煤層氣開發(fā)理論與技術(shù)概論

煤層氣開發(fā)理論與技術(shù)概論2005年

3月張遂安教授中國石油大學(xué)（北京）石油工程2001級

《石油工程新理論新技術(shù)講座》

1、煤層氣的基本概念

2、煤層氣生成與儲集

3、煤層氣儲層改造技術(shù)

4、煤層氣排采工藝技術(shù)

5、排采廢水處理提綱煤層氣的基本概念

煤層氣是指賦存于煤層及其圍巖中的與煤炭共伴生的可燃烴類氣體，其主要氣體組分為甲烷（CH4），是地史時期煤中有機質(zhì)熱演化生烴產(chǎn)物。不同學(xué)者從不同的角度分別命名為煤層氣、煤層甲烷等，常見的英文名稱有CoalbedMethane、CoalSeamsGas等，一般縮寫為CBM。煤層氣業(yè)內(nèi)絕大多數(shù)學(xué)者普遍采用“煤層氣（CoalbedMethane）”。由于其獨特的賦存狀態(tài)（以吸附態(tài)為主）、非常規(guī)儲層（典型的自生自儲、多重孔滲的有機儲層）和特有的產(chǎn)出機理（排水—降壓—采氣），因此被稱之為非常規(guī)天然氣（UnconventionalityNaturalGas）。煤層氣煤層氣的基本概念油型氣煤型氣煤層氣與煤成氣、煤礦瓦斯關(guān)系示意圖煤層氣的基本概念CMM煤層氣CBM煤礦瓦斯天然氣煤成氣在煤炭工業(yè)界，通常將涌入煤礦巷道內(nèi)的煤層氣稱之為煤礦瓦斯（Gassy），其氣體組分除煤層氣組分外，還有煤礦巷道內(nèi)氣體的成分，如氮氣（N2）、二氧化碳（CO2）等空氣組分以及一氧化碳（CO）、二氧化硫（SO2）等采礦活動所產(chǎn)生的氣體組分。在煤層氣概念引進(jìn)初期，有些學(xué)者為便于業(yè)外人士了解煤層氣，通常在煤層氣一詞后加注“俗稱煤礦瓦斯”。近年來，國內(nèi)外有些學(xué)者為區(qū)分兩者之間的概念差異，將通過煤礦井下抽放（GasDrainagein-mine）、采動區(qū)（GOB）抽放或廢棄礦井（AbandonedMines）抽排等方式獲得的煤層氣稱之為CoalMineMethane（縮寫為CMM）。煤礦瓦斯煤層氣的基本概念

煤層氣與常規(guī)天然氣組分對比表

組分

（體積含量）常規(guī)天然氣煤層氣甲烷

（%）93.2~97.596.67~97.33乙烷

（%）1.1~1.30丙烷

（%）0.32~0.430異丁烷

（%）0.025~0.0770正丁烷

（%）0.021~0.0730異戊烷

（%）0.018~0.0290正戊烷

（%）0.009~0.01840二氧化碳

（%）0.012~0.0190.24~0.29氮

（%）0.25~0.44603.09~2.38氧

（%）0.071~0.0920相對密度0.57~0.590.5664~0.5693煤層氣與常規(guī)天然氣組分對比表

煤層氣的基本概念煤層氣生成與儲集1、煤層氣的生成2、煤層氣的儲集3、煤層氣儲層特征煤層氣的生成①原生生物氣；②熱成因氣；③次生生物氣。泥炭在細(xì)菌的分解下可生成大量的生物成因甲烷，但由于泥炭化階段，蓋層條件主要為裸露的地表水，氣體很容易擴散到大氣層中，因此在這一階段所生成的甲烷等氣體絕大部分無法保存。進(jìn)入褐煤階段仍然生成生物成因的甲烷，由于褐煤鏡煤反射率為<0.50％，也就是說已經(jīng)有了蓋層，并形成一定的溫度（約50℃），在漫長的地史中，可生成一定數(shù)量的生物成因甲烷和少量熱成因甲烷。如我國撫順盆地的煤現(xiàn)在煤級為長焰煤和氣煤，由于煤層厚度平均為50m，而且頂板直接為一巨厚層油頁巖層，這就有可能使在泥炭－褐煤階段生成的甲烷部分殘存在煤層中，其煤層氣含量為5.55～15.23m3/t，平均9.23m3/t，比同煤級的氣含量高。而推測煤層中可能保留了褐煤級期前生成的原生生物氣。又如美國的粉河盆地，煤層單層厚達(dá)67m，總厚118m，反射率Rmax=0.3％～0.4％，煤層甲烷含量僅0.03～2.3cm3/g，然而成為美國煤層甲烷達(dá)到商業(yè)開采中最低的煤級，這說明褐煤中煤層甲烷由于煤層厚度大，也是可以被富集成工業(yè)氣田的（Pratt,et,1991）。由泥炭—褐煤主要是在細(xì)菌分解和發(fā)酵減少CO2，生成甲烷。原生生物氣煤層氣的生成當(dāng)煤層上覆地層厚度不斷地加大，溫度和壓力也隨之增加，煤變質(zhì)作用開始，即當(dāng)Rmax

>0.5％時，即從進(jìn)入長焰煤階段，一直到無煙煤Ⅲ、Ⅱ號，煤層氣生成量不斷增加，在肥、焦煤和貧煤階段生氣量最大。在煤化作用的進(jìn)程中，煤具有自己的化學(xué)結(jié)構(gòu)分子式，從褐煤—無煙煤的變化中，煤結(jié)構(gòu)的芳香核苯環(huán)數(shù)量逐漸增加，縱向堆砌加厚，排列順序化，側(cè)鏈基（主要為烷基）和含氧官能團、含氮硫官能團，由于在不同壓力和溫度作用下，不斷分解、斷裂，伴隨產(chǎn)生烴類和非烴類氣體。熱成因氣又分為熱降解和熱裂解兩個階段。

熱成因氣煤層氣的生成煤層形成之后，被抬升或隆起時，在淺部煤層中溫度降低到<56℃以下，在此溫度內(nèi)，生成甲烷的細(xì)菌能夠存活。這些細(xì)菌由地表水與地下水交換，細(xì)菌隨著水體進(jìn)入煤層，并發(fā)生新陳代謝活動，生成甲烷－次生生物氣。由于我國對煤層甲烷的穩(wěn)定碳同位素研究不夠，因此對煤層氣的類型鑒別能力還不足，也就是說還不能證實那些盆地有次生成因的生物氣。但從目前資料分析，我國煤層氣δ13C1值為-66.3‰～-13.3‰看，煤層中存在生物氣，而它們是早期菌解生物氣還是次生生物氣還有待證實。不過本次評價的煤級為長焰煤—無煙煤Ⅱ、Ⅲ號，一般是不含早期菌解生物氣的，因此δ13C1<-58‰煤層氣應(yīng)為晚期成因的次生生物氣。次生生物氣煤層氣的生成煤層氣不僅來源于煤層的熱演化，而且還儲集于煤層之中。煤炭是煤層氣的載體。

從時空配置關(guān)系，可以說有煤炭資源分布的地方就有煤層氣資源分布，只是富集程度不同而已。

自生自儲煤層氣生成過程示意圖

煤層氣的儲集以吸附態(tài)為主事實上，在原地儲層條件下的煤層氣主要為吸附態(tài)甲烷早已被大量的等溫吸附實驗和煤層氣開發(fā)實踐所證實。其證據(jù)有三：（1）通過將實測煤層氣含量數(shù)據(jù)與等溫吸附實驗所獲得的理論吸附量進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，絕大多數(shù)樣點的煤層氣吸附飽和度處于吸附欠飽和或接近吸附飽和狀態(tài)，很少有吸附過飽和狀態(tài)。這一事實充分證明煤層氣的賦存狀態(tài)以吸附為主。（2）煤層氣開發(fā)實踐進(jìn)一步證實煤層氣以吸附為主的賦存特點。幾乎所有煤層氣生產(chǎn)井都是在排水降壓之后才開始產(chǎn)氣的，不具備游離氣產(chǎn)出的特征。（3）盡管煤層孔隙及裂隙中充滿了水，但水溶甲烷量相對實測煤層氣含量值而言是微不足道的。甲烷水溶實驗表明，在通常煤儲層溫度、壓力和礦化度條件下，每升水所能溶解的甲烷也不過0.05～3.11升。若煤層孔隙按30%（此假設(shè)值遠(yuǎn)大于實際情況）計算，每噸煤最多也只有0.25m3的水；用最大溶解度3L/L計算，每噸煤最多溶解甲烷只不過是0.75m3。

煤層氣的儲集煤層氣的儲集飽和煤層（A）含有最大的氣含量，這在理論上是可能的，如由實驗室確定的等溫吸附曲線所定義的。在開始脫水和壓力下降時，氣生產(chǎn)立即開始。

欠飽和煤層（B）含有比煤層可能吸附量要少的甲烷，由于先前發(fā)生過脫氣事件。為了使氣產(chǎn)氣甚至需要幾年的時間進(jìn)行脫水和降壓，而最終的儲量減少。

飽和的

欠飽和的

煤層氣的儲集煤層氣儲層特征煤層氣儲層是一種有機質(zhì)儲層，具有吸附性強、孔滲結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點。煤層氣儲層特征煤的孔隙類型及其成因簡述類型成因簡述對煤層氣的運移作用原生孔胞腔孔成煤植物本身所具有的細(xì)胞結(jié)構(gòu)孔+屑間孔鏡屑體、惰屑體和殼屑體內(nèi)部顆粒之間的孔+后生孔角礫孔煤受構(gòu)造應(yīng)力破壞而形成的角礫之間的孔+++碎?？酌菏軜?gòu)造應(yīng)力破壞而形成的碎粒之間的孔++淋濾孔煤中經(jīng)流水淋濾作用而形成的孔++變質(zhì)孔氣孔煤變質(zhì)過程中產(chǎn)生氣體和氣體聚集形成的孔++礦物質(zhì)孔鑄模孔煤中礦物質(zhì)在有機質(zhì)中因硬度差異而鑄成的印坑

溶蝕孔可溶性礦物質(zhì)在長期氣、水作用下受溶蝕而形成的孔+晶間孔礦物晶粒之間的孔+注：+++為作用大；++為作用中等；+為作用?。豢瞻诪闆]有作用煤層氣儲層特征滲透率與樣品尺寸的關(guān)系由于煤的天然裂縫發(fā)育特征，較大樣品顯示出滲透率較高。煤層氣儲層特征煤層氣儲層的滲透性滲透率與測試方法的關(guān)系煤層氣開發(fā)方式示意圖(A)地面垂直井或定向井開采；(B)廢棄礦井抽排；(C)煤礦井下本層抽排；

(D)煤礦井下鄰近層抽排；(E)采動區(qū)垂直井抽排（GOBWELL）。煤層氣開發(fā)方式1、裸眼擴徑2、洞穴完井3、水力壓裂煤層氣儲層改造技術(shù)裸眼擴徑裸眼擴徑（特高滲）美國粉河盆地洞穴完井洞穴完井技術(shù)洞穴完井技術(shù)洞穴完井技術(shù)洞穴完井技術(shù)洞穴完井技術(shù)洞穴完井技術(shù)水力壓裂美國煤層氣壓裂技術(shù)發(fā)展概況(1)低壓、低滲—必須壓裂，且要有一定的規(guī)模、減少傷害(2)天然裂隙發(fā)育—要求大排量(3)低模量、低強度（脆、軟，易破碎）、非彈性體特征顯著(4)吸附能力極強—慎防有機添加劑，以免造成嚴(yán)重的吸附傷害(5)膨脹性、水化性—防膨脹煤層氣儲層特征及其對壓裂工藝技術(shù)的要求不僅要求壓裂液應(yīng)滿足煤層的防膨、降濾、返排、降阻、攜砂等技術(shù)要求，以降低傷害程度；而且還要滿足大排量、大規(guī)模壓裂施工，以達(dá)到形成較長裂縫，提高單井產(chǎn)量的目的。影響壓裂效果的地質(zhì)、工藝因素分析地質(zhì)因素:(1)煤層的孔滲類型與煤層氣產(chǎn)出機理

(2)煤層的巖石力學(xué)性質(zhì)對壓裂效果的影響

(3)煤層滲透能力

(4)煤層濾失性的壓力敏感特征

(5)水化膨脹敏感性

(6)吸附潤濕特性工藝因素:(1)施工規(guī)模對壓裂效果的影響

(2)施工排量對壓裂效果的影響

(3)砂比對壓裂效果的影響壓裂液配方活性水:清水＋2.0%氯化鉀＋0.2%表面活性劑＋少量殺菌劑線性膠:清水＋2.0%氯化鉀＋0.2%表面活性劑＋0.4%稠化劑+0.01%氫氧化鈉＋過硫酸銨+0.1%低溫活化劑交聯(lián)凍膠:清水＋2.0%氯化鉀＋0.2%表面活性劑＋0.4%稠化劑+0.01%氫氧化鈉＋過硫酸銨＋0.1%低溫活化劑+硼砂非離子表面活性劑防膨性能:活性水(強)>線性膠>交聯(lián)凍膠>清水(弱)表面/界面張力:線性膠最大>活性水其次>交聯(lián)凍膠最小吸附速度:活性水最快>

線性膠>交聯(lián)凍膠最慢

7.773×10-6g2/s3.721×10-6g2/s1.787×10-6g2/s攜砂能力:交聯(lián)凍膠(強)>線性膠>活性水(弱)濾失性能:線性膠較交聯(lián)凍膠大一個數(shù)量級破膠后殘渣:線性膠(249mg/L)低于交聯(lián)凍膠(294mg/L)

大大低于石油標(biāo)準(zhǔn)(500mg/L)傷害率:交聯(lián)凍膠(88.02%)

線性膠(57.18%)

活性水(11.88%)三種壓裂液的性能特點棗園井組壓裂方案示意圖

加砂規(guī)模：不低于6～10m3/m煤

加砂強度（平均體積比）：活性水壓裂砂比≥15%；膠液壓裂砂比≥25%。壓裂施工排量 活性水：6.5—7.5m3/min； 膠液：4.5—5.