煤层甲烷碳同位素在煤层气勘探中的地质意义——以沁水盆地为例

根据沁水煤层气甲烷碳同位素的组成与分布特征 ,从煤层甲烷碳同位素在煤层气解吸—扩散—运移中的分馏效应 ,结合水文地质条件和构造条件 ,讨论了煤层甲烷碳同位素在煤层气勘探中的地质意义 ,认为沁水煤层气δ13C1值不仅总体上较高 ,而且随埋深增大而增高 ,说明沁水煤层气存在因煤层抬升而卸压所导致的煤层气解吸—扩散—运移效应 ,从而形成了该区甲烷碳同位素在平面上的分带现象。     

煤层甲烷碳同位素在煤层气勘探中的地质意义--以沁水盆地为例

根据沁水煤层气甲烷碳同位素的组成与分布特征,从煤层甲烷碳同位素在煤层气解吸-扩散-运移中的分馏效应,结合水文地质条件和构造条件,讨论了煤层甲烷碳同位素在煤层气勘探中的地质意义,认为沁水煤层气δ13C₁值不仅总体上较高,而且随埋深增大而增高,说明沁水煤层气存在因煤层抬升而卸压所导致的煤层气解吸-扩散-运移效应,从而形成了该区甲烷碳同位素在平面上的分带现象。     

西山区块煤储层含气性及甲烷碳同位素分布特征

煤层含气性是决定煤层气勘探开发的重要参数,煤层气甲烷碳同位素能有效反映煤层气的赋存条件。根据煤层气井实测含气量数据,剖析了山西沁水盆地煤层含气量分布特征,建立了煤层含气量与煤层埋深、地质构造之间的相关关系和模型,探讨了煤层甲烷碳同位素分布特征及其对含气性分布的指示作用。研究表明:西山区块2号煤层平均含气量6.87 m3/t,8号煤层平均含气量8.4 m3/t,9号煤层平均含气量7.6 m3/t,煤层含气量主要受煤层埋深和构造形态的影响。研究区8号煤层甲烷碳同位素为–65.33‰~–40.94‰,平均–45.88‰,煤层含气量与甲烷碳同位素之间成正相关关系,随着含气量的增加,甲烷碳同位素也逐渐变重。煤层甲烷碳同位素主要受控于煤层气解吸–扩散–运移效应和地下水动力作用等。      

晋城地区煤层气解吸及碳同位素分馏特征

通过晋城地区煤心样的解吸实验,计算获得该区煤层甲烷的解吸率为65.0% ~ 96.2%,预测煤层气井应具有较高的采收率。煤层吸附时间为0.33~8 d,表明生产井短时间内可以达到产能高峰。罐装煤样气体解吸过程可分为两个阶段,第一阶段气体解吸速率较高,第二阶段解吸速率较低。解吸过程中甲烷碳同位素变重的趋势同样可分为先快后慢两个阶段。煤储层气体解吸过程中发生的同位素分馏效应导致井口气样甲烷碳同位素值在一定范围内波动。波动持续时间越长,预示该井的开采稳定性越好,可以获得长期稳定的产气量。通过对煤样解吸气量与甲烷碳同位素的相关分析,获得了总解吸量预测方程,根据该方程可以预测生产井的可采储量。     

煤层气甲烷碳同位素的分布特征与控制因素

研究表明 ,在相同热演化程度条件下 ,除少量样品外 ,煤层气δ13 C1值一般较煤型气偏轻。影响煤层气甲烷碳同位素变轻的因素相当复杂。母质类型、成熟度、解吸扩散及运移效应、次生生物气的混入以及CO2 和CH4之间的同位素交换反应等都是影响煤层气甲烷碳同位素组成与分布的重要因素。     

沁水盆地南部煤层气地球化学特征及影响因素

为进一步厘清沁水盆地高阶煤煤层气富集机理,综合运用地球化学分析测试技术,系统刻画了沁水盆地南部煤层含气量和煤层气分子组成特征,初步探讨了其影响因素。研究结果显示沁水盆地南部各区块煤层含气量呈南高北低分布趋势。煤层含气量与煤化程度具有显著正相关性,这可能与煤层内有机孔隙发育关系密切;与煤层厚度,尤其薄煤层厚度(≤2m)具显著正相关性,当煤层厚度大于2m时这种相关性反而不甚明显,表明研究区煤层气赋存状态以吸附态为主,薄煤层中气体饱和度相对较低;含气量与煤层埋深和上覆地层剥蚀量之间在南部区块没有显著相关性,在北部区块呈现出弱相关性,表明煤层气主要以吸附态存在,北部区块保存状况可能相对较好。研究区煤层气属于典型干气,南部区块煤层气甲烷含量和稳定碳同位素值均较北部区块高,非烃气体含量则相对较低。煤化作用程度是控制煤层气分子组成和煤层甲烷稳定碳同位素组成的重要因素。煤层气吸附-解吸-扩散-运移散失可导致煤层气富含CO_2,甲烷稳定碳同位素值偏重。次生生物气的生成对部分煤层甲烷稳定碳同位素组成影响显著。该研究对于寻找沁水盆地煤层气"甜点"区具有重要意义。     

鄂尔多斯盆地兴县地区煤层气地球化学特征及成因

煤层气化学组分、甲烷碳氢同位素特征对煤层气成因、分布规律和煤层气资源评价具有重要意义。为了查明河东煤田北部兴县地区山西组、太原组煤层甲烷及二氧化碳成因，采集研究区煤层气井解吸气样，通过组分分析、CH₄碳氢同位素和CO₂碳同位素测试，根据煤层气成因图版，分析了煤层气稳定同位素的地质影响因素，揭示了研究区煤层气成因。结果表明，区内主力煤层的甲烷碳同位素存在明显差异:8煤甲烷δ13C₁值介于-55.1‰~-44.2‰，平均为-49.2‰；13煤δ13C₁值介于-65.7‰~-55.7‰，平均为-59.8‰。同一煤层内甲烷碳同位素呈现出随煤层埋深增加而变重、随水动力条件增强变轻的特点；甲烷碳同位素偏轻，重烃组分偏少，表明受到一定因素或次生作用的影响。8煤以热成因气为主，13煤以次生生物成因气为主。研究区8煤δ13C （CO₂）介于-17.3‰~-4.8‰，13煤δ13C （CO₂）介于-26.3‰~-6.9‰，二氧化碳为煤热演化初期或最近一次煤层抬升再沉降后煤中有机质热裂解产生。研究成果为明确该区煤层气勘探开发方向提供了理论依据。      

云南恩洪向斜煤层重烃异常成因探讨

恩洪向斜煤层重烃气浓度极端异常,但重烃气来源至今不甚清楚。为此,本文通过对恩洪向斜煤样自然解吸阶段的 密集取样和分析测试,对重烃气成因进行了探讨。结果显示,恩洪煤样自然解吸气组分分馏规律明显,重烃气浓度随解吸 时间延长而显著增高;在自然解吸过程中,甲烷碳同位素组成略有变重,重烃气碳同位素组成没有明显变化,烷烃气碳同 位素始终呈现为正碳同位素系列;自然解吸气组分浓度与碳同位素组成之间具有良好的相关关系,但甲烷与重烃气的相关 趋势截然相反。因此,恩洪向斜煤层气主要起源于煤中有机质的热成因,但不排除部分甲烷具有次生生物成因的可能性。     

松辽盆地南部浅层天然气地球化学特征及其成因分析

由于松辽盆地南部浅层天然气成因研究比较薄弱,通过采集伏龙泉地区泉头组天然气样品,对天然气组分、碳同位素、轻烃组分进行了分析。结果表明该地区天然气有油型气和生物降解气2种成因。第一类天然气甲烷碳同位素值在-35‰左右,甲烷及其同系物碳同位素呈正碳分布;甲基环己烷指数在20%左右、环己烷指数略高于10%,符合油型气的特征。由甲烷碳同位素计算的R₀值,以及轻烃中的庚烷值和异庚烷值均在高-过成熟的范围,因此是高成熟的油型气。第二类天然气甲烷碳同位素偏轻,丙烷碳同位素偏重;轻烃色谱图中以环烷烃为主峰,轻烃内组成中支链烷烃和环烷烃含量高,各项轻烃参数(甲基环己烷指数、庚烷值、K1值等)都在较大范围内波动,为生物降解气。这一研究对于今后该区天然气勘探与资源评价及其成藏机理研究具有重要意义。     

鄂尔多斯盆地伊陕斜坡中南部高热演化地区古生界天然气地球化学研究

苏里格南部和高桥高热演化地区古生界天然气具有乙烷等重烃组分含量低,大多数样品的湿气系数小于2%,天然气甲烷碳同位素组成显著偏重,乙烷等重烃组分碳同位素组成变化大等特征。热演化程度更高、甲烷碳同位素更重、湿气系数更低的东南部地区,古生界天然气均显示乙烷等重烃组分碳同位素异常偏轻、碳同位素倒转的特征。通常,当乙烷等重烃组分含量极低的高演化天然气混入少量乙烷等重烃组分含量高、碳同位素组成显著偏轻的天然气就可形成天然气的乙烷等重烃组分碳同位素异常偏轻、碳同位素倒转。早白垩世末盆地抬升阶段初期古地温降至相当于高-过成熟阶段的温度区间时,气源岩和储层中残余的少量液态烃的热裂解生成的天然气混入导致了乙烷等重烃组分碳同位素异常偏轻与碳同位素的倒转。因此,应以甲烷碳同位素组成作为主要指标、乙烷等重烃组分碳同位素组成作为参考指标,结合成藏地质条件进行高演化天然气的成因判识。提出了研究区古生界天然气以煤成气为主,并有一定数量油型气混入的认识。     

高煤级煤储层煤层气产能“瓶颈”问题研究

基于山西沁水盆地高煤级煤储层宏观裂隙、显微裂隙的连续观测,孔隙的系统测量,结合应力渗透率、气-水相对渗透率、吸附膨胀等实验成果,分析了高煤级煤储层三级渗流特征,探讨了有效应力和煤基质收缩对高煤级煤储层渗透率的耦合作用,系统揭示了在地面排水降压开发煤层气的过程中,高煤级煤储层初期产气量高,数月后急剧衰减之“瓶颈”现象,找出了造成高煤级煤储层产气缺陷的根本原因。鉴于高煤级煤储层物性的特殊性,指出了高煤级煤储层煤层气开发的技术和措施。     

沁水煤层气田高阶煤解吸气碳同位素分馏特征及其意义

沁水盆地是我国煤层气勘探开发的重要有利区,沁水煤层气田位于盆地东南部。对采自沁水煤层气田两口井的煤开展了罐解吸实验。结果表明,该地区煤层气解吸速率很快,96 h后解吸气量都达到了总解吸气量的60%~85%,720 h后解吸过程基本结束;解吸气量大,平均在18 m3/t以上。煤层气解吸过程中甲烷发生碳同位素分馏,δ13C1值变化与解吸率呈良好的线性关系,参考这种正相关关系曲线,定期监视煤层气降压排采过程中甲烷δ13C1值的变化情况,可以大致推测出该地区煤层气解吸率,从而预测煤层气的采出程度。跟踪测试沁水煤层气田A1和A1-3井在试采过程的甲烷δ13C1变化情况,推测现在采出的煤层气可能主要是煤层裂隙中以游离形式存在的煤层气,表明该区煤层气稳产性较好,资源前景广阔。     

Accumulation models for coalbed methane in medium- to high-rank coals: examples from the southern Qinshui Basin and southeastern Ordos Basin

The majority of known coalbed methane (CBM) production worldwide comes primarily from high-abundance CBM-enrichment areas or ‘fairways.’ The high-abundance CBM-enrichment areas are primarily characterised by large CBM resources with high single-well productions. CBM accumulation areas from the medium- to high-rank coals in the southern Qinshui Basin and the Hancheng CBM fields in the Ordos Basin were investigated based on regional geological analyses and physical analogue experiments. The results show that gas contents in the study areas increase with depths over the range from approximately 300 to 800 m, while permeabilities generally decrease with depths. Intervals with optimal gas content and permeability exist at a moderate depth along an inclined coal seam under the coupled control of temperature and stress. Brittle–ductile transition deformation increases the permeability and the pore-specific surface areas of coals. The gas content and permeability of the CBM reservoirs are shown to be two key factors determining the formation of high-abundance CBM areas. The coupling of gas enrichment and high permeability provides a favourable combination for CBM accumulation and high production. Combining CBM exploration and development practices in the study areas with physical analogue experiments, two CBM-enrichment models for medium- to high-rank coal have been recognised for different geological conditions, including (1) the model controlled by the depth in the slope zone and (2) the model controlled by the coal brittle and ductile in the deformation zones.     

我国高阶煤煤层气疏导式高效开发理论基础

我国高阶煤煤层气资源储量丰富,目前产量已占到我国煤层气总产量的90%以上,高阶煤煤层气资源的高效开发利用对于保障国家能源战略安全、助力实现“碳达峰、碳中和”战略目标具有重要的现实意义。我国煤层气产业总体呈现出勘探开发程度低、主体技术适应性低、投资回报率低、发展规模小的“三低一小”的不足,煤层气的规模化高效开发面临着巨大挑战。通过深度解剖勘探开发中出现的问题,认为制约煤层气产业高效开发的核心问题均源于对煤储层特征,特别是原始气水赋存、运移、产出规律认识不清,未形成与之相匹配的开发理论和配套工程技术。针对这一问题,开展煤层气水赋存–产出规律研究,将室内试验与现场实践相结合,形成煤层气疏导式高效开发理论及配套工程技术。结果表明:(1) 我国煤层气储层成藏过程复杂、气藏类型多样、非均质性强的客观条件与顶层设计支撑不足、主体技术工艺适应性不明确的主观因素是影响煤层气高效开发的重要原因;(2) 煤层孔隙–裂隙复杂双重孔隙结构及固有的气水赋存和产出运移规律决定了必须以“疏通”和“引导”为主导思想,以实现储层与井筒的充分沟通和流体的高效率产出;(3) 以沁水盆地高阶煤为例,运用疏导式开发理论形成的配套开发技术,实现高效规模建产,显著提升煤层气开发效果。      

Pore Structure and Permeability Characterization of Highrank Coal Reservoirs: A Case of the Bide-Santang Basin,Western Guizhou,South China

The methods of nuclear magnetic resonance(NMR)spectroscopy,mercury injection porosimetry(MIP),and gas-water relative permeability(GWRP)were used to reveal the pore structure and permeability characteristics of high-rank coal reservoirs in the Bide-Santang basin,western Guizhou,South China,to provide guidance for coalbed methane(CBM)exploration and exploitation and obtain direct insights for the development of CBM wells.The results indicate that the coal reservoirs in the study area are characterized by well-developed adsorption pores and poorly developed seepage pores.The bimodal NMR transverse relaxation time(T2)spectra and the mutation in the fractal characteristic of the MIP pore volume indicate poor connectivity between the adsorption pores and the seepage pores.As a result,the effective porosity is relatively low,with an average of 1.70%.The irreducible water saturation of the coal reservoir is relatively high,with an average of 66%,leading to a low gas relative permeability under irreducible water saturation.This is the main reason for the low recovery of high-rank CBM reservoirs,and effective enhanced CBM recovery technology urgently is needed.As a nondestructive and less time-consuming technique,the NMR is a promising method to quantitatively characterize the pores and fractures of coals.     

鄂尔多斯盆地东缘煤层气勘探开发历程与启示

鄂尔多斯盆地东缘煤层埋深变化较大,不同埋深的煤层气成藏特征及储层改造方式差别较大.目前煤层气勘探开发深度逐渐从1000 m以浅延伸到2000 m以深,为了研究不同埋深条件下煤层气资源高效勘探开发理论技术,系统梳理回顾了鄂尔多斯盆地东缘近30年的勘探开发实践,按照地质认识转变、技术发展、勘探工作量、勘探成果和产气量变化,...     

煤层气在煤储层中的扩散及其影响因素

煤层气在煤储层中的扩散是指从煤基质孔隙表面上解吸的煤层气运移到割理系统的主要过程。发生扩散的前提条件是气体浓度差的出现，衡量扩散能力大小的重要参数是扩散系数。前者为由解吸速度、解吸气量和煤层气产量、井孔压力降等因素控制的动态参数，而后者为主要受扩散物质性质、扩散介质特征、扩散系统的温度、压力和孔隙结构形态等因素影响的静态参数。煤层气在煤储层中的扩散量与煤层气浓度差和扩散系数呈正比关系。     

鄂尔多斯盆地东部深层煤层气成藏地质条件分析

       鄂尔多斯盆地东部目前的煤层气开发深度浅于1200 m,丰富的深部煤层气资源有待勘探开发。鉴于此,本文分析了 区内深部煤层赋存特征、热演化程度、煤层含气量及其分布规律。认为上古生界埋深的总体分布格局与两个向西凸出浅埋 带的叠加,可能导致煤层含气性和渗透性区域分布格局的进一步复杂化。发现上古生界煤阶区域分布格局与煤层埋深类似, 指示深成变质作用对区域煤阶分布起着主要控制作用。预测了深部煤层含气量的分布格局,认为煤层埋藏一旦超过临界深 度时煤层含气量随深度的加大反而有所降低。建立了自生自储、内生外储两类煤成气藏模式,认为吸附型煤层气藏与游离 型煤成气藏的共生为合采提供了丰厚的资源条件。     

煤中游离气含量估算方法及应用

为了探讨不同煤级煤储层中游离气含量分布特征,本文基于游离气主要存在于煤孔隙中的认识,优化了游离气含量估算方法,并利用全国典型含煤地区包含从褐煤到无烟煤的42组不同煤级煤的煤层气参数测试数据,采用优化的游离气含量估算方法计算了不同煤样的游离气含量,并与解吸气含量结果进行了比较。结果表明:煤中游离气含量所占总气含量的比例随镜质体平均最大反射率增高呈减小趋势,在褐煤到无烟煤三号阶段的所占比例分布在2.13%~33.25%;游离气含量和解吸气含量与镜质体平均最大反射率关系均呈"双峰"特征,但双峰峰值大小顺序正好相反,游离气含量在肥煤阶段的峰值高于无烟煤三号阶段,总气含量与镜质体平均最大反射率关系主要受控于解吸气含量。