煤层气赋存运移规律

1黄华州[e-mail]2015年2月29日黄华州[e-mail]2015年2月29日煤层气抽采技术中国矿业大学煤层气班中国矿业大学煤层气技术课件-黄华州课程的基本要求基本掌握煤层气抽采技术及工艺熟悉煤层气抽采相关设备了解煤层气抽采工程中注意的问题2教学内容及学时分配内容讲课作业汇报小计第一章煤层气抽采技术的国内外研究现状66第二章煤层气赋存运移规律66第三章原位煤层气井型选择及井网布置55第四章原位煤层气录井测井试井44第五章原位煤层气钻井完井工艺44第六章原位煤层气射孔工艺22第七章原位煤层气压裂工艺6410第八章原位煤层气排采工艺66第九章卸压煤层气抽采工艺33第十章井下瓦斯抽采工艺22合计4448主要参考书宋岩，张新民，柳少波.中国煤层气地质与开发基础理论[M].北京：科学出版社.2012秦勇，傅雪海，韦重韬，等.煤层气成藏动力条件及其控藏效应[M].北京：科学出版社.2012倪小明，苏现波，张小东.煤层气开发地质学[M].北京：化学工业出版社.2010.孟召平，田永东，李国富，等.煤层气开发地质学理论与方法[M].北京:科学出版社.2010.汤达祯,王生维,等.煤储层物性控制机理及有利储层预测方法[M].北京:科学出版社.2010.冯文光.煤层气藏工程[M].北京:科学出版社.2009.苏现波,林晓英.煤层气地质学[M].北京:煤炭工业出版社.2009.傅雪海,秦勇,韦重韬.煤层气地质学[M].徐州:中国矿大出版社.2007.贺天才,秦勇.煤层气勘探与开发利用技术[M].徐州:中国矿业大学出版社.2007.崔凯华,郑洪涛.煤层气开采[M].北京:石油工业出版社,2009.苏俊.煤层气勘探开发技术与方法[M].北京:石油工业出版社.2011.万玉金,张劲,王新海,等.煤层气经济增产机理研究[M].北京:科学出版社.2011.3主要参考书赵庆波,孙粉锦,李五忠.煤层气勘探开发地质理论与实践[M].北京:石油工业出版社,2011.伊向艺，雷群，丁云宏，等.煤层气压裂技术及应用[M].北京:石油工业出版社.2012.蓝富华，张亚莉.煤层气开发技术知识与操作.北京：中国石化出版社.2014RudyE.Rogers.CoalbedMethane:PrinciplesandPractices[M].Mississippi:OktibbehaPublishingCo.LLC.2007袁亮.松软低透煤层群瓦斯抽采理论与技术[M].北京:煤炭工业出版社.2004.李国君.铁法矿区高瓦斯低透气性煤层群煤层气产业化研究与工程实践[D],徐州:中国矿业大学.2007涂敏.煤层气卸压开采的采动岩体力学分析与应用研究[D].徐州：中国矿业大学.2008.孙海涛.采动影响下地面钻井的变形破坏机理研究[D].重庆：重庆大学.2008.黄华州.远距离被保护层卸压煤层气地面井开发地质理论及其应用研究[D].徐州:中国矿业大学.2010.刘应科.远距离下保护层开采卸压特性及钻井抽采消突研究[D].徐州:中国矿业大学.2012.林柏泉,张建国.矿井瓦斯抽放理论与技术[M].徐州:中国矿业大学.2007.课件中引用借鉴了多位行业专家、老师的会议或讲课ppt内容，一并感谢，该课件仅为上课讲义，不属于公开出版内容。第二章煤层气赋存运移规律第一节煤层气赋存特征第二节煤层气地质及勘探开发第三节煤层气运移产出机理4第二章煤层气赋存运移规律第一节煤层气赋存特征一、煤层气形成二、煤层气储集层三、煤层气的赋存状态四、煤层气的成藏一、煤层气形成煤层气概念：指赋存于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。原位状态下煤层气由吸附气、游离气和水溶气三部分组成，吸附气一般占80~92%；水溶气、游离气在低煤级煤占有较高的比例。煤层气气体成分：甲烷及其同系物、二氧化碳、氮气、硫化氢、少量惰性气体5一、煤层气形成煤中各种有机组分在地层温度、压力作用下，发生生物、化学作用，产生甲烷、二氧化碳、氮气和少量重烃等。煤阶地温梯度地温场生气量（m3/t）300200100生物气高峰热成因气高峰HMCYQMFMJMSMPMWY3oC/hm3.5oC/hm5-8oC/hm3oC/hm正常异常高正常煤层气生成模式示意图成岩作用阶段，RO为0.23-0.7%，生成所有生物气和煤层水的98%。深成热解作用阶段，RO为0.73%开始，可分为开始生气-生气加速-生气缓慢-生气停滞。二、煤层气储集层煤体被理想化为被面割理和端割理切割成的若干个规则的立方体基质块，基质块中包含有大量的微小孔隙。孔隙是气体储存的主要空间，控制储层的储集性能。割理是流体运移的主要通道，控制储层的渗透率。煤是一种非均质多孔隙介质。储集特征（割理裂隙+煤基质孔隙）6•成煤过程中，煤基质收缩、掩埋、抬升、外力作用，产生裂缝组，即面割理和端割理。•面割理和端割理两者近垂直。•面割理基本是连续的，端割理终止于面割理。面割理端割理暗煤条带亮煤条带黄铁矿二、煤层气储集层储集特征中国矿业大学煤层气技术课件-黄华州•煤岩类型不同，煤体结构不同，割理裂隙发育程度差别很大二、煤层气储集层煤岩影响煤的吸附孔隙特征煤岩影响煤的吸附孔隙特征7傅雪海等（1999）认为煤储层系由宏观裂隙、显微裂隙和孔隙组成的三元孔、裂隙介质，孔隙是煤层气的主要储集场所，宏观裂隙是煤层气运移的通道，而显微裂隙则是沟通孔隙与裂隙的桥梁。并认为65nm为吸附和扩散的场所，65nm为渗流通道。煤基质煤基质孔隙面裂隙端裂隙显微裂隙H2o2CH444OCH4OH2o二、煤层气储集层孔隙孔径大孔(1000nm)中孔(100-1000nm)小孔(10-100nm)微孔(10nm)成因生物孔、粒间孔变质气孔残余气孔分子孔功能渗流孔隙凝聚-吸附孔隙吸附、吸收孔隙B.B.ХОЛОГ(1961)的十进制孔隙划分应用更为广泛孔隙划分表储集特征煤体结构影响煤的吸附孔隙特征煤体结构影响煤的吸附孔隙特征原生结构煤碎裂煤鳞片煤碎粒煤糜棱煤原生结构煤以原生孔为主、后生孔及外生孔为辅碎裂煤仍以原生孔为主，屑间孔明显增多，见少量外生孔碎粒煤中外生孔为主，角砾孔、外生微裂隙发育煤基质成片破坏成为类似土粒结构的颗粒堆积体，碎粒孔成片状发育剪切摩擦作用明显，破坏处有机质呈不规则的片状或团状发育煤体结构的破坏程度增大，有机质破坏程度加强，外生碎粒孔数量增多。二、煤层气储集层8煤体结构影响储层渗流特征煤体结构影响储层渗流特征原生结构煤显微裂隙超显微裂隙碎裂煤碎粒煤鳞片煤糜棱煤原生结构、碎裂煤以外生的构造裂隙、内生裂隙为主，连通性好，其采动裂隙较少。碎粒煤中采动裂隙数量开始增多，呈弯曲状发育；到了鳞片煤阶段，采动裂隙呈网状发育，糜棱煤阶段，采动裂隙数量进一步增多，宽度大，数量多，连通性极好。二、煤层气储集层中国矿业大学煤层气技术课件-黄华州OA(裂隙闭合阶段)：处于高应力下，可通过强化抽采AB（弹性阶段）：煤岩开始不稳定扩展破裂；应力-应变大致呈线性关系；强化效果最好的煤体。BC（弹塑性阶段）岩石发生扩容现象，应力-应变偏离直线段，岩石即将出现宏观断裂破坏，渗透率增速大。CD(塑性阶段)：岩石发生断裂，此类煤体渗透率较大，压裂时滤失严重DE（岩某破裂面破坏阶段）岩石沿破裂面发生滑移，裂隙连通性下降，渗透率降低EF（流变破坏）裂隙面扩展，流变破坏，裂隙连通性急剧下降，不可进行强化作业二、储层煤体结构与渗透率的关系应力应变9煤基质孔隙描述特征参数孔比表面积（汞注入法+低压液氮吸附法）孔容（汞注入法+低压液氮吸附法）孔隙度（真空瓶法、流体注入法）中值孔径（汞注入法）孔隙连通性（汞注入法）二、煤层气储集层中国矿业大学煤层气技术课件-黄华州煤储层的裂隙分类二、煤层气储集层10煤储层裂隙的特征描述参数密度宽度（开合程度）高度充填程度方向性组数平面组合关系煤剖面观测+定向大样室内观测+煤砖光片镜下观测二、煤层气储集层煤储层裂隙的特征描述参数密度宽度（开合程度）高度充填程度方向性组数平面组合关系煤剖面观测+定向大样室内观测+煤砖光片镜下观测二、煤层气储集层11煤储层的渗透性割理裂隙+渗流孔隙，决定煤层的渗透性，影响煤层气的运移孔裂隙+孔隙，决定煤层的含气性（储集空间和吸附能力），影响煤层气的储集二、煤层气储集层煤储层渗透性与渗透率渗透性是指在一定压力差下，允许流体通过其连通孔隙的性质，渗透性优劣用渗透率表示。绝对渗透率,若孔隙中只存在一相流体，且流体与介质不发生任何物理化学作用，则多孔介质允许流体通过的能力。相渗透率，若孔隙中存在多相流体，则多孔介质允许每一相流体通过的能力。相对渗透率：相渗透率与绝对渗透率的比值。二、煤层气储集层12煤储层渗透率的影响因素构造应力有效地层压力煤基质收缩效应煤层埋藏深度煤体结构煤级渗透率的获得煤层气试井实验室测试理论计算煤矿井下测试二、煤层气储集层煤储层吸附解吸特征吸附原理煤分子与气体分子间的吸附力（Vanderwaals力）+吸附位（比表面积）吸附理论模型单分子层吸附模型和Langmuir方程多分子层吸附模型和BET方程Freundlich方程Polomyi吸附势理论微孔填充理论Dubinin-Astakhov方程二、煤层气储集层13煤储层吸附性能的影响因素气体成分煤的岩石学组成煤阶水分温度煤储层吸附性能的测试体积法重量法二、煤层气储集层煤储层含气性的关键要素①含气量，为原位状态下单位重量的煤中所含气体的体积，一般用m3/t或ml/g表示，基准多为无水无灰基或无水基。②含气质量，是指煤层中气体的相对组成，特别是甲烷（有时包括重烃气气）的相对百分含量，又称甲烷浓度。③含气强度（资源丰度），为评价区单位面积各煤层中所含气体体积的总量，是与含气量和煤层累厚有关的一个参数，单位一般为亿m3/km2。④含气饱和度，以往含气饱和度多用煤储层初始储层压力与临界解吸压力之比来间接反映，比值等于1为饱和，比值大于1为过饱和，比值小于1为欠饱和。二、煤层气储集层14煤储层含气性的关键要素⑤含气梯度，指煤层含气量随煤层埋深的递增的幅度，一般用煤层埋深每增加一百米对应的含气量变化大小来表示。在煤层埋深作为重要控气因素的矿区，含气梯度表现的比较明显，区域变化也比较稳定；而在煤层埋深作为次要控气因素的矿区，含气梯度就很难确定二、煤层气储集层煤储层含气性的测定方法类别序号方法要求及条件备注直接法1USBM直接法取芯测试损失气量小于20％时比较准确2MDM法取芯测试需测定解吸气体成分，适于测定含气量低的泥岩样品3史密斯－威廉法煤芯或煤屑损失量小于50％时准确4阿莫科法煤芯或煤屑曲线拟合法求取损失量5压力取芯解吸法密闭取芯测定含气量最准确的方法，特别对于未饱和煤层和深煤层6直接钻孔法矿井取芯可获得解吸量及估算地层压力7Airry法取芯比MDM法预测含气量偏大8重量法矿井取芯用于矿井通风需要，未用于煤层气地面开发间接法9等温吸附法煤样适用于饱和含气煤层含气量的估算10Kim法工业分析资料对无烟煤和中低挥发份烟煤偏高，对高挥发份烟煤偏低11测井法测井数据与工业分析资料适用于饱和煤层含气量的估算二、煤层气储集层15煤层气以吸附态、游离态和溶解态储集煤层中。吸附态煤层气主要储集于微孔隙和显微裂隙中，游离态和溶解态主要储集于煤的大孔隙中。三、煤层气的赋存状态煤层气储集特征吸附气游离气水溶气吸附状态为主Murray（1991）、Bustinetal.（1998）认为煤层气主要以四种形式存在于煤层中，①以吸附分子的形式存在于直径2nm的微孔中，②以束缚态存在于基质孔隙，③以游离态存在于割理及裂隙中，④以水溶态存在于裂隙中。艾鲁尼（1992）认为，甲烷分子赋存于煤的4种部位，即以游离状态(5%-12%)和吸附状态(8%-12%)赋存于孔、裂隙空间；以固溶吸收方式充满分子间空间(75%-80%)；以置换固溶方式存在于“晶体”的芳香层缺陷内(1%~5%)；以渗入固溶方式存在于芳香碳晶体内(5%~12%)