趙麗娟 秦 勇

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院,江蘇 221116;2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)煤層氣資源教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 221008)

國(guó)內(nèi)深部煤層氣研究現(xiàn)狀

趙麗娟1、2秦 勇1、2

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院,江蘇 221116;2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)煤層氣資源教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 221008)

本文對(duì)近十年來(lái)國(guó)內(nèi)深部煤層氣研究所取得的進(jìn)展進(jìn)行總結(jié)。在含氣性預(yù)測(cè)方面,很多含煤區(qū)做了初步性的探索,為下一步的勘探開(kāi)發(fā)打下基礎(chǔ)。新的理論成果主要有深部煤層氣含量計(jì)算新方法、各種地質(zhì)作用的耦合模型、地球物理方法的應(yīng)用等。深部煤層氣存在的問(wèn)題較多,需要進(jìn)一步開(kāi)展研究工作。

深部煤層氣 研究現(xiàn)狀 存在問(wèn)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(guó)煤層氣資源相當(dāng)豐富,是繼俄羅斯、加拿大之后的第三大煤層氣儲(chǔ)藏國(guó)。我國(guó)在深部(埋深>1000m)煤層氣的研究還較薄弱,開(kāi)展這方面的研究,有利于我們掌握深部煤層氣的地質(zhì)因素控制機(jī)理,確定煤層氣預(yù)測(cè)方法,擴(kuò)大煤層氣勘探領(lǐng)域。

2 區(qū)域含氣性預(yù)測(cè)工作

由于我國(guó)開(kāi)展煤層氣工作的礦區(qū)較少,煤層氣探井資料隨之相對(duì)缺乏,所以現(xiàn)階段的工作主要是對(duì)含煤區(qū)的煤層含氣性進(jìn)行預(yù)測(cè),主要的預(yù)測(cè)方法有:含氣梯度法、壓力-吸附曲線法、煤質(zhì)-灰分-含氣量類比法、測(cè)井曲線法、有效生氣階段和有效階段生氣量計(jì)算、地質(zhì)條件綜合分析法等。近十年來(lái),國(guó)內(nèi)很多煤田基于煤礦瓦斯災(zāi)害減排和開(kāi)發(fā)新能源的需要,做了較多的煤層含氣性預(yù)測(cè)工作,但由于煤層氣勘探工作尚處于起步階段,其預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性有待進(jìn)一步的探究。

文獻(xiàn)[1]對(duì)濟(jì)陽(yáng)坳陷惠民凹陷外圍不同煤級(jí)煤樣吸附性進(jìn)行物理模擬,結(jié)合石油天然氣探井實(shí)測(cè)的溫度和壓力,采用壓力-溫度-吸附曲線法對(duì)深部(2000m以深)煤層的含氣量進(jìn)行預(yù)測(cè),得出該區(qū)深部氣煤-肥煤的原位含氣量在5.0m3/t左右。文獻(xiàn)[2]對(duì)焦作煤田埋深1000m以深的煤層含氣量進(jìn)行了預(yù)測(cè),主要討論采用含氣量梯度法和溫度-壓力-吸附曲線法來(lái)預(yù)測(cè)深部煤層含氣量。文獻(xiàn)[3]在地質(zhì)條件綜合分析法的基礎(chǔ)上,采用含氣量梯度法對(duì)兩淮地區(qū)深部主煤儲(chǔ)層進(jìn)行了含氣性預(yù)測(cè)。文獻(xiàn)[4]從氣源條件、儲(chǔ)集條件和保存條件3個(gè)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(qū)煤層分布面積廣,厚度大,變質(zhì)程度低,含氣量低,含氣飽和度高,埋藏較深,煤層氣地質(zhì)儲(chǔ)量豐富,保存條件良好;應(yīng)用等溫吸附曲線法,分區(qū)塊預(yù)測(cè)了不同煤階的含氣量。文獻(xiàn)[5]指出遼寧北票煤田三寶含煤地層具有煤層和分散有機(jī)質(zhì)(干絡(luò)根)兩種生氣母質(zhì);煤層裂隙、斷層附近及煤層頂板砂巖是煤層氣儲(chǔ)存的有利場(chǎng)所;利用礦井瓦斯資料,估算煤層氣資源量約30～40億m3。文獻(xiàn)[6]用鉆孔甲烷含氣量計(jì)算出湖南垣家沖、里王廟礦井深部煤層氣資源量約為53152萬(wàn)m3。文獻(xiàn)[7]利用深度與煤儲(chǔ)層壓力、含氣飽和度的關(guān)系確定含氣量預(yù)測(cè)公式的參數(shù),進(jìn)而根據(jù)淺部已知實(shí)測(cè)含氣量數(shù)據(jù)、平衡水煤樣等溫吸附曲線、儲(chǔ)層壓力梯度來(lái)預(yù)測(cè)深部煤層含氣量。文獻(xiàn)[8]和文獻(xiàn)[9]從推定區(qū)含氣性展布規(guī)律,推斷-預(yù)測(cè)區(qū)煤層含氣性預(yù)測(cè),煤層氣理論可采潛勢(shì)等方面對(duì)山西上古生界煤層含氣性展開(kāi)討論?；诓煌貐^(qū)煤層氣基本地質(zhì)條件的分析和類比,分別對(duì)沁水盆地的深部預(yù)測(cè)區(qū)、沁水-冀城推斷-預(yù)測(cè)區(qū)、臨汾盆地進(jìn)行了煤層含氣性預(yù)測(cè),最大預(yù)測(cè)深度達(dá)2500米。

3 理論成果

現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)深部煤層氣的研究較少,各種理論比較分散,尚未形成系統(tǒng)的、能夠指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐的成果。

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

式中 q——煤層氣含量,m3/t;

m0——在一基準(zhǔn)溫度下無(wú)荷載作用時(shí)煤的孔隙率,m3/t;

β1——煤的體積壓縮系數(shù);

β2——煤的熱膨脹系數(shù),K-1;

P——煤層壓力,MPa;

G——地溫梯度,K/m;

D——地應(yīng)力梯度,MPa/m;

Z——?dú)怏w壓縮系數(shù);

R——?dú)怏w常數(shù),J/(kgmol);

a,b——煤的吸附參數(shù),m3/t,MPa-1;

T1——測(cè)定煤吸附參數(shù)時(shí)實(shí)驗(yàn)室溫度,K;

T——煤層處的地溫,K1;

K1——與煤中水分,灰分有關(guān)的系數(shù);

n——與壓力有關(guān)的溫度影響系數(shù);

H——煤層埋深,m;

在推導(dǎo)出計(jì)算公式后,文章進(jìn)一步指出了確定計(jì)算參數(shù)的方法,并結(jié)合實(shí)例將實(shí)測(cè)值和理論計(jì)算值進(jìn)行比較,指出考慮溫度和地應(yīng)力梯度影響的煤層氣含量比不考慮的計(jì)算值小。

文獻(xiàn)[11]建立了綜合考慮滑脫效應(yīng)和孔隙壓力、滑脫效應(yīng)及溫度場(chǎng)耦合、滑脫效應(yīng)和水氣兩相耦合的煤層氣滲流數(shù)學(xué)模型;使用有限元數(shù)值方法對(duì)具體的算例進(jìn)行了分析;模擬了煤層氣生產(chǎn)井周圍的壓力分布情況,煤層氣產(chǎn)量預(yù)測(cè)情況,不同氣相相對(duì)滲透率下滑脫效應(yīng)對(duì)水相溶氣飽和度的影響;分析了綜合考慮滑脫效應(yīng)、孔隙壓力和溫度場(chǎng)等因素,水氣耦合作用對(duì)煤層氣滲流規(guī)律的影響;得出結(jié)論:滑脫效應(yīng)在衡量煤層氣可采性和產(chǎn)量預(yù)測(cè)上產(chǎn)生的是正面影響,而孔隙壓力和溫度場(chǎng)產(chǎn)生的是負(fù)面影響。

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

文獻(xiàn)[13]建立了一套深部煤層氣測(cè)井評(píng)價(jià)方法。利用中子密度交會(huì)法自動(dòng)識(shí)別煤層以及對(duì)煤層組分、物性等參數(shù)的定性評(píng)價(jià);根據(jù)碳分的體積分?jǐn)?shù)劃分煤階;利用Hawkins等人的吸附理論對(duì)Langmuir方程進(jìn)行修正:

V——吸附量m3/t

VC——碳分的體積分?jǐn)?shù)

VL——Langmuir體積

PL——Langmuir壓力

P——地層壓力

使用改進(jìn)的Langmuir方程估算煤層含氣量更為合理。該測(cè)井評(píng)價(jià)方法奠定了應(yīng)用地球物理測(cè)井方法進(jìn)行深部煤層氣評(píng)價(jià)與勘探的基礎(chǔ)。

文獻(xiàn)[14]提出利用碳封存技術(shù)開(kāi)發(fā)我國(guó)深部煤層氣資源。CO2的吸附能力遠(yuǎn)大于CH4,因此CO2能夠置換出煤層的中的CH4。這種技術(shù)應(yīng)用在深部煤層氣開(kāi)發(fā)方面具有較大的可行性。

4 存在問(wèn)題及展望

有關(guān)煤儲(chǔ)層“生、儲(chǔ)、蓋”、“運(yùn)、儲(chǔ)、?！钡确矫娴难芯烤窃跍\部煤儲(chǔ)層中進(jìn)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(jī)制又有不同之處。目前,深部煤儲(chǔ)層存在很多有待解決的問(wèn)題:

(1)對(duì)深部煤儲(chǔ)層的含氣性及地質(zhì)控制因素認(rèn)識(shí)不夠深入全面;

(2)對(duì)深部煤儲(chǔ)層高地應(yīng)力場(chǎng)、較高溫度場(chǎng)、較高流體壓力場(chǎng)特征及狀態(tài)尚未查明;

(3)對(duì)處在“三場(chǎng)”條件下煤儲(chǔ)層的吸附/解吸規(guī)律與機(jī)理,孔、裂隙特征、力學(xué)性質(zhì)、滲透性及其它物性特征隨埋深變化趨勢(shì),尤其是轉(zhuǎn)化機(jī)制的研究較少;

(4)對(duì)深部煤層氣的成藏模式與成藏機(jī)理缺乏研究,對(duì)深部條件下煤儲(chǔ)層圍巖的封蓋能力、煤儲(chǔ)層內(nèi)流體的運(yùn)移規(guī)律還處于推測(cè)階段;

(5)缺少深部煤層可改造性研究和評(píng)價(jià)指標(biāo)模型及軟件;

(6)對(duì)深部煤層氣資源可采潛勢(shì)沒(méi)有足夠的認(rèn)識(shí),深部?jī)?chǔ)層條件下煤層氣資源的開(kāi)發(fā)前景還是個(gè)未知數(shù)。

5 結(jié)論

本文主要總結(jié)了國(guó)內(nèi)各煤礦深部煤層氣含氣性預(yù)測(cè)情況,探討了現(xiàn)階段新的理論成果,提出了現(xiàn)階段所存在的問(wèn)題以及對(duì)未來(lái)深部煤層氣研究的展望。

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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(zé)任編輯 劉 馨)