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煤层气基础知识


1.1. 煤层气的定义和基本特征 从矿产资源的角度讲,煤层气是以甲烷为主要成分(含量>85%) ,是在煤 化作用过程中形成的, 储集在煤层气及其临近岩层之中的,可以利用开发技术将 其从煤层中采出并加以利用的非常规天然气。 对煤层气而言,煤层既是气源岩,又是。煤层具有一系列独特的物理、化学 性质和特殊的岩石力学性质,因而使煤层气在贮气机理、孔渗性能、气井的产气 机理和产量动态等方面

与常规天然气有明显的区别(详见表 1.1) ,表现出鲜明的 特征。
表1.1 煤层气藏与常规天然气藏基本特征的对比 特征 气藏类型 气源 储基层岩性 双重空隙结构 煤层气 层状的沉积岩 自生 有机质高度富集的可燃有积岩,易受 入井液、水泥等的伤害 煤基质块中的孔隙是主要的孔隙,占 总空隙体积德绝大部分;裂隙系统是 天然气裂隙,占总空隙体积的次要部 分,它们基本上等间距分布,并使煤 具有不连续性 气体的绝大部分贝吸附在煤的内表面 上,孔隙空间中很少或没有游离气 在基质中的流动是由浓度梯度引起的 扩散,然后由于压力梯度的作用在裂 隙中引起渗滤 解吸-扩散-渗流 常规天然气 局部圈闭 外源 几乎是100%的无机质岩石, 不易受 伤害 主要发育于石灰岩、白云岩,页岩 及致密砂岩中。天然裂隙(包括节 理、裂隙、溶道、洞穴等)将粒间 孔隙分割成一个个方块,裂隙是随 机分布的 气体以游离态贮集在岩石的孔隙空 间中 流动是由压力梯度引起的层流,并 服从达西定律;在近井地带可出现 紊流 在气体自身的压力梯度作用下流动

气体的贮存 流动机理

气产出机理 气井生产状况

气产量随时间而增加, 直至达最大值, 气产量开始最大,然后随时间而降 然后大降。起初主要产水,气水值随 低。起初,很少或者没有水产出, 时间而增大 但气水值随时间而减少 由于煤具有脆性和裂隙较发育,因而 是一种较弱的岩石,这使钻井的稳定 性较差,并影响水力压裂的效果。在 一定条件下,可采用特殊的洞穴完井 技术。杨氏模量在700MPa范围内 易被压缩,孔隙体积压缩系数在 0.01MPa-1范围内,因而孔隙度、渗透 性对应力较敏感,在生产期间有明显 的变化 岩石较坚硬,通常钻井的稳定性不 成问题。杨氏模量在7000MPa范围 内

机械性能

储层性质

压缩性很小,孔隙体积压缩系数在 10-4MPa-1范围内,孔隙度、渗透性 在生产期间的变化不明显

资料来源:张新民 中国煤层气地质与资源评价 2002 年

1.2. 煤层气生成 1.2.1. 煤层气成因类型及形成机理 从泥炭到不同变质程度煤的形成过程中,都有气体的生成。根据气体生成机 理的不同, 可以将煤层气的成因类型分为生物成因和热成因两类。生物成因气主 要形成于煤化作用的未成熟期, 而热成因气主要形成于煤化作用的成熟期和过成 熟期。 1.2.1.1. 生物成因气 生物成因气主要由甲烷组成, 它是由各种微生物的一系列复杂作用过程导致 有机质发生降解作用而形成。 生物成因气又可以根据产生阶段的不同分为原生生 物气和次生生物气。 (1)原生生物气 原生生物气是在煤化作用早期( R0<0.5%) ,在较低的温度下(一般低于 50
0

C) ,在煤层埋藏较浅处(<400m) ,在细菌的参与和作用下,微生物对有机质发

生分解作用而形成的以CH4为主要成分的生物生成气。在原生物生成气生成的具 体途径和方式有两种,一种是由CO2还原而成;另一种由甲基类发酵(一般为醋 酸发酵)而成。生物气的形成应具备的主要条件是:① 缺氧环境;② 低硫酸盐浓 度;③ 低温;④ 丰富的有机质;⑤ 高PH值;⑥ 足够的空间。 (2)次生生物气 Rice(1981)和 Scott(1994)等人认为在近地质时期,煤层被抬升,活跃 的地下水系统和大气淡水形成了微生物活动的有利环境,在相对较低的温度下, 微生物降解和代谢煤层中已经形成的湿气、甲烷和其它有机化合物,生成次生物 成因气(主要是 CO2 和 CH4) 。次生物成因气的地球化学组成与原生生物成因煤 层气相似,主要差别在于煤岩的热演化阶段。在次生生物气的形成阶段,R0 值 范围很宽,一般为 0.30%~1.50%,且煤层一般被抬升到浅部。次生生物气生成 和储存的条件是:① 煤层埋藏并煤化到褐煤或较高煤级;② 区域隆起或抬升;③ 适宜的渗透性;④ 盆地边缘有流水回灌到煤层中;⑤ 有细菌运移到煤层中;⑥ 有 高储层压力和圈闭条件。 1.2.1.2. 热成因气 随着煤变质程度不断加深, 煤层由低阶向高阶演化,当煤化进入长焰煤阶段

(R0<0.5%),就开始了热生气阶段。随着煤化作用的不断加深,二氧化碳和水 不断消耗,煤层生气量不断增加,一直到无烟煤Ⅱ 、Ⅲ 号阶段(即R0<6.00%)为 止。根据生成阶段的不同,热成因气又可具体划分为热降解气和热裂解气。 (1)热降解气 热 降 解 生 气 阶 段 主 要 发 生 在 煤 化 作 用 的 长 焰 煤 到 瘦 煤 阶 段 ( 即 R0 为 0.5%~1.9%) 。这一阶段发生的化学反应主要是在热力作用下(<250 0C) ,生成大 量烃类物质,并且以生气为主,生油为辅。气态烃组成仍然以甲烷为主,同时重 烃含量也逐渐增加。 (2)热裂解气 热裂解生气阶段主要发生在煤化作用的瘦煤到无烟煤初期阶段(即 R0> 1.9%) 。在高温条件下(>2500C) ,残余的干酪根、液态烃和部分重烃发生裂解 生气。这一阶段所生成的气体以甲烷为主,是重烃含气量较低的干气。 1.2.2. 煤层气组分及影响因素 1.2.2.1. 煤层气组分 煤层气一般均由CH4组成,还包括C2H6、C3H8、C4H10 等及部分CO、CO2、 N2、H2、H2S等。根据Scott于1995年对美国1380口煤层气生产井气体成分的统计 结果表明,煤层气的平均成分为:CH493%、CO23%、湿气3%、N21%。 1.2.2.2. 煤层气组分影响因素 虽然煤层气的主要成分是甲烷,但是在不同盆地、不同煤级的储层、不同煤 层气井之间, 煤层气的组成经常会出现较大的差异。这是因为煤层气的形成是长 期的煤化作用的结果,其形成时间比较长,且形成环境复杂特殊,其组分受到多 种因素的影响。煤层气成分的主控因素包括:① 煤的显微组成;② 煤层气的成因 类型;③ 煤层气自身的解吸—扩散—运移;④储层压力;⑤ 煤阶;⑥水文地质条 件。 1.3. 煤层气成藏 1.3.1 煤层气成藏的含义 常规天然气藏的定义是建立在圈闭基础之上的。 天然气藏是指天然气在单一 圈闭中的聚集。“单一”的含义主要指受单一要素控制、在统一面积内具有统一的 压力系统、统一的(油)气、水边界(戴金星等,1996) ,是天然气在地壳中聚

集的基本单位。圈闭“是地层空间中一个由等气势面或等油势面构成的三维封闭 的低气或油势空间”(戴金星等,1996) 。储层、盖层和遮挡条件(指地层褶曲、 断层、岩性、水动力等)这三要素共同组成圈闭,再加上气源的进入就形成了天 然气藏。 煤层气以煤层为储基层,气源由煤层自身生成,主要以吸附态存在,它不像 常规油气藏那样遵循重力分异原理。常规气藏在运移、聚集过程中,油、气、水 不断分异,不论何种圈闭、何种形态,一般都聚集在位于储层相对较高处的由高 气势面封闭构成的低气势区内; 而煤层气则不必受由高气势面构成的三维封闭的 低气势而形成的圈闭的控制, 只要有较好的盖层条件, 能够维持相当的地层压力, 使煤层能“吸附住”一定的气体, 无论在储层 (即煤层) 的构造高部位还是低部位, 都能形成气藏。 因此, 煤层气藏的定义不建立在圈闭概念之上。 煤层气藏是指在地层压力 (水 压和气压) 作用下保有一定数量气体的同一含煤地层的煤岩体,并具有独立的构 造形态。 它是在煤层热演化作用过程中形成的,而在后期构造运动中未被完全破 坏,呈层状产出。煤层气藏是进行煤层气勘探和开发的基本地质单元。 1.3.2. 煤层气藏形成条件 煤层气藏的形成条件包括储集和保存两个方面的条件。 储集条件主要受煤层 厚度和煤变质程度影响,而保存条件主要受盖层和地质构造作用的影响。另外, 由于煤层的埋藏深度对气成分、储层压力、煤储层的渗透性有重要影响,因而也 是控制煤层气藏的一个重要因素。 1.3.2.1. 煤层厚度 一定厚度的煤层,使煤层气藏形成的基础。煤层越厚对煤层气藏越有利。 1.3.2.2. 煤变质程度 煤层的生气量和储气能力都受煤变质程度的控制, 所以煤变质程度对煤层气 藏的形成具有重要作用。其表现主要有两个方面: ① 煤变质程度太低,不利于煤层气藏的形成。对于褐煤,由于处于生物化 学生气阶段,热解气即将开始生成,所以煤层的含气量不高。同时,由于褐煤煤 层透气性能良好, 致使煤层气容易逸散。 因此, 褐煤很难形成有价值的煤层气藏。 但是,当煤层埋藏较深,厚度很大时,或者有良好的盖层时,褐煤也可以形成煤

层气藏。 ② 煤变质程度太高,煤层已失去储气能力,不能形成煤层气藏。对于超高变 质的超无烟煤,孔隙度很低,储气能力十分有限,不能形成煤层气藏。 1.3.2.3. 煤层埋藏深度 煤层的埋藏深度是压力的主要来源,随着埋藏深度的增加,压力不断增大, 煤层对甲烷的吸附能力也随之提高。 具体表现为煤层含气量随着埋藏深度的增加 而有规律的增长。此外,如果地质构造条件发生变化,使得煤层发生升降,就会 改变压力,从而影响煤层气藏的保存。 1.3.2.4. 封盖条件 对于煤层气藏,气体主要以吸附态存在,气藏压力也比较低,因而它对盖 层的要求不如天然气藏那样严格。 良好的封盖条件对煤层气藏的形成仍然是一个 重要条件, 它能将不同煤系地层分隔成各自独立的系统,使吸附在煤层中的烃类 气体以吸附状态较长时间地保存在煤层中,减少溶解气和游离气的散失。 1.3.2.5. 水文地质条件 封闭的水动力系统和水动力受阻形成的高压是煤层气吸附和富集的有利条 件。如果封闭的水动力系统被打破,将破坏煤层的压力平衡,使得吸附气减少, 溶解气和游离气发生散失。 1.3.3. 煤层气藏类型 目前, 煤层气藏的类型划分尚未形成统一认识,本文采用王红岩等提出的分 类方法:
表 1.2 常见煤层气藏类型、特点及实例 类型 水压单斜型煤层气藏 特点 实例 位于大型沉积盆地的边缘、构造稳定、 断裂不发育, 煤层分布稳定、 范围广泛, 鄂尔多斯盆地、 沁水盆地 煤层埋深<2,000 m 位于老的中小型含煤盆地内,煤层最大 埋深<2,500 m,煤层分布广泛而稳定, 断裂和构造活动相对不发育 位于年轻的小型-中型沉积盆地上 , 煤 层埋藏在 4,500 m 以下、超压,构造相 对稳定、断裂相对不发育,煤层分布广 泛而稳定、低渗透、低产 圣胡安盆地(美国) 、平 顶山向斜煤盆地

水压向斜型煤层气藏

气压向斜煤层气藏

开平向斜

断块型煤层气藏

位于中小型含煤盆地上,煤层埋藏浅, 一 两淮、渭北、豫西 般<2,000 m,断裂发育,构造活动强烈,

水文地质相对简单 背斜型煤层气藏 地层-岩性型煤层气 藏 岩体刺窜型煤层气藏 复合类型富集区 一般位于中小型含煤盆地内,构造断裂 中等,水文地质条件简单 位于中-小型含煤盆地中,以陆相含煤 盆地最为发育,煤层分布范围小,不稳 定,煤层埋藏深度<2,000 m 湖南白沙矿梅田井田

准格尔、吐哈

位于有岩浆侵入的各种类型煤盆地中, 东北的铁法煤田 构造中等-复杂,断裂发育 存在与各种类型的煤盆地

资料来源:王红岩等.煤层气富集成藏规律.2005

1.4. 煤层气的开发和利用 1.4.1. 煤层气开发 1.4.1.1. 煤层气开发方式 最常见的煤层气开发方式主要有两种,即:井下瓦斯抽放和地面钻井开采。 (1)井下抽放煤层气 井下抽放煤层气是从煤矿井下采掘巷道中打钻孔, 在地面通过煤层气泵来抽 取煤层中的煤层气。这种开发方式的煤层气产量较小,甲烷浓度不高 (20%~50%) ,而且容易受到煤矿采掘生产的影响,所以它多以煤矿安全生产为 目的,煤层气的利用率较低。 1952 年中国辽宁省抚顺矿务局的龙凤矿首次开始了较大规模的井下抽采煤 层气活动,经过 50 多年的发展,井下抽放煤层气已经成为中国最主要的煤层气 开发方式。据统计,截止 2005 年上半年,中国煤矿高瓦斯矿井 4462 处,煤与瓦 斯突出矿井 911 处。在 615 对国有重点矿井中,煤与瓦斯突出矿井近 200 对,高 瓦斯矿井 152 对,装备地面固定瓦斯抽采系统 308 套。2005 年,中国井下抽采 煤矿瓦斯近 23 亿立方米,阳泉、晋城、淮南、松藻、盘江、水城、抚顺等 7 个 矿区年抽采量超过 1 亿立方米。 (2)地面钻井开采煤层气 地面钻井开采煤层气是从地面钻井进入未开采煤层, 通过排水降压解吸出煤 层中的煤层气, 再通过井筒流动到地面。 这种开采方式的产气量大、 产气时间长, 甲烷含量高(大于 90%) ,所以可以支撑大规模的商业化利用。这种开采方式使 得人们看到煤层气可以通过井孔排采到地面,像常规天然气一样加以利用,从而 真正把煤层气当作一种矿产看待,并被列入具有重要经济价值的矿产资源行列。

为了保证煤层气的可采性, 并且获得一定的经济效益,这种开发方式对煤层气资 源量、煤层地质构造、含气量、渗透率、地理环境等都有较高的要求。 美国是世界上最先成功应用这一开采方式的国家, 煤层气已经实现大规模商 业化生产。 中国于 20 世纪 80 年代开始引进和学习美国的技术,先后在湖南里王 庙、河南焦作、山西阳泉、辽宁抚顺等煤矿进行钻井。20 世纪 80 年代后期至 90 年代初, 国际组织和外国公司开始介入中国煤层气的勘探开发,但是取得工业气 流的煤层气井很少。20 世纪 90 年代初,中国石油煤层气勘探项目经理部和中联 煤层气有限公司的成立, 标志着中国煤层气地面开发的第一个高峰的到来,经过 10 余年的发展,中国煤层气地面开发已经形成沁水盆地和鄂尔多斯盆地两大热 点区域。2003 年首先, 沁水盆地南部枣园井组和阜新盆地刘家井组最先实现了 小规模商业开发,标志着中国煤层气地面开发已经进入商业化阶段。 1.4.1.2. 煤层气生产的特点 煤层气以游离状态、 吸附状态和溶解状态三种形式赋存于煤层中,而其中吸 附态要占到绝大多数。要获得工业产量,首先必须使甲烷从煤的表面解吸,然后 通过煤的基质和微孔隙进行扩散,最后在割理和裂缝中渗流达到井底。这就使得 煤层气的产出存在三个连续的阶段:第一阶段,只产出水,降低井底压力;第二 个阶段,当压力进一步降低,此时有一定数量的甲烷从煤的表面解吸出来,形成 孤立的气泡,出现非饱和单相流阶段,气相不能流动,但阻碍水的流动,水的相 对渗透率下降;第三阶段,储层压力进一步下降,气量增加,形成连续的气相流 动, 出现气液两相流。煤层气的这种产出特点使得煤层气生产有别于常规油气生 产: (1)必须最大限度的降低井底压力; (2)生产前一般需要先排水,需要进行 气、水地面分离; (3)由于地层压力较低,产出的气需要压缩到输送压力; (4) 产出的水要进行处理; (5)气井产量一般较低,但稳产周期相对较长。 1.4.1.3. 煤层气生产中的废水处理 煤层气在采出过程中伴随有大量的水产出。产出水一般具有高矿化度,含有 大量的悬浮物,如果不对其进行处理,则会造成一定的环境问题。在采出水经过 曝气池曝气沉淀除去煤渣, 降低铁和有机物的含量后,再取上清液通过除盐装置 (反渗析膜、电渗析膜、蒸发池或离子交换法)处理达标后,再按以下三种方法 来处理:地面排放(将煤层气采出水直接排入附近河流或用于农田灌溉) 、地面

蒸发(利用地面蒸发池来处理煤层产出水) 、回注地下(将煤层气采出水用注水 井重新回注地下) 。 在干旱型地区,煤层气采出水处理达标后可以用于农田灌溉; 其他地区可地面排放或回注。 1.4.2. 煤层气利用 和常规天然气一样, 煤层气也是燃烧值高而且洁净的燃料气,不仅可以用作 燃料,也可以作为化工原料。 1.4.2.1. 民用燃料 煤层气的大规模利用, 一直是以民用作为首要的市场需求。由于煤层气热值 高且容易调整,不需要净化处理装置,不腐蚀、不堵塞输气设备,所以很适合于 民用燃料。 1.4.2.2. 工业燃料 煤层气作为工业燃料主要用于发电厂、加工厂和汽车工业。利用煤层气发电 是煤层气的一个非常重要的用途,在世界范围内发展较快。不同型号的煤层气发 电设备可以利用不同浓度的煤层气。 煤层气也可以用来加工玻璃和冶炼,替代煤炭,不仅热值高,而且有利于改 善加工厂内部和周边环境,提高产品质量。 利用天然气作为燃料替代汽油的汽车已经在部分城市中普及, 但是天然气供 不应求的矛盾已经日益凸现。 用煤层气代替部分天然气是一个重要的趋势,目前 已经有一些煤矿和城市利用井下抽采的煤层气作为汽车燃料, 取得了较好的经济 效益。 1.4.2.3. 化工原料 煤层气中的甲烷是重要的化工原料, 经过加工可以将甲烷加工成各种化工产 品,如甲醇、甲醛、甲胺、尿素和碳黑等。其中最有市场前景的产品是合成氨、 合成醇或烃类。


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