“煤层气与非常规天然气勘探开发技术”专题

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“煤层气与非常规天然气勘探开发技术”专题

来源：煤田地质与勘探

专题来自于《煤田地质与勘探》2022年第3期和2022年第9期。徐凤银教授任客座主编。

专题主要涵盖行业技术发展述评、煤系气富集成藏机理、关键开发技术、先导试验及进展、典型区块工程示范效果及行业科技发展方向思考等内容。专题栏目概化为综述与进展、基础理论与评价、关键技术与示范。

行业视野: 煤层气
类别; 187个
关键词; 230位
专家; 40篇
论文; 10097IP
点击量; 4552次
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不同含水性无烟煤CO2吸附行为及其对地质封存的启示

作者(Author)：张金超, 桑树勋, 韩思杰, 张凤碧, 徐昂, 刘琦珊

摘要：深部煤层CO2地质封存是助力“碳达峰碳中和”战略的重要途径，煤层含水性对以CO2吸附封存为主的深部煤层CO2地质封存能力影响显著。以无烟煤为例，开展了45℃下干燥、平衡水、饱和水煤样高压CO2等温吸附实验，校正了饱和水煤样过剩吸附曲线，利用改进的D-R吸附模型拟合得到三者吸附能力与吸附热，对比了不同含水条件下CO2绝对吸附曲线，阐释了饱和水增强无烟煤吸附能力的微观作用机理。结果表明：(1)干燥、平衡水、饱和水煤样CO2吸附能力分别为56.72、45.19和48.36 cm~3/g，吸附热分别为29.42、26.23和27.24 kJ/mol。(2) CO2密度小于0.16 g/cm~3(6.48 MPa)时，无烟煤CO2绝对吸附量大小顺序为干燥煤样、饱和水煤样和平衡水煤样，而CO2进入超临界状态后，顺序变为饱和水煤样、干燥煤样和平衡水煤样。(3)水分子优先占据高能吸附位是平衡水煤样吸附能力减弱的主要原因，而煤-水体系与CO2相互作用强于CO2与H2O竞争吸附下的煤-CO2相互作用是饱和水煤样在CO2超临界阶段吸附能力高于干燥煤样的根本原因。(4)吸附封存是煤层CO2地质封存的主要形式，深部煤储层条件下，煤层饱和水对超临界CO2增储作用更为明显，高压注水是提高深部煤层CO2地质封存潜力，改善煤储层渗透性的有效手段。

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煤田地质与勘探

2022年第09期

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鄂尔多斯盆地东缘大宁–吉县地区山西组山2~3亚段海陆过渡相页岩岩相与沉积环境变化

作者(Author)：孙越, 蒋裕强, 熊先钺, 李星涛, 李树新, 邱振, 孙雄伟

摘要：鄂尔多斯盆地东缘大宁–吉县地区二叠系山西组山2~3亚段海陆过渡相页岩是未来非常规油气勘探的重点目标，通过野外露头观察、岩心描述、薄片鉴定，结合全岩衍射、特征微量元素测试等手段，划分出硅质页岩相、硅质黏土质页岩相、钙质硅质(或硅质钙质)页岩相、黏土质页岩相4种页岩岩相类型。岩石学特征、地球化学指标表明，山2~3亚段继承了太原组沉积晚期地形平缓的陆表海格局，大规模海侵导致本区在山2~3沉积早期快速演化为海湾环境，沉积环境由氧化转为还原，水体盐度接近正常海水，有机质保存有利，形成了该亚段下部富有机质页岩相，其中钙质硅质(或硅质钙质)页岩相是相对优质的富有机质页岩岩相，具有高有机质含量、高脆性矿物含量、低黏土含量的特点，为页岩气开发有利层段。进入山2~3沉积晚期，区内逐渐演化为障壁岛沉积体系，在潟湖、滨岸沼泽环境中发育硅质黏土质页岩相、黏土质页岩相，虽多次受海侵影响，但海水影响程度总体上逐渐减弱，水体盐度呈降低趋势，沉积环境趋于氧化，有机质的保存条件变差，导致有机质含量总体偏低，同时脆性矿物含量偏少，不利于勘探开发。

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煤田地质与勘探

2022年第09期

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滇黔北探区煤层气储层特征及多层合采有利区优选

作者(Author)：孙斌, 田文广, 杨兆彪, 杨敏芳, 李存磊

摘要：滇黔北探区赋煤向斜众多，多薄煤层发育，含气量较高，煤层气资源丰富，是筠连外围重要的拓展区块。基于大量煤田孔及煤层气试验井，分析煤层气地质条件，建立多层合采有利区优选评价方法：多层次模糊数学+关键指标法。首先，基于层次递阶优选构建评价模型并确定关键指标，明确关键指标为合采系数、煤体结构、含气量，其中，合采系数由最优合采跨度及合采累计煤厚构成，并给出关键指标的定量评价表，然后，运用模糊数学计算公式，得到储层评分结果，最终获得多层合采有利区优选结果。结果显示：研究区晚二叠世龙潭组/宣威组煤层最多可达到20层以上，可采煤层一般3层左右，煤层总厚度一般在6 m以上，煤层层数及煤层厚度由东南向西北逐渐减少或减薄。大部分区域主力煤层为C5(M11)煤层，厚度一般在2 m以上，其灰分质量分数平均为27.73%，为中灰煤，煤级主要为贫煤–无烟煤。各向斜主力煤层含气性差异性较大，含气量最大可达到30.53 m~3/t。研究区煤体结构以原生结构煤和碎裂结构煤为主。以C5(M11)煤层分别向上或向下合采计算合采系数，由此形成了两个合采层段，多层合采Ⅰ类有利区主要位于研究区可乐向斜中西部，牛场–以古向斜南部，镇雄向斜南部，庙坝向斜东南部，洛旺向斜中西部，石坎向斜中西部。

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煤田地质与勘探

2022年第09期

217

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深层煤层气全生命周期一体化排采工艺探索——以大宁–吉县区块为例

作者(Author)：曾雯婷, 葛腾泽, 王倩, 庞斌, 刘印华, 张康, 余莉珠

摘要：鄂尔多斯盆地东缘大宁–吉县区块探明了我国首个2 000 m以深煤层气田，深部煤层埋深大、压力高、含气量高、含气饱和度高、渗透率低，生产过程中表现出见气早、气液比高、产出液矿化度高等特点。该区块试采井应用抽油机举升系统出现了腐蚀、偏磨、气锁、卡堵泵等问题，导致排采连续性较差，为气田开发降本增效带来了一系列挑战。通过分析总结影响排采连续性的主要因素，根据深层煤层气井不同阶段生产参数及气液比的变化，同时基于现阶段水平井的主体开发井型，创新提出了初期利用自身能量生产、中期采用柱塞气举工艺、后期增压气举配合柱塞的“三段式”全生命周期一体化排采工艺组合探索思路，拟从根本上解决抽油机举升系统存在的问题，保障气井连续稳定生产，降低排采设备及运行维护成本。目前生产初期的排采工艺已完成现场试验，可满足连续稳定排采需求，创新一体化排采工艺探索取得突破后，对后期深层煤层气大规模开发过程中的高效排采具有重要意义。

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煤田地质与勘探

2022年第09期

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煤层气田单/合层开发影响因素分析及应用——以保德区块为例

作者(Author)：张雷, 徐凤银, 李子玲, 张伟, 侯伟, 张庆丰, 张文, 樊洪波, 李永臣

摘要：鄂尔多斯盆地东缘保德区块是国内中-低阶煤中首个完成5亿m~3产能建设并达产的煤层气田，在中国煤层气行业树立了标杆地位。在区块开发过程中，大多数煤层气开发井两套主力煤层合层开发取得了良好的效果，均优于单层开发；但在局部区域，在相同的开发技术工艺条件下，部分开发井合层开发效果不理想，单层开发优于合层开发。从保德区块各煤层气单/合层开发井的地质条件、气藏特征及产气效果3个方面对区块进行整体评价，研究认为，煤层气地质条件是控制单/合层开发效果的根本因素，控制气藏特征并与之共同影响产气效果。根据主要量化指标确定单/合层排采效果差异性，优选1套确定煤层气井单/合层开发优选的量化评价指标，即对于2套煤层原始地层压力差值不超过0.6 MPa、临界解吸压力差值小于0.4 MPa、渗透率差值在2×10-3μm~2以内，适合煤层气合层开发。在此基础上，指出下步区域及层系开发调整的重点区域，即区块1单元西部、2单元中西部优先单层开发8+9号煤层更有利，3单元南部优先单层开发4+5号煤层更有利；针对区块8+9号煤层剩余未动用储量多的区域，可通过调整层系开发顺序的方式，即暂时封堵4+5号煤层、优先开发8+9号煤层。研究成果对多层系煤层气田高效开发具有重要指导意义。

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煤田地质与勘探

2022年第09期

152

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大宁–吉县区块深层煤层气成藏特征及有利区评价

作者(Author)：李曙光, 王成旺, 王红娜, 王玉斌, 徐凤银, 郭智栋, 刘新伟

摘要：鄂尔多斯盆地东缘大宁–吉县区块下二叠统太原组埋深大于2 000 m的8号煤是国内首个千亿方级别的深层煤层气田，但是深层煤层气成藏特征尚不明确。综合应用地质、测试、生产资料，开展深层煤层气成藏特征及有利区评价2方面研究。结果表明：研究区深层煤储层全区发育、厚度大、热演化程度高、两期成藏及古热流体侵入，使其具备大量生烃的条件；深层煤储层裂隙、微孔广泛发育，储层具备吸附气和游离气共同赋存的条件；顶底板以灰岩及泥岩为主，封盖能力强，具备游离气保存条件；深层煤层气具有“广覆式生烃、高含气、高饱和、高压束缚游离气与吸附气共存”的赋存特征。建立了深层煤层气“地质–工程”双甜点识别指标体系12项，划分了3类工程–地质甜点区，其中，地质–工程Ⅰ类甜点区位于研究区的西北部，地质–工程Ⅱ类甜点区位于研究的中部，地质Ⅱ类–工程Ⅰ类甜点区位于研究东北部和南部；在地质–工程Ⅰ类甜点区内实施的JS-01井自喷生产，最高日产气9.4～9.7万m~3，展现了良好的上产潜力。研究成果有效指导了深层煤层气先导试验区的优选及国内首个千亿方级别的深层煤层气田探明。

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煤田地质与勘探

2022年第09期

249

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山西重点煤矿区瓦斯梯级利用关键技术与工程示范

作者(Author)：李国富, 李超, 霍春秀, 闫志铭, 张典坤, 王朝帅, 王争

摘要：山西重点煤矿区包括晋城、阳泉、西山、汾西、潞安等矿区，是“十三五”国家科技重大专项“山西重点煤矿区煤层气与煤炭协调开发示范工程”的主要实施地点。依托国家科技重大专项项目资助，研发了煤矿瓦斯梯级利用系列技术，并进行工程示范，引导山西重点煤矿区瓦斯抽采量与利用量由2015年的60.2亿m~3和22.3亿m~3提高至2020年的64.03亿m~3和28.94亿m~3，利用率由37%提升至45%，在保障煤矿安全开采的前提下极大地助力碳达峰碳中和目标的实现。梯级利用主要是根据甲烷浓度高低分别加以综合利用，对于甲烷体积分数≥30%的高浓度煤矿瓦斯，可以进行集输后按照效益最大化原则进行发电、民用、工业利用等。对于甲烷体积分数<30%的低浓度瓦斯，依据不同浓度瓦斯利用技术差异性及适应性，将低浓度瓦斯的浓度利用区间划分为4级：甲烷体积分数介于16%～30%的低浓度瓦斯可采用变压吸附技术，提纯后可使甲烷体积分数达到30%以上满足后续民用及集输等要求，该项技术已在晋城矿区成庄矿建设了处理能力为12 000 m~3/h的示范装置；在有高浓度煤矿瓦斯的矿区也可利用掺混技术直接将甲烷体积分数提高至30%以上进行集输利用。甲烷体积分数介于9%～16%的低浓度瓦斯可采用就地发电技术，转化为电能后可自用或上网，该技术已在晋城矿区赵庄矿、胡底矿、长平矿等建设了示范装置。甲烷体积分数介于6%～9%的低浓度瓦斯可采用直燃技术，转化为热能后进行电、热、冷三联供，该技术已在成庄矿建设了示范装置。甲烷体积分数介于1%～6%的低浓度瓦斯可采用蓄热氧化与掺混技术，同样转化为热能后进行电、热、冷三联供，该技术已在华阳新材料科技集团有限公司(原阳泉煤业集团)一矿及五矿建设了示范装置。低浓度瓦斯梯级利用技术虽然在山西重点煤矿区进行了成功示范，但目前仍存在很多技术经济难题，在碳达峰碳中和目标下，亟需进行持续攻关并快速提高利用率。

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煤田地质与勘探

2022年第09期

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不同煤阶煤应力敏感特征及其控制机理

作者(Author)：孙粉锦, 杨焦生, 王玫珠, 孙斌, 张继东, 赵洋, 邓泽

摘要：煤储层应力敏感降低储层渗透率，进而影响煤层气井产能，如何降低排采中的应力敏感性影响值得深入研究。为了弄清不同煤阶煤储层的应力敏感性特征及差异性，分别采集樊庄高煤阶煤、保德中煤阶煤和二连低煤阶褐煤的样品，系统开展加载和卸载过程中不同煤阶煤的应力敏感性实验，并对应力敏感的产生机理进行分析。结果表明，随煤阶的升高，煤样的应力敏感性逐渐增强，含明显裂缝的样品敏感性更强。加载有效应力10 MPa条件下，相比初始渗透率，二连低煤阶褐煤样品渗透率下降79.26%，卸载后不可逆渗透率损害率平均33.4%；保德中煤阶煤样渗透率下降79.4%，卸载后不可逆渗透率损害率平均51.4%；樊庄高煤阶煤样加载后渗透率下降92.33%，卸载后渗透率只能恢复30%左右。产生这种差异的机理主要是由于不同煤阶煤的物质组成、孔裂隙结构以及渗流通道不同造成的。低煤阶煤变质程度低，主要发育大、中孔隙，割理–裂隙不发育，为基质孔隙–喉道渗流，渗透率主要受连通喉道控制，应力加载时主要是大、中孔压缩变形严重，而尺度较小的喉道受压缩变形小，因而其应力敏感性相对弱；而高煤阶煤孔隙以微、小孔为主，镜质组含量高，割理–裂隙发育，控制其渗透性，应力加载时微、小孔难以被压缩，而裂隙抗变形能力弱，易发生韧性变形破坏或闭合，卸载后也难以恢复，表现出强应力敏感特征。考虑到高煤阶煤储层埋深更大、应力更高，因此其应力敏感性对产能伤害大，排采初期宜以较小强度进行，降低不可逆渗透率伤害，扩大压降范围；而低煤阶煤储层本身应力低、渗透率较高，应力敏感对产能影响相对较小，排水期可适当加快速度，提高排水效率。

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煤田地质与勘探

2022年第09期

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