煤层气开发理论与技术

2015年12月16日煤层气开发理论与技术概论主要内容一、煤层气开发的意义二、煤层气的物质组成与性质三、我国煤层气资源分布与地质条件四、我国煤层气勘探开发现状五、煤层气赋存特征与产出机理六、煤层气开发技术一、煤层气开发的意义1、弥补我国天然气供需缺口2、减轻矿井灾害程度3、降低煤矿开采成本4、保护环境主要内容一、煤层气开发的意义二、煤层气的物质组成与性质三、我国煤层气资源分布与地质条件四、我国煤层气勘探开发现状五、煤层气赋存特征与产出机理六、煤层气开发技术二、煤层气的物质组成与性质1.三个基本概念煤层气：是指赋存在煤层中以甲烷为主要成分、以吸附在煤基质颗粒表面为主并部分游离于煤孔隙中或溶解于煤层水中的烃类气体，其成分以甲烷为主，往往将其简称为煤层甲烷。瓦斯：赋存在煤层中的煤层气与采动影响带中的煤成（层）气、采空区的煤型气及采掘活动过程中新生成的各种气体的总称煤型气：是指含煤地层中煤和分散有机质，在成岩和煤化过程中形成的天然气，以游离状态、吸附状态和溶解状态赋存于煤层和其它岩层内。其中赋存在煤层中，成分以甲烷为主的煤型气称为煤层气或煤层甲烷，赋存在围岩中的煤型气称为煤成气。1）烃类气体甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、异丁烷。干气（贫气）：CH495%或C2+%5%湿气（富气）：CH495%或C2+%5%C1/C1~5值大于99%，为特别干的气体，95%~99%为干气，85%~95%为湿气，小于85%，为特别湿的气体。二、煤层气的物质组成与性质2.煤层气的化学组成2）非烃类气体氮气、二氧化碳、一氧化碳、硫化氢、微量的惰性气体HP5889色谱仪二、煤层气的物质组成与性质3.煤层气的成因1）生物降解煤层气泥炭~褐煤阶段Ro,max0.5%2）热解型煤层气褐煤~瘦煤阶段Ro,max介于0.5~2.0%3）裂解型煤层气瘦煤阶段~三号无烟煤2.0%Ro,max3.7%4）次生生物成因煤层气0.3%Ro,max1.5%煤的显微组成镜质组有机显微组分惰质组壳质组无机显微组分矿物质煤薄片煤砖光片粉煤光片daf(cf/t)煤类产气量m3/t吸附能力m3/t褐煤38~688长焰煤138~1688~9气煤182~2129~11肥煤199~23011~14焦煤240~27018~20瘦煤257~28714~18贫煤295~33020~24无烟煤346~42224~36不同煤类的产气量和吸附能力主要内容一、煤层气开发的意义二、煤层气的物质组成与性质三、我国煤层气资源分布与地质条件四、我国煤层气勘探开发现状五、煤层气赋存特征与产出机理六、煤层气开发技术三、我国煤层气资源分布与地质条件1.煤层气资源量大、分布相对集中41个聚煤盆地，2000m以浅的煤层气资源量为约36.8万亿立方米。9个主要盆地资源量大于1万亿方，合计28万亿方，占全国76%2.中国煤层气资源大区分布东部煤层气地质资源量最大，占31%，其次是中部和西部，各占28%，南方占13%，青藏最少，仅0.01%。2.盆地分布资源集中分布在大型含气盆地（群），约占84.2%煤层气资源盆地分布直方图3.中国煤层气资源不同类型盆地分布2.盆地分布在9个I类煤层气盆地中，鄂尔多斯最大，约占31.8%，其次是沁水、准噶尔、滇东黔西。主要含气盆地煤层气资源分布直方图4.中国主要盆地煤层气资源分布5.中国煤层气资源层系分布特点侏罗系煤层气为主，其次是石炭-二叠系，还有少量的三叠系煤层气。中生界的煤层气资源占总地质资源量的55.72%，其次是古生界煤层气，约占44.18%。煤层气资源深度分布直方图6.中国煤层气资源深度分布6.中国煤层气资源深度分布7.中国煤层气资源煤阶分布全国煤层气有效矿业权99个煤层气探矿权95个，总面积约6.5万平方公里，煤层气探矿权分布在17个省。煤层气探矿权人25个，包括3家中直企业，22家地方煤层气企业。煤层气采矿权4个，总面积约450平方公里，采矿权仅分布在山西、辽宁省。采矿权人为中国石油天然气股份有限公司、辽宁省铁法煤业集团有限责任公司等。涉外煤层气探矿权20余个，分布在9个省，总面积2.3万平方公里。8.中国煤层气资源矿权分布中国50余个单位及外企在华公司进行煤层气勘探开发中石油中石化煤炭院校公司浙江：沁水、鄂东、筠连开发大庆、玉门：海拉尔、鹤岗、潮水武威勘探华北煤层气公司、、廊坊分院、国家煤层气工程中心、渤钻、川陕、长城公司，宁武阜新开发中海油中联：矿权内勘探开发、对外合作煤科院西安、重庆分院：科研攻关技术服务晋煤、阳煤、潞煤、兰花、榆神：沁水鄂东贵煤、川煤、云煤：六盘水古舒、云南勘探河南、淮南煤层气公司：两淮焦作平顶山华东公司：延川和顺、伊犁、织金区块勘探石油勘探开发研究院：资源评价、综合研究新煤、黑煤、铁法、准东、吐哈、铁法、依兰石大地大矿大河理大：实验室、科研服务奥瑞安北京、奥瑞安国际技术服务、三交开发龙门、亚美、富地、菲利普斯、格瑞克、BP中澳、远东、亚加、能源、亚太壳牌、道拓特拉维斯特、瑞弗莱克、中海沃邦、耀天三、我国煤层气资源分布与地质条件1.板块构造复杂，国外煤层气经验理论存在局限性，研究难度大1、小地块拼合中朝板块最大，仅为俄罗斯克拉通地块1/5，北美克拉通地块的1/12。2、地块多期聚合元古代中朝、扬子、塔里木板块；古生代古亚洲洋、古特提斯洋；三叠纪中国大陆各地块；中、新生代青藏各地块3、周边板块活动性强劳亚：J3-K1冈瓦纳：Pz,T,K-E2,N-Q太平洋：J,E2-34、板块内部变形作用强基本属大陆地块边缘，各种弱化面多期、多种方式活动，使内部构造比国外极为复杂。2.含煤层气盆地一般经历了多期构造运动，盆内构造复杂沁南煤层气埋藏演化图地质时代构造期次煤层最大埋深（m）阶段特征C-T海西晚期～印支期4500慢速、快速埋藏J1-J2印支~燕山早期3500埋深稳定和波动，抬升剥蚀J3-K1燕山中期~晚期3200埋深显著减小，构造抬升和构造热事件K2-Q喜山期〈1500煤层埋深减小，构造分异明显鄂尔多斯盆地吉县－韩城煤层气埋藏演化图地质时代构造期次煤层最大埋深（m）阶段特征C-T海西晚期～印支期3100慢速、快速埋藏J1-J2印支~燕山早期2500埋深稳定和波动J3-K1燕山中期~晚期3000埋深显著减小，构造抬升和构造热事件K2-Q喜山期〈1500煤层埋深持续减小，构造分异明显3.成煤期多，储层非均质性强主要成煤期：早第三纪；侏罗白垩纪；早中侏罗纪；晚三叠纪；晚二叠纪；石炭二叠纪；早石炭纪。各成煤期地质构造复杂，成煤环境复杂，煤层气成藏条件复杂。中国煤层气含量分布的基本特点：南高北低，东高西低。平均气含量(干燥无灰基)：华南的煤矿区多在10-15m3/t，松藻矿区高达27.1m3/t；华北的煤矿区，除山东省外，多在5-10m3/t，其中阳泉、晋城、焦作、鹤壁和安阳矿区较高；东北的煤矿区，除红阳和抚顺较高外，一般较低，为4-6m3/t。4.含气量分布不均，含气饱和度总体上较低4.含气量分布不均，含气饱和度总体上较低全国115个目标区煤层平均含气量4-27.1m3/t之间，平均为9.76，平均含气饱和度为20-91%，平均为45%，聚气区聚气带含气量/m3.t-1含气饱和度/%聚气区聚气带含气量/m3.t-1含气饱和度/%华北华北北缘15.659东北三江-穆棱河6.349京唐10.056松辽-辽西9.050冀中平原8.030~50浑江-红阳16.167太行山东15.553西北柴北-祁连5.929沁水9.538准南6.331霍西5.0＜30塔北4.0＜30大同-宁武6.0＜30华南下扬子北缘6.746鄂尔多斯东缘8.043湘中-赣中14.258渭北10.147东南7.134鄂尔多斯西部5.2＜30上扬子北缘13.2＞50桌贺8.038川东12.772豫西12.960川南-黔北8.943徐淮7.131滇东-黔西9.853豫北-鲁西9.8＜30黔桂8.440渡口-楚雄4.8＜30全国各煤层气聚气区煤层平均含气性统计结果煤层含气性要素聚气区华北聚气区华南聚气区东北聚气区西北聚气区含气量/m3.t-19.311.49.16.0含气饱和度/%42525330中国主要聚气区煤层平均含气性统计结果煤层含气性要素主要聚煤区石炭-二叠纪晚二叠世晚三叠世早-中侏罗世早白垩世第三纪含气量/m3.t-19.410.911.56.06.412.0含气饱和度/%435054344853中国煤储层试井渗透率测值变化于0.002～16.17md，平均为1.27md，以0.1～1md为主。渗透率小于0.1md的占35％；0.1～1md之间的占37％；大于1md的层次占28％。小于0.01md和大于10md的均较少。渗透率在5md以上的煤储层仅分布在华北的韩城、柳林、寿阳；渗透率介于1～5md的煤储层分布范围相对较广，包括韩城、柳林、寿阳、晋城、淮北、淮南、焦作、哆峰、铁法、平顶山等，其它地区煤储层渗透率均低于1md。5.渗透率普遍偏低，总体上小于1md美国黑勇士盆地绝对渗透率多在1～25md之间；圣胡安盆地部分高压区煤层绝对渗透率为5～15md；粉河盆地煤储层渗透率非常有利，割理（裂隙）渗透率在35-500md。1红阳煤田2大同煤田3沁水盆地4河东煤田5渭北煤田6安鹤煤田7平顶山煤田8永夏煤田9荥巩煤田10淮北煤田11淮南煤田5.渗透率普遍偏低，总体上小于1md储层压力参数储层压力状态压力梯度(kPa/m)压力系数低压异常(欠压)＜9.3＜0.95正常9.3～10.30.95～1.05高压异常(超压)＞10.3＞1.05我国32个矿区煤层气试井结果表明:•超压状态占33.2%；正常压力状态占21.9%；欠压状态占45.3%。6.煤储层压力低，煤层气降压解吸难度较大0481216沈北铁法阜新红阳开滦大城峰峰安阳鹤壁焦作平顶山淮南淮北阳泉西山霍东晋城吴堡柳林韩城涟邵丰城压力梯度/kPa.m-1聚气带目标区储层压力状态聚气带目标区储层压力状态松辽－辽西铁法欠压－高压鄂尔多斯东缘离柳－三交正常－高压沈北正常吴堡正常阜新欠压渭北韩城正常－超压浑江－红阳红阳正常－超压沁水阳泉－寿阳欠压－正常湘中－赣中丰城欠压霍东欠压豫西平顶山高压晋城欠压徐淮淮南欠压－高压太原西山正常－超压淮北欠压太行山东峰峰欠压－高压冀中平原大城欠压－正常安阳－鹤壁欠压京唐开滦欠压焦作欠压6.煤储层压力低，煤层气降压解吸难度较大主要内容一、煤层气开发的意义二、煤层气的物质组成与性质三、我国煤层气资源分布与地质条件四、我国煤层气勘探开发现状五、煤层气赋存特征与产出机理六、煤层气开发技术四、国内外煤层气勘探开发现状1.煤层气勘探向纵深扩展，探明储量显著增长四、国内外煤层气勘探开发现状1.煤层气勘探向纵深扩展，探明储量显著增长2.煤层气产能规模扩大，产销量同步上升四、国内外煤层气勘探开发现状3.煤层气成为现实的天然气补充能源四、国内外煤层气勘探开发现状主要内容一、煤层气开发的意义二、煤层气的物质组成与性质三、我国煤层气资源分布与地质条件四、我国煤层气勘探开发现状五、煤层气赋存特征与产出机理六、煤层气开发技术五、煤层气赋存特征与产出机理五、煤层气赋存特征与产出机理1.煤的孔裂隙结构宏观裂隙大、中、小、微一级、二级、三级割理显微裂隙阶梯状、雁列式、帚状、X式孔隙大孔、中孔、过渡孔、微孔渗流孔、吸附孔2.煤层气赋存状态水面割理端割理溶解气游离气割理吸附气五、煤层气赋存特征与产出机理443.吸附曲线：Ⅰ型：适用于无孔均一表面的单分子层吸附或微孔吸附剂的容积填充机理，前一种可用Langmuir方程来描述，后一种应使用D-R（D-A）方程来描述。Langmuir方程用于描述无孔均一表明的单分子层吸附。五、煤层气赋存特征与产出机理3、煤化阶段形成不同饱和度的煤煤层气多层吸附、含自由气。煤层气单层、或多层吸附。4（3）煤层气欠饱和煤4（1）煤层气过饱和吸附煤层气多层吸附。4（2）煤层气饱和煤1、植物繁殖遗体堆积2、泥炭化阶段吸附理论1：Langmuir理论—单分子层吸附①吸附是单分子层的；②固体表面是均匀的，各处的吸附能力是