煤层气开发理论与技术

1、2015年12月16日煤层气开发理论与技术概论煤层气开发理论与技术概论主主 要要 内内 容容1 1、弥补我国天然气供需缺口、弥补我国天然气供需缺口2 2、减轻矿井灾害程度、减轻矿井灾害程度3 3、降低煤矿开采成本、降低煤矿开采成本4 4、保护环境、保护环境主主 要要 内内 容容1.1.三个基本概念三个基本概念煤层气：煤层气：是指赋存在煤层中以甲烷为主要成分、以吸附在煤基是指赋存在煤层中以甲烷为主要成分、以吸附在煤基质颗粒表面为主并部分游离于煤孔隙中或溶解于煤层水中的烃质颗粒表面为主并部分游离于煤孔隙中或溶解于煤层水中的烃类气体，其成分以甲烷为主，往往将其简称为煤层甲烷。类气体，其成分以甲烷为主

2、，往往将其简称为煤层甲烷。瓦斯：瓦斯：赋存在煤层中的煤层气与采动影响带中的煤成（层）气赋存在煤层中的煤层气与采动影响带中的煤成（层）气、采空区的煤型气及采掘活动过程中新生成的各种气体的总称、采空区的煤型气及采掘活动过程中新生成的各种气体的总称煤型气：煤型气：是指含煤地层中煤和分散有机质，在成岩和煤化过程是指含煤地层中煤和分散有机质，在成岩和煤化过程中形成的天然气，以游离状态、吸附状态和溶解状态赋存于煤中形成的天然气，以游离状态、吸附状态和溶解状态赋存于煤层和其它岩层内。其中赋存在煤层中，成分以甲烷为主的煤型层和其它岩层内。其中赋存在煤层中，成分以甲烷为主的煤型气称为煤层气或煤层甲烷，赋存在围岩

3、中的煤型气称为煤成气气称为煤层气或煤层甲烷，赋存在围岩中的煤型气称为煤成气。1 1）烃类气体）烃类气体 甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、异丁烷。甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、异丁烷。 干气（贫气）：干气（贫气）：CH495% 或或 C2+% 5% 湿气（富气）：湿气（富气）： CH45% C1/ C1 5值大于值大于99%，为特别干的气体，为特别干的气体， 95%99%为干气，为干气， 85%95%为湿气，为湿气， 小于小于85%，为特别湿的气体。，为特别湿的气体。2.2.煤层气的化学组成煤层气的化学组成2 2）非烃类气体）非烃类气体 氮气、二氧化碳、一氧化碳、硫化氢、微量的惰性气体氮气、二氧化碳、一氧化碳

4、、硫化氢、微量的惰性气体HP5889色谱仪色谱仪3.3.煤层气的成因煤层气的成因1）生物降解煤层气）生物降解煤层气 泥炭泥炭褐煤阶段褐煤阶段 Ro,max0.5% 2）热解型煤层气）热解型煤层气 褐煤褐煤瘦煤阶段瘦煤阶段 Ro,max介于介于0.52.0%3）裂解型煤层气）裂解型煤层气 瘦煤阶段瘦煤阶段三号无烟煤三号无烟煤 2.0%Ro,max3.7%4）次生生物成因煤层气）次生生物成因煤层气 0.3%Ro,max1.5% 煤的显微组成煤的显微组成 镜质组镜质组 有机显微组分有机显微组分 惰质组惰质组 壳质组壳质组 无机显微组分无机显微组分 矿物质矿物质煤薄片煤薄片煤砖光片煤砖光片粉煤光片粉煤

5、光片daf(cf/t)煤类煤类产气量产气量m3/t吸附能力吸附能力m3/t褐煤褐煤38688长焰煤长焰煤13816889气煤气煤182212911肥煤肥煤199230 1114焦煤焦煤2402701820瘦煤瘦煤2572871418贫煤贫煤2953302024无烟煤无烟煤3464222436不同煤类的产气量和吸附能力不同煤类的产气量和吸附能力主主 要要 内内 容容1.1.煤层气煤层气资源量大、分布相对集中n41个聚煤盆地，2000m以浅的煤层气资源量为约36.8万亿立方米。n9个主要盆地资源量大于1万亿方，合计28万亿方，占全国76%2.2. 中国煤层气资源大区分布中国煤层气资源大区分布东部煤

6、层气地质资源量最大，占31%，其次是中部和西部，各占28%，南方占13%，青藏最少，仅0.01%。2. 盆地分布资源集中分布在大型含气盆地（群），约占84.2%煤层气资源盆地分布直方图 3.3.中国煤层气资源不同类型盆地分布中国煤层气资源不同类型盆地分布2. 盆地分布在9个I类煤层气盆地中，鄂尔多斯最大，约占31.8%，其次是沁水、准噶尔、滇东黔西。主要含气盆地煤层气资源分布直方图 4.4.中国主要盆地煤层气资源分布中国主要盆地煤层气资源分布5.5.中国煤层气资源层系分布特点中国煤层气资源层系分布特点侏罗系煤层气为主，其次是石炭-二叠系，还有少量的三叠系煤层气。中生界的煤层气资源占总地质资源量

7、的55.72%，其次是古生界煤层气，约占44.18%。煤层气资源深度分布直方图 6.6.中国煤层气资源深度分布中国煤层气资源深度分布6.6.中国煤层气资源深度分布中国煤层气资源深度分布7.7.中国煤层气资源煤阶分布中国煤层气资源煤阶分布n 全国煤层气有效矿业权99个n 煤层气探矿权95个，总面积约6.5万平方公里，煤层气探矿权分布在17个省。煤层气探矿权人25个，包括3家中直企业，22家地方煤层气企业。n 煤层气采矿权4个，总面积约450平方公里，采矿权仅分布在山西、辽宁省。采矿权人为中国石油天然气股份有限公司、辽宁省铁法煤业集团有限责任公司等。n 涉外煤层气探矿权20余个，分布在9个省，总面

8、积2.3万平方公里。8.8.中国煤层气资源矿权分布中国煤层气资源矿权分布中国中国5050余个单位及外企在华公司进行煤层气勘探开发余个单位及外企在华公司进行煤层气勘探开发中石油中石化煤炭煤炭院校院校公司公司浙浙江江：沁沁水、水、鄂鄂东、东、筠筠连连开开发发大大庆、庆、玉玉门门：海海拉拉尔、尔、鹤鹤岗、岗、潮潮水水武武威威勘勘探探华华北北煤煤层层气气公公司司、廊廊坊坊分分院、院、国国家家煤煤层层气气工工程程中中心、心、渤渤钻、钻、川川陕、陕、长长城城公公司司，宁宁武武阜阜新新开开发发中中海海油油中中联联：矿矿权权内内勘勘探探开开发发、对对外外合合作作煤煤科科院院西西安、安、重重庆庆分分院院：科科研

9、研攻攻关关技技术术服服务务晋晋煤煤、阳阳煤煤、潞潞煤、煤、兰兰花、花、榆榆神神：沁沁水水鄂鄂东东贵贵煤、煤、川川煤、煤、云云煤煤：六六盘盘水水古古舒、舒、云云南南勘勘探探河河南、南、淮淮南南煤煤层层气气公公司司：两两淮淮焦焦作作平平顶顶山山华华东东公公司司：延延川川和和顺、顺、伊伊犁、犁、织织金金区区块块勘勘探探石石油油勘勘探探开开发发研研究究院院：资资源源评评价、价、综综合合研研究究新新煤、煤、黑黑煤、煤、铁铁法、法、准准东、东、吐吐哈、哈、铁铁法、法、依依兰兰石石大大地地大大矿矿大大河河理理大：大：实实验验室、室、科科研研服服务务奥奥瑞瑞安安北北京、京、奥奥瑞瑞安安国国际际技技术术服服务、

10、务、三三交交开开发发龙龙门、门、亚亚美、美、富富地、地、菲菲利利普普斯、斯、格格瑞瑞克、克、BP中中澳、澳、远远东、东、亚亚加、加、能能源、源、亚亚太太壳壳牌、牌、道道拓拓特特拉拉维维斯斯特、特、瑞瑞弗弗莱莱克、克、中中海海沃沃邦、邦、耀耀天天1.板块构造复杂，国外煤层气经验理论存在局限性，研究难度大1、小地块拼合 中朝板块最大，仅为俄罗斯克拉通地块1/5，北美克拉通地块的1/12。2、 地块多期聚合 元古代中朝、扬子、塔里木板块；古生代古亚洲洋、古特提斯洋；三叠纪中国大陆各地块；中、新生代青藏各地块3、 周边板块活动性强 劳亚：J3-K1 冈瓦纳：Pz, T, K-E2 ,N-Q 太平洋：J

11、, E2-34、 板块内部变形作用强 基本属大陆地块边缘，各种弱化面多期、多种方式活动，使内部构造比国外极为复杂。2. 含煤层气盆地一般经历了多期构造运动，盆内构造复杂沁南煤层气埋藏演化图地质时代构造期次煤层最大埋深（m）阶段特征C-T海西晚期印支期4500慢速、快速埋藏J1-J2印支燕山早期3500埋深稳定和波动，抬升剥蚀J3-K1燕山中期晚期3200埋深显著减小，构造抬升和构造热事件K2-Q喜山期1500煤层埋深减小，构造分异明显鄂尔多斯盆地吉县韩城煤层气埋藏演化图地质时代构造期次煤层最大埋深（m）阶段特征C-T海西晚期印支期3100慢速、快速埋藏J1-J2印支燕山早期2500埋深稳定和波

12、动J3-K1燕山中期晚期3000埋深显著减小，构造抬升和构造热事件K2-Q喜山期1500煤层埋深持续减小，构造分异明显3. 成煤期多，储层非均质性强主要成煤期：早第三纪；侏罗白垩纪；早中侏罗纪；晚三叠纪；晚二叠纪；石炭二叠纪；早石炭纪。 各成煤期地质构造复杂，成煤环境复杂，煤层气成藏条件复杂。n中国煤层气含量分布的基本特点：南高北低，东高西低。n平均气含量(干燥无灰基)：华南的煤矿区多在10-15m3/t，松藻矿区高达27.1m3/t；华北的煤矿区，除山东省外，多在5-10m3/t，其中阳泉、晋城、焦作、鹤壁和安阳矿区较高；东北的煤矿区，除红阳和抚顺较高外，一般较低，为4-6m3/t。4. 含

13、气量分布不均，含气饱和度总体上较低4. 含气量分布不均，含气饱和度总体上较低 全国115个目标区煤层平均含气量4-27.1m3/t之间，平均为9.76，平均含气饱和度为20-91%，平均为45%，聚气区聚气带含气量/m3.t-1含气饱和度/%聚气区聚气带含气量/m3.t-1含气饱和度/%华北华北北缘15.659东北三江-穆棱河6.349京 唐10.056松辽-辽西9.050冀中平原8.03050浑江-红阳16.167太行山东15.553西北柴北-祁连5.929沁 水9.538准 南6.331霍 西5.030塔 北4.030大同-宁武6.030华南下扬子北缘6.746鄂尔多斯东缘8.043湘中-

14、赣中14.258渭 北10.147东 南7.134鄂尔多斯西部5.230上扬子北缘13.250桌 贺8.038川 东12.772豫 西12.960川南-黔北8.943徐 淮7.131滇东-黔西9.853豫北-鲁西9.830黔 桂8.440渡口-楚雄4.830全国各煤层气聚气区煤层平均含气性统计结果煤层含气性要素聚气区华北聚气区华南聚气区东北聚气区西北聚气区含气量/ m3.t-19.311.49.16.0含气饱和度/%42525330中国主要聚气区煤层平均含气性统计结果煤层含气性要素主 要 聚 煤 区石炭-二叠纪晚二叠世晚三叠世早-中侏罗世早白垩世第三纪含气量/ m3.t-19.410.911.

15、56.06.412.0含气饱和度/%435054344853 中国煤储层试井渗透率测值变化于0.00216.17md，平均为1.27md， 以0.11md为主。 渗透率小于0.1md的占35； 0.11md之间的占37；大于1md的层次占28。小于0.01md和大于10md的均较少。 渗透率在5md以上的煤储层仅分布在华北的韩城、柳林、寿阳； 渗透率介于15md的煤储层分布范围相对较广，包括韩城、柳林、寿阳、晋城、淮北、淮南、焦作、哆峰、铁法、平顶山等，其它地区煤储层渗透率均低于1md。 5. 渗透率普遍偏低，总体上小于1md美国黑勇士盆地绝对渗透率多在1 25md之间；圣胡安盆地部分高压区煤

16、层绝对渗透率为515md；粉河盆地煤储层渗透率非常有利，割理（裂隙）渗透率在35-500md。1红阳煤田2大同煤田3沁水盆地4河东煤田5渭北煤田6安鹤煤田7平顶山煤田8永夏煤田9荥巩煤田10淮北煤田11淮南煤田 5.渗透率普遍偏低，总体上小于1md我国32个矿区煤层气试井结果表明: 超压状态占33.2%；正常压力状态占21.9%； 欠压状态占45.3%。6. 煤储层压力低，煤层气降压解吸难度较大聚气带目标区储层压力状态聚气带目标区储层压力状态松辽辽西铁法欠压高压鄂尔多斯东缘离柳三交正常高压沈北正常吴堡正常阜新欠压渭北韩城正常超压浑江红阳红阳正常超压沁水阳泉寿阳欠压正常湘中赣中丰城欠压霍东欠压豫

17、西平顶山高压晋城欠压徐淮淮南欠压高压太原西山正常超压淮北欠压太行山东峰峰欠压高压冀中平原大城欠压正常安阳鹤壁欠压京唐开滦欠压焦作欠压6.煤储层压力低，煤层气降压解吸难度较大主主 要要 内内 容容1.煤层气勘探向纵深扩展，探明储量显著增长1.煤层气勘探向纵深扩展，探明储量显著增长2.煤层气产能规模扩大，产销量同步上升3.煤层气成为现实的天然气补充能源主主 要要 内内 容容1.煤的孔裂隙结构煤的孔裂隙结构宏观裂隙宏观裂隙大、中、小、微大、中、小、微一级、二级、三级割理一级、二级、三级割理显微裂隙显微裂隙阶梯状、雁列式、帚状、阶梯状、雁列式、帚状、X X式式孔隙孔隙大孔、中孔、过渡孔、微孔大孔、中孔

18、、过渡孔、微孔渗流孔、吸附孔渗流孔、吸附孔2.煤层气赋存状态煤层气赋存状态面割理端割理溶解气溶解气游离气游离气吸附气443.吸附曲线：吸附曲线：型：适用于无孔均型：适用于无孔均一表面的单分子层吸一表面的单分子层吸附或微孔吸附剂的容附或微孔吸附剂的容积填充机理，前一种积填充机理，前一种可用可用Langmuir方程来方程来描述，后一种应使用描述，后一种应使用D-R（D-A）方程来描）方程来描述。述。Langmuir方程用于描述方程用于描述无孔均一表明的单分子层无孔均一表明的单分子层吸附。吸附。3、煤化阶段形成不、煤化阶段形成不同饱和度的煤同饱和度的煤煤层气多层吸附、含自由煤层气多层吸附、含自由气。

19、气。煤层气单层、或多层吸附煤层气单层、或多层吸附。4（3）煤层气欠饱和煤）煤层气欠饱和煤4（1）煤层气过饱和吸附）煤层气过饱和吸附煤层气多层吸附。煤层气多层吸附。4（2）煤层气饱和煤）煤层气饱和煤1、植物繁殖遗体堆积2、泥炭化阶段、泥炭化阶段吸附理论吸附理论1： 吸附是单分子层的；固体表面是均匀的，各处的吸附能力是相同的；已被吸附分子之间无作用力；吸附平衡是动态平衡。 11mLLV bpV pabpVbpbppp吸附等温式：4.吸附理论吸附理论单层吸附煤与气体分子间煤与气体分子间范德华力范德华力煤基质煤基质水水吸附气分子吸附气分子逃逸力逃逸力气体首先以单层的形式被吸附在煤孔隙表面上。吸附理论吸附理论2： 被吸附分子和碰撞到其上面的气体分子之间存在范德华力，因而发生多层吸附；第一层的吸附热和以后各层的吸附热不同，而第二层以上各层的吸附热相同；吸附质的吸附和脱附只发生在直接暴露于气相的表面上。 吸附等温式：0011mmpCPV PPV CV C P4.吸附理论吸附理论单层吸附后，气体再以多分子层吸附。多层吸附BET方程煤基质煤基质水水当煤层气经多分子层吸附仍有剩余时，便以自由气形式存在。过饱和吸附（存在自由气）吸附理论吸附理论3：吸附势理论认为吸附是由势能引起的，在固体表面附近存在一个势能场，即吸附势，就如同地球存在引力场而使空气在地球表面附近包覆成大气