沁水盆地煤层气成藏效应取决于上述构造动力学因素之间的合理配置,南部仰起端的阳城北、中南部西段的安泽—沁水、中部西侧的沁源周围、东部中段的武乡西北等4个地段,可能存在有利于煤层气成藏的构造动力学条件。     

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。     

我国高阶煤煤层气疏导式高效开发理论基础

我国高阶煤煤层气资源储量丰富,目前产量已占到我国煤层气总产量的90%以上,高阶煤煤层气资源的高效开发利用对于保障国家能源战略安全、助力实现“碳达峰、碳中和”战略目标具有重要的现实意义。我国煤层气产业总体呈现出勘探开发程度低、主体技术适应性低、投资回报率低、发展规模小的“三低一小”的不足,煤层气的规模化高效开发面临着巨大挑战。通过深度解剖勘探开发中出现的问题,认为制约煤层气产业高效开发的核心问题均源于对煤储层特征,特别是原始气水赋存、运移、产出规律认识不清,未形成与之相匹配的开发理论和配套工程技术。针对这一问题,开展煤层气水赋存–产出规律研究,将室内试验与现场实践相结合,形成煤层气疏导式高效开发理论及配套工程技术。结果表明:(1) 我国煤层气储层成藏过程复杂、气藏类型多样、非均质性强的客观条件与顶层设计支撑不足、主体技术工艺适应性不明确的主观因素是影响煤层气高效开发的重要原因;(2) 煤层孔隙–裂隙复杂双重孔隙结构及固有的气水赋存和产出运移规律决定了必须以“疏通”和“引导”为主导思想,以实现储层与井筒的充分沟通和流体的高效率产出;(3) 以沁水盆地高阶煤为例,运用疏导式开发理论形成的配套开发技术,实现高效规模建产,显著提升煤层气开发效果。      

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。      

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。     

水力封堵型煤层气藏判识条件分析

从宏观和微观两个方面分析了不同条件下煤层气的赋存特征,总结出水力封堵型煤层气藏的判识条件。研究表明,宏观上,可以通过煤储层边界的物理性质进行判识,在煤储层与地下水连通的基础上,分析断层、岩性、地下水三者之间的组合对水力封堵型煤层气藏赋存所起的作用,将水力封堵型煤层气藏划分为地层-水力封堵型、开放性断层-水力封堵型、封闭性断层-水力封堵型、岩性-水力封堵型、开放性断层-岩性-水力封堵型五种类型;微观上,主要通过煤储层流体的化学性质来判识,包括水的矿化度、水化学类型、甲烷碳同位素等三个方面,通常水力封堵型煤层气藏的地层水矿化度低于1 000mg/L,甲烷碳同位素较轻,且水化学类型为NaHCO3型、Na2SO4型或为NaHCO3和Na2SO4混合型。     

山西沁水盆地中-南部煤储层渗透率物理模拟与数值模拟

通过对山西沁水盆地中南部上主煤层宏观裂隙观测,力学参数测量和应力渗透率实验,分别建立了裂隙面密度、裂隙产状、裂隙宽度与煤储层渗透率之间的预测数学模型;利用FLAC—3D软件,模拟了该区上主煤层内现代地应力状态,结合煤层气试井渗透率资料,构建了应力与渗透率之间关系预测的数学模型,并对该区上主煤层渗透率进行了全面预测。通过吸附膨胀实验,揭示了各煤类煤基质的收缩特征,构建了有效应力、煤基质收缩与渗透率之间的耦合数学模型,并对煤层气开发过程中渗透率动态变化进行了数值模拟。     

CO2注入对煤储层应力应变与渗透率影响的实验研究

以沁水盆地成庄矿煤样为研究对象,利用实验室自主研发的CO₂注入与煤层气强化开采实验模拟装置进行不同有效应力和CO₂吸附压力下的煤岩渗透率测试。实验结果表明,煤岩的裂隙压缩系数受到CO₂吸附的影响,初始状态下、亚临界CO₂吸附和超临界CO₂吸附煤样裂隙压缩系数分别为0.066、0.086和0.089。引起裂隙压缩系数改变的原因主要有两方面:CO₂和煤中矿物反应提高了煤基质的不连续性;CO₂软化了煤基质同时降低了煤岩的力学性质。利用考虑吸附应变以及内部膨胀系数的渗透率模型对实测渗透率进行拟合,发现有效应力和内部膨胀系数成正比。CO₂吸附压力和有效应力的增大均提高了煤岩的内部膨胀系数,这影响了煤岩孔裂隙的开度,降低了煤储层的渗透率,并最终降低CO₂在煤储层中的可注性。      

致密煤层气藏三维全隐式数值模拟

我国煤层普遍存在低渗、低储层压力和低含气饱和度等不利条件,许多研究表明,低渗透多孔介质中的气体运移存在启动压力梯度。为了让数值模拟模型能更加准确地描述致密煤储层中流体的运移特性,基于前人的研究成果,建立了考虑启动压力梯度的致密煤层气藏三维、非平衡吸附、拟稳态条件下气、水两相耦合流动数值模拟模型,并给出了模型的全隐式有限差分格式和数值求解方法。最后利用沁水盆地某生产井的试井资料进行了模拟计算,模拟结果表明,在其他条件相同的情况下,启动压力梯度的存在使得煤层的降压效果变差,且延迟了产气高峰的到来。对比该井的开采资料,模拟结果是合理的,模型能正确反映致密煤层气藏中流体的运移特征。     

山西沁水盆地樊庄区块煤层气高产区预测

准确预测煤层气高产区是降低工程投资风险的重要保障。以沁水盆地樊庄区块部分煤层气垂直井的勘探开发资料为基础,根据煤层气富集的影响因素建立了煤层气富集评价指标体系,应用多层次模糊综合评价法把研究区划分为Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类三种富集类型。根据构造曲率的基本原理,结合研究区资料,建立了采用构造曲率来预测渗透率的方法,并根据构造曲率与煤储层渗透率的关系识别出高渗区。运用指标法将富集区与高渗区耦合,实现了樊庄区块高产区的预测。已有生产资料表明,应用此方法进行高产区预测是可行的。     

试论煤储层气—水两相流系统

根据3种煤层气运移边界类型与7种煤层重力水运移边界类型的组合形式,将煤储层气—水两相流系统划分为3种基本类型,并结合具体实例探讨了不同类型与煤层气产出潜势之间的关系。研究表明,开放型系统中的煤层气和地下水具有运移显著且交替活跃特征,煤层气井产能必然相对较低;半开放型系统的边界条件较为复杂,导致煤储层含气性、煤层气产出潜势变化较大;封闭型系统具有地下水滞流及煤层气被封闭的基本特征,极有利于煤层气的富集高产。      

煤层气富集高产的主控因素

对煤岩的生储气能力、煤储层渗透率、煤层气保存条件等影响煤层气高产富集的主控因素进行了分析。煤岩组分和煤变质程度是影响煤层生储气能力的主控因素。煤层的储气能力与温度、压力、灰分及水分含量等亦有关。煤层的渗透率取决于煤层本身的裂隙系统,而裂隙的发育程度又与煤变质程度及构造活动的强弱相关。煤层气的保存则取决于顶底板的封盖能力、构造活动、水动力环境等条件。煤层气成藏条件是煤层气基础地质研究中的核心问题,应加强研究。     

深部煤储层应力敏感性特征及其对煤层气产能的影响

深部煤储层处于高地应力环境中,其渗透率变化特征与浅部存在较大差异,为研究有效应力对深部煤储层渗透率的差异性影响,以及应力敏感性各向异性特征,以沁水盆地横岭区块15号煤层为研究对象,采样深度1 200~1 700 m,采用覆压孔渗实验,开展平行层理和垂直层理样品在不同有效应力下的渗透率变化规律研究,探究其应力敏感性特征及其对煤层气产能的影响。结果表明:渗透率随有效应力的增加呈幂指函数降低,平行层理面渗透率总体高于垂直层理面,且在2个方向上渗透率变化规律呈正相关性。选取储层孔裂隙压缩系数、渗透率损害率和渗透率曲率3个参数作为煤储层应力敏感性评价指标,其中,孔裂隙压缩系数随有效应力增加,以5 MPa为界限先后呈现正相关性和负相关性,渗透率损害率和渗透率曲率分别与有效应力呈指数上升和下降的规律。基于应力敏感性参数,推导出煤层气井产能模型,模型显示,不考虑应力敏感性的气井产量高于考虑应力敏感性,揭示了应力敏感性对煤层气产量的影响程度,即在5 MPa生产压差下,气井的产量降低幅度随应力敏感性系数的增大整体呈增高趋势。针对应力敏感性的阶段划分,研究区目标煤层在煤层气排采过程中应采用小–中–大的排采方案来控制生产流量。