“煤层气开发地质理论与工程实践”专题_中国煤炭行业知识服务平台

“煤层气开发地质理论与工程实践”专题

来源：煤田地质与勘探

煤层气是重要的非常规天然气能源，煤层气开发具有能源、安全、环保三重效益。我国一些地区的煤层气开发已进入商业化阶段，尤以沁水盆地、鄂尔多斯盆地为代表。目前呈向西南云贵川、西北新疆和北部内蒙古等地区拓展，由浅部向深部延伸的趋势。受制于我国特殊的构造地质条件，不同煤盆地、不同含煤地层，地质条件差异大，一个区块成功的工程实践不能照搬应用于其他区块，地质–工程一体化措施研究相对薄弱，造成我国煤层气低产井多，制约了我国煤层气开发的商业化进程。为了探讨现状问题，展现科技工作者的最新科研成果，促进同行交流，邀请河南理工大学倪小明教授担任客座主编，围绕“煤层气地质与选区评价，勘探开发技术措施与工程实践”开展主题策划和约稿组稿工作，以期持续推进煤层气产业化进程。

行业视野: 煤层气
类别; 40个
关键词; 36位
专家; 8篇
论文; 3069IP
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沁水盆地郑庄区块北部煤层气直井低产原因及高效开发技术

作者(Author)：贾慧敏, 胡秋嘉, 樊彬, 毛崇昊, 张庆

摘要：为了实现沁水盆地郑庄区块北部深部煤层气高效开发，通过深入分析煤储层地质条件和开发资料，并对比浅部煤层气开发数据，以含气量评价资源为基础，综合储层渗透性、地解压差，煤体结构和地应力状态等评价煤层气采出难易程度，明确郑庄区块北部煤层气井低产原因，并提出高效开发的适应技术。结果表明，郑庄北部煤层含气量整体较高，在20 m3/t以上；郑庄北部绝大部分地区裂隙发育指数均小于140，渗透率极低；绝大部分地区地解压差大于6 MPa，导致煤层气井有效解吸范围小，宏观解吸效率低；绝大部分地区煤层中碎煤比例在0.7以上，导致水力压裂裂缝较短；垂向应力大于水平应力，为大地静力场形地应力，水力压裂易形成垂直裂缝，裂缝延伸较短。极低的渗透率、相对较高的地解压差、高碎煤占比和大地静力场形地应力状态耦合导致郑庄北部煤层气开发效果较差。仿树形水平井采用人工井眼实现煤层密切割，缩短了煤层气、水渗流距离，利于实现协同降压增产，有力克服了高地解压差的不利影响；同时采用人工井眼代替压裂裂缝，解决研究区水力压裂造缝短的难题，取得了产量突破，但存在不利于排水降压和井眼易垮塌的风险，且其成本高、收效低。L形水平井密切割分段压裂技术克服了仿树形水平井不利因素。与直井相比，L形水平井成本增加2倍，但煤层气产量增加近100倍；且L形水平井与仿树形水平井产量相当，但其成本仅是后者的 40%。由此可知，L形水平井可以实现郑庄北部深部煤层气的高效开发。

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煤田地质与勘探

2021年第02期

618

152
基于煤层气高效开发的煤粉凝聚–沉降机制研究进展

作者(Author)：李勇, 韩文龙, 王延斌, 孟尚志, 吴翔, 王壮森, 麻振涛, 刘度, 赵石虎

摘要：大量低产低效井严重阻碍我国煤层气产业发展，其中，煤粉沉降导致的裂缝堵塞、管柱结块是气井稳产时间短、产气量降低甚至不产气的重要因素。系统梳理国内外煤层气井产出煤粉物质组成、生成机理、悬浮运移和产出控制等研究最新进展，总结煤粉凝聚–沉降及分散行为控制机理及关键问题，提出研究展望。煤粉问题伴随煤层气勘探开发全过程，涉及地质选区评价、工程压裂施工和排采管理控制的各个方面。煤粉包括因煤体结构破坏生成的原生煤粉和工程施工形成的次生煤粉，在气井产出中以有机碎屑和黏土矿物组成的混合物为主，部分样品黏土矿物含量高。煤粉悬浮运移受控于储层条件下煤岩结构和表面性质、nm~μm级煤粉颗粒的相互作用、有机质和黏土矿物的作用、通道内的气水流动等因素。煤粉能够适度稳定产出是排采管控的关键，涉及地层水环境对煤粉表面润湿性、表面电性和空间位阻效应的影响及作用机制，以及分散剂离子加入对煤层气的解吸和渗流能力影响等。围绕煤粉“黏附–润湿–凝聚–沉降全过程开展实验模拟”和“煤粉分散稳定性优化及流动实验”研究，以及煤粉理化性质精细表征、凝聚沉降机理分析和分散行为界定，提出适合煤粉稳定运移控制的流速，形成保持煤粉悬浮产出的基础性依据，为保障煤层气–水–煤粉稳定高效产出提供理论和技术支撑。

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煤田地质与勘探

2021年第02期

367

162
延川南深部煤层气田地质单元划分及开发对策

作者(Author)：陈贞龙

摘要：我国深部煤层气资源潜力大，占总资源量的62.8%，但实现有效开发面临强非均质性、高地应力、工艺配套难、产能低等诸多挑战。以延川南深部煤层气田为例，依据“沉积控煤、构造控藏、水动力控气、地应力控渗、物性控产”五要素，将关键参数进行叠加，精细划分气田开发地质单元，厘清各开发地质单元关键地质属性、开发制约条件，并制定了差异化的开发对策；形成针对层内阻塞、近井地带结垢、深部煤层难改造、高液量难降压等不同低效主因的治理对策和适用于深部煤层气复杂地质条件下“疏导解堵、扰动增透、有效支撑、提液降压”的增效技术系列。在此基础上，提出了一整套基于“多要素耦合气藏控制单元”的地质工程一体化增效思路和工艺技术：以提高资源动用程度为核心，针对高产区煤粉阻碍渗流通道而造成的气井递减，采取“氮气扰动”形成压力波扰动而解决层内疏通，21口井见气效率90%，单井日增产气量400 m3；深部煤层矿化度高易在近井筒地带结垢是导致低产的重要因素，通过实施可控冲击波破裂增透解除堵塞，单井日增产气量达850 m3；以实现高应力区资源有效动用为目标，通过“长距离有效支撑、大规模体积改造”以达到深部煤储层有效改造，实现难动储量效益开发，实施16口井全部见效，单井日增产气量1 500 m3，产气水平提升5~6倍；同时在高产液低效井中持续挖潜，采取提液降压效果初步显现。一体化增效关键技术体系的研发成功，为国内深部煤层气效益开发起到了带动和示范作用。

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煤田地质与勘探

2021年第02期

488

208
无越流补给含水层对煤层气排采影响的数值模拟

作者(Author)：刘冰, 张松航, 唐书恒, 王鹏飞, 翟佳宇, 纪朝琪

摘要：沁水盆地南部煤层气井具有“高产水、低产气”的特征，然而也有部分井存在“高产水、高产气”的现象。一般来说，煤层气井高产水，多与沟通含水层相关。针对这种情况，基于沁水盆地柿庄南区块煤储层地质条件，结合煤层气直井排采的实际情况，利用数值模拟方法，采用气水两相多组分的三维煤储层模拟软件(SIMEDWin)模拟煤层气井排采中，沟通无越流补给含水层对储层压力变化及煤层气水产出规律的影响。结果表明：与无含水层影响的煤层气井对比，沟通无越流补给含水层的煤层气井远井地带压降幅度显著，高产气时间久，累积产气量多，排水量大，但见气时间较晚；含水层渗透率越大，气井日产气峰值越高；气井日排水量越大，产气速度也会越快，但产气速度在排水量达到一定值时不再增大。综合考虑，沟通无越流补给高渗透率含水层，增大日排水量到一定值更有利于柿庄南区块煤层气的增产。

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煤田地质与勘探

2021年第02期

297

121
软煤夹层水射流层状卸压增透抽采瓦斯数值模拟及试验

作者(Author)：刘晓, 李勇, 宣德全, 胡世雄, 荆天祥, 徐森

摘要：水力冲孔是煤层瓦斯增透抽采的主要技术措施，其主要以出煤量考察卸压效果，但是也存在出煤量大、卸压不均一、应力易集中等问题。因此，提出软煤夹层水射流层状卸压增透抽采瓦斯技术，考虑瓦斯压力压缩和煤基质吸附瓦斯膨胀对本体变形的影响，建立应力场、裂隙场、渗流场耦合条件下的多物理场理论模型，并结合COMSOL数值模拟软件对软煤夹层水射流分支数、卸压影响范围内煤体的瓦斯压力和瓦斯含量变化规律进行了研究。研究表明：当水射流分支长半轴为2 m，短半轴为0.22 m时，水射流分支数为6个时较为合理；在相同出煤率情况下，相同时间内瓦斯压力和含量均随着与钻孔距离的增加而减小，抽采180 d，水射流层状卸压有效抽采半径约为常规水力冲孔有效抽采半径的2.14倍，且在有效影响范围2 m时，水射流层状卸压瓦斯含量降低量为7 m3/t，而常规水力冲孔瓦斯含量降低量为4.1 m3/t，水射流层状卸压瓦斯降低量为常规水力冲孔的1.71倍；在新义煤矿现场试验中发现，当水射流层状卸压出煤率为常规冲孔出煤率的0.29~0.71倍，抽采较高浓度瓦斯时长仍是常规水力冲孔的2倍。软煤夹层水射流层状卸压增透抽采瓦斯技术的提出，对未来煤矿井下软煤夹层水力冲孔技术的发展有着重要的意义，为井下瓦斯的治理提供了新的方法和方向。

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煤田地质与勘探

2021年第02期

271

162
延川南深部煤层气高产主控地质因素研究

作者(Author)：高玉巧, 李鑫, 何希鹏, 陈贞龙, 陈刚

摘要：延川南区块属于深部高阶煤煤层气藏，受地质条件影响，区块单井产能差异大。结合煤层气开发动态资料，分析区块煤层气井富集高产主控地质因素。研究表明，气井产能受“构造、水动力、煤体结构”三因素控制，构造控制煤层气富集成藏，矿化度表征水动力强弱并影响煤层气保存，煤体结构制约储层改造。高产井主要位于埋深800~1 200 m的局部微幅隆起带翼部以及构造平缓区，地层水矿化度(3~10)×104 mg/L，原生–碎裂煤厚度大于2.5 m，日产气量大于1 000 m3；中产井位于埋深大于1 200 m的万宝山西部构造平缓区，矿化度大于10×104 mg/L，日产气量500~1 000 m3；而低产井主要靠近中部Ⅲ级断层以及局部Ⅳ级断层发育的断裂–凹陷带，矿化度低于0.3×104 mg/L，原生–碎裂煤厚度小于2.5 m，日产气量低于500 m3。区块产能的平面变化证实，构造是深部煤层气高产的主要控制因素。深部煤层气藏构造活动不发育的条件下储层渗透率极低，可改造性差，难以获得高产，构造活动的增强达到了改善储层目的，背斜轴部附近产生裂隙增加储层渗透性，易于煤层气富集和储层改造，局部小断层形成微裂缝，有利于煤层气解吸渗流，但是，构造活动较剧烈的断层以及凹陷带附近形成煤层气逸散通道，不利于煤层气的富集高产。

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煤田地质与勘探

2021年第02期

310

156
贵州省织金区块岩脚向斜煤层气富集高产规律研究

作者(Author)：郭涛

摘要：针对南方煤层层数多、单层薄，构造复杂，糜棱煤发育，选区评价难度大等问题，利用织金区块勘探成果及分析化验数据，开展了多煤层煤层气成藏条件研究。结果表明，南方多煤层煤层气具有“沉积控储，保存控气，地应力、煤体结构控产”四元富集高产规律。沉积控制煤层厚度、层数、煤岩煤质等，决定了煤层气资源基础，潮坪沼泽控制下的煤层分布稳定，连续性好，灰分小于20%，镜质组体积分数大于80%。构造、水文地质联合控制煤层含气性，呈现出向斜核部富气特征，珠藏次向斜翼部往核部方向，随着埋深增大，氯根质量浓度及储层压力逐渐增大，含气量由8 m3/t逐渐增大到28 m3/t。构造作用影响煤体结构、地应力大小及现今地应力状态，进而影响压裂改造效果、渗流条件，直接影响煤层气井产能，研究区NE向与NW向构造分属不同形变区，北西向构造珠藏、阿弓、三塘次向斜较北西向构造比德、水公河次向斜形成时间晚，构造作用相对弱，现今地应力小于20 MPa，煤体结构主要为原生结构煤或碎裂煤，且水平应力大于垂向应力，压裂缝以水平缝为主，利于裂缝在煤储层中延伸，煤层气开发条件更有利。通过富集高产规律研究，认为南方多煤层资源基础较好，构造及其对地应力、煤体结构的影响是多煤层选区评价的关键因素，岩脚向斜珠藏–阿弓–三塘次向斜为煤层气开发有利区。区域上，远离威宁—紫云断裂的NE向含煤向斜是南方多煤层煤层气勘探的重点方向。

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煤田地质与勘探

2021年第02期

407

162
煤储层压裂轻质陶粒支撑剂粒级配比优化

作者(Author)：常晓亮, 吕闰生, 王鹏, 李冰, 高琳

摘要：水力压裂是目前煤储层改造增透的主要技术措施之一，支撑剂在压裂裂缝中的铺置范围和输送距离是衡量水力压裂效果的重要指标。针对潞安矿区煤储层特点，采用物理实验和数值模拟方法，对比分析试验煤层气井压裂支撑剂导流能力、铺砂范围、粒径组合等因素对裂缝导流能力的影响，筛选出最优的支撑剂粒径和粒级配比。结果表明，随着闭合压力增大，不同粒径覆膜轻质陶粒支撑剂对裂缝导流能力降低；相同粒径覆膜轻质陶粒在裂缝中形成的砂堤和铺砂区长度是传统石英砂的2倍左右；40~60目(0.25~0.38 mm)、16~40目(0.38~1.00 mm)、12~20目(0.83~1.40 mm)3种粒级覆膜轻质陶粒中，12~20目压裂裂缝长度、支撑缝长和平均支撑剂浓度最小，而导流能力最高；当3种粒级40~60目、16~40目、12~20目配比为1∶6∶2时，覆膜轻质陶粒压裂效果最好，平均裂缝缝长320 m，裂缝宽度0.672 cm，支撑剂密度5.16 kg/m2，裂缝导流能力为1.263。潞安矿区煤层气井采用覆膜轻质陶粒支撑剂压裂时，通过优化支撑剂粒度配比，显著提高裂缝导流能力，以提高煤储层渗透性和煤层气开采效果。

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2021年第02期

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137

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