煤层气开发复习

1煤层气：是赋存于煤层及其围岩中，与煤炭共伴生的可燃烃类气体，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气水中，是地史时期煤中有机质热演化成烃产物。2煤层气特有的产出机理：排水--降压--采气。3煤层气运移产出机理：解吸、扩散、渗流。4煤的显微组分：镜质组、壳质组、惰质组。5煤岩组分：镜煤、亮煤、暗煤、丝炭。6煤阶：用数量表示煤化过程程度或成熟度。7镜质体反射率：在显微镜下，于油浸及546nm波长条件下镜质组的反射光强度与垂直入射光强度的百分比。8煤层：由上下两个层面限制的煤及其间所夹的矸石层。9煤层的结构：简单结构煤层、复杂结构煤层。10煤层顶板包括伪顶、直接顶、老顶，煤层底板包括伪底、直接底、老底。11煤孔隙类型根据孔隙成因分为：原生孔、变质孔、外生孔、矿物质孔。12根据煤孔隙尺寸分为：大孔＞1um、中孔0.1--1um、小孑L0.01--0.1um、微孔＜0.01um13表征煤孔隙结构的基本参数：孔径、比孔容、比表面积、孔隙度、中值孔径。14煤比孔容：单位质量煤中孔的容积。15煤比表面积：单位质量煤中孔隙的表面积。16煤的孔隙度：孔隙总体积与煤总体积之比。17影响煤孔隙特征的主要因素（1）煤变质程度的影响：从长焰煤开始，随着煤化程度的加深，煤的总孔隙体积逐渐减小；到焦煤、瘦煤时达最低值，后又增加，至无烟煤达到最大值（2）煤破坏程度的影响：对烟煤，煤的破坏程度越高，煤的渗透容积也就越大。（3）地应力的影响：压应力越高，孔隙率减小；张应力越高，孔隙率增加。18按形态和成因，煤裂隙可分为内生裂隙、外生裂隙、继承性裂隙。19内生裂隙：煤化作用过程中，煤中凝胶化物质受温度和压力的影响，体积均匀收缩产生内张力，从而形成的裂隙。20面割离和端割离的特征：面割理：延伸较远的主裂隙组。是连续的裂缝，延伸长度大、发育，先于端割理形成。端割理：介于主裂隙组之间的次裂隙组。面割理和端割理通常相互垂直或近似正交。21外生裂隙：煤受构造应力作用产生的裂隙。22继承性裂隙：如果内生裂隙形成前后的构造应力场方向不变，早先的内生裂隙就会进一步强化，表现为部分内生裂隙由其发育的煤分层向相邻分层延伸扩展，但方向保持不变。23煤储层裂缝的评价方法及标准：裂缝密度、裂缝的联通性、裂缝发育程度。24裂缝密度：一定距离内割理数量的多少。25煤层裂隙影响因素：煤变质程度的影响、煤岩组分与煤岩类型的影响、煤体结构的影响、矿物质的影响、煤层结构的影响、古地应力场的影响、水文地质作用的影响。26煤层气储集层的渗透性：在一定压差下，允许流体通过其连通孔隙的性质。27绝对渗透率：当孔隙中只存在单相流体，且流体与介质不发生任何物理化学作用时，多孔介质允许流体通过的能力。28单相渗透率：单相流体通过煤岩孔体、裂隙时的渗透率。29有效渗透率：当孔隙中只存在多相流体时，则多孔介质允许每一项流体通过的能力。30相对渗透率：有效渗透率与绝对渗透率的比值。31渗透性的地质影响因素：地应力，埋藏深度，煤体结构，储层压力，水文地质条件，流体介质，毛管力、贾敏效应和粘性指进。32煤层气的三种赋存状态：游离状态、吸附状态、溶解状态。33常用的煤储层几何模型：双重孔隙几何模型、双直径球形模型、三元结构模型。34煤层气储层压力：作用于煤孔隙和煤裂隙空间上的流体压力（包括水压和气压）。35储层压力系数：实测地层压力与同深度静水柱压力之比值。36煤层气压力：在煤田勘探钻孔或煤矿矿井中测得的煤层孔隙中的气体压力。37煤层气成因类型：.原生生物气产生于泥炭褐煤阶段。在这个阶段，成煤物质生成的泥炭层埋深浅，上覆盖层的胶结固化不好，生成的甲烷通过渗透和扩散容易排放到古大气中去，因此，这一阶段所生成的甲烷等其他绝大部分无法保存。此后，随着泥炭层的下沉，上覆盖层越来越厚，成煤物质中的温度和所受压力也随之增高，生物化学作用逐渐减弱直至结束，在较高的压力和温度作用下泥炭转化为褐煤，并逐渐进入煤化作用变质作用阶段。进入褐煤阶段可生成一定数量生物成因的甲烷和少量热成因甲烷。热成因气（1）热降解：长焰煤--贫煤阶段。在热力作用下，有机质中各种官能团和侧链分别按活化能大小依次发生分解，主要转化为不同分子结构的烃类和非烃气体，形成的部分液态烃则以渗出沥青形式产出，但多数会被煤基质束缚和吸收。（2）热裂解：贫煤--无烟煤。化学反应以芳香核之间的缩合为主，并由此产生大量甲烷气体。次生生物气发生于煤层形成之后，煤层被抬升或隆起时，在浅部煤层中温度降低到＜56以下，在此温度内，生成甲烷的细菌能够存活。这些细菌有地表水与地下水交换，细菌随着水体进入煤层，并发生新陈代谢活动，生成甲烷--次生生物气。38煤层气藏：受相似地质因素控制、以吸附态为主、有一定煤层气资源规模、具有独立流体系统的煤岩体。39煤层气藏的边界：经济边界、水动力边界、风氧化带边界、物性边界、断层边界、岩性边界。经济边界：适用于工业性煤层气藏，以该煤层气藏具备商业开发价值的最低含气量表达。物性边界：煤体在构造应力作用下成为糜棱煤，物性变差，排驱压力增大，对煤层气的扩散运移起到阻止作用。40高低煤阶煤层气藏的差异：1.成因分析：（1）高煤阶煤层气的成因以热成因为主；（2）未成熟低煤阶煤层气以原生生物成因为主（3）低煤阶成熟煤层气既有次生生物成因，又有原生与次生热成因。2.含气性差异：（1）高煤阶煤层气藏吸附能力强，含气量高；（2）低煤阶煤层气藏吸附能力弱，含气量低；3.物性差异：（1）高煤阶变质程度高，基质致密，煤层物性渗透率差；（2）低煤阶变质程度低，基质疏松，煤层物性渗透率高；（3）高低煤阶物性变化的二元性差异。41水文地质条件差异性：（1）高煤阶滞留水区域为富水区；（2）低煤阶环流水区为富水区。42成藏差异性（1）高煤阶煤层气藏的成藏过程复杂；（2）低煤阶煤层气藏的成藏过程简单。43煤层气藏保存条件：1.较强的吸附能力是煤层气富集的前提；2.良好的封盖条件是煤层气保存的重要因素；3.地层水弱交替区或交替水阻滞区有利于煤层气的保存；4.构造运动对煤层气保存的影响：（1）如果地壳接受下降并接受沉积有利于煤层气保存；（2）断裂作用。若处于饱和区煤层气不一定大量散失。5.区域岩浆热变质区有利于煤层气富集；6.煤层分布广，厚度大，含气量和含气饱和度高；7.壳质组产气能力最强，镜质组次之，惰质组最差；8.处于构造斜坡带或埋藏适中的向斜区；9.处于地层高压区；10.煤层气异常压力：（1）生烃压力；（2）保存及封盖条件；（3）水动力条件。44吸附平衡：当吸附和解吸的速度相当时，颗粒表面的气体分子数目就维持在某一定量。Langmuir吸附方程式：V=~^^，匕代表煤层的吸附能力，p乙代表煤层吸附气体的难p易程度45煤层气赋存状态的转化:处于煤储层裂隙系统中的甲烷气体，当煤储层的原始状态未发生改变时，只有当甲烷气体组分的浓度大于其溶解度时，才会出现游离气。当储层温度一定时，若储层压力降低，煤孔隙中的气体则发生解吸，溶解度降低，吸附气和溶解气向游离气转化;若储层压力升高，孔隙内甲烷气体压力升高，会有更多的游离气首先向溶解气转化，当水中溶解气饱和后，游离气会被吸附到小孔、过度孔、和微孔表面，还有一部分甲烷分子进一步渗入煤基质中，成为吸附态气体，对同一区域同一煤层来说，温度对其影响最小。46煤层气物理吸附和物理解吸的差异：1.作用过程：吸附偶于煤的热演化生烃、排烃过程之中（是一种“自发过程”），解吸是人为的排水--降压--解吸过程（是一种“被动过程”）；2.作用时间：吸附是一个漫长的过程以百万年计，解吸是一个相对较快的过程以天、小时计。3.作用条件：煤具有很强的吸附能力，煤热演化生成的煤层气足以满足煤的吸附，煤层在演化中逐步脱水、升温、增压，而煤具有更强的解吸能力，有限的降压和极有限的基质孔隙空间，解吸过程几乎是恒定的温度。4.影响因素：吸附的影响因素有煤质、基质孔隙内表面积等，解吸的影响因素是游离态的煤层气逸散速度等。47煤层气吸附饱和度：煤层在一定的温度、压力和湿度等条件下对甲烷的吸附饱和程度，实际含气量与理论吸附量之比。48临界解吸压力：在煤层气开采过程中，随着排水降压，煤层气中流体的压力将逐步降低，煤层气开始解吸时刻对应的压力。49临储压力：临界解吸压力与储层压力之比。50临界产气压力：在煤层气开采过程中，煤层气开始大量产出时刻的井底流压。51煤层气井的钻进方式：旋转钻进、冲击旋转钻进。52钻井设计的主要内容包括：井径、套管选择以及井深结构。53煤层气井完井的目的：1.使井筒与煤层的天然裂隙和裂隙系统有效地连通；2.有效的封堵出水地层和不同压力体系的煤层，有利于增产措施和产气作业；3.降低钻井污染，提高产气量；4.防止井壁坍塌和煤层出砂，保障煤层气井的采气作业和长期生产；5.降低成本。54煤层气井常用完井方式：裸眼完井、射孔完井、混合完井、裸眼洞穴完井、水平排泄孔衬管完井等。55先期裸眼完井：钻到煤层上方地层下套管固井，再钻开生产层段的煤层的完井方法。56后期裸眼完井：在钻完全部设计井深后，将生产套管下至煤层顶部并固井的方法。57筛管完井：在钻穿煤层后，把带筛管的套管柱下入煤层部位，然后注水泥封隔煤层顶部以上的环形空间完井。58套管射孔完井：钻完全部井深，下套管、固井并将煤层用水泥封住后，用射孔器射穿套管，水泥环和部分煤层，构成煤层与井筒的连通通道。59尾管射孔完井：将技术套管下至煤层顶部并固井，然后再钻完全部井深，下入尾管并悬挂在技术套管上，用射孔器射穿尾管、水泥环和部分煤层，构成煤层与井筒的连通通道。60混合完井：是裸眼完井和套管完井在同一口井中使用。61裸眼洞穴完井：在较高的生产压差作用下，利用井眼的不稳定性，在井壁煤岩发生破坏后允许煤块塌落到井筒中，进而形成物理洞穴。62多煤层完井技术：在单煤层完井技术的基础上，根据全井各煤层的特点和上下围岩的性质，有针对性的选择套管射孔完井、套管射孔+裸眼完井、套管射孔+裸眼洞穴完井等几种完井技术。63射孔过程对煤层保护措施：1.优化射孔液性能；2.优化射孔参数；3.正压射孔和增产联作技术；4.选用与储层配伍的优质射孔液；5.射孔后抽汲替喷的煤层保护；6.选择合适的射孔方法。64试井：以渗流力学理论为基础，以各种测试仪表为手段，通过对油气井或水井生产动态的测试来研究油、气、水层和测试井的各种物料参数、生产能力、以及油、气、水层之间的连通关系的方法。65煤层气藏试井方法：DST测试、段塞流测试、注入/压降测试法、压力恢复试井、多井干扰试井。66DST测试：又称中途测试，钻杆将测试工具下入井内，在井下进行开关井操作，依靠地层流体的流动，直接快速获取井下压力-时间关系曲线，分析曲线获得地层参数，是认识测试层段的流体性质、产能大小、压力变化和井底附近有效渗透率以及目的层段被污染状况的常用手段。67段塞流测试：通过瞬时向井筒中加入液体或从井筒抽出一定体积的流体，使之形成一个段塞，然后测量恢复过程中压力随时间的变化，直至达到地层初始压力，由此求取渗透率、井筒储集系数和表皮系数。68注入/压降测试法：是一种单井压力瞬变测试，以合理的排量和压力向地层注水一段时间，在井筒周围产生一个高于原始储层的分布压力区，然后停泵、关井，使得压力与原始储层逐渐趋于平衡。69压力恢复试井：生产井在稳定生产的条件下，把测试管柱下入井内，压力计记录关井后井底压力随时间变化曲线。70多井干扰试井：由一口激动井与一口或多口观测井组成。干扰试井中，通过向激动井注入或从井中抽汲液体对测试地层施加压力瞬变，在激动井和所有观测井中连续监测对外加应力的压力响应。71表皮效应：经常有这样一个围绕井筒的带，由于有钻井泥浆的泥皮或完井时水泥的影响，造成这一带的渗透率比储层的其它部分的渗透率降低，就好像是一层表皮围绕着井筒，导致过高的压降。72井筒储集效应：在压力恢复测试中，其流量是从一恒定值变为零，但多数情况下，流量的控制是在井口或管线上，虽然井口测出的流量是恒定的，但在井筒内部，从储层进入井筒的流量并不恒定。这就是井筒储集效应。73无限作用径向流：井筒储集效应一结束，井筒的压力变化即可反映储层中的压力情况。随着时间的推移，压力响应反映了距井筒更远处的储层状况，最后压力响应受到储层边界作用的影响。在此以前，从压力影响中是看不出储层边界的，就好像储层无限大一样。储层边界响应：储层是有边界的，因此无限作用径向流阶段不能一直使用。74多孔效应：在试井过程中必须对一种多相性储层引起注意，此类储层的压力响应具有明显的原生孔隙和次生孔隙。75煤层气产出的三个阶段：1.单相流动阶段。在煤层气开采初期首先排水降压，在储层压力未降至临界解吸压力之前，煤储层压力会不断降低。在储层压力达到临界解吸压力之前，煤层气不会发生解吸，煤层水会由裂缝系统进入井筒排除，此时只有水的产出，而无游离气体的存在，即在井筒附近只有水的单相流动。2.非饱和单相流阶段：随着煤层水的不断排出，储层压力进一步下降，当其下降到低于临界解吸压力时，甲烷分子开始从煤颗粒表面解吸，形成游离气。煤层气解吸后，由于浓度差的存在，会使其由基质向割理系统扩散。在解吸的初期，由于气泡的产生，会使水的相对渗透率下降，但由于气泡数量有限，还不能形成连续的气体流动。此时虽已存在着气水两相，但水中含气体尚未达到饱和程度，因此还不能形成气体的连续流动，只有水相才能够连续流动。3.两相流阶段：随着储层压力和水饱和度的进一步降低，大量的气体从煤基质中解吸出来，并扩散至裂缝系统，由于压差的存在，引起气体沿裂缝向井筒流动。水中溶解气达到饱和，气泡互相连接，形成连续气流。水的相对渗透率不断下降，气的相对渗透率逐渐升高。最终，在煤层裂隙系统中形成了气--水两相达西流，煤层气连续产出。76单井排采的采气机理：当煤储层存在补给边界或越流补给时，单井排水形成压降漏斗，在井底压力大于临界解吸压力而小于原始地层压力时，只有水的单相流动。当井底压力小于临界解吸压力后，形成解吸压降漏斗，解吸压降漏斗内的煤层气开始解吸，煤层气从煤的表面解吸出来，一方面扩散，另一方面溶于水中，出现非饱和流动。泄流半径继续增大，解吸漏斗也增大，原解吸漏斗范围内早已解吸的煤层气开始渗流，形成气和水两相渗流流动。后形成的解吸漏斗开始解吸，出现水的非饱和流动，泄流半径以外的水不流动。77多井排采的采气机理：当煤储层存在补给边界或越流补给时，当开井排水，压力下降到解吸压力以上时，形成压降漏斗，但只有单相水流动，与单井开采相同；继续排水，压力下降到解吸压力以下，未达到井间干扰，解吸漏斗内的气解吸，形成水的非饱和流动，这时也与单井开采相同；当相邻井的泄流半径之和大于井距时，由于井间干扰，井间压力下降到临界解吸压力以下，井间开始解吸气，同时先前解吸的气扩散、溶解、渗流，形成两相流动；当井间压力下降到井底压力时，井间的气全部解吸、扩散溶解、渗流，形成大面积的解吸和两相流动。当井群中井与井之间的距离小于各井的影响半径时，彼此之间的流量和降深都要发生干扰。在承压含水层中，地下水的流动方程是线性的，可以直接运用叠加原理，即当两口井的降落漏斗随抽水的延续不断扩展至两个压力降落漏斗相互交接、重叠时，重叠处的压力降等于两个降落漏斗所形成的压力降之和。78煤层气采出水处理：去除水中悬浮杂质；去除TDS；曝气沉降；冻融蒸发（FTE）工艺；反渗透；紫外光；化学处理；离子交换；电容脱盐作用和去离子作用；反向电渗析法；蒸馏法；人造湿地。79多分支水平井：由一个主井眼和两个或两个以上的分支井眼所组成的。80多分支水平井的优势：1.增加有效供给范围；2.提高了导流能力；3.单井产量高，经济效益好；4.有利于环境保护；5.减少对煤层的伤害。81不同井型产能的主控因素：1.垂直井：（1）井位选择不当；（2）煤层污染；2.水平井：（1）水平段长度：水平煤层水平段长度、不同地层产状的水平段长度；（2）夹角与方位：均质煤层、非均质煤层；（3）水平段间距与分支间距；（4）分支形态提高煤层气井产能的方法：1.高产稳产井位的确定；2.采用强化措施；3.井网优化；4.群井开采；5.多煤层开采。82开发井网的部署要考虑的原则：1.地质因素：主要考虑煤储层因素，应寻找煤层气含量高的地区进行井网部署；2.开发因素：（1）分步实施，均衡开采；（2）开发层序有效组合，实现整体规划，立体开采；（3）合理采气速度3.经济效益83经济极限井网密度：总产出等于总投入，总利润为零时的井网密度。84最优井网密度：当总利润最大时的井网密度。85合理井网密度：实际井网部署应在最优井网密度与经济极限井网密度之间选择一个合理值。86水力压裂技术：采用地面高压压裂泵车，以高于储层吸入的速度，从井的套管或油管向井下注入压裂液，当井筒的压力增高，达到克服地层的地应力和岩石抗张强度时，岩石开始出现裂缝，形成一条或数条裂缝。87高能气体压裂技术：利用固态、液态火药或推进剂在目的层快速燃烧产生的大量高温高压气体，对地层脉冲加载压裂，使地层产生并形成多裂缝体系，同时还产生较强的脉冲震荡，作用于地层岩石，综合改善和提高地层渗流导流能力，扩大有效采油（气）面积，达到提高产量的目的。88