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煤层气勘探开发理论技术现状及思考河南理工大学2016.09.29报告内容一、煤层气概述二、煤层气勘探的目的和任务三、中国煤层气勘探开发的历程四、我国煤层气勘探开发取得的主要成果五、煤层气勘探开发理论存在的重大问题1）煤储层成煤过程中，大量的气体生成，其中的一部分保留在煤层的孔、裂隙中，并在其间进行运移。因此煤层既是煤层气体的母岩，也是气体储集的场所层是煤层气的源岩，也是气体储集的场所。因此，煤层也可以称之为煤储层2）煤型气(煤成气)煤系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一煤层气概述1.何谓煤层气？3）瓦斯指从煤层及煤层围岩中涌出的，以及在煤矿生产过程中产生的各种气体的统称主要包括：赋存在煤层中的煤层气、采动影响带中的煤成（层）气、采空区的煤型气、采掘活动过程中新生成的各种气体的总称4）煤层气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气体，其成分以甲烷为主，往往将其简称为煤层甲烷一煤层气概述一煤层气概述2.煤层气赋存、运移的特征煤储层——孔裂隙双重介质孔隙—煤层气的赋存空间裂隙—煤层气的运移空间外生裂隙孔隙内生裂隙植物组织孔气孔粒间孔溶蚀孔隙煤的内生裂隙系统模型煤的裂隙—孔隙双重结构系统理想模型煤的显微裂隙1—原生结构煤；2—碎裂煤；3—碎粒煤；4—糜棱煤21342.煤层气赋存、运移的特征煤储层——煤体结构类型多样一煤层气概述煤层气的赋存状态——吸附态为主煤层气主要以吸着态（包括吸附和吸收）的形式赋存在煤层中，另有溶解态、游离态，甚至固溶态2.煤层气赋存、运移的特征游离态吸附态吸收态煤基质孔裂隙一煤层气概述一煤层气概述2.煤层气赋存运移的特征煤层气的运移过程——解吸、扩散、渗流煤层气开采过程中，由于排水降压，煤层气一般经历解吸→扩散→渗流三个过程，到达井筒或地面煤体表面解吸微孔内扩散裂隙中渗流比例放大煤层煤层地面地面降压漏斗临界解吸压力煤层气解吸区抽水引起压力降落储层初始压力12非常规天然气页岩气煤层气致密砂岩气天然气水合物一煤层气概述3.煤层气资源特性一煤层气概述3.煤层气资源特性与常规天然气比较—相同点：气体成分大致相同：煤层气中的CH4一般占90或95%以上，另外有少量的N2、CO2或重烃气体；常规天然气中也以CH4为主，但其他气体成分变化比较大用途相同：均是优质能源和化工原料，可以混输混用一煤层气概述3.煤层气资源特性与常规天然气比较—不同点：组成上：煤层气基本不含重烃，产出时无极杂质极少，天然气一般含重烃，产出时含部分无机杂质赋存状态：煤层气吸附态为主赋存在煤层中，常规天然气以游离态为主赋存在碎屑岩或碳酸盐岩中，这也是造成煤层气成藏模式、勘探评价、开采工艺及技术条件等方面根本差异的主要原因一煤层气概述3.煤层气资源特性与常规天然气比较—不同点：生产方式、产量曲线不同：煤层气是通过排水降压，使气在煤层中解吸-扩散-渗流采出地面。初期产量低，但生产周期长，可达20-30年；天然气主要是靠自身的正压产出，初期产量高生产周期一般在8-10年左右成藏方式、开采难度等：煤层气以吸附态赋存。储量评价较为可靠，但储层一般为“三低”,开采工艺复杂，埋深一般较浅的煤层气才有开发价值（1500m以浅），需要井网开采；天然气形成圈闭，埋深一般大于1500m，开发难度小，单井即可采不同点常规天然气煤层气生源条件低等生物高等植物储集条件储集形式运移后成藏的圈闭气自生自储的吸附气储层岩性砂岩、碳酸盐岩等煤层渗透性高低孔隙结构孔、洞、缝基质孔隙和裂缝比表面积小大储层压力高压低压勘探方式找构造、找圈闭，试气有煤田勘探基础，需要长时间的排采开发方式开发方式整体或分区滚动开发产出方式自喷，可以关井排水降压，连续开采，不能关井开采深度深度一般较大，只要承压深浅不限较浅，一般小于1500m单井产量高(~数十万m3/d)低(几百~几千m3/d)增产改造一般不需要常需要水力压裂等气井服务年限8-10年20-30年井口压力高低煤层气与常规天然气的不同点4.煤层气勘探开发的意义防治煤矿瓦斯事故，提高煤矿开采效益——安全与减灾意义减少温室气体排放，保护人类生存环境——节能减排意义改善和优化能源结构，提高资源利用效率——资源意义一煤层气概述报告内容一、煤层气概述二、煤层气勘探的目的和任务三、中国煤层气勘探开发的历程四、我国煤层气勘探开发取得的主要成果五、煤层气勘探开发理论存在的重大问题充分反映煤层气的特殊地质规律有利于中国煤层气产业的成长和发展科学性、实用性和可操作性二煤层气勘探的目的和任务1.煤层气勘探开发的原则选区评价：在盆地级别上，通过野外地质勘查确定靶区、地震勘探以及钻井等方法，选择有利区块勘探阶段：在区块级别上，通过煤层气井钻探、物探及排采试验工程，进行煤层气产能与可采性的专门勘探，获取储量，确定开发区开发阶段：依据勘探成果和生产试验结果，编制开发方案，实施煤层气开发二煤层气勘探的目的和任务2.勘探开发阶段煤储层物性的特点，决定了煤储层的勘探开发的难以划分明确的阶段，应该坚持滚动勘探开发阐明或分析煤层气赋存的地质条件与机制查明或预测煤层气资源量/储量，找出资源分布规律为资源开发提供依据，指导煤层气开采工程的实施二煤层气勘探的目的和任务3.煤层气勘探开发的三大任务报告内容一、煤层气概述二、煤层气勘探的目的和任务三、中国煤层气勘探开发的历程四、我国煤层气勘探开发取得的主要成果五、煤层气勘探开发理论存在的重大问题三煤层气勘探开发历程1、世界上煤层气勘探开采现状全世界煤层气总资源量约101-273万亿m3，90%集中在12个产煤大国美国、加拿大、澳大利亚、中国四国形成工业化生产规模印度、英国、波兰等国家在试验区初步具备商业开发条件智利、巴西、委内瑞拉等国开展了小规模煤层气勘探试验或者准备煤层气开发三中国煤层气勘探开发历程1、世界上煤层气勘探开采现状美国：1978年开始对全美16个含煤盆地进行了长达8年的煤层气研究。对煤层气的储集和运移机理、生产方式和开采工艺进行研究,先后对14个盆地做出了资源量计算1980年12月,世界第一个商业煤层气田—黑勇士盆地橡树林煤层气开发区建成投产,标志着美国煤层气产业进入起步阶段。自1976年第一口商业生产井到规模开发，仅仅用了不到十年；2001年，美国煤层气产量达400亿m3，为我国同期天然气产量的1.3倍（301m3）0100200300400500600700800900100019751980198519901995200020052010煤层气年产量（亿m3）IIIIIIIIIIIIIII1III2III3III4III1III2III3III4IIIIIIIII1III2III3III4Stage1：资源条件调查及勘探开发试验(50s~1980)•两大盆地煤层气资源调查•第一口井(CAHNNo.1井,1977)工业性气流•首批两个煤层气田投入开发（圣胡安、黑勇士）•实施国家煤层气计划表1美国48个州煤层气原地资源量评价结果序号评价人员或机构地质资源量（1012m3）可采资源量（1012m3）1美国联邦能源管理委员会，19788.50-24.07－2Deul等（美国矿务局），19789.05-21.69－3Lewin等（美国能源部），19784.810.134Wise等（美国能源部），19788.50-19.82－5Rosenberg等（美国天然气研究所），19792.04-24.350.45-13.866Kuuskraa等，198015.571.13-1.707Poundstone等（美国国家石油委员会），198011.271.278Sharer等（美国天然气研究所），198014.160.28-1.709Rightmire等（美国能源部），19822.04-11.33－10Mroz等（美国能源部），19831.92-11.21－11ICFResources（美国天然气研究所）,19898.38–11.16－12Kuuskraa等（美国国家研究委员会），199012.742.5513美国国家石油委员会，19928.50-11.331.76-2.7914Woods（美国天然气研究所），19936.692.29-2.9215美国潜在天然气委员会，19957.79-18.383.7916GTI，200021.193.070100200300400500600700800900100019751980198519901995200020052010煤层气年产量（亿m3）IIIIIIIIIIIIIII1III2III3III4III1III2III3III4IIIIIIIII1III2III3III4Stage2：成藏条件探索与产业化启动(1981-1988)•1981年，形成煤层气商业性生产规模•1988年，年产突破10亿m3大关，圣胡安超过黑勇士•启动全面的煤层气成藏条件探索•控制产能六大地质因素•“排水－降压－解吸－扩散－渗流”过程认识上突破0100200300400500600700800900100019751980198519901995200020052010煤层气年产量（亿m3）IIIIIIIIIIIIIII1III2III3III4III1III2III3III4Stage3：研究深化拓展,产业高速和稳定发展(1989－)•成功地扩展开发试验盆地，进入高速增长期•北美洛基山造山带煤层气高产走廊•理论体系(双孔隙/中煤级优势/低渗极限/高煤级煤缺陷)•生物型或次生煤层气成藏，粉河盆地商业性开发337亿增势减缓产量再次大幅度增长的基础：•2004年新增煤层气井5357口•2005年将新增4799口•11124口已取得施工许可06年后稳定发展美国主要煤层气盆地和煤层气资源煤层气资源历次评价资源量及分布：西华盛顿0.688.890.230.111.101.730.140.080.080.570.110.200.340.420.96（梅尼菲组）1.42（水果地组）0.282.800.280.170600Km石炭系白垩系/第三系第三系0.170.030.060.59单位：10m123大格林河圣胡安汉纳德克萨斯黑勇士粉河风河丹佛卡哈巴/科萨煤田中阿巴拉契亚北阿巴拉契亚中北含煤区比葛红皮申斯尤因塔开帕诺威斯平原区拉顿理士满/深河森林城伊利诺斯切诺基阿克马近几年来美国煤层气勘探开发井数量勘探开发井数量：煤层气产量：近5年均保持在500-600亿m3，占美国天然气年总产量近10%，接近于我国天然气总产量的一半（1160亿m3，2013）钻井技术发展增产技术发展射孔压裂压裂液多样化压裂洞穴完井多分子水平井羽状井、裸眼洞穴完井、注气置换开发技术：加拿大煤层气主要分布于阿尔伯塔盆地。开发的起步时间基本与我国开展煤层气工作的时间相当。1978～2001年,加拿大仅有250口煤层生产井,其中4口单井日产气量达到2000～3000m3。开发初期,只是简单套用美国开发技术,历时23年，但一直未能形成突破——第一阶段21世纪初以来,结合煤层气地质条件,注重发展连续油管压裂、N2、CO2注入、水平羽状井等增产技术,降低了煤层气开采成本2003年,新增钻井1015口,年产量5.1亿3。单井3000～7000m3/d2012年,产量超过80亿m3。规划到2020年达到280～390亿m3，煤层气产量将占其天然气总产量15%左右加拿大主要煤层气盆地资源量及分布：阿尔伯达盆地煤炭资源分布煤层气产量：1）连续油管压裂技术增产技术：阿尔伯达盆地多层薄煤层增产措施，主要靠连续油管小型压裂：压开裂缝长度小于3m，消除井筒煤层污染带的影响2）注氮、二氧化碳增产技术增产技术：增产技术：3）水平井分段压裂技术澳大利亚煤炭主要分布在东部Sydney、Bowen和Surat等3个含煤盆地煤层气勘探始于1976