煤炭地下气化地质可行性和工艺适用性研究现状与进展

煤炭地下气化技术(UCG)是一种潜在的煤炭利用新方法,对于缓解我国能源危机,保障国家能源安全,实现碳达峰碳中和的“双碳”目标具有重大意义,其探索研究一直受到世界各国的重视。针对UCG资源条件的适宜性、工艺技术的可行性、环境影响的可控性3个方面,综述了煤炭地下气化技术的发展现状,阐明了适合UCG技术的煤炭资源储量情况、地质选区选址技术的不同标准、气化工艺的发展历程与适用条件、影响气化实施的工程与环境因素。分析认为,UCG的地质选区技术多为定性分析特定地质条件下的有利区,缺乏定量化的指标体系和方法,并且主要针对浅部和中部煤层,评价体系有待完善,特别是多煤层地区和深部煤层的开发;环境因素对于UCG产业化发展的影响越来越大,将是未来研究的主要方向之一。      

海洋底栖古群落演替模式--以华蓥山茅口组腕足动物群落为例

以热力学理论和信息熵原理为基础,分析了古群落的热力学本质和信息熵的内涵,指出古群落演替可分为4个阶段:开始阶段、发展阶段、顶极阶段和衰退阶段.不同阶段具有明显不同的信息量(信息熵),信息熵为最大值阶段也就是古群落最复杂、最无序的顶极阶段.为此,可利用这一特性对地层进行高精度的划分和对比.经研究,初步总结出5条判别古群落演替不同阶段的基本原则:①地层层序率原则;②生物演进原则;③信息熵最大原则;④物种多样性指数呈对数正态分布原则;⑤古群落取代原则.在以川东华蓥山地区茅口期腕足动物群落演替分析的实例中,选择了4个统计量作为计算反映古群落结构特征信息熵的参数,即物种多样性指数(d)、物种个体平均大小(g)、物种生物量(s)及物种平均凸度(t),对两个古群落不同演替阶段的信息熵进行了计算和讨论,指出本地区茅口组地层分为上下两段,下段还可以分为3个亚段.同时发现在没有突发事件的影响下,古群落演替以衰退阶段历时最长,大约是顶极阶段的6～8倍.     

煤层气成藏的宏观动力能条件及其地质演化过程--以山西沁水盆地为例

煤层气成藏维系于其能量平衡系统,宏观上受控于“四场互动”过程,核心是能量的有效传递及其地质选择过程。以沁水盆地为例,对构造动力能、热动力能、地下水动力能等宏观动力能的地质演化过程进行了深入探讨,阐明了不同宏观动力能对煤层气成藏的控制作用。结果表明:研究区构造动力能及其演化总体经历了4个阶段;热动力能及其演化和由其控制的煤化作用同样经历了4个阶段;地下水动力能及其演化包括3个阶段。其中,燕山中期的剧烈岩浆活动是宏观动力能条件演化的关键时期。以构造动力能为主线,将其他能量场贯穿起来,可知宏观动力能与煤层气成藏之间的耦合关系如下:盆地北部阳泉—寿阳区域,是煤层气成藏有利区域之一,但不利于煤层气高产;盆地南部晋城—阳城及沁水北部区域,不仅是煤层气成藏有利区域,而且利于煤层气高产;盆地中部沁源地区是煤层气成藏和高产的有利区域;盆地东部的屯留—襄垣区域是煤层气成藏有利区域之一,但不利于煤层气高产。     

山西沁水盆地煤层气成藏的微观动力能条件研究

煤层气成藏的微观动力能条件主要包括煤储层的孔隙—裂隙系统、煤储层的生气作用和储气作用两个方面。以山西沁水盆地为例,深入剖析了煤储层的孔隙—裂隙系统及其发育历程、煤储层的生气作用与能量聚散,阐明了煤层气成藏的微观动力能对成藏效应的控制作用。结果表明:构造作用对储层渗透率具有明显的控制作用,成烃增压致使能量聚集,成为盖层突破作用的主要驱动力,而能量放散则主要是通过煤储层孔隙—裂隙系统的产生、发展。根据上述研究成果,沁水盆地煤层气成藏的地质区划结果为:盆地南部的有利区带为阳城和晋城的北部地区,包括潘庄、樊庄、郑庄等地区;盆地中部的有利区带为安泽—沁源地区,位于盆地西斜坡的中南部;盆地北部的可能有利区带为寿阳东南部地区,位于榆次东北部和阳泉西南部之间。     

山西晋城矿区成庄井田3号煤储层的物性研究

对研究区内3号煤储层的几何形态、割理和孔隙系统进行了研究,并引入了储层结构综合指数(SI)来评价研究区内煤层透气性特征和甲烷运移能力,并得出了如下结论:①全区煤层厚度稳定,是煤层甲烷的良好储集层;②根据全区割理发育程度推测出,构造主应力来自NE-SW方向;③通过孔隙系统研究,3号煤层基本上属于非渗透性储层;④成庄井田3号煤层结构综合指数(SI)等值线平面图,显示了煤层透气性由东北向西南呈逐渐变差的趋势。     

李口集区块煤储层地质条件及煤层气采收率

基于煤田勘探资料和矿井实际观测结果,结合测试分析和数值计算,对平顶山矿区李口集区块煤储层地质条件进行了研究。结果表明：区块内主煤层的煤体结构破坏严重,小型裂隙发育但连通性较差,含气量中等且属于低压煤储层,煤层气采收率偏低,地面原位开采的难度较大。为此,建议该区块的煤层气开发以矿井抽采为主,并在煤矿采动带和采空区辅以合理的地面抽采工程。     

沁水盆地南部煤层气藏的有效运移系统

煤层气藏有效运移系统的优劣取决于煤储层的裂隙发育程度与开合程度,决定着煤储层的渗透性,其外在显现形式主要表现为煤储层的孔裂隙系统特征．本文基于煤基块弹性自调节效应理论和煤储层综合弹性能量理论,提出了煤储层裂隙开合程度参数4和裂隙发育程度参数专定量化研究了沁水盆地南部煤层气藏有效运移系统,探讨了其对煤层气富集高产的控制作用．结果表明：研究区现今阶段,眚高值区位于安泽、沁源一带,郑庄、樊庄次之,说明这两个区域内,煤储层裂隙发育程度较高;A高值区位于郑庄、樊庄一带,安泽、沁源次之,说明区域内煤基块弹性自调节正效应占优势,裂隙趋于张开．综合分析盼4可以发现,二者的最佳匹配区域位于郑庄、樊庄一带,说明此区域内煤层裂隙相对较发育,裂隙张开程度较高,可能具有较高的流体压力和较好的渗透性,有利于煤层气藏高产．     

高温高压条件下深部煤层气吸附行为

为了对深部煤层吸附特性进行分析,以鄂尔多斯盆地东部主要煤层为对象,展开 4 组不同温度条件下煤样的高压等 温吸附实验。从温度、压力、煤级等地质要素方面入手,研究较高温压条件下煤样的吸附特征。同时,通过对比分析各地 质因素对吸附行为的影响,比较深部煤层吸附行为与浅部煤层吸附行为的差异性。结果表明:深部煤层的吸附特性主要受 温度、压力的控制;高温条件下煤样对 CH4 的吸附量大大减少,且煤级、煤岩显微组分、灰分产率以及水分含量对吸附性 能的影响已明显小于浅部煤层,温度、压力成为控制吸附量的决定因素。在 100°C条件下,吸附量到达某一压力后随着压 力的增大煤样吸附量下降,分析认为由于在此温压下,随着压力的增加,吸附相与游离相气体的密度差逐渐减小,超临界 吸附已不再符合 Langmuir 等温吸附模型。     

煤炭地下气化地质选区指标体系构建及有利区评价技术

为厘清影响煤炭地下气化的地质因素,构建科学的地质指标评价体系,对影响煤炭地下气化的七大类地质条件、41个次级地质指标进行了系统分析和分级量化,建立了地质选区指标体系;根据对选区的重要程度,将各地质指标分为基本地质指标（A）和关键地质指标（B）两类,基于这两大类指标,提出了两种新的煤炭地下气化有利区定量评价方法,精细型（A+B）和通用型（B）;利用专家打分法和层次分析法确定了这两种评价方法中所涉及到的地质指标权重;依据资源、开采技术、区域构造和环境四大类条件,厘定了评价结果的定性分级方案;综合定量评价和定性分级,提出了有利区优选的一般步骤,最终形成了一套完整的煤炭地下气化有利区评价技术体系.该评价技术体系的有效应用,可为煤炭地下气化科学选址和产业化进程推进提供重要理论支撑.      

区域构造与演化控制下煤层气富集高产典型模式

煤层气勘探开发对改善我国能源结构、解决煤矿灾害与生态环境问题意义重大。结合我国区域构造与演化过程及煤层气地质条件,将煤层气富集产气模式划分为4种主要类型:构造简单裂隙系统、褶皱系统(较浅向斜轴部、褶皱翼部、次级构造高部位)、冲断构造系统(褶皱冲断带、高陡冲断构造)和构造叠加系统模式。其中,(1) 构造简单裂隙系统模式发育在构造相对稳定的地区,煤层气以深成热成因为主,也可受岩浆热接触作用影响,在裂隙中等发育区形成高产富集区。(2) 褶皱系统模式中,较浅向斜轴部挤压应力利于煤层气保存从而富集产气;褶皱翼部压力分布均匀,封闭性较好,其含气量与渗透率匹配适中形成富集高产带;次级构造高部位模式主要是在构造作用下形成的伴生构造(背斜、鼻隆构造、断块等)高部位形成构造圈闭,生成“气顶”。(3) 冲断构造系统模式中,褶皱冲断带模式中逆冲断层阻止了煤层气的逸散,在靠近逆冲断层的相对构造高点富集产气;高陡冲断构造模式发育在复杂断裂区,深部煤层气在一定温压作用下,解吸游离至上部地层,重新被吸附或部分仍呈游离状态而富集产气。(4) 构造叠加系统模式形成于受多期构造活动共同作用的煤储层中,不同的应力方向和机制引起的构造叠加使含气量和渗透率相匹配,煤层气富集且有一定产量。因此,区域构造特征控制着煤层气富集产气的每个模式,构造演化过程决定了富集产气的不同模式。这些富集产气模式对系统认识中国煤层气富集规律,指导“十四五”煤层气勘探开发具有重要意义。