煤层气开发与利用课件

煤层气开发与利用煤层气开发与利用绪绪 论论v煤层气是煤层在煤化过程中生成并储集于煤层气是煤层在煤化过程中生成并储集于煤层中的非常规天然气，煤矿俗称瓦斯，煤层中的非常规天然气，煤矿俗称瓦斯，其主要成分为其主要成分为CHCH4 4。与天然气水合物相比，与天然气水合物相比，煤层气勘探开发技术已经比较成熟，并且煤层气勘探开发技术已经比较成熟，并且已成为一个盈利的行业。已成为一个盈利的行业。v煤层气工业是一个介于煤炭工业与石油天煤层气工业是一个介于煤炭工业与石油天然气工业之间的新兴的能源产业。美国、然气工业之间的新兴的能源产业。美国、加拿大、澳大利亚等国家的煤层气产业进加拿大、澳大利亚等国家的煤层气产业进入了规模性商业开发。中国的煤层气工业入了规模性商业开发。中国的煤层气工业正在得到飞速发展。正在得到飞速发展。第一章第一章 煤层气地质煤层气地质煤层气储层的特征煤层气储层的特征1 煤层气的特征煤层气的特征2煤层气的生成机理煤层气的生成机理34 煤层气的产出机理煤层气的产出机理第一节第一节 煤层气储层的特征煤层气储层的特征 煤层气储层孔隙结构分为基质孔隙和裂隙孔隙，煤层气储层孔隙结构分为基质孔隙和裂隙孔隙，具有双重孔隙结构。煤层中基质被天然裂缝网分成许具有双重孔隙结构。煤层中基质被天然裂缝网分成许多方块多方块 (基质块体基质块体)：基质是主要的储气空间，而裂隙：基质是主要的储气空间，而裂隙是主要的渗透通道。是主要的渗透通道。煤储层煤储层“双重空隙双重空隙”结构示意图结构示意图第一节第一节 煤层气储层的特征煤层气储层的特征一一 煤层气储层基质孔隙煤层气储层基质孔隙 基质孔隙又称微孔隙基质孔隙又称微孔隙,直径一般为直径一般为5-l0 5-l0 ，煤的微孔，煤的微孔隙极其发育，煤层气的绝大部分是吸附在微孔隙的表面，隙极其发育，煤层气的绝大部分是吸附在微孔隙的表面，由于微孔隙的直径很小，一般认为水不能到达微孔隙系由于微孔隙的直径很小，一般认为水不能到达微孔隙系统中。统中。煤基质微孔隙与一般砂岩孔隙结构不同的是煤层的煤基质微孔隙与一般砂岩孔隙结构不同的是煤层的孔隙大都是煤层本身整体结构的一部分。在煤层的微孔孔隙大都是煤层本身整体结构的一部分。在煤层的微孔中常填充了不同组成的物质，这些物质的组成和体积常中常填充了不同组成的物质，这些物质的组成和体积常随着煤阶的改变而变化。一般煤储层中的孔隙大小约随着煤阶的改变而变化。一般煤储层中的孔隙大小约1-1-10001000m，而与一般砂岩的孔隙相比小一个数量级。这种，而与一般砂岩的孔隙相比小一个数量级。这种超微孔隙结构随着煤化作用的进展而发生变化，因而会超微孔隙结构随着煤化作用的进展而发生变化，因而会对煤层的储层特性产生很大的影响。对煤层的储层特性产生很大的影响。第一节第一节 煤层气储层的特征煤层气储层的特征煤储层空隙结构特征与常规油气储层空隙结构特征对比示意图煤储层空隙结构特征与常规油气储层空隙结构特征对比示意图第一节第一节 煤层气储层的特征煤层气储层的特征 煤的孔隙相差很大，大到数微米基的裂缝，小到煤的孔隙相差很大，大到数微米基的裂缝，小到连氮分子（直径为连氮分子（直径为0.178nm0.178nm）都无法通过。）都无法通过。煤层气藏储层孔隙大小分类煤层气藏储层孔隙大小分类第一节第一节 煤层气储层的特征煤层气储层的特征二二 煤层气储层裂隙特征煤层气储层裂隙特征 裂隙是煤中自然形成的，在总结前人对裂隙分类裂隙是煤中自然形成的，在总结前人对裂隙分类的基础上，苏现波按照裂隙的形态和成因将煤裂隙分的基础上，苏现波按照裂隙的形态和成因将煤裂隙分为三类：为三类：面割理（主内生裂隙）面割理（主内生裂隙）端割理（次内生裂隙）端割理（次内生裂隙）张性外生裂隙张性外生裂隙裂裂隙隙割理割理(内生裂隙内生裂隙)外生裂隙外生裂隙继承性裂隙继承性裂隙剪性外生裂隙剪性外生裂隙劈理劈理第一节第一节 煤层气储层的特征煤层气储层的特征1 1、割理（内生裂隙）、割理（内生裂隙）煤层的割理主要是由煤化作用过程中煤物质结构、煤层的割理主要是由煤化作用过程中煤物质结构、构造等的变化而产生的裂隙。根据在层面上的形态和构造等的变化而产生的裂隙。根据在层面上的形态和特征，可以将割理分为面割理和端割理。其中面割理特征，可以将割理分为面割理和端割理。其中面割理通常是与层面平行或近平行，一般呈板状延伸，连续通常是与层面平行或近平行，一般呈板状延伸，连续性较好，是煤层中的主要内生裂隙。端割理只发育于性较好，是煤层中的主要内生裂隙。端割理只发育于两条面割理之间，常与层面垂直或近似垂直，一般连两条面割理之间，常与层面垂直或近似垂直，一般连续性较差，缝壁不规则，是煤层中的次内生裂隙。由续性较差，缝壁不规则，是煤层中的次内生裂隙。由于煤岩中面割理和端割理都比较发育，单体规模小，于煤岩中面割理和端割理都比较发育，单体规模小，总体密度大，在空间上交割成立体网状，可以使用等总体密度大，在空间上交割成立体网状，可以使用等效连续介质渗流方法来描述煤储层中的气、水运动。效连续介质渗流方法来描述煤储层中的气、水运动。第一节第一节 煤层气储层的特征煤层气储层的特征2 2、外生裂隙、外生裂隙 外生裂隙是指煤层在较强的构造应力作用下形成的外生裂隙是指煤层在较强的构造应力作用下形成的裂隙，按成因可分为三种：剪性外生裂隙、张性外生裂裂隙，按成因可分为三种：剪性外生裂隙、张性外生裂隙和劈理。剪性外生裂隙与煤层面以各种角度相交，可隙和劈理。剪性外生裂隙与煤层面以各种角度相交，可出现在煤层任何部位，裂隙凹凸不平，且有滑动痕迹多出现在煤层任何部位，裂隙凹凸不平，且有滑动痕迹多呈羽毛状、波状；裂隙间距较宽，常两组并存。张性外呈羽毛状、波状；裂隙间距较宽，常两组并存。张性外生裂隙与岩石的张性裂隙一样，规模较小，雁行排列。生裂隙与岩石的张性裂隙一样，规模较小，雁行排列。劈理是指煤层存在层间滑动时，形成一系列波状相互平劈理是指煤层存在层间滑动时，形成一系列波状相互平行裂隙。行裂隙。第一节第一节 煤层气储层的特征煤层气储层的特征3 3、继承性裂隙、继承性裂隙 继承性裂隙兼具割理和外生裂隙的双重性质，继承性裂隙兼具割理和外生裂隙的双重性质，属过渡类型。如果割理形成前后的构造应力场方向属过渡类型。如果割理形成前后的构造应力场方向不变，早先的割理就会被进一步强化，表现为部分不变，早先的割理就会被进一步强化，表现为部分割理由其发育的煤层向相邻分层延伸扩展，但方向割理由其发育的煤层向相邻分层延伸扩展，但方向保持不变，这部分裂隙称为继承性裂隙。煤中裂隙保持不变，这部分裂隙称为继承性裂隙。煤中裂隙的孔隙度较小，变化范围为的孔隙度较小，变化范围为1 1-6-6，一般在，一般在2 2左左右右。从从研研究究煤煤中中裂裂隙隙发发育育特特征征与与煤煤储储层层渗渗透透性性关关系系角角度度出出发发，将将肉肉眼眼可可见见的的煤煤中中裂裂隙隙按按尺尺寸寸大大小小划划分分为五种类型。为五种类型。煤中裂隙类型及其特征描述煤中裂隙类型及其特征描述第一章第一章 煤层气地质煤层气地质煤层气储层的特征煤层气储层的特征1 煤层气的特征煤层气的特征2煤层气的生成机理煤层气的生成机理34 煤层气的产出机理煤层气的产出机理第二节第二节 煤层气的特征煤层气的特征煤层气煤层气(CoalbedCoalbed Methane)Methane)俗称俗称“煤矿瓦斯煤矿瓦斯”，广义的，广义的“煤层气煤层气”是在漫长是在漫长的地质年代煤层中生成的天然气。经运移、扩散后的剩的地质年代煤层中生成的天然气。经运移、扩散后的剩余量，其主要成分为甲烷。通常讲的余量，其主要成分为甲烷。通常讲的“煤层气煤层气”是以是以吸吸附方式附方式存在于煤层中的非常规天然气。存在于煤层中的非常规天然气。传统的煤层气赋存理论认为：煤层中天然气主要以传统的煤层气赋存理论认为：煤层中天然气主要以游离、吸附和溶解游离、吸附和溶解三种状态赋存于煤层中。三种状态赋存于煤层中。第二节第二节 煤层气的特征煤层气的特征 天然气以自由气体状态存在于煤的割理和其它天然气以自由气体状态存在于煤的割理和其它裂缝孔隙中，可以自由运移，运移的动力主要是地裂缝孔隙中，可以自由运移，运移的动力主要是地层水的压力。当天然气运移进入裂缝网络中呈游离层水的压力。当天然气运移进入裂缝网络中呈游离状态以后，可用常规气田的方法进行研究，游离状状态以后，可用常规气田的方法进行研究，游离状态的天然气占态的天然气占10%-20%10%-20%。1 1、游离状态、游离状态第二节第二节 煤层气的特征煤层气的特征2 2、吸附状态、吸附状态 在煤的内表面上分子的吸引力一部分指向煤的内在煤的内表面上分子的吸引力一部分指向煤的内部，已达到饱和，而另一部分指向空间，没有饱和，部，已达到饱和，而另一部分指向空间，没有饱和，于是就在煤的表面产生吸附场，吸附周围的气体分子。于是就在煤的表面产生吸附场，吸附周围的气体分子。这种吸附属于物理现象，是这种吸附属于物理现象，是100%100%的可逆过程。在一定的可逆过程。在一定条件下，被吸附的气体分子与煤的内表面脱离，叫做条件下，被吸附的气体分子与煤的内表面脱离，叫做解吸，并进入游离相。呈吸附状态的天然气可占解吸，并进入游离相。呈吸附状态的天然气可占70%-70%-95%95%。由此可见，天然气在煤层中的储集主要依赖于吸。由此可见，天然气在煤层中的储集主要依赖于吸附作用，而不依赖于是否有储集气体的常规圈闭存在，附作用，而不依赖于是否有储集气体的常规圈闭存在，因而与常规砂岩中天然气的储集有本质上的区别。因而与常规砂岩中天然气的储集有本质上的区别。第二节第二节 煤层气的特征煤层气的特征3 3、溶解状态、溶解状态 煤中还有少量的天然气溶解在煤层的地下水中，称煤中还有少量的天然气溶解在煤层的地下水中，称为溶解气，通常，这部分气量极少。为溶解气，通常，这部分气量极少。固溶气固溶气 除了上述提到的三种赋存方式以外，在工程实践除了上述提到的三种赋存方式以外，在工程实践中发现在煤与瓦斯突出时，有时相对瓦斯涌出量是煤中发现在煤与瓦斯突出时，有时相对瓦斯涌出量是煤层含气量的数倍至近百倍，按传统的含气量计算进行层含气量的数倍至近百倍，按传统的含气量计算进行估计，就是储层中的所有煤层气全部开采出来，也不估计，就是储层中的所有煤层气全部开采出来，也不可能达到如此高的程度。可能达到如此高的程度。第二节第二节 煤层气的特征煤层气的特征 显然艾鲁尼提出的固溶体是客观存在的，显然艾鲁尼提出的固溶体是客观存在的，甚至在煤层气总量中的比例远远大于艾鲁尼甚至在煤层气总量中的比例远远大于艾鲁尼认为的替代式固溶体认为的替代式固溶体2%-5%2%-5%，填隙式固溶体，填隙式固溶体5%-12%5%-12%的比例。固溶气（体）可能与天然气的比例。固溶气（体）可能与天然气水合物水合物可燃冰类似，在煤与瓦斯突出时可燃冰类似，在煤与瓦斯突出时被释放出来，可见固溶气也是煤层气的一种被释放出来，可见固溶气也是煤层气的一种重要赋存形式。重要赋存形式。天然气与煤层气藏开发比较天然气与煤层气藏开发比较项目项目天然气气藏天然气气藏煤层气储层煤层气储层埋深埋深有深有浅，一般大于有深有浅，一般大于1500m一般小于一般小于1500m储气方式储气方式圈闭，游离气圈闭，游离气吸附于煤系地层中（大部分）吸附于煤系地层中（大部分）开采范围开采范围在圈闭范围内在圈闭范围内大面积连片开采大面积连片开采气体组分气体组分优于天然气是在不同地质条件下生存优于天然气是在不同地质条件下生存的，其差异较大。主要为烃类气体，的，其差异较大。主要为烃类气体，甲烷比例较高；非烃类气体多为甲烷比例较高；非烃类气体多为H2,、H2S、CO2、CO、O2、有机硫等、有机硫等95%以上是甲烷以上是甲烷井距井距大，可采用单井，一般用少量生产井大，可采用单井，一般用少量生产井开采开采小，必须采用井网，小，必须采用井网，井的数量较多井的数量较多储层压力储层压力中高压或高压中高压或高压低压低压初期单井产量初期单井产量高高低低井口工艺井口工艺注入抑制剂，防止生成水合物注入抑制剂，防止生成水合物经分离去集气站；增压后去集气经分离去集气站；增压后去集气站活气体处理厂站活气体处理厂第一章第一章 煤层气地质煤层气地质煤层气储层的特征煤层气储层的特征1 煤层气的特征煤层气的特征23 煤层气的生成机理煤层气的生成机理4 煤层气的产出机理煤层气的产出机理第三节第三节 煤层气的生成机理煤层气的生成机理 煤主要是由高等植物遗体经过泥炭化作用和煤化煤主要是由高等植物遗体经过泥炭化作用和煤化作用转变而成的固体可燃有机岩。当泥炭被其它沉作用转变而成的固体可燃有机岩。当泥炭被其它沉积物覆盖时，泥炭化作用结束，随之在温度和压力积物覆盖时，泥炭化作用结束，随之在温度和压力作用下，发生煤化作用。煤化作用的结果，一是泥作用下，发生煤化作用。煤化作用的结果，一是泥炭转变为固态的残留物一褐煤、烟煤和无烟煤，二炭转变为固态的残留物一褐煤、烟煤和无烟煤，二是生成水和气体挥发性物质。是生成水和气体挥发性物质。煤化作用与产物煤化作用与产物煤化作用及甲烷生成煤化作用及甲烷生成第三节第三节 煤层气的生成机理煤层气的生成机理 实际上，由泥炭至无烟煤，有机质的演化是实际上，由泥炭至无烟煤，有机质的演化是脱氧去氢富碳的芳核缩合过程，在此过程中伴随脱氧去氢富碳的芳核缩合过程，在此过程中伴随有大量甲烷气体的生成，生气强度随煤级的增加有大量甲烷气体的生成，生气强度随煤级的增加变化很大。根据热模拟实验结果和煤系地球化学变化很大。根据热模拟实验结果和煤系地球化学分析资料，将分析资料，将煤系有机质的演化过程划分为三个煤系有机质的演化过程划分为三个阶段阶段。泥炭泥炭木质褐煤木质褐煤亚烟煤亚烟煤（相当于我国的（相当于我国的泥炭一褐煤（泥炭一褐煤（R Rmaxmax5%5%）为未成熟阶段为未成熟阶段，成煤，成煤有机质在微生物和氧的作用下生成有机质在微生物和氧的作用下生成 COCO2 2、H H2 2O O和和 CHCH4 4，这种甲烷称为生物成因甲烷。，这种甲烷称为生物成因甲烷。第三节第三节 煤层气的生成机理煤层气的生成机理 高挥发分烟煤高挥发分烟煤中挥发分烟煤中挥发分烟煤低挥发分烟煤低挥发分烟煤（相当于我国的长焰煤相当于我国的长焰煤瘦煤（瘦煤（0.5%0.5%Rmax1.9%1.9%）为成熟阶段为成熟阶段，在热解作用下有机质开始大量生烃。在中，在热解作用下有机质开始大量生烃。在中挥发分烟煤阶段，热成因甲烷增量达到最大值，重烃产挥发分烟煤阶段，热成因甲烷增量达到最大值，重烃产率也出现高峰时期。这一阶段是热成因甲烷生成的主要率也出现高峰时期。这一阶段是热成因甲烷生成的主要阶段。阶段。半无烟煤、无烟煤和超无烟煤半无烟煤、无烟煤和超无烟煤（相当于我国的贫相当于我国的贫煤和无烟煤（煤和无烟煤（Rmax1.9%1.9%）为过成熟阶段为过成熟阶段，由于有机，由于有机质芳构化程度和苯环缩聚大大加强，大部分富氮侧链脱质芳构化程度和苯环缩聚大大加强，大部分富氮侧链脱落，加之前期生成的大分子烃类在高温下裂解，都形成落，加之前期生成的大分子烃类在高温下裂解，都形成甲烷。因此，甲烷是此阶段的主要产物。甲烷。因此，甲烷是此阶段的主要产物。第三节第三节 煤层气的生成机理煤层气的生成机理煤层气生气与煤级的关系煤层气生气与煤级的关系第一章第一章 煤层气地质煤层气地质煤层气储层的特征煤层气储层的特征1 煤层气的特征煤层气的特征234 煤层气的生成机理煤层气的生成机理 煤层气的产出机理煤层气的产出机理第四节第四节 煤层气的产出机理煤层气的产出机理 由于煤具有基质孔隙和裂隙的双重孔隙结构，决由于煤具有基质孔隙和裂隙的双重孔隙结构，决定了煤层是一种典型的双重孔隙和双重渗透率的储层。定了煤层是一种典型的双重孔隙和双重渗透率的储层。当储层压力降到当储层压力降到临界解吸压力临界解吸压力（指解吸与吸附达到平指解吸与吸附达到平衡时，压力降低使吸附在煤微孔隙表面上的气体开始衡时，压力降低使吸附在煤微孔隙表面上的气体开始解吸时的压力解吸时的压力）之后，煤层气开始从煤孔隙表面解吸）之后，煤层气开始从煤孔隙表面解吸出来，但由于基质孔隙的孔隙度和渗透率极低，孔隙出来，但由于基质孔隙的孔隙度和渗透率极低，孔隙直径大多直径大多1010-7-7m m，所以气体必须经，所以气体必须经扩散作用扩散到裂隙中，然后再通过割理系统渗流产扩散作用扩散到裂隙中，然后再通过割理系统渗流产出。出。第四节第四节 煤层气的产出机理煤层气的产出机理煤层气在地层中的扩散渗流过程煤层气在地层中的扩散渗流过程第四节第四节 煤层气的产出机理煤层气的产出机理 由于煤层气产出必须是先解吸，然后通过扩散由于煤层气产出必须是先解吸，然后通过扩散和渗流到达井筒而产出。因此，煤层气的产出机理和渗流到达井筒而产出。因此，煤层气的产出机理描述为以下三个过程：描述为以下三个过程：1 1、煤层气的解吸过程、煤层气的解吸过程 通过排水降压，在井筒附近形成一定的压降漏通过排水降压，在井筒附近形成一定的压降漏斗。在地层压力低于临界解吸压力的区域，被吸附斗。在地层压力低于临界解吸压力的区域，被吸附的甲烷分子开始从煤的基质孔隙内表面解吸，由吸的甲烷分子开始从煤的基质孔隙内表面解吸，由吸附态变为游离态。甲烷在煤层中的解吸是吸附的逆附态变为游离态。甲烷在煤层中的解吸是吸附的逆过程，当煤储层中压力降低时，被吸附的甲烷分子过程，当煤储层中压力降低时，被吸附的甲烷分子与煤的内表面脱离，解吸出来进入游离相。与煤的内表面脱离，解吸出来进入游离相。2 2、煤层气的扩散过程、煤层气的扩散过程第四节第四节 煤层气的产出机理煤层气的产出机理 煤层甲烷的扩散是煤基质孔隙内的甲烷气体煤层甲烷的扩散是煤基质孔隙内的甲烷气体在浓度差的作用下，甲烷分子从高浓度区向低浓在浓度差的作用下，甲烷分子从高浓度区向低浓度区的运动过程。由于排采作用所导致的裂隙内度区的运动过程。由于排采作用所导致的裂隙内的煤层气浓度低于基质，此过程则是甲烷分子由的煤层气浓度低于基质，此过程则是甲烷分子由基质向割理扩散。基质向割理扩散。第四节第四节 煤层气的产出机理煤层气的产出机理3 3、煤层气的渗流过程、煤层气的渗流过程 煤层割理中的甲烷气体在流体势煤层割理中的甲烷气体在流体势(压力差压力差)的作的作用下，通过裂隙系统流向压裂裂缝及向生产井筒渗用下，通过裂隙系统流向压裂裂缝及向生产井筒渗流。煤层甲烷在裂隙系统中的流动符合达西定理。流。煤层甲烷在裂隙系统中的流动符合达西定理。在裂隙系统中甲烷和水以各自独立的相态混相流动在裂隙系统中甲烷和水以各自独立的相态混相流动。达西定理的使用需考虑每种流体的相渗透率和有。达西定理的使用需考虑每种流体的相渗透率和有效渗透率。有效渗透率和绝对渗透率的比值称为相效渗透率。有效渗透率和绝对渗透率的比值称为相对渗透率。在实际研究过程中通常采用相对渗透率，对渗透率。在实际研究过程中通常采用相对渗透率，通常认为它是饱和度的函数。通常认为它是饱和度的函数。第四节第四节 煤层气的产出机理煤层气的产出机理煤层气的产出机理煤层气的产出机理