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黔西织纳煤田华乐勘探区煤层气吸附性研究

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黔西 煤田 勘探 煤层气 吸附性 研究
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 第41卷第4期煤炭科学技术Vol􀆰 41  No􀆰 4 2013年4月Coal Science and Technology Apr.  2013 黔西织纳煤田华乐勘探区煤层气吸附性研究李 腾1ꎬ2ꎬ吴财芳1ꎬ2(1􀆰中国矿业大学资源与地球科学学院ꎬ江苏徐州  221008ꎻ2􀆰中国矿业大学煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室ꎬ江苏徐州  221008)摘 要:为了查清华乐勘探区主采煤层的煤层气吸附特征及影响吸附性的主要地质因素ꎬ利用采集煤样的等温吸附试验结果ꎬ并结合华乐勘探区两口煤层气井试井资料进行了研究ꎮ研究表明:华乐勘探区主采煤层吸附量较高ꎬ干燥无灰基兰氏体积为17􀆰 69~21􀆰 38 m3 / tꎬ平均19􀆰 46 m3 / tꎻ煤储层的实测饱和度均普遍小于100%ꎬ分布于75􀆰 04% ~105􀆰 55%ꎬ平均84􀆰 51%ꎬ说明该地区煤储层为欠饱和储层ꎻ临界解吸压力1􀆰 22~9􀆰 10 MPaꎬ平均3􀆰 25 MPaꎻ理论采收率为19􀆰 96% ~46􀆰 15%ꎬ平均34􀆰 51%ꎮ在影响煤储层吸附性的主要地质因素中ꎬ煤储层压力、埋深均与含气量呈明显的正相关关系ꎬ同时煤储层变质程度越高ꎬ煤层中微孔和小孔越发育ꎬ吸附甲烷的能力就越强ꎮ关键词:煤层气ꎻ煤储层ꎻ吸附性ꎻ含气量ꎻ织纳煤田中图分类号:TE121     文献标志码:A     文章编号:0253-2336(2013)04-0100-04Study on Adsorption of Coal Bed Methane inHuale Exploration Zone of Zhina Coalfield in W est GuizhouLI Teng1ꎬ2ꎬWU Cai ̄fang1ꎬ2(f Resource and Earth ScienceꎬChina University of Mining and TechnologyꎬXuzhou  ey Lab of Coal Bed Methane Resources and Formation ProcessꎬChina University of Mining and TechnologyꎬXuzhou  221008ꎬChina)Abstract:In order to find out the coal bed methane adsorption features of the main mining seams in the Huale Exploration Zone and themain geological factors affected to the adsorptionꎬthe isothermal adsorption experiment results of the collected coal samples were applied tothe study on the logging information of two coal bed methane wells in Huale Exploration tudy results showed that the adsorptionvalue of the main mining seam in Huale Exploration zone was highꎬthe dry no ash base Lange̓s volume was ranging from t and the average was 3 / ite measured saturation of the coal reservoir all was less than 100% generallyꎬthe distributionwas the average was and the above showed that the coal reservoir in the area was less saturated esorption pressure was Pa and the average was heoretical mining recovery rate was ranging from19􀆰 96%~46􀆰 15% and the average was In main geological factors affected to the adsorption of the coal reservoirꎬthe coal reservoirpressure and the reservoir depth would have obvious positive relationship to the gas content and meanwhileꎬthe higher metamorphic degreeof the coal reservoirꎬthe more developed of the micro pore and small pore in the seam would be and the higher adsorption capacity of themethane would ords: coal bed methaneꎻcoal reservoirꎻadsorptionꎻgas contentꎻZhina Coalfield收稿日期:2012-11-09ꎻ责任编辑:曾康生基金项目:国家科技重大专项资助项目(2011ZX05034)ꎻ国家重点基础研究发展计划(973计划)资助项目(2009CB219605)作者简介:李 腾(1989— )ꎬ男ꎬ河南洛阳人ꎬ硕士研究生ꎮ Tel:15896422052ꎬE-mail:litenghappy2008@ yahoo􀆰 cn引用格式:李 ]):100-   言煤层气以吸附态、游离态和溶解态3种形式赋存在煤储层中ꎬ其中吸附态是煤层气赋存的主要形式ꎮ因此ꎬ煤层气在煤表面的吸附能力对煤层含气性具有控制作用ꎬ对煤层气采出率影响重大ꎬ直接影响到煤层气井的产能[1]ꎮ同时ꎬ利用煤的吸附常数及其他参数可以间接预测煤层含气量[2]ꎮ因而ꎬ研究煤的吸附能力及其影响因素显得尤为重要ꎮ煤层气的吸附性受多种因素影响ꎬ除受煤阶、煤岩组成、001李 腾等:黔西织纳煤田华乐勘探区煤层气吸附性研究2013年第4期孔隙度、孔径结构等内在因素控制外ꎬ也受温度、压力等外部环境制约ꎮ笔者从储层压力、埋深、煤变质程度及孔裂隙特征4个方面研究了比德-三塘盆地华乐勘探区主采煤层的吸附性及其影响因素ꎮ1 研究区地质背景比德-三塘盆地位于贵州省六盘水市水城县与六枝特区分界地带ꎬ是织纳煤田的主体部分ꎬ总面积1 692 km2ꎬ含煤面积约1 000 km2ꎮ比德-三塘盆地是一个复式向斜残留盆地ꎬ由比德向斜、加戛背斜、水公河向斜、白泥菁向斜、三塘向斜、阿弓向斜、珠藏向斜等构成ꎬ华乐勘探区位于比德向斜西南翼(图1)[3]ꎮ图1 比德-三塘盆地构造研究区为多煤层含煤区域[4-5]ꎬ含煤层数高达几十层ꎬ其中可采煤层超过18层ꎬ浅部主要可采煤层为2、3、5、6号煤层ꎮ各煤层宏观煤岩类型较简单ꎬ以半亮型为主ꎬ次为半亮-半暗型ꎬ光亮-半亮型较少[6-7]ꎮ有机质总量在81􀆰 3% ~ 98􀆰 8%ꎬ平均90􀆰 05%ꎻ镜质组含量22􀆰 3% ~83􀆰 9%ꎬ平均68􀆰 3%ꎻ惰质组含量3􀆰 2% ~ 32􀆰 6%ꎬ平均17􀆰 9%ꎻ挥发分5􀆰 61%~28􀆰 84%ꎬ平均10􀆰 53%ꎻ固定碳含量较高ꎬ一般情况下达到70%以上ꎬ最高可达85􀆰 74%ꎮ研究区煤储层甲烷体积分数多数超过80%ꎬ比德向斜含气量一般在8~24 m3 / tꎬ1 000 m以浅可采煤层的煤层甲烷(干燥无灰基)平均含量8􀆰 54 ~16􀆰 52 m3 / t[8-9]ꎮ2 研究区煤储层等温吸附特征2􀆰 1 等温吸附试验设计依据相关试验方法和手段ꎬ结合前期收集的资料ꎬ选择华乐勘探区的2口煤层气参数井ꎬ对采集到的1号孔中的3、5、6号煤层煤样和2号孔中的2、5、6-1、6-2号煤层煤样进行等温吸附试验ꎬ测试仪器选用IS-100型高压等温吸附仪ꎮ试验过程中ꎬ温度为30 ℃ꎬ压力为0~8 MPaꎬ各个样品的压力点数为6个ꎬ分别为:0􀆰 6、1􀆰 7、3􀆰 0、4􀆰 3、5􀆰 6和6􀆰 8 MPaꎻ试验样品为0􀆰 185~0􀆰 247 mm的平衡水煤样ꎮ不同样品的吸附量和等温线校正为空气干燥基ꎬ为煤样吸附特征分析的基础数据ꎮ2􀆰 2 试验结果及相关参数等温吸附试验结果见表1ꎬ各个煤样吸附特征曲线如图2所示ꎮ表1 华乐勘探区煤样等温吸附试验结果钻孔号煤层号储层压力P/ MPa实测甲烷含量Vs / (m3􀅰 t-1)朗格缪尔体积VL / (m3􀅰 t-1)朗格缪尔压力PL / MPa1356—4􀆰 4074􀆰 67511􀆰 7811􀆰 6412􀆰 3317􀆰 6919􀆰 3618􀆰 611􀆰 081􀆰 090􀆰 622256-16-25􀆰 120—5􀆰 6905􀆰 69019􀆰 2315􀆰 1414􀆰 4014􀆰 0720􀆰 7121􀆰 3818􀆰 8120􀆰 360􀆰 701􀆰 200􀆰 561􀆰 10图2 华乐勘探区煤样等温吸附曲线试验结果表明:煤样干燥基灰分为11􀆰 10% ~20􀆰 68%ꎬ平均15􀆰 71%ꎬ属低挥发分煤ꎻ干燥无灰基挥发分最高为20􀆰 68%ꎬ最低为11􀆰 10%ꎬ平均15􀆰 71%ꎻ干燥无灰基兰氏体积为17􀆰 69 ~ 21􀆰 38m3 / tꎬ平均19􀆰 46 m3 / tꎻ兰氏压力为0􀆰 62 ~ 1􀆰 20MPaꎬ平均0􀆰 91 MPaꎮ根据等温吸附曲线ꎬ可以获得研究区煤储层的含气饱和度、临界解吸压力及理论采收率等参数(表2)ꎮ研究区煤储层的实测饱和度普遍小于100%ꎬ分布于75􀆰 04% ~105􀆰 55%ꎬ平均84􀆰 51%ꎬ说明该地区煤储层为欠饱和储层ꎮ临界解吸压力为1􀆰 22~ 9􀆰 10 MPaꎬ平均3􀆰 25 MPaꎮ理论采收率为19􀆰 96%~46􀆰 15%ꎬ平均34􀆰 51%ꎮ1012013年第4期煤炭科学技术第41卷表2 华乐勘探区煤层气实测饱和度和临界解吸压力钻孔号煤层号含气量/ (m3􀅰 t-1)Vs VL压力/ MPaP PL实测饱和度/ %临界解吸压力/ MPa理论采收率/ %1 56 11􀆰 6412􀆰 33 19􀆰 2618􀆰 61 4􀆰 4074􀆰 675 1􀆰 090􀆰 62 75􀆰 3875􀆰 04 1􀆰 671􀆰 22 35􀆰 2919􀆰 96226-16-219􀆰 2314􀆰 4014􀆰 0720􀆰 7118􀆰 8120􀆰 365􀆰 1205􀆰 6905􀆰 6900􀆰 700􀆰 561􀆰 10105􀆰 5484􀆰 0882􀆰 469􀆰 101􀆰 802􀆰 4646􀆰 1527􀆰 4343􀆰 733 煤储层吸附性影响因素分析对比研究区煤层气地质条件和煤储层特征发现[10-11]ꎬ控制该区煤层气吸附性的主要因素是煤储层压力、埋深和储层物性特征ꎮ3􀆰 1 压力当温度相同时ꎬ煤储层甲烷吸附量随压力增加而增大ꎬ但不同的压力区间其增加的幅度是不同的ꎮ低压时ꎬ吸附量随压力几乎呈线性增长ꎮ华乐勘探区煤储层含气性与储层压力呈一定的线性关系ꎬ即随着煤储层压力的增大ꎬ其含气量逐渐增大(图3a)ꎮ图3 华乐勘探区储层压力和埋深与实测含气量关系3􀆰 2 煤层埋深煤层埋藏深度的增加不仅会增加地应力ꎬ而且使煤层和围岩的透气性降低ꎬ煤层气含气量流动性减少ꎬ有利于煤层气的封存ꎮ在有限深度范围内ꎬ当其他地质条件相同或相近时ꎬ煤层含气量随埋深而增加ꎮ华乐勘探区开采煤层位于风化带下200~600mꎬ是煤层含气量的快速增加阶段ꎬ因此ꎬ在400 ~600 m深度范围内ꎬ研究区煤储层含气量随着埋深的增加而增加ꎬ呈明显的正相关关系(图3b)ꎮ3􀆰 3 储层物性特征1)煤变质程度ꎮ煤层对煤层气的吸附情况和吸附量的大小与煤变质作用均有着密切关系ꎮ一般而言ꎬ煤变质程度越高ꎬ生成的气体量也越多[12-13]ꎮ此外ꎬ煤变质程度在一定程度上决定着煤层储气空间的大小和性质ꎬ并影响煤层气的吸附特征ꎬ控制了煤层气吸附量的大小ꎬ华乐勘探区煤层最大反射率Roꎬmax测试见表3ꎮ表3 煤层最大反射率Roꎬmax与煤层气组分含量%煤层号Roꎬmax1孔2孔φ(CH4)1孔2孔φ(N2)1孔2孔φ(CO2)1孔2孔φ(C2H6)1孔2孔2 1􀆰 80 1􀆰 53 94􀆰 84 90􀆰 01 3􀆰 87 5􀆰 09 0􀆰 11 0􀆰 24 0􀆰 15 0􀆰 493 1􀆰 82 1􀆰 54 94􀆰 82 87􀆰 17 2􀆰 17 9􀆰 60 0􀆰 25 0􀆰 17 0􀆰 51 0􀆰 335 1􀆰 86 1􀆰 56 95􀆰 85 89􀆰 20 2􀆰 74 7􀆰 99 0􀆰 24 0􀆰 23 0􀆰 48 0􀆰 296 1􀆰 88 1􀆰 58 93􀆰 82 93􀆰 62 4􀆰 49 4􀆰 45 0􀆰 23 0􀆰 28 0􀆰 37 0􀆰 33由表3可知ꎬ华乐勘探区各煤层Roꎬmax值变化不同ꎬ就整体而言ꎬ1孔的Roꎬmax值大于2号孔ꎮ在单一参数井来看ꎬ各孔的煤层Roꎬmax值在层位变化上由上至下逐渐增高ꎬ变化规律性明显ꎮ 1孔的2、3、5、6号煤层Roꎬmax平均值为1􀆰 84%ꎬ2孔的Roꎬmax平均值为1􀆰 55%ꎬ普遍低于1孔ꎮ 1号孔中CH4体积分数平均值达到了94􀆰 83%ꎬ最低是6号煤层93􀆰 82%ꎬ最高的5号煤层为95􀆰 85%ꎮ而2号孔中CH4体积分数平均值为90%ꎬ明显低于1号孔ꎮ可见ꎬ煤变质程度高的煤层产生的气体中CH4的含量普遍高于煤变质程度低的煤层ꎬ表明煤变质程度越高的煤层具有更强的吸附甲烷的能力ꎮ2)孔裂隙发育特征ꎮ煤层是裂隙-孔隙型储集层ꎬ主要由裂隙和基质孔隙组成ꎬ由于煤基质孔隙对气和水是相对不渗透的ꎬ煤的裂隙系统是形成流体渗流的主要通道ꎮ构造裂隙是煤层的主要天然裂隙系统ꎬ显微裂隙是沟通裂隙与宏观裂隙的桥梁ꎬ其发育程度影响储层的渗透性能ꎮ华乐勘探区各主采煤层中构造裂隙均较发育ꎬ时常将煤层切割成块状ꎬ这与煤层性脆、易破裂有关ꎮ但多数裂隙内有黄铁矿、方解石脉体或薄膜充填ꎬ降低了孔隙裂隙的连通性ꎬ对煤层渗透率产生了消极影响ꎮ内生裂隙也比较发育ꎬ密度一般为3~12条/ cmꎬ而且个别裂隙切穿孔隙ꎬ增强了孔裂和裂隙之间的连通性ꎬ能够为煤层气的扩散、渗流提供通道ꎮ煤层甲烷主要以吸附态存在于煤体孔隙中ꎬ因此孔隙发育程度在很大程度上决定了煤体的吸附能力ꎮ本次研究利用压汞法来研究华乐勘探区煤储层孔径大于10 nm的小孔以上孔隙特征ꎮ煤孔径结构分布采用B􀆰 B􀆰霍多特的十进制孔径结构分类系统ꎬ即孔径小于10 nm为微孔ꎻ10~100 nm为小孔ꎻ201李 腾等:黔西织纳煤田华乐勘探区煤层气吸附性研究2013年第4期100~1 000 nm为中孔ꎬ大于1 000 nm为大孔ꎮ煤样中微孔和小孔占据了大量的比例ꎬ中孔和大孔不发育(图4)ꎮ微孔和小孔是煤层气吸附的主要场所ꎬ尤其是微孔ꎮ孔隙特征与煤储层含气量关系如图5所示ꎮ不同的煤样其孔隙发育状况不同ꎬ这影响了煤样的比孔容、孔隙度和比表面积之间的差异性ꎬ势必影响对煤层气的吸附[14-16]ꎮ图4 不同煤样不同孔径所占比例图5 比孔容、孔隙度和比表面积与含气量关系由图5可知ꎬ研究区煤样比孔容、孔隙度和比表面积与煤层含气量均呈正相关关系ꎬ即随着煤层比孔容、孔隙度和比表面积的增大ꎬ煤储层的含气量增大ꎬ表明孔隙特征是影响煤层吸附主要因素之一ꎮ4 结   论1)华乐勘探区煤储层变质程度较高ꎬ镜质组的含量为22􀆰 3% ~ 83􀆰 9%ꎬ镜质组反射率为1􀆰 53% ~1􀆰 88%ꎮ主要煤层的朗格缪尔体积为17􀆰 69~21􀆰 38m3 / tꎬ朗格缪尔压力为0􀆰 62~1􀆰 20 MPaꎬ储层压力为4􀆰 4~5􀆰 7 MPaꎮ研究区煤储层的实测饱和度均普遍小于100%ꎬ分布为75􀆰 04% ~ 105􀆰 55%ꎬ平均84􀆰 51%ꎬ说明该地区煤储层为欠饱和储层ꎻ临界解吸压力为1􀆰 22~9􀆰 10 MPaꎬ平均3􀆰 25 MPaꎻ理论采收率为19􀆰 96%~46􀆰 15%ꎬ平均34􀆰 51%ꎮ2)影响华乐勘探区煤层气吸附性的地质因素主要有储层压力、煤层埋深、煤变质程度以及孔裂隙特征等ꎮ储层压力越高越有利于煤层气的吸附ꎬ研究区内煤储层含气性与储层压力呈现出一定的线性关系ꎻ浅部煤层的煤层气含量随着埋深的增加呈现出快速增加的现象ꎬ两者的相关性极其显著ꎻ煤储层变质程度越高ꎬ微孔和小孔越发育ꎬ越有利于煤层气的吸附和保存ꎮ因此ꎬ煤阶及其控制下的孔隙特征也是影响储层吸附性的主要因素之一ꎮ参考文献:[1] 陈 润ꎬ秦 ]):103-107.[2] ]国地质大学学报ꎬ2004ꎬ29(3):327-333.[3] 杨兆彪ꎬ秦 勇ꎬ高 塘盆地煤层群含气系统类型及其形成机理[J]):215-220.[4] ]):21-24.[5] ]):37-40.[6] 杨 松ꎬ秦 勇ꎬ申 ]):18-20.[7] 王宝文ꎬ秦 勇ꎬ高 ]0):28-31.[8] ]):81-85.[9] 熊孟辉ꎬ秦 ]):79-82.[10] 高 弟ꎬ秦 ]):20-23.[11] 朱炎铭ꎬ赵 ]0):38-41.[12] ]):19-21.[13] 沁水盆地为例[J]):378-384.[14] ]):64-68.[15] 钟玲文ꎬ张 ]):26-28.[16] 赵兴龙ꎬ汤达祯ꎬ许 ]):1506-
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