低阶煤生物采气可行性——以二连盆地吉尔嘎朗图凹陷为例

生物采气技术在美国粉河盆地试验成功,使枯竭的低阶煤层气田重新高产,证实生物采气是高效开发低阶煤层气的有效途径之一。为了有效地开发中国低阶煤层气,在二连盆地吉尔嘎朗图凹陷的煤层开展了检测菌群类型、了解生气途径和生物产气潜力模拟实验。实验结果表明,吉尔嘎朗图凹陷的煤样和煤层水中均含有大量的产甲烷菌,乙酸裂解和CO₂还原共同参与煤层甲烷的生成,在原位条件下所有煤样均具有产甲烷潜力,Ⅳ煤组在5个月内煤样产生甲烷为11±1.4 μmol/g（相当于0.25~0.28 m³/t）,在添加外源菌种的实验中,Ⅲ煤组样品产气量为18.40 μmol/g（相当于0.41 m³/t）。研究认为,二连盆地吉尔嘎朗图凹陷具备生物采气的条件,尤其是含气量低的Ⅲ煤组,Ⅳ煤组可在采用常规方法采气枯竭后,再利用生物采气技术作为重新提高单井产量和采收率的有效手段。二连盆地被优选出6个与吉尔嘎朗图煤层气地质条件相似的有利凹陷,资源量为4 180×10¹²m³。     

二连盆地吉尔嘎朗图凹陷低煤阶煤层气富集模式

二连盆地为我国典型低煤阶褐煤分布区,煤层气资源丰富,但煤层气富集成藏机制认识不足制约了该区低煤阶煤层气的勘探开发。为此以二连盆地吉尔嘎朗图凹陷低煤阶煤层气为研究对象,从煤层分布、含气性、煤层气成因、生物成因气模拟实验、保存条件等方面研究了该区煤层气富集的主控因素,并指出了下一步的勘探方向。研究结果表明:(1)浅水湖盆聚煤环境下,凹陷中部—缓坡带厚煤层发育,厚煤层弥补了含气量的不足;(2)含煤段堆积过程中,浅水湖泊周期性出现使得煤层上覆泥岩周期性发育,盖层条件有利;(3)凹陷中部—缓坡带位于地下水承压区,水动力侧向封堵有利于煤层气富集;(4)研究区煤层气为生物成因,原位条件下煤样产气0.25 m L/g,现今仍有生物气生成。结论认为:(1)厚煤层发育区、具备生物气生成以及良好的封盖条件并处于水动力承压区为吉尔嘎朗图凹陷煤层气富集成藏的关键;(2)吉尔嘎朗图凹陷煤层气富集模式为生物气+承压水封堵煤层气富集,中部—缓坡带L12—S88井区为下一步煤层气建产的有利区。     

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近年的煤层气勘探开发工作中，主要从热成气角度考虑煤层甲烷的气源，而煤能否被厌氧菌降解生成次生生物气则一直是人们所关心的问题。采用“悬浮接种物”作为接种源，对山西柳林庙湾矿石炭、二叠系的两个煤样进行了不同温阶下的生物降解产气模拟实验。实验表明：温度超过７５℃停止产气；所产气体为甲烷和二氧化碳，其中甲烷具有轻碳同位素值的特征，δ１３Ｃ１为－４９．１６‰，从气体组成和δ１３Ｃ１值来看，模拟实验所产气体属生物气。结果认为，煤可以被厌氧生物降解生成次生生物气；这种二次成气或叠加成气作用可以增加浅煤层中煤层甲烷的绝对含量，相应提高煤层甲烷的勘探成功率；厌氧环境的存在从另一个侧面也反映煤层甲烷的保存条件较好；存在煤层二次生物气是寻找煤层甲烷气藏的一个标志。     

氧化还原电位对低煤阶煤生物甲烷生成的影响

氧化还原电位（Eh）是煤层生物甲烷生成的重要控制因素之一。为了解其对煤层生物甲烷产出的影响以及产甲烷的动力学过程，在实验室采用-102 mV、-153 mV、-208 mV、-284 mV、-315 mV这5个氧化还原电位值，对河南义马低煤阶煤样品进行了生物甲烷模拟产出实验，采用气相色谱仪对不同反应阶段生成气体的成分及生成量进行检测，同时对菌种源中微生物进行培养计数。结果表明：①不同Eh条件下的实验均有甲烷的生成，氧化还原电位较低时产甲烷菌的繁殖更加快速，在-284 mV时生物甲烷的浓度最大，-102 mV时最小；②通过平板计数法，分析了产甲烷过程和细菌生长动力学机理--整个产甲烷生成过程也是微生物生长代谢的过程，间接证明了产气量大小变化的原因。结论认为，Eh对于煤层生物甲烷的生成具有重要的控制作用。     

二连盆地吉尔嘎朗图凹陷低煤阶煤层气勘探

二连盆地群低煤阶煤层气资源丰富但勘探程度相对较低,煤层气富集和主控因素认识不足,制约了开发实践。以吉尔嘎朗图凹陷为重点,对二连盆地群的构造、沉积、水文、物性和含气量分布进行精细解剖,总结了煤层气富集成藏规律。二连盆地群具有断陷小湖盆和残留盆地的特点,分割性强。煤系主要发育中、下侏罗统阿拉坦合力群及下白垩统巴彦花群赛汉塔拉组两套含煤建造,以辫状河三角洲相为主,煤层层数多且与砂泥岩叠置发育,煤层倾角平缓。针对研究区"浅部低煤阶、平缓厚煤层、多层砂煤组"的特点,建立了符合吉尔嘎朗图"斜坡区正向构造带富集模式",提出在煤层气勘探中应注意优选埋深适中、相对高渗、高含气量的"甜点区",并需要规避断层,在向斜两翼、背斜和单斜地层中寻找高产区。优选部署的吉煤4井在埋深430~470 m煤层段获得大于2 000 m~3/d的产气量,证实中国低含气量、厚煤层的褐煤区煤层气可以获得高产工业气流,有助于推进低煤阶煤层气资源的勘探进程。     

微生物提高煤层气井单井产量技术研究与实践

为评价微生物提高煤层气井产量技术,向厌氧瓶中添加一定量的煤和利用煤层产出液配置的营养液,开展了煤层微生物降解煤产气实验研究。与煤层产出液相比较有益菌群浓度增加3~6 个数量级,每毫升营养液产气量为2.84 mL,煤层微生物经过营养剂激活后,反应早期产生气体主要为N2、H2 和CO2,CH4 含量较低,随着反应时间延长CH4 气体含量逐渐增加,X 射线衍射表明煤微晶结构发生变化。说明通过微生物与煤相互作用产生生物气体、降解煤组分,能增加煤层通透率促进甲烷气体的解吸,从而提高煤层气单井产量。在室内研究的基础上开展现场先导试验1 井次,现场共注入微生物工作液230 m3,措施前该井平均日产气量16.81 m3,平均套压为0.09 MPa,措施后该井日产气75.13 m3,平均套压0.35 MPa,截至2015 年底累计产气14 100 m3,目前正在持续稳产,达到了注微生物提高煤层气井单井产量的目的。     

渤海湾盆地济阳坳陷气源岩和原油生物模拟实验研究

通过细菌检测实验,系统分析了渤海湾盆地济阳坳陷生物气源岩中细菌的赋存状况。实验表明,济阳坳陷浅层气源岩中产甲烷菌较为丰富,在2522m深处还有产甲烷菌存在,并且产甲烷菌赋存的源岩与源岩时代无相关关系,只要有适合生物气形成的环境条件,生化作用就可能发生。通过气源岩和原油在不同温度下的生物模拟实验,分析了济阳坳陷生物模拟气产率、组分及碳氢同位素特征,结果表明,无论是气源岩还是原油厌氧降解生成的生物气,都只生成甲烷和二氧化碳;45℃和65℃是生物气生成的高峰期,生物气产率分布范围为每吨TOC产气20~160m3和每吨原油产气10~15m3;生物模拟实验产物的碳同位素值随温度变化差异明显,变化范围为-80.2‰~-41.5‰;生成的二氧化碳的碳同位素值变化与甲烷碳同位素值变化规律相反;生物模拟气中氢同位素的值则比实际生物气的氢同位素值轻,模拟气中氢同位素值主要分布在-300‰~-350‰,而实际生物气的氢同位素值则分布于-240‰~-270‰。      

煤中显微组分对生物甲烷代谢的控制效应

煤的生物产气过程受诸多因素的影响,为探讨煤自身显微组分对生物甲烷生成的控制效应,采集了河南义马千秋煤矿的长焰煤和山西大同泉岭煤矿的气煤,通过人工手选法以及浮沉分离法对两种煤样进行了显微组分富集和分离,利用从矿井水中提取的本源菌群与相应的显微组分进行生物甲烷代谢模拟实验,以产气总量、CH4生成量、CH4浓度及反应液p H值变化等指标来评价产气效果。实验结果表明:1镜质组富集煤样生物产气总量、CH4生成量、CH4浓度和反应液p H值变化幅度最高,而惰质组富集煤样最少,原煤则居中;2不同显微组分开始大量产气时间在18~30 d,产气高峰在20~35 d,镜质组产气高峰滞后于原煤和惰质组;3煤样H/C原子比与生物产气效果具有一致性,同煤阶镜质组以及富氢、高H/C原子比煤种具有较高的生物甲烷产气潜力。该研究成果可为我国煤层生物产气先导试验区块优选提供理论指导。     

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廊固凹陷是一个晚期构造运动强烈,具有残留盆地性质的新生代沉积盆地,多年勘探证实,浅层天然气（生物气,埋藏深度小于2000m)资源丰富,且发现了具一定规律的天然气藏,由于沙河阶组（Es)气源岩沉积以后发生了强烈的构造运动,使成岩早期形成的生物气难以保证下来,文章在对国内,外煤层气型生物气的地化分析数据和形成的地质条件分析的基础上,与廊固凹陷地质条件和油气分布状况相对比,结合微生物模拟实验数据,提出廊固凹陷的浅层天然气类型为生物改造气和后期式生物气,并初步阐明了其形成机制,特别是后期式生物成因气形成机制,对具有类似地质条件地区的天然气勘探,具有一定参考价值。     

中国低煤阶煤层气多元成藏特征及勘探方向

我国低煤阶含煤盆地地质背景复杂,煤层气富集成藏具有自身的特殊性,煤层气勘探一直处于小型试验阶段。为了促进我国低煤阶煤层气的勘探开发,在系统分析、总结我国含煤盆地类型、煤层气成因、赋存状态、富集模式的基础上,梳理了目前勘探开发工作面临的挑战与科研攻关目标,并提出低煤阶煤层气的有利勘探方向。结果表明:(1)我国低煤阶煤层气具有盆地类型多元、煤层气成因类型多元、赋存状态多元、富集类型多元的成藏特征;(2)低煤阶煤层气勘探面临目标区优选、深层煤系气共探共采系统评价、钻完井及增产改造工艺等3个方面的挑战;(3)应加强对煤层气成藏过程及动力学机制、气源成因及其资源贡献、吸附态和游离态煤层气空间分布规律及地质控制因素等的研究攻关,开展煤层气资源有效性和可采性评价,形成一套深部煤系气勘探开发评价方法。结论认为:(1)我国浅层煤层气资源有利勘探区包括二连盆地吉尔嘎朗图、霍林河、白彦花等凹陷,海拉尔盆地伊敏、呼和湖、陈旗等凹陷,鄂尔多斯盆地彬县、焦坪、黄陵、乌审旗东部等地区,以及准噶尔盆地南缘地区;(2)深层煤层气资源则主要分布在准噶尔、吐哈、三塘湖、海拉尔和三江等盆地或盆地群。     

淮南潘集、张集煤矿次生生物气地球化学特征

研究淮南煤田不同矿区煤层气的成因类型对于整个煤田煤层气的勘探开发意义重大。为此，利用地质和地球化学相结合的方法，对淮南煤田主要矿区--潘集煤矿和张集煤矿煤层气的成因类型进行了深入研究。结果表明：该区煤层气组分表现出了甲烷含量高、重烃和二氧化碳含量低的干燥气体的特征，与国内外含次生生物成因煤层气的组分特征一致。虽然该区煤岩的热演化程度已处于热成因气的生成阶段，但煤层气的δ¹³C₁值的总体分布范围为-56.7‰～-67.9‰，仍属于生物成因气的分布范围。煤层气的δ¹³C₂值主要分布在-22‰～-29‰，反映了乙烷的热成因特征，指示了该区的煤层气为热成因乙烷和微生物成因甲烷的混合。淮南煤田具有适合的煤阶、区域强烈隆升使煤层被抬升到浅部、地表水渗入煤层、生物气生成的最佳温度等次生生物成因煤层气生成的有利地质条件。因此，有利的地质条件、煤层气的组分与同位素显示的特征，相互印证了淮南煤田煤层气中有次生生物气存在的事实。     

二连盆地下白垩统油气运移特征

应用二连盆地主要生油凹陷中泥、砂岩的分析化验等资料,系统分析了本区油气运移作用,总结了主力烃源层的油气运移特征。主要的认识为:1)本区下白垩统K₁ba和K₁bt12套成熟烃源岩排烃率可以达到32%~72%,是主力排烃层。进入生油高峰阶段的Ⅰ类生油凹陷有良好的生烃与排烃条件,具有形成工业价值油气藏的能力;2)根据泥岩压实曲线和粘土矿物变化等资料分析认为,快速压实阶段是排烃(油气初次运移)的最佳时期;3)从烃源岩生油期与排烃期的匹配关系分析,二连盆地只有Ⅰ类生油凹陷的成油带与泥岩快速压实阶段相吻合,构成油气生成与运移的良好匹配关系;4)油源断层和不整合面是油气二次运移的重要通道,特别是K₁bt1/K₁ba不整合面具有良好的孔渗条件,其不整合面上、下的各种类型圈闭是油气勘探的主要目标;5)通过油气运移效应分析认为,乌里雅斯太凹陷原油运移效应最高,其次为阿南、赛汉塔拉、额仁淖尔凹陷,而巴音都兰和吉尔嘎郎图凹陷的原油未发生长距离运移。      

潮水盆地煤层气储层特征及勘探潜力

为查明河西走廊北部潮水盆地煤层气富集规律及成藏主控因素,从煤层分布特征、煤岩煤质特征、煤岩演化程度、煤层等温吸附特征等方面,分析了该区煤层气的储层特征。结果表明：潮水盆地煤岩演化程度低,处于低煤阶褐煤-气煤演化阶段;煤层兰氏压力高（5.95~6.90 MPa）,利于煤层气的解吸。通过进一步的现场解吸实验,测试了该区A1、A3井煤层的含气量（分别为0.25、0.56 m³/t）,并从生气条件、保存条件两个方面分析得出导致其煤层含气量低的主要原因为：①盆地发育拉张性正断层,成为煤层气逸散的通道;②盆地西部缺少区域性盖层,直接盖层为砂岩,导致煤层气散失;③缺少生物气的补充。最后,综合评价了各构造单元的勘探潜力,认为红柳园坳陷生物气特征明显且顶板盖层封盖性好,可作为该区下一步煤层气勘探的靶区。     

二连盆地吉尔嘎朗图凹陷勘探实践及勘探方向

吉尔嘎朗图凹陷为二连盆地一个富油凹陷,历经3轮勘探相继发现稠油油藏、常规构造油藏及构造一岩性油藏,展示该凹陷构造油藏与岩性油藏并存、稠油油藏和常规稀油油藏成带的特点,但油藏类型多样,油气富集规律复杂。通过从构造油藏勘探转向岩性油藏、从斜坡向洼槽转变、从浅层向深层持续勘探等思路转变,实现了富油凹陷的持续发现,并总结了取得成功的启示,指出只有不断地转变思路、深化认识,才能不断取得新发现、大发现。该凹陷仍有5000×10^4t剩余资源可供探索,通过解剖已知油藏、分析油气赋存规律,认为斜坡带宝饶构造两翼是构造油藏继续扩大规模的重要方向,洼槽区岩性油藏勘探潜力较大,致密油领域是发现规模油藏的重要接替领域。