國內深部煤層氣研究現狀

趙麗娟 秦 勇

(1.中國礦業大學資源與地球科學學院,江蘇 221116;2.中國礦業大學煤層氣資源教育部重點實驗室,江蘇 221008)

國內深部煤層氣研究現狀

趙麗娟1、2秦 勇1、2

(1.中國礦業大學資源與地球科學學院,江蘇 221116;2.中國礦業大學煤層氣資源教育部重點實驗室,江蘇 221008)

本文對近十年來國內深部煤層氣研究所取得的進展進行總結。在含氣性預測方面,很多含煤區做了初步性的探索,為下一步的勘探開發打下基礎。新的理論成果主要有深部煤層氣含量計算新方法、各種地質作用的耦合模型、地球物理方法的應用等。深部煤層氣存在的問題較多,需要進一步開展研究工作。

深部煤層氣 研究現狀 存在問題

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

我國煤層氣資源相當豐富,是繼俄羅斯、加拿大之后的第三大煤層氣儲藏國。我國在深部(埋深>1000m)煤層氣的研究還較薄弱,開展這方面的研究,有利于我們掌握深部煤層氣的地質因素控制機理,確定煤層氣預測方法,擴大煤層氣勘探領域。

2 區域含氣性預測工作

由于我國開展煤層氣工作的礦區較少,煤層氣探井資料隨之相對缺乏,所以現階段的工作主要是對含煤區的煤層含氣性進行預測,主要的預測方法有:含氣梯度法、壓力-吸附曲線法、煤質-灰分-含氣量類比法、測井曲線法、有效生氣階段和有效階段生氣量計算、地質條件綜合分析法等。近十年來,國內很多煤田基于煤礦瓦斯災害減排和開發新能源的需要,做了較多的煤層含氣性預測工作,但由于煤層氣勘探工作尚處于起步階段,其預測的準確性有待進一步的探究。

文獻[1]對濟陽坳陷惠民凹陷外圍不同煤級煤樣吸附性進行物理模擬,結合石油天然氣探井實測的溫度和壓力,采用壓力-溫度-吸附曲線法對深部(2000m以深)煤層的含氣量進行預測,得出該區深部氣煤-肥煤的原位含氣量在5.0m3/t左右。文獻[2]對焦作煤田埋深1000m以深的煤層含氣量進行了預測,主要討論采用含氣量梯度法和溫度-壓力-吸附曲線法來預測深部煤層含氣量。文獻[3]在地質條件綜合分析法的基礎上,采用含氣量梯度法對兩淮地區深部主煤儲層進行了含氣性預測。文獻[4]從氣源條件、儲集條件和保存條件3個方面,分析了遼河盆地東部凹陷深部煤層氣的成藏條件,指出:研究區煤層分布面積廣,厚度大,變質程度低,含氣量低,含氣飽和度高,埋藏較深,煤層氣地質儲量豐富,保存條件良好;應用等溫吸附曲線法,分區塊預測了不同煤階的含氣量。文獻[5]指出遼寧北票煤田三寶含煤地層具有煤層和分散有機質(干絡根)兩種生氣母質;煤層裂隙、斷層附近及煤層頂板砂巖是煤層氣儲存的有利場所;利用礦井瓦斯資料,估算煤層氣資源量約30～40億m3。文獻[6]用鉆孔甲烷含氣量計算出湖南垣家沖、里王廟礦井深部煤層氣資源量約為53152萬m3。文獻[7]利用深度與煤儲層壓力、含氣飽和度的關系確定含氣量預測公式的參數,進而根據淺部已知實測含氣量數據、平衡水煤樣等溫吸附曲線、儲層壓力梯度來預測深部煤層含氣量。文獻[8]和文獻[9]從推定區含氣性展布規律,推斷-預測區煤層含氣性預測,煤層氣理論可采潛勢等方面對山西上古生界煤層含氣性展開討論。基于不同地區煤層氣基本地質條件的分析和類比,分別對沁水盆地的深部預測區、沁水-冀城推斷-預測區、臨汾盆地進行了煤層含氣性預測,最大預測深度達2500米。

3 理論成果

現階段國內深部煤層氣的研究較少,各種理論比較分散,尚未形成系統的、能夠指導生產實踐的成果。

文獻[10]在礦井深部煤層氣壓力解吸算法的基礎上,提出了考慮地溫和地應力梯度影響的煤層氣含量計算的新方法:

式中 q——煤層氣含量,m3/t;

m0——在一基準溫度下無荷載作用時煤的孔隙率,m3/t;

β1——煤的體積壓縮系數;

β2——煤的熱膨脹系數,K-1;

P——煤層壓力,MPa;

G——地溫梯度,K/m;

D——地應力梯度,MPa/m;

Z——氣體壓縮系數;

R——氣體常數,J/(kgmol);

a,b——煤的吸附參數,m3/t,MPa-1;

T1——測定煤吸附參數時實驗室溫度,K;

T——煤層處的地溫,K1;

K1——與煤中水分,灰分有關的系數;

n——與壓力有關的溫度影響系數;

H——煤層埋深,m;

在推導出計算公式后,文章進一步指出了確定計算參數的方法,并結合實例將實測值和理論計算值進行比較,指出考慮溫度和地應力梯度影響的煤層氣含量比不考慮的計算值小。

文獻[11]建立了綜合考慮滑脫效應和孔隙壓力、滑脫效應及溫度場耦合、滑脫效應和水氣兩相耦合的煤層氣滲流數學模型;使用有限元數值方法對具體的算例進行了分析;模擬了煤層氣生產井周圍的壓力分布情況,煤層氣產量預測情況,不同氣相相對滲透率下滑脫效應對水相溶氣飽和度的影響;分析了綜合考慮滑脫效應、孔隙壓力和溫度場等因素,水氣耦合作用對煤層氣滲流規律的影響;得出結論:滑脫效應在衡量煤層氣可采性和產量預測上產生的是正面影響,而孔隙壓力和溫度場產生的是負面影響。

由于深部煤層的地應力和孔隙壓力較高,煤層的滲透率較低,瓦斯運移表現出非達西滲流,文獻[12]建立了反映深部低滲透煤層特征和瓦斯流動特性的氣水兩相流流固耦合模型,通過數值模擬得到不同滲透率和不同井群間距條件下開采煤層氣的儲層壓力、氣和水產能大小、壓降漏斗、水飽和度、甲烷濃度和井群干擾的變化規律;得出考慮較高地應力儲層變形影響使模擬結果偏小的結論;指出深部煤層氣開采必須重視耦合作用對產量造成的不利影響。

文獻[13]建立了一套深部煤層氣測井評價方法。利用中子密度交會法自動識別煤層以及對煤層組分、物性等參數的定性評價;根據碳分的體積分數劃分煤階;利用Hawkins等人的吸附理論對Langmuir方程進行修正:

V——吸附量m3/t

VC——碳分的體積分數

VL——Langmuir體積

PL——Langmuir壓力

P——地層壓力

使用改進的Langmuir方程估算煤層含氣量更為合理。該測井評價方法奠定了應用地球物理測井方法進行深部煤層氣評價與勘探的基礎。

文獻[14]提出利用碳封存技術開發我國深部煤層氣資源。CO2的吸附能力遠大于CH4,因此CO2能夠置換出煤層的中的CH4。這種技術應用在深部煤層氣開發方面具有較大的可行性。

4 存在問題及展望

有關煤儲層“生、儲、蓋”、“運、儲、保”等方面的研究均是在淺部煤儲層中進行的,深部煤層氣的賦存與淺部雖有相似之處,但其物性特征、成藏機制又有不同之處。目前,深部煤儲層存在很多有待解決的問題:

(1)對深部煤儲層的含氣性及地質控制因素認識不夠深入全面;

(2)對深部煤儲層高地應力場、較高溫度場、較高流體壓力場特征及狀態尚未查明;

(3)對處在“三場”條件下煤儲層的吸附/解吸規律與機理,孔、裂隙特征、力學性質、滲透性及其它物性特征隨埋深變化趨勢,尤其是轉化機制的研究較少;

(4)對深部煤層氣的成藏模式與成藏機理缺乏研究,對深部條件下煤儲層圍巖的封蓋能力、煤儲層內流體的運移規律還處于推測階段;

(5)缺少深部煤層可改造性研究和評價指標模型及軟件;

(6)對深部煤層氣資源可采潛勢沒有足夠的認識,深部儲層條件下煤層氣資源的開發前景還是個未知數。

5 結論

本文主要總結了國內各煤礦深部煤層氣含氣性預測情況,探討了現階段新的理論成果,提出了現階段所存在的問題以及對未來深部煤層氣研究的展望。

[1] 秦勇,中國煤層氣產業化面臨的形勢與挑戰(Ⅱ)—關鍵科學技術問題[J].天然氣工業,2006,26(2):6-10.

[2] 秦勇,中國煤層氣產業化面臨的形勢與挑戰(Ⅲ)—走向與前瞻性探索[J].天然氣工業,2006,26(3):1-5.

[3] 宋全友,秦勇.惠民凹陷深部煤層氣含氣性預測[J].天然氣地球科學,2005,16(6):765-767.

[4] 聶懷耀,李俊生,張俊,焦作煤田深部煤層氣含氣性預測[J].煤礦安全,2009,79(4):79-81.

[5] 張華,徐磊,范炳恒,等.兩淮地區深部煤儲層含氣性預測[J].安徽地質,2002,12(1):35-38.

[6] 趙忠英,王宇林,孫祥.遼河盆地東部凹陷深部煤層氣成藏條件評價[J].天然氣地球科學,2007,18(4):572-575.

[7] 劉欣.遼寧北票煤田三寶深部煤層氣資源特特[J].遼寧地質,2000,17(3):238-240.

[8] 王愛國.壽陽礦區深部煤層含氣量預測[J].中國煤田地質,2001,11(2):26-27.

[9] 肖金成.坦家沖、里王廟礦井深部煤層氣資源特征[J].中國煤田地質,2001,13(3):24-26.

[10] 秦勇,劉煥杰,范炳恒,等.山西南部上古生界煤層含氣性研究Ⅰ:推斷區煤層含氣性評價[J].煤田地質與勘探,1997,25(4):25-31.

[11] 秦勇,劉煥杰,范炳恒等,山西南部上古生界煤層含氣性研究Ⅱ:推斷區及預測區煤層含氣性預測[J].煤田地質與勘探,1997,25(6):18-23.

[12] 王宏圖,鮮學福,杜云貴,等.煤礦深部開采煤層氣含量計算的解析法[J].中國礦業大學學報,2002,31:367-369.

[13] 肖曉春,潘一山.考慮滑脫效應和溫度場的煤層氣滲流數值模擬[J].中國地質災害與防治學報,1996,17(3):91-95.

[14] 孫可明,潘一山,梁冰.流固耦合作用下深部煤層氣井群開采數值模擬[J].巖石力學與工程學報,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)

趙麗娟,女,碩士研究生,從事深部煤層氣研究工作。

(責任編輯 劉 馨)