煤层气基础理论、聚集规律及开采技术方法进展.pdf

1 4 2 0 0 4年 1 2月 石油勘探与开发 P ETROI EU M EXPI RATI ON AND DEVEI OP M ENT Vo 1 ． 3 1 No ． 6 文章编 号 1 0 0 0 0 7 4 7 2 0 0 4 0 6 0 0 1 4 - 0 3 煤层气基础理论 、 聚集规律及开采技术方法进展 王红岩 ， 李景明 ， 刘洪林 ， 李贵 中 ， 李隽 1 ． 中国石油勘探开 发研 究院廊坊 分院；2 ． 中国石油华北 油田分公 司 基金项 目 科技 部“ 9 7 3 ” “ 中国煤层气成藏机 制及经济 开采 基础研 究” 项 目 2 0 0 2 CB 2 1 1 7 0 5 摘要 煤层气以呈吸附状 态赋存在 煤储 集层中而有 别于常规天然 气， 导致煤层 气藏的形 成机制和开 发原理 与常规天然 气藏截 然不同。围绕煤层 气基础地质理论 、 煤 层气聚集规律和煤层 气勘探技术方法三方面 ， 重 点研 究煤层 气的生成、 成藏理论 、 成藏 条件， 总结 出我国 以高煤阶无烟煤煤层 气富集成藏为代表 的煤层气聚集规律 ， 同时对 目标区预测技 术和低渗 强化开采 的工 艺 技术进行 分析， 提 出开展煤 层气生成及 储集层非均质性研 究、 煤层 气富集成 藏机 制分布规律 和高效勘探开发技 术机理研 究是 解决制 约我 国煤 层气工 业取得突破 的有效途径 。参 2 1 关键词 煤层 气 ； 基础理 论 ； 聚集规律 ； 开发技 术 中图分 类号 TE l 2 2 ． 1 1 4 文献标 识码 A 1 9 8 9 年联合 国环保署援助项 目“ 中国煤层气资源开 发” 的实施， 正式拉开了我国煤层气地面开发研究的序幕。 截至 2 0 0 2年 1 1 月， 全国已钻煤层气井 2 1 4口， 其中生产井 1 5 3口， 参数井 5 9口， 采动区井 5口， 井组 1 1个。取得一 定商业气流的煤层气井仅占钻探井的 7 左右， 局限在沁 水盆地 、 鄂尔多斯盆地 等口 。 。 目前， 我国煤层气成藏理 论 、 分布规律研究及勘探开发技术方法都不成熟， 对近 1 0 年国内外煤层气勘探研究进展进行分析总结， 有利于加快 适合中国地质特色的煤层气成藏理论和技术方法的形成， 使中国煤层气勘探开发早 日实现产业化。 1基础理 论研究进 展 1 ． 1煤 层气 生成 理 论研 究 进展 2 0世纪 9 0年代 以来 ， 美国基于碳 同位素研究 ， 广 泛开展了煤层气成 因和来 源分析 ， 认为加 拿大和美 国 阿拉斯加 州的 含煤盆 地 内煤层 气 的成 因有 早期 生物 气 、 中期热裂解气和晚期次生生物气 ， 同一 盆地 不同部 位的煤层气 ， 有时 1种成 因占主导地位 ， 有时 2种成 因 共存 ， 有时甚至是 3种成 因的混合 ， 从而提 出“ 生物 型 或次生煤层气成 藏” 理论 ， 并 于 1 9 9 8年在粉河 低煤级 煤盆地实现了煤层气商业性 开发 ， 带 动 当年美 国煤层 气产量跃升到 3 2 0亿 m。 。 很多学者受 该理论 的影响 ， 把我 国煤层气碳 同位 素组成普遍偏轻的现象笼统解释 为次生生物气 。其实 煤层气碳同位素组成偏轻主要是 因为煤层气的分馏效 应 j ， 主要源于 C优先解吸分 馏并被重新 吸附 。煤 层气藏不断遭 到破坏 ， 不断恢复 ， 。 C不断解 吸、 散失 、 吸 附 ， 在 一 定 程 度 上 反 映 了 煤 层 气 保 存 条 件 的优 劣 。我国主要煤层 气盆地具有 多期性发 展和复合 叠加 的地质特征 ， 导 致煤层 气成藏 条件十分 复杂。同 时地质时代的新老 生烃母质 和岩浆活动 同样控制着 甲烷碳同位素组成的轻重 。 1 ． 2煤 层气 成 藏理 论 研 究进 展 煤层气主要 以吸附态 存在 于煤 储集层 中， 这 既不 同于呈液态赋存 的石油 ， 又有别于主要呈 游离态存 在 于地层中的常规天然气 。煤 的吸附性导致煤层气成藏 的机制和开发技术 与常规天然气截 然不 同， 研究煤 层 气成藏理论的基本出发点是 同时考虑扩散和运移特性 开展成藏模拟 。吸附模 型有劳布斯模 型 、 潜 在理论模 型和朗格缪尔模型[ 7 。常用 的朗格缪尔模型基于气 化 和凝结之 间的动态平 衡 ， 仅 仅利 用 甲烷测试 煤 的吸附 等温线 ， 不能满足煤层气 的初始 和强化开采 预测 。二 元气体吸附和多组分气体吸附在国内外得到应用 。 2 0世纪 8 0年代初 ， 美 国在 1 3个盆地 中启动 了全 面的煤层气成藏条件探索 ， 对煤层气产出“ 排水 一降压 一 解吸一扩散 一渗流” 过程有认识上 的突破 ， 最后选择 圣胡安和黑勇士两个盆地 为开发基地 ， 使地 面排采 的 煤层气年产量从 1 9 8 4年 的 3亿 m。 跃 升至 1 9 8 6年 的 1 2亿 m。 。随后 ， 将开发试验扩大到皮申斯 、 尤因塔等 6 个含煤盆地 ， 经过理论研究与开发实践的多轮反馈， 提 出了北美西部洛基 山造山带高产走廊的煤层气成藏模 式 ， 形成以煤储集层双孔 隙导流 、 中煤级煤生储优势与 成藏优势 、 低渗极限与高煤级煤产气缺陷、 多井干扰等 为核心的煤层气勘探开发理论体 系。 我国煤层气研究者根据本国的地质特点， 提出了“ 五 类生储盖组合形式” 、 “ 有效盖层厚度控气” 的观点 ， 划分 了中国煤层气聚集区， 开展区域性煤层气成藏条件综合 研究， 初步提出我国构造、 沉积 、 水文地质条件的控气作 用类型； 对煤层气可采性标志和控制因素进行 了较为深 入的研究 ， 提出了“ 煤化作用阶跃式控气” 、 “ 地应力与煤 维普资讯 2 0 0 4年 l 2月 王红岩 等 煤层气 基础理论 、 聚集规律 及开采技术方 法进展 储集层渗透性定向耦合” 等新的学术思想 ； 并提 出煤 层气有利区带“ 递阶优选” 理论和数学模型以及经济评价 的新思路 ] ， 开展了对煤层气地面开采技术的理论探讨 ， 在沁水、 柳林 、 韩城 、 铁法等地煤层气勘探 的突破中发挥 了重要引导作用 。经过十多年来的研究 ， 我 国煤层非 均一性高和渗透率、 储集层压力 、 含气、 含水饱和度低 已 是各方面专家的共识 ， 同时， 在煤层物质组成 、 脱吸附性、 力学性质及渗透性研究等方面也取得一些新的进展 。 1 ． 3煤 层气 成藏 地 质 主控 因素研 究 进展 煤层气成藏 宏观上受 含煤 盆地 沉积埋藏 史、 构 造 演化史、 煤化作用史 、 地下水活动史 和有机质生气史的 控制 ， 要求煤 层 的生气性 和储气性 共 同发 展。其 动力 学实质是一个以煤储集层压力为核心 的广义压力系统 来维系的能量平衡系统 。煤层气成藏 的微观动力学特 征受煤 中有机质大分子结构演 变、 煤层孔 隙一 裂隙系统 的形成与发展 、 煤层气实 际吸附状态 和煤基质 吸附能 力变化、 流体成分与状态变化等所控制。 煤层气成藏 动力学 可分为沉积 动力学 、 构造 和热 事件动力学和地下水动力学。 沉积环境控制着煤层气的储盖组合 、 煤储集层的几 何形态、 煤层厚度 ， 并通过对沉积母质的控制 ， 影响 着煤储集层的含气性 、 吸附性和物性 。晚古生代的 聚煤作用主要发生在华北和华南一扬子地台区的大型陆 表海坳陷内， 滨海三角洲及三角洲一碎 屑海岸体系是最 重要的成煤环境 。早一 中侏罗世聚煤盆地主要分布在我 国北方的大型内陆坳陷盆地 ， 有相当一部分叠加于晚古 生代聚煤坳陷之上 如四川盆地和鄂尔多斯盆地 。晚侏 罗世一早 白垩世 、 第三纪含煤岩系大多分布在孤立的中 小型聚煤盆地 中， 但聚煤密度大 ， 巨厚一特厚煤层均形成 于湖盆 包括近海湖盆 的湖泊淤浅阶段 。 按主要聚煤 期含煤 盆地 的构 造稳定程 度 ， 我 国含 煤盆地可分为稳定型、 过渡型和活动型 ； 按 聚煤后 的改 造程度可分 为弱改造型 、 中间 型和强改造 型。构造运 动的影响一方面表现在地壳 的升降与剥蚀会改变地层 温压条件 ， 打破原有 的动态平衡 ， 另一方面断裂活动可 使封盖层产生裂隙或使其断开 ， 形成气体运移通道 ， 也 可形成 良好 的侧 向封 堵 ， 而使煤层气 得 以保 存。区域 构造运动对煤层气成藏有影响 ， 特别是成煤后期 印支 期 、 燕 山期及喜 马拉雅期 主要 构造运 动控制 的煤层上 覆地层厚度 可以维持地层压 力及相态 的平衡 ， 并阻止 地层水的垂向交替 。我国东部晚古生代聚煤 盆地 的 地热场具有“ 多期多热源叠加” 的特征 。 水文地质条件 对煤层气 保存 、 富集 乃至开发有 关 键性作用 ， 适 当的水文地质条件可形成水压封 闭， 而交 替的水 动力 破 坏煤 层 气 的保 存 ， 不利 于 煤层 气 的 富 集 。华北地 区水 文地质 可分 为供水 、 弱交替 、 强 交 替 、 滞缓 、 停滞 、 滞水等 6 种类型 。沁水盆地南部水 文地质单 元 由多个 水文地 质子单元 构成 ” 一 ， 内部 存在 4条重要 的水 文地质边 界， 在寺头 断裂西侧 的郑 庄及其附近地 区地下水迳 流强度可能较 弱 ， 较有 利于 煤层气保存 ； 大宁一潘 庄一樊庄 一带为等 势面“ 洼地 ” 滞流型 ， 煤层气富集条件好。 2我国煤层气聚集基本规律研究进展 中国煤层气资源 量巨大 ， 不 同机 构从不 同出发点 计算 的结果 ， 全 国煤层气资源总量为 1 0 ． 6万亿～3 5万 亿 m3 [ 一 ， 目前公认 的数据为 3 O万亿 ～3 5万亿 m。 。 中国石油“ 九五” 、 “ 十五” 期间科技攻关研究表明 ， 我 国 2 0 0 0 m 以浅的煤层气总资 源量 为2 2 5 2 2 2 ． 5 8 亿 m。 ， 其 中 华 北 聚 气 区 为 1 4 7 9 7 9 ． 5 7 亿 m。 ， 华 南 聚气 区 为 4 1 5 6 6 ． 6 9 4 L m。 ， 西北聚气区为3 1 4 5 3 ． 0 8 亿 m。 ， 东北聚 气区为4 2 2 3 ． 2 4 亿 m。 E 2 1 。 我国煤层气分布 的基 本规律 为 ① 高变质无 烟煤 煤层气 富 集 成 藏。沁 水 盆地 古 地 热梯 度 为 5 ． 2 5 ～ 7 ． 5 4 C／ 1 0 0 m， 燕 山中期 十分 明确地存在异常热 事件。 受燕山期异常构造 热事件 的影 响， 上古 生界煤层 的煤 阶较高 ， 吸 附能 力和 含气性 较 大， 煤 层气 富集 条件 有 利。②煤层气高产 富集 区多位 于盆地斜坡 带 ， 呈带 状 展布 ； 我 国华北地区高产富集区多呈南北 向带状组合 ， 富集区与贫气区相间分布， 如太行山东麓、 沁水盆地和 鄂尔多斯盆地 。③我国煤层气资源的分布受控于区域 地质动力 条件 的匹 配， 构造 格局 控制煤 层 、 煤 阶的展 布 ， 保存条件 构造运 动、 局部构 造和上覆地 层有效厚 度 控制着煤层气 的散 失与聚集 。④煤层 气高产取决 于影响煤层渗透性的诸多 因素 。我国煤 层气储集层渗 透率普遍偏低 ， 大多小于 l mD。渗透率小于 0 ． 5 roD的 煤储集层很 难获得 高的产能 。⑤ 汇水 、 滞水 的区域有 利于形成煤层 气藏 。具有汇水 、 滞水水 文地质 条件的 地区含气量高 ， 煤层气易于采 出。 3技术 方法研究 进展 3 ． 1选择有利区和预测高产富集区分布的理论及方法 煤层气 目标区的优选排序应该是多层次的， 不可能 按照统一标准来对全部煤层气 目标区优选排序。“ 关键 要素层次结构递 阶优选 ” 方法体系 遵循地质研究一定 量排序一地质分析的辩证思路， 筛选出 5 个关键要素 含 气量 、 面积 、 资源丰度 、 渗透率、 临储压力比 和 1 4个量化 要素。优选排序工作应是递进 的， 随着优选排序层次的 维普资讯 石油勘探与 开发 石油地质 研究 V o I ． 3 1 N O ． 6 上升， 优选排序结果越来越接近实际情况。文献E 2 3 提出 按对煤层气有利选区的预测， 分 4个层次优选排序， 将全 国煤层 气 目标 区分 为极有 利 区 、 有利 区 、 较有 利 区。极 为 有利区为晋城、 乡宁 大宁一吉县 、 韩城 、 阳泉 寿阳； 有 利区为离柳三交、 淮北、 峰峰邯郸 、 安阳 鹤壁 、 六盘 水、 恩洪； 较有利区为铁法 、 平顶山、 红 阳、 焦作 、 开滦、 潞 安、 萍乐、 鹤岗、 圭 山、 双鸭山、 鸡西、 中梁山、 天府、 芙蓉、 松藻 、 乌鲁 木齐 老 君庙 、 和顺左 权 、 织 纳 、 艾 维 尔 沟 、 石 嘴山、 呼鲁斯太、 哈密、 乌鲁木齐白杨河。极有利区域的 晋城、 乡宁 大宁一吉县 、 韩城、 阳泉寿阳的煤层气产 能 应超 过 5 0 0 0 m。 t 。 3 ． 2低 渗透 煤 层气 藏 强化 开 采 的关键 技 术 基础 煤层气的开采研究要求 揭示煤一 水一 气 三相耦合 的 岩石力学与渗流力学机理 。我 国煤储集层普遍渗透率 偏低 ， 应针对低 渗透煤层气藏强 化开采关 键技术基 础 问题开展探讨 ， 对 矿井保护层采 动增渗卸 压效应与 机 理 、 地面钻孔强 化排采 的技术 原理和人工 致裂径 向外 加应力场 的传播效应与机理进行研究 。国内煤层气产 业部门经过 1 0年艰苦攻关 ， 已形成 一套 门类 齐全 、 效 果 显著 的煤层 气 勘探 工 艺 技 术 系 列 ， 其 中 。 煤 层 绳 索式 全封闭快速取心技术、 注入一 压降试井技术 、 大地 电位法 煤层压裂裂缝监测技术 、 井间地震声波层析 成像技术 、 煤层气测井评价技术和煤层气储集层模拟技术具有 重 要的价值一 。羽状水平井 、 低成本泡沫钻井和高效水 力压裂为近期煤层气勘探技术的发展方向。 4展望 美国的煤层气理论与开发技术处 于国际领先地位， 但仅加拿大与北美大陆地质条件具有一致性， 适 用美国 煤 层气理 论 。以我 国煤 层气 地 质 的 特殊 性 为突 破点 ， 深 入 开展基 础性研 究 ， 会获 得 一批 具 有前 瞻性 的科 学 概 念 和结果， 带动与我国地质条件类似的其他 国家或地 区煤 层气产业的发展。其重点方向是开展煤层气生成及储集 层非均质性 、 煤层气富集成藏机制分布规律 和高效勘探 开发技术机理研究 。具我国特色的新的煤层气基础理论 将会像当年我国的陆相成油理论一样令世人所瞩 目， 为 我国建立 2 1世纪的洁净能源基地奠定理论基础。 参考文献 [ 1 ] 赵庆波。 等．中国煤层气勘探[ M] ． 北京 石油_ L 业H { 版社。 2 0 0 1 ． [ 2 ] 张建博 ． 王 红岩 ． 赵 庆波． 中 国煤 层 气地 质[ M ． 北 京 地质 出版 社 。2 0 0 0 ．卜9 6 ． [ 3 ] 钱凯． 汪泽成． 赵庆波． 煤层气勘探开发理沧 与实验技术[ M] ． 北 京 石油工业出版社 ． 1 9 9 7 ． 3 7 6 2 ． [ 4 ] 秦 勇． 中国煤层 甲烷碳 同位素特征及成 凶探 讨[ J j ． 中 国矿 业大学 学 报 。 2 0 0 2 。2 9 2 1 1 3 l 1 9 ． E 5 3 张建博 。 陶明信．煤层 甲烷碳 同位素 在煤层气 勘探 中的地 质意义 r J ] ． 沉积学报 ． 2 0 0 0 ， 1 8 I1 ] 6 1 1 6 1 t ． E 6 ] 秦 勇． 朱 炎铭 ． 范炳恒．沉积有机 质二次 生烃理 论 与应用[ M] ． 北 京 地 质出版社 ． 2 0 0 1 ． 2 3 3 8 ， r 7 ] 王洪林 ． 唐书恒 ， 林建法． 华北煤 层气储层研 究与评 价[ M] ． 北 京 中国矿业 大学出版社 ． 2 0 0 0 ． 2 0 1 4 0 ． E s ] 叶建平 ， 秦勇 ． 林 大杨．中国煤层 气资源[ M] ．徐 州 中 国矿业 大 学 出 版 社 ． 1 9 9 9 ． 2 1 4 O ． r 9 ] 孙 茂远． 煤层气 开发 利用 手册 [ Mj ． 北京 煤 炭工业 出版社 ．1 9 9 8 ． 1 0 2 9 ． [ 1 O ] 刘焕杰 ， 等． 山西煤 层气地 质 [ M ．徐 州 中国矿业 大学 出 版社 1 99 8 ． 1 2 - 8 0 ． [ 1 1 ] 张建博 ， 王红岩． 沁水煤层 气有利 区预测 [ M] ．徐 州 中国矿业 大 学 出 版 社 ．1 9 9 9 ． 5 8 9 ． r 1 2 ] 张群． 平衡水 条件 下煤 对 甲烷 的等 温吸 附 特征研 究 [ J ] ． 煤炭 学 报 ， l 9 9 9 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． c o i n ． c n 收稿 日期 2 0 0 l 一 0 2 2 7 修 回日期 2 0 0 卜 0 8 0 3 编辑王 大锐 Pr o g r e s s o f b a s i c t h e o r y a n d a c c u mu l a t i o n I a w a n d d e v e l o pme nt t e c h no l o g y o f c o a l b e d me t h a n e W ANG Ho n g y a n ， I ． I J i n g mi n g ‘ ， I I U Ho n g l i n ‘ ． I ． I Gu i z h o n g ， I ． I J u n 1 ． L a n g[ a n g 1 3 r a n 、h，R “ r f I n s t i t u t e o ．f P e t r o l e u m E 』 p i e r a t i o n a n d De v e l o p m e n t ， P e t r o 、 i n a ． He h e i 0 6 5 0 0 7 。 C h i n a 2 ． Hu a h e i Oi l f i e l d “ o rep a n 3 ， ．Pe t r o h i n a。He b e i 0 6 2 5 5 2 ． T h i n a Ab s t r a c t Co a l b e d me t h a n eCB M j s d i f f e r e n t f r o m c o n v e n t i o n a l n a t u r a l g a s a s i t e x i s t s i n c o a l r e s e r v o i r i n a d s o r p t i o n s t a t U S ． wh i c h l e a d s t o t h e g r e a t d i f f e r e n c e i n f o r ma t i o n me c h a n i s m a n d d e v e l o p me n t t h e o r y ．F o c u s e d o n b a s i c g e o l o g y t h e o r y ，a c c u mu l a t i o n l a w a n d e x p l o r a t i o n t e c h n o l o g y o f CBM ，t h e s t u d Y o f t h e CB M f o r ma t i o n ，t h e o r y a n d c o n d i t i o n o f r e s e r v o i r f o r ma t i o n wa s c a r r i e d o u t t o c o n c l u d e t h e a c c u mu l a t i o n l a w r e p r e s e n t e d b y t h e e n r i c h me n t o f h i g h c o a l r a n k a n t h r a c i t e ． Tb e p r e d i c t i o n t e c h n o l o g y o f t a r g e t a r e a s a n d e n h a n c e d r e c o v e r y t e c h n o l o g y o f l o w p e r me a b i l i t y r e s e r v o i r a r e p r e s e n t e d ． Th e r e s e a r c h e s o n CI 3 M f o r ma t i o n． r e s e r v o i r h e t e r o g e n e i t y． h y d r o c a r b o n a c c u mu l a t i o n a n d r e s e r v o i r f o r ma t i o n me c h a n i s m 。 a n d e f f e c t i v e e x p l o r a t i o n a n d d e v e l o p me n t t e c h n o l o g y a r e e f f e c t i v e wa y t o a c h i e v e b r e a k t h r o u g h o f n a t i o n a l CBM i n d u s t r y ． Ke y wo r d s c o a l b e d g a s ； b a s ic t h e o r y ； a c c u mu l a t i o n l a w； d e v e l o p m e n t t e c h n o l o g y 维普资讯