国内深部煤层气研究现状

赵丽娟 秦 勇

(1.中国矿业大学资源与地球科学学院,江苏 221116;2.中国矿业大学煤层气资源教育部重点实验室,江苏 221008)

国内深部煤层气研究现状

赵丽娟1、2秦 勇1、2

(1.中国矿业大学资源与地球科学学院,江苏 221116;2.中国矿业大学煤层气资源教育部重点实验室,江苏 221008)

本文对近十年来国内深部煤层气研究所取得的进展进行总结。在含气性预测方面,很多含煤区做了初步性的探索,为下一步的勘探开发打下基础。新的理论成果主要有深部煤层气含量计算新方法、各种地质作用的耦合模型、地球物理方法的应用等。深部煤层气存在的问题较多,需要进一步开展研究工作。

深部煤层气 研究现状 存在问题

Abstract:The paper summarizes the study on deep coalbed methane in the decade in China.In perdition of coalbed methane contents,preliminary exploration has been made in many coal-bearing areas which lay a foundation for further exploration.The new theoretical results include the new calculation method of deep coalbed methane contents,coupling model of geological actions,application of geophysical methods,etc.As the problems existing in deep coalbed methane are excessive,a large number of further researches should be done.

Keywords:Deep coalbed methane;current situation;problems

1 引言

我国煤层气资源相当丰富,是继俄罗斯、加拿大之后的第三大煤层气储藏国。我国在深部(埋深>1000m)煤层气的研究还较薄弱,开展这方面的研究,有利于我们掌握深部煤层气的地质因素控制机理,确定煤层气预测方法,扩大煤层气勘探领域。

2 区域含气性预测工作

由于我国开展煤层气工作的矿区较少,煤层气探井资料随之相对缺乏,所以现阶段的工作主要是对含煤区的煤层含气性进行预测,主要的预测方法有:含气梯度法、压力-吸附曲线法、煤质-灰分-含气量类比法、测井曲线法、有效生气阶段和有效阶段生气量计算、地质条件综合分析法等。近十年来,国内很多煤田基于煤矿瓦斯灾害减排和开发新能源的需要,做了较多的煤层含气性预测工作,但由于煤层气勘探工作尚处于起步阶段,其预测的准确性有待进一步的探究。

文献[1]对济阳坳陷惠民凹陷外围不同煤级煤样吸附性进行物理模拟,结合石油天然气探井实测的温度和压力,采用压力-温度-吸附曲线法对深部(2000m以深)煤层的含气量进行预测,得出该区深部气煤-肥煤的原位含气量在5.0m3/t左右。文献[2]对焦作煤田埋深1000m以深的煤层含气量进行了预测,主要讨论采用含气量梯度法和温度-压力-吸附曲线法来预测深部煤层含气量。文献[3]在地质条件综合分析法的基础上,采用含气量梯度法对两淮地区深部主煤储层进行了含气性预测。文献[4]从气源条件、储集条件和保存条件3个方面,分析了辽河盆地东部凹陷深部煤层气的成藏条件,指出:研究区煤层分布面积广,厚度大,变质程度低,含气量低,含气饱和度高,埋藏较深,煤层气地质储量丰富,保存条件良好;应用等温吸附曲线法,分区块预测了不同煤阶的含气量。文献[5]指出辽宁北票煤田三宝含煤地层具有煤层和分散有机质(干络根)两种生气母质;煤层裂隙、断层附近及煤层顶板砂岩是煤层气储存的有利场所;利用矿井瓦斯资料,估算煤层气资源量约30～40亿m3。文献[6]用钻孔甲烷含气量计算出湖南垣家冲、里王庙矿井深部煤层气资源量约为53152万m3。文献[7]利用深度与煤储层压力、含气饱和度的关系确定含气量预测公式的参数,进而根据浅部已知实测含气量数据、平衡水煤样等温吸附曲线、储层压力梯度来预测深部煤层含气量。文献[8]和文献[9]从推定区含气性展布规律,推断-预测区煤层含气性预测,煤层气理论可采潜势等方面对山西上古生界煤层含气性展开讨论。基于不同地区煤层气基本地质条件的分析和类比,分别对沁水盆地的深部预测区、沁水-冀城推断-预测区、临汾盆地进行了煤层含气性预测,最大预测深度达2500米。

3 理论成果

现阶段国内深部煤层气的研究较少,各种理论比较分散,尚未形成系统的、能够指导生产实践的成果。

文献[10]在矿井深部煤层气压力解吸算法的基础上,提出了考虑地温和地应力梯度影响的煤层气含量计算的新方法:

式中 q——煤层气含量,m3/t;

m0——在一基准温度下无荷载作用时煤的孔隙率,m3/t;

β1——煤的体积压缩系数;

β2——煤的热膨胀系数,K-1;

P——煤层压力,MPa;

G——地温梯度,K/m;

D——地应力梯度,MPa/m;

Z——气体压缩系数;

R——气体常数,J/(kgmol);

a,b——煤的吸附参数,m3/t,MPa-1;

T1——测定煤吸附参数时实验室温度,K;

T——煤层处的地温,K1;

K1——与煤中水分,灰分有关的系数;

n——与压力有关的温度影响系数;

H——煤层埋深,m;

在推导出计算公式后,文章进一步指出了确定计算参数的方法,并结合实例将实测值和理论计算值进行比较,指出考虑温度和地应力梯度影响的煤层气含量比不考虑的计算值小。

文献[11]建立了综合考虑滑脱效应和孔隙压力、滑脱效应及温度场耦合、滑脱效应和水气两相耦合的煤层气渗流数学模型;使用有限元数值方法对具体的算例进行了分析;模拟了煤层气生产井周围的压力分布情况,煤层气产量预测情况,不同气相相对渗透率下滑脱效应对水相溶气饱和度的影响;分析了综合考虑滑脱效应、孔隙压力和温度场等因素,水气耦合作用对煤层气渗流规律的影响;得出结论:滑脱效应在衡量煤层气可采性和产量预测上产生的是正面影响,而孔隙压力和温度场产生的是负面影响。

由于深部煤层的地应力和孔隙压力较高,煤层的渗透率较低,瓦斯运移表现出非达西渗流,文献[12]建立了反映深部低渗透煤层特征和瓦斯流动特性的气水两相流流固耦合模型,通过数值模拟得到不同渗透率和不同井群间距条件下开采煤层气的储层压力、气和水产能大小、压降漏斗、水饱和度、甲烷浓度和井群干扰的变化规律;得出考虑较高地应力储层变形影响使模拟结果偏小的结论;指出深部煤层气开采必须重视耦合作用对产量造成的不利影响。

文献[13]建立了一套深部煤层气测井评价方法。利用中子密度交会法自动识别煤层以及对煤层组分、物性等参数的定性评价;根据碳分的体积分数划分煤阶;利用Hawkins等人的吸附理论对Langmuir方程进行修正:

V——吸附量m3/t

VC——碳分的体积分数

VL——Langmuir体积

PL——Langmuir压力

P——地层压力

使用改进的Langmuir方程估算煤层含气量更为合理。该测井评价方法奠定了应用地球物理测井方法进行深部煤层气评价与勘探的基础。

文献[14]提出利用碳封存技术开发我国深部煤层气资源。CO2的吸附能力远大于CH4,因此CO2能够置换出煤层的中的CH4。这种技术应用在深部煤层气开发方面具有较大的可行性。

4 存在问题及展望

有关煤储层“生、储、盖”、“运、储、保”等方面的研究均是在浅部煤储层中进行的,深部煤层气的赋存与浅部虽有相似之处,但其物性特征、成藏机制又有不同之处。目前,深部煤储层存在很多有待解决的问题:

(1)对深部煤储层的含气性及地质控制因素认识不够深入全面;

(2)对深部煤储层高地应力场、较高温度场、较高流体压力场特征及状态尚未查明;

(3)对处在“三场”条件下煤储层的吸附/解吸规律与机理,孔、裂隙特征、力学性质、渗透性及其它物性特征随埋深变化趋势,尤其是转化机制的研究较少;

(4)对深部煤层气的成藏模式与成藏机理缺乏研究,对深部条件下煤储层围岩的封盖能力、煤储层内流体的运移规律还处于推测阶段;

(5)缺少深部煤层可改造性研究和评价指标模型及软件;

(6)对深部煤层气资源可采潜势没有足够的认识,深部储层条件下煤层气资源的开发前景还是个未知数。

5 结论

本文主要总结了国内各煤矿深部煤层气含气性预测情况,探讨了现阶段新的理论成果,提出了现阶段所存在的问题以及对未来深部煤层气研究的展望。

[1] 秦勇,中国煤层气产业化面临的形势与挑战(Ⅱ)—关键科学技术问题[J].天然气工业,2006,26(2):6-10.

[2] 秦勇,中国煤层气产业化面临的形势与挑战(Ⅲ)—走向与前瞻性探索[J].天然气工业,2006,26(3):1-5.

[3] 宋全友,秦勇.惠民凹陷深部煤层气含气性预测[J].天然气地球科学,2005,16(6):765-767.

[4] 聂怀耀,李俊生,张俊,焦作煤田深部煤层气含气性预测[J].煤矿安全,2009,79(4):79-81.

[5] 张华,徐磊,范炳恒,等.两淮地区深部煤储层含气性预测[J].安徽地质,2002,12(1):35-38.

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[11] 秦勇,刘焕杰,范炳恒等,山西南部上古生界煤层含气性研究Ⅱ:推断区及预测区煤层含气性预测[J].煤田地质与勘探,1997,25(6):18-23.

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[13] 肖晓春,潘一山.考虑滑脱效应和温度场的煤层气渗流数值模拟[J].中国地质灾害与防治学报,1996,17(3):91-95.

[14] 孙可明,潘一山,梁冰.流固耦合作用下深部煤层气井群开采数值模拟[J].岩石力学与工程学报,2007,26(5):994-1001.

Current Status on Deep Coalbed Methane in China

Zhao Lijuan1、2,Qin Y ong1、2
(1.College of Mineral Resource and Earth Science,China University of Mining and Technology,Jiansu 221116;2.Key Lab for the Coalbed Methane,China University of Mining and Technology,Jiangsu 221116)

赵丽娟,女,硕士研究生,从事深部煤层气研究工作。

(责任编辑 刘 馨)