中深层煤炭地下气化的气化腔安全宽度计算方法

煤炭地下气化是目前温度最高（超过1 200℃）的化石能源非常规开发方式,中深层（本文指埋深800～1 500 m）煤炭地下气化在提高气化压力、降低地质安全风险方面优势明显,科学预测气化腔安全宽度对保障气化稳定运行十分重要,由于目前基于可控注入点后退（CRIP）工艺的气化腔安全宽度计算方法尚未建立,为保证现场试验顺利实施,需要开展针对性研究。气化腔顶板“裸露”在气化腔后会受到高温影响,通过数值模拟方法研究了压应力约束条件下岩石内部热应力产生位置以及颗粒、基质热膨胀系数差异对热应力大小的影响规律,结合高温处理后的岩石电镜扫描结果,查明了高温下岩石热损伤机理。根据CRIP气化工艺造腔特点,建立了考虑高温影响的气化腔顶板薄板模型,结合“关键层”理论提出了气化腔安全宽度计算方法。研究表明：岩石热损伤是岩石物理化学反应与热应力互相促进、共同作用的结果,高温下岩石发生不规则变形,岩石热损伤引起的微观结构变化是导致岩石力学性质、物理性质变化的根本原因。岩石的最大拉张热应力出现在颗粒界面或热膨胀系数较小的颗粒中,颗粒与基质热膨胀系数比值在[0.01～1）时,最大拉张热应力随颗粒热膨胀系数减小而快速增加。...     

煤炭地下气化面临的挑战与技术对策

我国能源结构具有"富煤、贫油、少气"的特点.煤炭地下气化是在原位条件下,通过对煤炭资源进行有控制的燃烧获得气体资源,具有煤炭洁净化利用和低碳能源资源保障两大优势,将成为我国清洁高效现代能源体系发展的重要领域.本文系统总结了国内外煤炭地下气化的发展历程.基于众多实例的剖析,指出全球已开展的煤炭地下气化试验绝大多数都是在浅...     

煤炭地下气化现场试验进展与启示

为进一步了解煤炭地下气化商业化面临的关键科学问题,基于对国内外典型煤炭地下气化试验的分析,总结归纳了典型煤炭地下气化试验的区域煤层特征、气化工艺、粗煤气组分及热值等要素.结果表明,气化选址需要综合考虑降低环境风险、较好的地质条件和煤炭品位、较好的地质力学-水文地质条件等因素;钻井式煤炭地下气化已成为主流;中深层富氧气化...     

低煤阶应力敏感性机理及其对产气的影响——以二连盆地为例

为研究低煤阶应力敏感性机理,建立双重孔隙介质应力敏感性模型和产气预测模型,基于应力敏感性实验和数值模拟,讨论了应力敏感性对高、低煤阶的产气影响。研究表明:应力敏感性与煤岩微观结构、力学参数、压缩性质有关,弹性模量越小、裂缝压缩系数越大,应力敏感性越强;含裂缝煤岩应力敏感性强于无裂缝煤岩,多次升降压会造成渗透率的不可逆降低;非连续排水会产生地层压力波动,产气量比连续排水时要低,而且应力敏感性越强,非连续排水对产气影响越大;应力敏感性对霍林河地区产气影响大于樊庄地区,针对巨厚煤层、强应力敏感性的特点,可试验直井"分段间接"压裂、顶板"L"型水平井分段压裂以降低应力敏感性、改善渗透性,提高单井产量。     

低煤阶厚煤层水平井方位及选层——以吉尔嘎朗图地区为例

为解决低煤阶厚煤层水平井钻井方位及层位优选难题,基于低阶煤应力敏感性机理和多斜交裂缝水平井产气模型,定量研究了水平应力差、裂缝对水平井方位的影响。通过弱面理论、断裂力学建立起煤层气井井壁稳定计算模型,提出针对厚煤层的测(录)井-脆性指数综合选层方法。研究表明:① 沁南煤岩压缩系数为0.038~0.077,鄂东煤岩压缩系数为0.025~0.074;低阶煤比高阶煤的压缩系数大,含水湿样比干样的压缩系数大;升压时的煤岩压缩系数比降压时大,裂缝样压缩系数降幅大于自然样;② 水平应力差会导致渗透率各向异性,压缩系数和水平应力差是影响水平井方位的两个最重要因素,低煤阶水平应力差大于8 MPa或高煤阶水平应力差大于14 MPa后,最优方位近似平行于最小水平主应力方向。裂缝与井眼夹角大于60°后产气最优,缝宽大于3 mm后产气量对缝宽的敏感度明显降低;③ 面割理倾角小于25°时,沿面割理倾向的安全钻井液密度窗口最大,沿面割理走向的安全钻井液密度窗口最小;倾角大于25°后,沿面割理倾向的安全钻井液密度窗口仍最大,走向与倾向之间的安全钻井液密度窗口最小;④ 吉尔嘎朗图地区水平井优选方位为NE90°~114°,JM-X井生产实践表明该选层方法能有效指导厚煤层选层。     

水化作用对页岩微观结构与物性参数的影响

利用场发射扫描电镜(FESEM)对水化作用前、后的页岩样品进行微观表征,通过微米CT扫描、孔隙度和渗透率测试实验来研究原始样品、饱和水及离心后样品的微观结构和物性参数之间的差异性。FESEM实验研究表明,水化作用对页岩中有机质的主体形态和位置、有机质孔隙没有影响。水化作用可增加页岩内的裂缝条数及宽度,主要表现为无机矿物之间裂缝的延伸和新裂缝的衍生、条带状有机质与无机矿物之间的裂缝宽度增加。不同含水饱和度条件下的微米CT扫描实验表明,水化作用强度受原生裂缝发育程度所控制,原生裂缝越发育,水化作用越强。水化作用较强时,页岩裂缝的宽度可增加至原来的2~5倍。页岩孔隙度主要受有机质含量所控制,其次受裂缝发育程度所影响。页岩渗透率主要受裂缝发育程度所控制,其次受孔隙度大小所影响。水化作用后裂缝发育程度对孔隙度和渗透率均有影响,但对渗透率影响较大,对孔隙度影响较小。     

煤炭地下气化及对中国天然气发展的战略意义

基于国内外煤炭地下气化技术发展现状与趋势,提出了煤炭地下气化基本概念、机理与模式,指出目前面临的挑战、发展潜力与发展路径。煤炭地下气化这一革命性技术能够实现"人工制气",且符合煤炭清洁利用方向,在新能源达到规模化供应之前,可开辟中国特色的有效供甲烷与氢气战略新途径。中国含油气盆地煤系发育,仅超出煤炭企业井工开采深度、埋深1 000～3 000 m的煤炭资源量即为3.77×10~(12) t,初步预计可气化煤炭折合天然气资源量为(272～332)×10~(12)m~3,是常规天然气资源量的3倍,与非常规天然气资源量的总和基本相当。根据煤炭地下气化反应机理和产物组分的差别,初步将煤炭地下气化分为"浅层富氢、中深层富甲烷、深层超临界极富氢"3种开发模式。石油石化企业可在煤炭企业井工开采范围之外,发挥自身技术、管道、市场等一体化优势,根据不同需求和相应技术成熟度,优选路径发展煤炭地下气化业务,可将大量煤炭资源进行有效清洁开发利用,缓解天然气供应紧张局面,还可结合产出氢气就近利用以及在邻近油区开展CO_2驱油与埋存,打造石油石化循环经济净零排放示范区,为"氢经济"时代到来储备资源和技术,更为中国"清洁、低碳、安全、高效"的现代能源体系建设开辟新的途径。     

高陡倾斜煤层沿煤层钻井研究——以准南昌吉地区为例

针对准噶尔盆地南缘煤层倾角大、地应力复杂的煤层气井钻探难题,基于弱面理论研究了煤层倾角、地应力、造(降)斜对井壁安全的影响,建立起多目标约束的沿煤层钻井轨迹优化模型。研究表明:(1)昌吉地区煤层倾角为10°~25°,局部达到25°~40°,属于高陡倾斜煤层,具有渗透率各向异性强、地应力各向异性强、岩体力学性质各向异性强的特点。(2)钻水平井时,根据倾角对井壁稳定影响分为作用区、过渡区和反转区,倾角在5°~25°时为作用区,沿倾向钻井最安全,沿走向钻井最危险;倾角大于65°后进入反转区,沿倾向、走向都成为安全钻井方位。地应力各向异性越大,坍塌压力越高、安全钻井方位的范围越小。(3)沿煤层倾向钻井时,倾角小于35°时建议沿煤层上倾方向钻井;倾角大于65°时建议沿煤层下倾方向钻井;倾角在35°~65°范围内井壁安全性最低,建议沿煤层走向钻井;井斜角在45°~65°时是最危险造(降)斜段,应尽量避免在此井斜范围对煤层造(降)斜。(4)为降低煤层着陆点到首靶点的坍塌压力,提出S型、J型两种沿煤层钻井轨迹类型,从对比结果看出本文方法比常规方法设计的井眼进尺更短、摩阻扭矩更小。     

三塘湖-吐哈盆地富油煤赋存特征与资源潜力分析

富油煤是焦油产率≥7%且具备煤、油、气属性的特殊煤炭资源,是煤炭清洁利用的重要资源和开发方向,对缓解国家油气资源紧缺、推动煤化工突破性发展具有重要的科学价值。新疆东部盆地蕴藏着大量富油煤资源,为探明富油煤的赋存特征与分布规律,通过沉积环境分析,结合煤工业分析、元素分析、格金低温干馏测试等手段研究东疆富油煤聚煤规律与赋存特征,采用地质块段法估算富油煤资源量。结果表明：三塘湖盆地富油煤层主要分布于八道湾组上段(J₁b₂)、三工河组(J₁s)以及西山窑组下段(J₂x¹)3个层位,焦油产率约13.67%,总体属高油煤;吐哈盆地富油煤发育在西山窑组中段(J₂x²),焦油产率约7.6%,总体为含-富油煤。区内富油煤总体特征为特低-中低水分、低-中低灰分、中高-高挥发分,焦油产率高,富含镜质组和壳质组等生油组分,煤化程度低,形成于湖泊-三角洲的沉积环境。研究区富油煤资源潜力大,估算三塘湖盆地2 000 m以浅的富油煤资源量约670.83亿t,吐哈盆...     

煤层气井排采阶段煤粉运移条件研究

出煤粉是煤层气井钻探开发过程中普遍存在的现象,煤粉的产生和运移会堵塞气体运移通道,降低渗透率,频繁的检泵和洗井作业破坏了排采的连续性和稳定性。 针对裸眼完井、射孔压裂 ２ 种煤层气井常见的完井方式,分析了排采过程中煤粉的受力情况及运移条件,建立起煤粉临界运移速度计算方法,对影响临界运移速度的煤层物性参数进行了讨论。 研究表明：排采过程中排液速度大于临界运移速度时煤粉才能有效排出;临界运移速度与煤粉堆积方式、流动状态、煤层物性等有密切联系,最大静摩擦系数越大、液体黏度越小时煤粉临界运移速度越大;在高渗煤层应适当增加排液速度以便有效排出煤粉。