中国煤层气勘探开发基础问题探讨

中国煤层气勘探开发基础问题探讨提纲一、煤层气的赋存方式与低煤级煤含气性二、煤层气多级压力降与多级渗流三、储层压力中的水压与气压的关系四、煤储层动态渗透率五、高煤级煤储层产气缺陷六、煤层气平衡开发七、深部煤层气与常规油气共采八、近海海域煤层气与常规油气海上共采九、针对中国煤储层物性的开发工艺技术十、煤层气开发的环境保护十一、采煤采气一体化的十二、煤层气开采对煤炭资源回采的影响一、煤层气的赋存方式与低煤级煤含气性问题1、固溶体煤层气：吸附气、游离气、水溶气煤与瓦斯突出时的相对瓦斯涌出量甲烷在煤储层中赋存形态和分布（据A.T艾鲁尼）赋存位置赋存形态比例（%）裂隙、大孔和块体空间内游离（水溶态）8~12（1~3）裂隙、大孔和块体内表面吸附5~12显微裂隙和微孔隙吸附75~80芳香层缺陷内替代式固溶体1~5芳香碳晶体内填隙式固溶体5~12注：中煤级煤，埋深800~1200米天然气水合物——可燃冰类似？研究方向——固溶体的结构2、超临界吸附煤层气组分的简明物理性质液化压力(MPa)煤层气组分沸点（℃）临界温度（℃）临界压力(MPa)21℃32℃动力粘度（10-3CP·S）分子直径（nm）甲烷-161.5-82.44.60－－1.080.38二氧化碳-78.531.17.3830℃为5.52*1.470.33氮气-195.8-146.93.40－－1.770.34乙烷-88.632.44.983.774.800.41*在30℃时进行二氧化碳等温吸附实验时得出。研究方向不同CH4、CO2、N2、C2H2混合的煤层气的超临界温度、压力？3、低煤级煤含气量测试基于MT-77-84解吸法低煤级：地层温度，煤层空间结构、快速解吸；地面温度，慢速解吸，甚至没有解吸气低煤级煤储层中的煤层气资源量？基于低煤级煤层的含水性、孔裂隙、温度、压力条件，分别进行吸附气、水溶气和游离气的数值模拟。研究方向——低煤级煤含气量2020/7/48其它煤级储层含气量测不准问题USBM法(中国国标参照)Smith-Willams法曲线拟合法煤层上部：曲线拟合法误差小于2％，另两种方法低7～9％；煤层下部：曲线拟合法低15％，另两种方法低22～25％。500400300200100013172125同一煤层相对井深/ft含气量/(干基,SCF/t)曲线拟合法USBM法Smith-Williams法保压取芯解吸2020/7/49USBM/中国国标推算损失气量的两个假设：1)½时间：煤芯被提升至一半孔深时开始解吸2)线性解吸：解吸速率恒定，或煤中气体在井下钻井液中和地面解吸罐内解吸规律相同煤层气在钻孔中发生解吸存在三种基本情况：1)P液Pc：提升至一定距离开始解吸，推算量可能相等,也可能偏高，也可能偏低2)P液＝Pc：一旦提升即开始解吸，推算量偏低3)P液Pc：揭露煤层即开始解吸，推算量偏低解吸速率一般随时间而减小：推算量偏低-250-200-150-100-50050100150200012345678910(T+t)1/2/min1/2解吸量(cm3)偏低(漏推)量推算实测2020/7/410深部煤层含气量预测误差含气量/埋深之间往往不存在单调增大函数关系温度影响使得客观存在“临界深度”050010001500200025003000579111315Gassaturatedcontent(m3/t)Depth(m)0.86%Ro0.95%Ro1.38%Ro1.80%Ro2.00%Roy=0.0087x+7.98990510152025200300400500600700burieddepthoftheNO.3coalseam（m）Methanecontent（m3/t）051015202530350510152025基准例特性值偏差/％十年累计气产量误差/％含气量储层净厚度吸附等温线渗透率初始水饱和度孔隙度4、采动影响区动态含气量煤矿采动影响区1)本煤层采动影响区:掘进巷道和采煤工作面2）邻近层采动影响区（垂向采动影响区）3）煤炭资源残留区煤层动态含气量距暴露煤壁的距离、煤壁暴露时间（采煤或掘进推进速度）数值模拟方法有限元、瓦斯压力连续测定、瓦斯涌出量、瓦斯排采效率采动影响区内煤层瓦斯含量和排采率与时间和距暴露煤壁距离的关系1—迎头掘过后6h；2—迎头掘过后4d；3—迎头掘过后10d；4—迎头掘过后15d；5—迎头掘过后55d；6—迎头掘过后155d（稳定）12345610505101520距暴露煤壁的距离(m)煤的瓦斯含量(m/t)31500.10.20.30.40.50.60.70.80.9105101520距巷道壁的距离/m排放效率/%124653t=5d,P0=3.80MPaK=5.06×10-18m2y=0.3805Ln(x)+1.694r=0.960.00.51.01.52.02.53.03.505101520距暴露煤壁的距离/m压力/MPay=-53.48Ln(x)+275.01r=0.93y=-40.19Ln(x)-157.62r=0.95-50-40-30-20-1001020304050607080901001101200102030405060708090100上邻近层离开采层距离/m下邻近层距开采层距离邻近层瓦斯抽放率/%102030405060708090100下邻近层距开采层距离研究方向未采动区、采动影响区、残留区煤层气资源评价。采煤采气一体化模式二、煤层气多级压力降与多级渗流1、三元结构宏观裂隙大、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、三级压力降宏观裂隙（包括压裂裂缝）压力降显微裂隙压力降煤基质块（孔隙）压力降3、三级渗流三元结构宏观裂隙显微裂隙孔隙三级渗流紊流场渗流场扩散场研究方向：1）与煤储层孔裂隙结构系统相匹配的三级压力降耦合问题2）与煤储层孔裂隙结构系统相匹配的渗流耦合问题3）与煤储层孔裂隙结构系统相匹配的煤层气产能模拟软件三、储层压力中的水压与气压的关系煤储层流体压力由水压与气压共同构成。美国煤储层压力以水压为主，气、水产能稳定、持续；我国煤储层压力构成复杂，气压占有较大比例，不同压降阶段，煤层气、水产能不同，在总体衰减的趋势下呈跳跃性、阶段性变化。水压是储层压力或地层能量的直接反映和主要贡献者；水的不可压缩性对裂隙起支撑作用，水压是煤储层渗透率的维持者。我国中、高煤级煤层为相对隔水层，煤层本身的水体弹性能较低，气体弹性能较高研究方向：1）水压与气压的耦合关系问题2）水分子与气分子的物理化学作用问题3）试井方法：水饱和与气、水饱和——局限性问题4）气压的测试方法5）由储层压力（水压）、含气量和等温吸附曲线计算的含气饱和度、临界解吸压力、理论采收率准确性问题。6）储层压力的计算问题四、煤储层动态渗透率采气过程中煤储层的自调节效应压力基块裂隙渗透率解吸基块裂隙渗透率有效应力效应煤基质收缩效应气体滑脱效应：压力低、无水时才表现明显1、高煤级煤储层微孔发育微孔（d10nm）较发育微孔比孔容约占总孔容的22%微孔比表面积约占总比表面积60%沁水永红矿3＃孔隙体积直方图0.4222.41.60.40.40.80.40.40.40.80.41.60.41.20.40.81.21.20.40.821.62.40.41.20.422.73.13.105101520252E+057149043152237591425692682910104621471.843.123.916.614.410.87.5孔径／nm孔隙体积／mm3g-1五、高煤级煤储层产气缺陷2、高煤级煤储层吸附能力强VL大PL小枯竭压力下残余气多游离气低吸附气高水溶气多Ro,max=2.87%051015202530350246810P（MPa）VL,daf/m3t-13、高煤级煤储层渗流场缺乏中间环节三元结构宏观裂隙显微裂隙孔隙三级渗流紊流场渗流场扩散场4、渗透率应力敏感强ecseKK0Ks—应力渗透率，10-3μm2；K0—无应力时渗透率；e—自然对数；C—拟合系数（衰减系数）；－有效应力，MPaey=0.0492e0.681xr=0.9600.10.20.30.40.50.60.70.81.21.62.02.42.83.23.64.0Ro,max/％c0.000.200.400.600.801.001.206007509001050120013501500H/mKs/10-3μm2Ro,max=2.87%0.000.200.400.600.801.001.200123456p/mKs/10-3μm2Ro,max=2.87%405060708090012345镜质组反射率/Ro,max%束缚水饱和度/%束缚水（Sbw）包括：强结合水弱结合水毛细水高煤级煤储层62.9%Sbw89.2%5、高煤级煤储层束缚水饱和度大Ro,max=2.17%05101520253035400510152025303540Sg(%)Kr(%)KrgKrwKrgKrwSgoSwo6、高煤级煤储层气、水相渗区域狭窄单向水流区域：0%Sg7.4%，两相渗流区域：7.4%Sg28.7%单向气流区域：28.7%Sg100%气—水两相渗流时，气相与水相有效渗透率之和约为其克氏渗透率的1/3；最大气相有效渗透率不及其克氏渗透率的1/5。7、高煤级煤储层孤岛效应与“瓶颈”现象毛管力作用贾敏效应粘性指进孤岛效应“瓶颈”现象：高煤层气含量、低产能短期高产能，快速衰减六、煤层气平衡开发保持煤储层气—水相渗平衡，处理好套压、液面降深和井底压力三者之间的关系，使原始储层内能的平衡消耗。多开展关井测压工作，确定该储层的平衡产能。沁南TL007井的平衡产能为2000m3/t左右铁法DT3井的平衡产能为3000m3/t左右。因此，在制定煤层气排采工作时，不断调整套压、液面降深和井底压力，维持气、水产能平衡开发，增长井孔服务年限，是下一步煤层气勘探开发所要关注的问题之一。七、深部煤层气与常规油气共采我国沉积盆地深部的煤层气资源量巨大，埋深在1500~2000m之间的煤层气资源量占2000m以浅总资源量35.44％。我国拥有中新生代含油气盆地373个，盆地面积占我国国土面积的74%左右，其中多数大中型盆地均为煤油气共生盆地。深部较高的地层压力会使煤层渗透率恶化，给煤层气开采造成极大困难。但是，深部煤层气地质条件到底有哪些特征？深部煤层气成藏究竟表现为什么样的特点？应该从哪些方面去认识深部煤层气的开采潜力？深部丰富的煤层气资源有无可能与常规石油天然气共采？……？八、近海海域煤层气与常规油气海上共采我国近海海域广泛发育新生代含煤地层，主要分布在渤海、南黄海、东海陆架、南海北部四个构造聚煤带。煤层层数较多，少则10-20层，多则近百层，以薄－中厚煤层为主；煤级变化较大，北部两个构造聚煤带以褐煤和长焰煤为主，中部的东海陆架聚煤带为中－低变质烟煤，南海北部聚煤带从褐煤到焦煤均有分布。近期可选择1-2个构造聚煤带（如渤海），在核查解释丰富的海洋石油勘探资料的基础上，充分提取煤田地质和煤层气地质的有关信息，如含煤地层分布范围、煤层厚度与结构、煤级、含气量、地层压力、裂隙发育特征等，并从已有钻孔煤芯或煤屑中采集煤样进行吸附解吸实验。我国煤储层从煤级、地应力、含气饱和度、含水饱和度、孔裂隙特征、渗透特征、力学性质、埋深、围岩状态等相差很大，针对不同的煤储层本身特征和外部环境，采用针对性的开发工艺技术是当务之急。九、针对中国煤储层物性的开发工艺技术十、煤层气开采的环境保护地表环境破坏与污染、地下环境破坏与污染、大气环境污染。排水处理1、原理物理混凝2、方法过滤法化学试剂法化学脱氧和密闭隔氧3、技术重力沉降压力过滤浮选精细过滤十一、采煤采气一体化的问题《煤矿瓦斯治理与利用总体方案》（国家发展改革委2005年6月22日发布发改能源[2005]1137）采空区几年后煤炭开采区煤矿规划区煤矿生产区煤层气地面开发废弃矿井抽采