国外煤层气成因与储层物性研究进展与分析

从煤层气生成机制及其地质控制、煤储层孔隙结构与吸附/解吸行为、煤储层裂隙系统及其对渗透率的影响三个方面,有重点地总结了国外有关煤层气成因和煤储层物性研究的新进展。笔者认为:国外在煤层气次生生物成因、煤层气生成矿物金属元素催化作用、煤层气固溶态赋存形式、含气量测定不确定性、煤层气近临界和超临界吸附、吸附能及其非均质性、裂隙矿物成因及其对成藏过程的指示作用、煤储层渗透率随煤层气解吸的变化规律及其控制因素等方面的研究,极大地深化了对煤层气成因和煤储层物性的理解与认识;煤岩学、煤地球化学、岩石力学等的结合是国际上煤层气地质研究手段的重要发展趋势,而煤层气成因与特殊赋存形式、含气量精确测定与评价、超临界吸附与吸附能分布、解吸过程中煤储层渗透率变化特征及其地质控制等的研究,显示出国外煤层气成因和煤储层物性研究的重要前缘方向。     

煤层气在煤储层中的扩散及其影响因素

煤层气在煤储层中的扩散是指从煤基质孔隙表面上解吸的煤层气运移到割理系统的主要过程。发生扩散的前提条件是气体浓度差的出现，衡量扩散能力大小的重要参数是扩散系数。前者为由解吸速度、解吸气量和煤层气产量、井孔压力降等因素控制的动态参数，而后者为主要受扩散物质性质、扩散介质特征、扩散系统的温度、压力和孔隙结构形态等因素影响的静态参数。煤层气在煤储层中的扩散量与煤层气浓度差和扩散系数呈正比关系。     

沁水煤层气田高阶煤解吸气碳同位素分馏特征及其意义

沁水盆地是我国煤层气勘探开发的重要有利区,沁水煤层气田位于盆地东南部。对采自沁水煤层气田两口井的煤开展了罐解吸实验。结果表明,该地区煤层气解吸速率很快,96 h后解吸气量都达到了总解吸气量的60%~85%,720 h后解吸过程基本结束;解吸气量大,平均在18 m3/t以上。煤层气解吸过程中甲烷发生碳同位素分馏,δ13C1值变化与解吸率呈良好的线性关系,参考这种正相关关系曲线,定期监视煤层气降压排采过程中甲烷δ13C1值的变化情况,可以大致推测出该地区煤层气解吸率,从而预测煤层气的采出程度。跟踪测试沁水煤层气田A1和A1-3井在试采过程的甲烷δ13C1变化情况,推测现在采出的煤层气可能主要是煤层裂隙中以游离形式存在的煤层气,表明该区煤层气稳产性较好,资源前景广阔。     

注热联合井群开采煤层气运移采出规律数值模拟

为总结注热联合井群开采低渗透储层煤层气运移采出规律,基于传热学、弹性力学、渗流力学、岩石力学理论,建立了注蒸汽开采低渗透储层煤层气藏过程的热固流耦合数学模型。结合潞安矿区山西组3#煤层地质参数,利用有限元软件进行了注热联合井群开采煤层气藏运移规律的数值模拟,得到了不同布井方式下注热10 d、开采100 d过程中煤层温度场、应力场及煤层气渗流场变化规律。结果显示,煤层平均传热速度为1.57 m/d,注热10 d后,中心井35 m范围内为有效注热区;随井筒数量的增加和井间距的减小,井间干扰作用增强,煤储层压力下降加快,煤层气供气及解吸区域增加,累积产量显著增加。七井模型20 m井间距注热开采累积产气量是五井模型30 m井间距未注热开采累积产气量的2.01倍。模拟结果显示了注热和井间干扰开采优势,为低渗透储层煤层气井群注热联合工业开采提供理论依据。     

煤层气成分影响因素分析

煤系地层孔隙性和渗透率对煤层气的抽放、排采具有重要影响,但煤层气的生成却是其富集的先决条件。煤层气是煤内外因共同作用、具有一定规律性的多阶段复杂地质过程作用的结果,阐述了煤层气的成分和几种成因类型,分析了煤岩有机显微组成、成熟度、储层压力等因素对煤生气能力、吸附性、渗透性的影响。对分析煤盆地间、钻孔间以及煤层间煤层气成分的变化具有重要意义。     

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。     

国际煤层气组成和成因研究

煤层气已成为一种新兴的非常规天然气资源。煤层气是成煤物质在煤化过程中生成并储集于煤层中的气体。按其成因类型分为生物成因气和热成因气。生物成因气有原生和次生两种类型,原生生物成因气一般在低级煤中生成,很难保存下来。次生生物成因气常与后来的煤层含水系统的细菌活动有关。热成因煤层气的生成始于高挥发份烟煤（Ro＝０.5％～0.8％）。与分散的Ⅰ／Ⅱ型或Ⅲ型干酪根生成的气体相比,煤层气的地球化学组成变化较大,反映了控制煤层气组成和成因的因素多而复杂,主要的影响因素包括煤岩组分、煤级、生气过程和埋藏深度及相应的温度压力条件。此外,水动力等地质条件和次生作用等也影响着煤层气的组成。     

煤炭资源勘查中的煤层气兼探技术与方法

煤层作为煤层气的地质载体,煤层气与煤炭资源兼探是国家矿产资源管理的强制性规定。通过近年来兼探项目的实践,梳理了煤炭资源勘查过程中涉及到的煤层气资源评价规范。在此基础上,从勘查思路、勘查方法、工作任务、报告编制等环节,明确了煤炭资源勘查过程中煤层气勘查方法。根据煤层气勘查方法的特殊性,总结了兼探过程中煤层气地震、测井、钻井、录井、排采等技术及工程质量验收方法,提出了煤炭资源勘查全过程煤层气勘查技术体系。分析发现,现有兼探方法和技术存在若干需要解决的技术问题,如勘查规范滞后、煤炭与煤层气综合勘查缺乏技术标准体系、瓦斯采样方法落后、煤炭资源勘查实施方案审查中对煤层气兼探技术方案把关不严等。由此,进一步提出了相关的对策和建议,包括及时修订DZ/T 0215-2002《煤、泥炭地质勘查规范》、瓦斯采样采用绳索取心技术、将瓦斯地质工作纳入煤层气地质工作体系、在低含气量矿区先期进行煤层气资源潜力评价等。     

考虑渗透率变化的煤层气储层数值模拟及参数敏感性研究

煤层气开采过程中储层渗透率的变化对产气量影响较大,通过引入S＆D渗透率变化模型,建立了考虑渗透率变化的煤储层三维气水两相渗流数学模型,完成模型检验后应用所编制软件研究了煤储层参数、吸附参数及渗透率模型特征参数对开发效果的影响。结果表明,煤层气产量随着初始含气量、煤层有效厚度、裂缝渗透率和Langmuir压力的增大而增大,随储层原始压力、裂缝孔隙度和Langmuir体积的增大而减小,而解吸时间对产气量影响不大;裂缝渗透率随着杨氏模量和基质收缩/膨胀系数的增大而增大,随泊松比和裂缝压缩系数的增大而减小。引入S＆D模型后计算的累积产气量要比常规模型低1.3%,因此不可忽视煤层气产出过程中渗透率的变化。     

煤层气吸附量动态变化模型研究

基于吸附势理论、气体状态方程,建立了煤储层压力与煤体吸附半径、孔隙半径与煤体吸附量、储层压力与煤体吸附量之间的关系模型,得出储层压力、吸附量、孔隙半径等多参数耦合的煤层气吸附量动态变化模型,利用潘庄区块煤体结构测试数据以及等温吸附试验结果对模型进行了验证。结果表明:潘庄区块以孔径小于7.7 nm的微孔为主,以孔径7.7 nm为临界点孔容呈先减小后增大趋势;模型计算的吸附量动态变化结果与煤体空气干燥基等温吸附变化结果在趋势上具有较高的一致性,模型的起始点为枯竭压力以及枯竭吸附量,得出潘庄区块枯竭吸附量为3 m³/t。模型不仅能够计算地层条件下不同温度和压力共同作用下煤体对甲烷气体的吸附量,且能够预测煤层气排采过程煤层气吸附量的动态变化,有助于确定煤层气排采工作制度以及提高煤层气采收率。     

瓦斯动力学模型的研究

煤层瓦斯动力学是一门主要研究煤（岩）层内瓦斯（煤层气）运移和分布规律的边缘地球科学。笔者运用瓦斯地质的新观点来认识煤（岩）层内瓦斯运移和分布的机理,较系统地阐明了新的煤层瓦斯动力学模型,对新理论在煤矿防治瓦斯中的应用作了重点开拓,并取得了若干新进展。进而以实测煤层瓦斯动力学参数为依据,对国内外5种典型的动力模型进行数值模拟,结果表明:新的煤层瓦斯动力模型比国内外三大模型更逼近实际,为预测的矿井瓦斯变化规律以及开发煤成气资源提供了新的定量分析理论和科学方法。     

油气藏动力学成因模式与分类

根据油气运聚的动力和作用方式将油气藏成因分为 3类 8种 17式。这 8种分别是 :①高压势场作用下形成的油气藏 ;②低压势场作用下形成的油气藏 ;③油水携带溶解气游离释放形成的天然气藏 ;④浮力作用下形成的油气藏 ;⑤毛细管力作用下形成的油气藏 ;⑥天然气体积膨胀形成的深盆气藏 ;⑦分子吸附作用形成的煤层瓦斯气藏 ;⑧分子水合作用形成的水合甲烷气藏。①～③种为突发式流压作用形成的油气藏 ,④～⑥种为缓慢式烃势差形成的油气藏 ,⑦和⑧为非常规条件下天然气汇聚形成的特殊类型的 (油 )气藏。相同动力学成因的油气藏因实际地质条件的差异可以进一步分成亚类。不同动力学成因的油气藏的分布规律、主控因素和产状特征不同。研究油气运聚的动力机制和成因模式对指导油气田勘探、提高勘探效益具有重要意义。     

河北武安云驾岭煤矿2~#煤层瓦斯赋存主控地质因素分析

基于云驾岭煤矿瓦斯涌出量异常变化的现象,收集地质勘查及煤矿生产期间揭露的地质构造及瓦斯信息,运用瓦斯地质理论,从煤层瓦斯生成、运移、储存的角度,研究岩浆岩侵入、煤层埋深和断层等地质因素对2号煤层煤质、生烃能力、煤层渗透性、瓦斯含量等参数以及煤层瓦斯赋存的影响。研究结果表明岩浆侵入提高了2号煤层的变质程度、瓦斯储集能力和渗透性,促进了煤层二次生烃,同时岩浆热液产生的高温高压作用使煤层瓦斯大量逸散;岩浆侵入对煤层瓦斯的生成、运移和储存均产生了影响,是煤层瓦斯赋存的主要控制因素,断层特征及分布影响了瓦斯的储存和运移,煤层埋深影响了瓦斯的储存,断层和煤层埋深是煤层瓦斯赋存的一般影响因素。     

高精度电磁频谱法在滇东煤层气勘探中的应用

使用高精度电磁频谱探测方法,对滇东恩洪、老厂地区的煤层气作实地探测。取得煤系地层中的地球物理响应。由此建立煤层、围岩的岩性与物性的关系,进而利用大地电磁频谱探测技术了解煤层的埋深、厚度。使煤层气的勘探工作有了新的科学勘探技术方法。     

力 -电 -热多参量监测深井动力灾害的试验分析

采掘活动引起工作面前方煤体应力场重新分布、煤体破裂、瓦斯运移等活动,煤体内部内能,势能等能量不断发生转换,并向外辐射电荷、电磁等能量,致使煤体应力,煤体温度发生变化。使用煤体应力、煤体电荷和煤体温度多参量监测技术,对工作面前方煤体压力、煤体电荷和煤体温度进行持续监测,可判断煤体应力变化、瓦斯运移及煤体破裂状况等,从而确定煤层动力灾害危险程度。通过现场试验研究表明：含瓦斯煤层煤体应力突变时,煤体辐射电荷量增加、煤体温度降低,应力平稳变化阶段,煤体温度、煤体电荷信号基本稳定不变。因此,可利用对煤体应力、煤体温度和煤体电荷的监测结果,判断煤层动力灾害危险性,并且煤体应力、煤体温度、煤体电荷监测技术可相互补充验证,增加动力灾害预测可靠度。力-电-热多参量预测技术可提高煤矿动力灾害预测准确性,为煤矿安全生产提供可靠保障。     

Geological controls on the formation and distribution of gas in British coal measure strata

The methane, ethane, higher alkanes and nitrogen found in British coal seams are residual products of coalification occasionally complemented by petroleum-derived hydrocarbons. Carbon dioxide, a minor constituent of coal seam gas, may have been introduced during the phase of cleat mineralisation following uplift. Helium and argon are considered to be radiogenic in origin.Variations in seam methane content with depth, geographic location and rank can be interpreted in terms of the coalification and erosion history of a coalfield. However, the limitations inherent in an analysis in which coal rank is represented by a single parameter must be recognised.There are indications that the methane content of a seam is not likely to exceed the methane sorption capacity of the coal determined at a temperature commensurate with that obtaining at the maximum burial depth.Research in the East Midlands coalfield suggests that structurally controlled migration of coalification gas was contemporaneous with folding. During the Permo-Carboniferous erosion period gas was lost from outcropping seams. Subsequently, the bulk permeability of the seams must have been reduced, perhaps as a result of cleat mineralisation, because no re-distribution of methane appears to have occurred in response to later (Tertiary) deformation and gas contents of seams at incrop below the base of the Permo-Triassic have remained zero.Data on the effects of faulting on seam gas contents are few but the expectation is that faults, of appropriate age and orientation, whilst inhibiting in-seam migration may, in some instances have aided cross-measures movement of gas. Elevated seam ethane and propane contents are frequently encountered in seams disturbed by oil-bearing faults.     

NUMERICAL MODELLING OF METHANE GAS MIGRATION IN DRY COAL SEAMS

This paper presents the development of a mathematical model for methane gas migration in coal seams. The major focus of this model is the coupling between the gas flow and deformation of solid coal. The effect of diffusion of adsorbed methane gas from the solid matrix to the voids has been taken into account. The adsorption of gas in the coal seam causes a two-phase state of gas flow. The governing equation for the two-phase gas flow is a non-linear partial differential equation with non-linear boundary conditions. A finite element model has been developed for simulation of the distribution of pressure and concentration of methane gas due to gas migration in coal seams.     

老厂矿区煤层气勘探煤层综合对比

煤层气的勘探开发中，煤层的对比并在钻井过程中的预告是一项重要的基础工作。而只有在对勘区煤层精细对比，掌握各主要煤层、标志层的基础上，才能准确地预告主要的煤层气储集煤层。本文总结老厂煤矿区的煤层综合对比方法，并对中外合作煤层气探井FCY-LC01各主要目的煤层进行了准确预告。     

滇东黔西煤层气选区及勘探目标评价

滇东黔西晚二叠世成煤期煤层气盆地发育,是华南重要的煤层气资源分布区,。本文概述煤层气盆地的划分与评价,提出煤层气系统的新概念,并对重点盆地进行研究。提出煤层气区带和煤层气地质风险分析的概念,并对滇东黔西地区重点区带进行煤层气藏预测及勘探目标优选,提出煤层气重点勘探开发试验区。     

下保护层开采上覆煤层产气机理及规律

通过理论研究分析了采动区煤层裂隙特征、煤层气赋存特征和煤层气运移特征,揭示了煤矿采动影响下上覆被保护煤层产气机理。分析认为采动区煤层产气机理与常规煤层气产气机理不同,一是采动区煤层基质孔隙大、内部裂隙多、离层裂隙发育。二是采动区煤层气解吸快、解吸量大、水中溶解气少。三是采动区煤层气运移以气体单向流为主,评价渗透性指标为透气性系数。在收集大量采动区煤层气井产气数据的基础上,研究了产气机理对产气规律的影响。采动区煤层气井产气规律与常规煤层气井相比,具有产量提升快、产气峰值高的特点,整体呈现先迅速增大后逐渐减小趋于平稳的规律。结合采动区煤层产气机理研究,分析认为气产量提升速度快是由于煤层裂隙迅速增多且气体在裂隙中以气相单相流运移为主,产气峰值高是由于储层压力快速下降使煤层气加速解吸,短时间内在井筒附近聚集大量游离气。