沁水煤层气田成藏条件及勘探开发关键技术

沁水盆地历经了油气普查和煤层气勘探开发2个阶段（共60余年）的探索，现已成为中国最大的煤层气产业化基地，也是世界上高煤阶含煤盆地煤层气成功实现商业化的典范。尽管高煤阶煤层气田具有低压力、低渗透率、低饱和度、非均质性强的"三低一强"特征，但勘探实践和研究表明，沁水盆地煤层气成藏条件优越，主力产层太原组15#煤层和山西组3#煤层为陆表海碳酸盐台地沉积体系及陆表海浅水三角洲沉积体系，煤层厚度大、多由腐殖煤类构成，主要含镜质组。受燕山期构造热事件影响，煤层煤阶高、吸附能力强、含气量大。煤层气成藏经历了两次生烃、气体相态转化和水动力控制顶、底板封闭的3个阶段。针对沁水盆地地形及高煤阶特征，形成了山地地震采集、处理和解释技术，丛式井钻完井技术，"复合V型"为主的多水平井钻完井技术，解堵性二次压裂增产技术，高煤阶煤层气排采控制工艺，煤层气集输技术等一系列关键勘探开发技术，有效支撑了沁水盆地高煤阶煤层气的规模开发和工业化发展。     

沁水盆地煤岩储层特征及有利区预测

沁水盆地是世界上储量较大的高煤阶煤层气田之一，由于该区煤岩储层的研究仍相对薄弱，煤层气的商业性开发至今未取得实质性的突破。重点描述了该区煤岩储层的宏观煤岩类型、显微组分含量、割理发育特征、孔隙结构类型、物性特征、吸附与解吸性能等，分析了对煤层气井产能的主要影响因素。采用模糊物元分析方法，对沁水盆地煤层气高产富集区进行了预测，优选出阳泉-寿阳、长子-屯留、沁水北-安泽和阳城北4个最具潜力的高产有利区，为沁水盆地煤层气后续大规模的开发指明了方向。     

沁水盆地南部高煤阶煤层气富集高产控制因素

为有效支撑中国石油天然气股份有限公司煤层气业务的发展,持续开展了沁水盆地南部高煤阶煤层气富集及高产控制因素研究,总结了阶段成果和煤层气开发实践经验。结论认为：沁水盆地高煤阶煤层具有低压力、低渗透率、非均质性强的特征;煤层气开采难度大,其富集成藏主要受煤质、煤层埋深、顶底板封盖性、构造、水动力条件等的控制;地下水滞留区构造翼部是富集高产的有利区域;面积降压、合理井型是实现煤层气井高产的必要条件。该成果为规模高效开发该煤层气田打下了坚实基础。     

单一煤储层煤层气直井合理日产气量的确定

确定单一煤储层煤层气直井合理日产气量可为煤层气井布井及经济评价提供依据。根据等温吸附、水气启动压力梯度流动等理论,建立了单一煤储层条件下煤层气直井合理日产气量的数理模型,研究了平均日产气量与主控影响因素间的关系。研究表明：渗透率、临储压力比与平均日产气量呈指数形式变化;含气饱和度与平均日产气量呈线性关系。沁水盆地中南部煤层气实际排水采气资料与预测结果的对比验证了模型的准确性。该研究结果为现场煤层气直井选址及经济评价提供了理论依据。     

中小型含煤盆地煤层气勘探取得突破的几点认识

中国中小型含煤盆地种类众多,煤层气资源巨大,中国石油天然气股份有限公司对一些盆地的煤层气勘探已经取得了突破。对高、中、低3种煤阶类型的中小型含煤盆地已取得的成果进行了分析总结,提出了不同类型的中小型含煤盆地所特有的煤层气富集成藏理论,分析了沁水盆地高煤阶煤层气田、宁武盆地中煤阶含气区和沙尔湖盆地低煤阶含气区的煤层气地质特点和成藏条件,并对以上理论进行了验证。最后分析了中小型含煤盆地煤层气今后的勘探方向。     

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煤中孔隙的形态和结构特征强烈影响着煤储层的吸附、解吸、扩散及渗透性。为查明影响沁水盆地高煤级煤储层孔隙系统差异发育的主控因素，对采自该盆地北、中及南部6个市县13个矿区的40余件样品进行了详细解剖研究。应用对应分析方法发现煤相是该盆地煤储层孔隙系统在高煤层级阶段差异发育的主导控制因素，而高煤级造就了该盆地煤储层孔隙系统总体上不利于煤层气产出的共同特征。煤相通过对该盆地高煤级煤储层孔隙系统差异发育的直接控制而间接控制了储层吸附、解吸及渗流物性的优劣。在沁水盆地，活水泥炭沼泽相以及森林泥炭沼泽相是形成有利储层的沉积环境，而干燥泥炭沼泽相一般难以形成有利的储层。由于沉积环境（煤相）的剧烈频繁变迁导致了煤储层孔隙系统及相应的储层物性在纵向及横向上强烈的非均质性，给该盆地煤层气的开发带来严重不利影响。     

煤层气区评价参数及勘探方向

煤层气勘探选区评价的关键参数是煤层的含气量和渗透率。沉积作用、成岩作用、构造作用和封闭作用地这两个参数有影响。基于对各地持因素的综合分析，认为目前煤敢探重点区域应是华北，其次是华南；重点选区为鄂我斯贫地国中部低煤阶区、鄂尔多斯盆地东部中煤阶区、沁水盆地环斜坡带中一高煤阶区、豫西向斜带高煤阶区、钱西－濮阳斜皮带中煤阶区，冀中－冀东斜坡带中煤阶区、淮南－－淮北复向斜断块区中煤阶区和六盘水梳状褶皱复向斜     

煤储集层解吸特征及其影响因素

中国煤层气储集层的解吸特征受多种因素影响,不同地区差异很大.煤层气解吸率一般在40%左右,多小于70%,主要与煤层原位含气量和储集层压力等因素有关.煤层气解吸时间主要为0.188 3～19.17d,随着煤阶的增高解吸时间有增大的趋势,其中以高煤阶煤岩吸附时间跨度最大,最高可达30d之上.统计大量实验数据发现,煤层形态、温度、煤阶、灰分含量、含气量、割理发育程度、沉积环境与煤岩类型是影响煤岩吸附时间的主要因素.根据数值模拟的结果,煤岩解吸量影响煤层气井的单井产量,解吸量越大单井产量越大.煤岩的吸附时间主要影响煤层气井产量峰值的大小和出现的时间,吸附时间越长,煤层气井产气高峰出现得越晚且峰值越小.图6参16     

沁水盆地寺河煤矿煤岩吸附甲烷规律实验研究

煤储层具有大量的裂隙和孔隙,使煤岩具有很大的比表面积,为煤中甲烷的吸附提供了必要条件。采用自主研发的煤层气吸附装置,通过对沁水盆地寺河煤矿不同粒径煤粉的吸附性模拟实验,总结了不同粒径煤粉在吸附甲烷12 h内的吸附规律,计算出其中吸附气量,研究了吸附速率、吸附量的变化规律。研究认为:吸附的前10 min,吸附量占总吸附量的40%~60%,煤粉粒径越小,所占的比例越大,吸附越快;不同粒径煤粉的吸附量为15.1~29.1 mL/g,煤粉粒径越小,单位质量煤粉吸附量越大。通过对煤岩吸附规律的深入研究,为沁水盆地煤层气的勘探开发提供技术支持。     

构造抬升对高、低煤阶煤层气藏储集层物性的影响

构造抬升对高、低煤阶煤层气藏储集层物性的影响具有显著差异。低煤阶煤层主要为基质型孔隙，高煤阶煤层主要为裂隙型孔隙。煤岩储集层原地受力分析表明，构造抬升使得基质承受的压力降低。构造抬升模拟实验及煤基质、裂隙渗透率应力敏感性实验表明，构造抬升后煤层压力传导加速，割理开启，渗透率变大；基质渗透率比裂隙渗透率的应力敏感性弱。分析认为：构造抬升对高煤阶煤储集层物性影响明显，地层压力降低，割理、裂缝开启，裂隙渗透率显著增强；高煤阶煤层强烈抬升会使其渗透率增大，造成气体大量散失，对煤层气聚集不利；低煤阶煤层储集层物性受构造抬升影响较弱，由于构造抬升，压力降低，煤层气运移速率增大，对煤层气开采有利。图4参19     

地层温压条件下页岩吸附性能变化特征——以渝东北地区龙马溪组为例

页岩气储层的吸附性是影响页岩含气性的关键因素。以渝东北地区下志留统龙马溪组富有机质页岩为例,通过变等温吸附实验,模拟在地层温压变化条件下页岩吸附性能的变化规律,为该区页岩气勘探提供理论依据。实验分析表明：有机质是控制龙马溪组页岩吸附性能的主要内在因素,有机碳含量与页岩吸附能力具有很好的正相关性;地层温压条件是控制页岩吸附性能的外在因素,温度和压力对于页岩吸附性能具有相互抑制的作用,随着温度和压力的升高,页岩吸附能力呈现出类似“抛物线”（先增大后减小）的变化轨迹,在温度和压力均相对较低时,压力起主导作用,在温度和压力均相对较高时,温度起主导作用。页岩吸附性能若要达到最佳状态,则需要埋深、温度和压力三者达到一种合适的匹配状态。实验模拟结果显示,渝东北地区龙马溪组页岩最佳理论吸附状态应在1 000～4 500 m的埋深条件下。     

镜煤有机溶剂二级抽提孔隙结构及吸附性差异

基于黔西-滇东5套镜煤及其有机溶剂二级抽余物的压汞和等温吸附实验结果,对比分析了原煤及其有机溶剂抽余物孔隙结构、吸附性差异及其影响因素。结果表明,抽提作用改变了镜煤孔隙结构,二硫化碳一级抽提煤岩孔结构改造受煤级控制,在煤级第二次跃变之前表现为增孔效应,之后表现为扩孔效应;苯二级抽提总体表现为扩孔效应。抽提作用同样改变了镜煤吸附性,改变方向和幅度取决于煤化程度的高低,在第二次煤化作用跃变之前,有机溶剂抽提作用增强了煤岩吸附性;在第二次煤化作用跃变之后,抽提作用减弱了煤岩吸附性。发现镜煤抽余物的吸附能力变化率与其微孔表面积变化率和孔容变化率存在较好的正相关关系;与总孔、大孔、中孔和过渡孔孔容变化率总体成负相关关系,与其表面积变化率总体也成负相关关系。认为第二次煤化作用跃变对镜煤抽余物孔隙结构和吸附性改变起关键作用;同时佐证了煤岩吸附气体主要通过微孔表面实现。研究还注意到,有机溶剂的抽提作用对煤孔隙结构乃至吸附性的改造可能与煤岩微观层次的大分子结构相关,其机理有待进一步探讨。     

煤岩吸附—解吸变形各向异性特征试验分析

在井下瓦斯抽采和地面煤层气开发过程中,气体吸附和解吸会导致煤基质的膨胀和收缩变形。采用自主研发的煤岩气体吸附—解吸变形试验系统,对鹤壁六矿二₁煤层贫瘦煤煤样在不同气体压力下的吸附—解吸变形全过程进行了测试。试验结果表明：①煤样在吸附膨胀和解吸收缩变形过程中均呈现各向异性特征,垂直层理方向变形量最大,平行层理垂直面割理方向次之,平行层理垂直端割理方向最小;②煤岩吸附膨胀和解吸收缩变形量随气体压力的增加而增大,但平行层理垂直面割理方向与垂直端割理方向的变形值之比逐渐减小,各向异性程度逐渐减弱;③煤岩吸附膨胀变形是一个不可逆过程,煤岩吸附—解吸残余变形量与气体压力呈正线性相关性。     

温度对中高阶烟煤甲烷吸附—常压/带压解吸过程中煤体变形影响实验

为探究不同温度条件下中高阶烟煤在吸附、常压/带压解吸甲烷过程中的变形特征,以取自山西省的5件中高阶烟煤为研究对象,采用自行设计的吸附/解吸变形测量仪进行了甲烷吸附—常压解吸（出口压力为大气压）及吸附—带压解吸（出口压力逐次降低）过程模拟,动态监测了不同温度条件下甲烷吸附—解吸过程中的煤体变形特征。结果表明：甲烷吸附—解吸过程中产生的煤体变形的增量随时间的增长逐渐减小,由于煤样的非均质性使得不同方向的煤体变形量存在差别,垂直层理方向变形量大于平行层理方向,变形量与吸附/解吸量呈现正相关关系。部分甲烷被煤样吸附后在大气压条件下无法重新解吸,使得煤样在吸附—解吸循环后存在一定残余变形。煤样吸附量、吸附膨胀变形量及残余变形量随温度升高整体上呈现为减小的趋势,但解吸率与温度呈现为正相关趋势,且常压解吸过程解吸率随温度变化更为明显,说明了温度升高使得煤样吸附能力减小,煤体变形量随之减小,另一方面温度升高促进了甲烷解吸并抑制了甲烷吸附,使得煤样解吸率提高,残余变形量随之减小。     

页岩气与煤层气吸附特征对比实验研究

煤层气的吸附特征决定了煤层气的开采特征,对比分析煤层气和页岩气的吸附特征对页岩气的开采具有重要的指导作用。通过页岩和煤层的等温吸附实验分别分析了不同温度下煤层和页岩的吸附特征,页岩有机质含量和有机质成熟度对页岩吸附的影响,以及不同煤阶等温吸附特征。研究表明随着温度的升高,页岩和煤层对甲烷的吸附量呈下降趋势,但是温度对页岩的吸附影响比煤层对甲烷吸附的影响更加明显;随着R_O值的逐渐增大,煤层的P_L值逐渐减小,V_L值逐渐增加,页岩的P_L值和V_L值都逐渐减小;随着煤有机质含量的增加,煤层的P_L值逐渐增加,V_L值逐渐减小。随着页岩有机质含量的增高,页岩的P_L值和V_L值都逐渐增大;煤层对甲烷的最大吸附量比页岩多,采用降压解吸的方式对煤层吸附特征影响较大,但是对页岩气的吸附特征影响较小。     

基于重量法的煤吸附甲烷实验及热力学分析

研究吸附热对认识煤吸附甲烷作用机理具有重要作用.利用重量法对2组煤样进行303 K、308 K、313 K等温吸附实验,计算得到煤吸附甲烷的等量吸附热,分析煤吸附甲烷的热力学性质.结果 表明:计算得到的等量吸附热在实验温度压力及对应的吸附量范围内最大值分别为30.51 kJ/mol和23.14 kJ/mol,表明煤对甲...     

深部煤层气成藏效应及其耦合关系

深部煤层气是中国非常规天然气勘探的一个新领域。从深部地应力状态转换、深部煤层吸附能力地温场负效应、深部温压下煤岩物理性质特殊性3个方面,分析了深部煤层气成藏的地质条件及其基本原理,论证了深部煤层气成藏效应的特殊性。结果显示：深部地应力状态发生转换的临界深度与水平最大主应力有关,对转换临界深度以深的煤储层渗透率造成不利影响;深部地温场对煤层吸附能力影响的负效应大于地层压力的正效应,造成深部煤层含气量同样存在一个临界深度,不能简单采用浅部梯度予以推测;围压是影响深部煤岩力学性质的主要因素,温度和流体压力对煤岩力学性质的影响更为复杂,它们不同程度地影响到煤储层的孔隙性、渗透性和吸附性。由于煤层围岩渗流能力的差异,深部煤层流体压力系统明显受含煤地层沉积格架的控制,可能导致同一套含煤地层中煤层与非煤储层分属于不同的含气系统。在此基础上,进一步提出了“四步递阶”的深部煤层气成藏效应耦合分析思路,为建立深部煤层气有利区带优选方法提供了基础。     

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煤的吸附性能与能力是煤层气资源可采性评价和指导煤层气井排采生产的关键技术参数,等温吸附数据测定的准确性直接关系到煤层气开发项目的成败和煤层气产业的发展。通过对4种不同变质程度的煤,在不同压力下进行的等温吸附实验结果分析,认为在8 MPa压力下,各煤级煤吸附基本达到饱和。还分析了压力对测定结果影响的原因,确定了实验的最佳条件,为预测深层煤层气吸附特性提供了实验基础数据。     

储层条件下煤吸附甲烷能力预测

煤的吸附能力受煤的性质（煤阶、煤岩组分、煤体变形）和环境条件（温度、压力）的控制。探讨储层温度、压力下的煤吸附能力是含气量预测的前提和基础。根据Polanyi的吸附势理论，结合实测等温吸附数据，首先绘制了煤吸附甲烷的吸附势特性曲线，然后建立反映吸附量、温度和压力三者之间关系的数学模型。此模型可在已知某一温度下的吸附等温线时，计算任一温度、压力下煤的吸附能力，也就是储层条件下的理论最大含气量。该模型的建立使得定量评价地质历史时期煤层气的聚集与散失成为可能，并且在沁水盆地东南部得到了成功应用     

构造煤的孔隙结构及对瓦斯吸附性实验研究

The pore structure and gas adsorption property of deformed coal with different degrees of metamorphism weretested by low-temperature nitrogen adsorption and isothermal adsorption experiments. The fractal theory and the Langmuiradsorption theory were used to analyze the experimental data. The test results showed that the deformed coal had more heterogeneouspore structures and open pores, and its specific surface area （SSA） and fractal dimension （D） were higher. Thereis a polynomial relationship between D and specific surface area as well as gas adsorption capacity （VL）. The gas adsorptioncapacity of deformed coal is influenced by pore structure, coal rank, deformation and stress together, among which the porestructure is the main influencing factor for the adsorption capacity of deformed coal. The test pressure could affect the accuracyof the adsorption constants a and b, so the highest experiment pressure should be greater than the actual pressure ofcoal seam in order to reduce the deviation of adsorption constants.