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1、2015年12月16日,煤层气开发理论与技术概论,主 要 内 容,一、煤层气开发的意义 二、煤层气的物质组成与性质 三、我国煤层气资源分布与地质条件 四、我国煤层气勘探开发现状 五、煤层气赋存特征与产出机理 六、煤层气开发技术,一、煤层气开发的意义,1、弥补我国天然气供需缺口 2、减轻矿井灾害程度 3、降低煤矿开采成本 4、保护环境,主 要 内 容,一、煤层气开发的意义 二、煤层气的物质组成与性质 三、我国煤层气资源分布与地质条件 四、我国煤层气勘探开发现状 五、煤层气赋存特征与产出机理 六、煤层气开发技术,二、煤层气的物质组成与性质,1.三个基本概念,煤层气：是指赋存在煤层中以甲烷为主要成分
2、、以吸附在煤基质颗粒表面为主并部分游离于煤孔隙中或溶解于煤层水中的烃类气体，其成分以甲烷为主，往往将其简称为煤层甲烷。 瓦斯：赋存在煤层中的煤层气与采动影响带中的煤成（层）气、采空区的煤型气及采掘活动过程中新生成的各种气体的总称 煤型气：是指含煤地层中煤和分散有机质，在成岩和煤化过程中形成的天然气，以游离状态、吸附状态和溶解状态赋存于煤层和其它岩层内。其中赋存在煤层中，成分以甲烷为主的煤型气称为煤层气或煤层甲烷，赋存在围岩中的煤型气称为煤成气。,1）烃类气体 甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、异丁烷。 干气（贫气）：CH495% 或 C2+% 5% C1/ C1 5值大于99%，为特别干的气体， 95%
3、99%为干气， 85%95%为湿气， 小于85%，为特别湿的气体。,二、煤层气的物质组成与性质,2.煤层气的化学组成,2）非烃类气体 氮气、二氧化碳、一氧化碳、硫化氢、微量的惰性气体,HP5889色谱仪,二、煤层气的物质组成与性质,3.煤层气的成因,1）生物降解煤层气 泥炭褐煤阶段 Ro,max0.5% 2）热解型煤层气 褐煤瘦煤阶段 Ro,max介于0.52.0% 3）裂解型煤层气 瘦煤阶段三号无烟煤 2.0%Ro,max3.7% 4）次生生物成因煤层气 0.3%Ro,max1.5%,煤的显微组成,镜质组 有机显微组分 惰质组 壳质组 无机显微组分 矿物质,不同煤类的产气量和吸附能力,主 要
4、 内 容,一、煤层气开发的意义 二、煤层气的物质组成与性质 三、我国煤层气资源分布与地质条件 四、我国煤层气勘探开发现状 五、煤层气赋存特征与产出机理 六、煤层气开发技术,三、我国煤层气资源分布与地质条件,1.煤层气资源量大、分布相对集中,41个聚煤盆地，2000m以浅的煤层气资源量为约36.8万亿立方米。 9个主要盆地资源量大于1万亿方，合计28万亿方，占全国76%,2. 中国煤层气资源大区分布,东部煤层气地质资源量最大，占31%，其次是中部和西部，各占28%，南方占13%，青藏最少，仅0.01%。,2. 盆地分布,资源集中分布在大型含气盆地（群），约占84.2%,煤层气资源盆地分布直方图,
5、3.中国煤层气资源不同类型盆地分布,2. 盆地分布,在9个I类煤层气盆地中，鄂尔多斯最大，约占31.8%，其次是沁水、准噶尔、滇东黔西。,主要含气盆地煤层气资源分布直方图,4.中国主要盆地煤层气资源分布,5.中国煤层气资源层系分布特点,侏罗系煤层气为主，其次是石炭-二叠系，还有少量的三叠系煤层气。中生界的煤层气资源占总地质资源量的55.72%，其次是古生界煤层气，约占44.18%。,煤层气资源深度分布直方图,6.中国煤层气资源深度分布,6.中国煤层气资源深度分布,7.中国煤层气资源煤阶分布,全国煤层气有效矿业权99个 煤层气探矿权95个，总面积约6.5万平方公里，煤层气探矿权分布在17个省。煤
6、层气探矿权人25个，包括3家中直企业，22家地方煤层气企业。 煤层气采矿权4个，总面积约450平方公里，采矿权仅分布在山西、辽宁省。采矿权人为中国石油天然气股份有限公司、辽宁省铁法煤业集团有限责任公司等。 涉外煤层气探矿权20余个，分布在9个省，总面积2.3万平方公里。,8.中国煤层气资源矿权分布,中国50余个单位及外企在华公司进行煤层气勘探开发,中石油,中石化,煤炭,院校,公司,浙江 ：沁水、鄂东、筠连开发,大庆、玉门 ：海拉尔、鹤岗、潮水武威勘探,华北煤层气公司、廊坊分院、,国家煤层气工程中心、,渤钻、川陕、长城公司 ，宁武阜新开发,中海油中联 ：矿权内勘探开发 、 对外合作,煤科院西安、
7、重庆分院 ： 科研攻关技术服务,晋煤 、 阳煤 、 潞煤、兰花、榆神 ：沁水鄂东,贵煤、川煤、云煤 ：六盘水古舒、云南勘探,河南、淮南煤层气公司 ：两淮 焦作 平顶山,华东公司 ：延川和顺、伊犁、织金区块勘探,石油勘探开发研究院 ：资源评 价、 综合研究,新煤、黑煤、铁法、 准东、吐哈、铁法、依兰,奥瑞安北京、奥瑞安国际技术服务、三交开发,龙门、亚美、富地、菲利普斯、 格瑞克、 BP,中澳、远东、亚加、能源、亚太壳牌、道拓,特拉维斯特、瑞弗莱克、中海沃邦、耀天,三、我国煤层气资源分布与地质条件,1.板块构造复杂，国外煤层气经验理论存在局限性，研究难度大,1、小地块拼合 中朝板块最大，仅为俄罗斯
8、克拉通地块1/5，北美克拉通地块的1/12。 2、 地块多期聚合 元古代中朝、扬子、塔里木板块；古生代古亚洲洋、古特提斯洋；三叠纪中国大陆各地块；中、新生代青藏各地块 3、 周边板块活动性强 劳亚：J3-K1 冈瓦纳：Pz, T, K-E2 ,N-Q 太平洋：J, E2-3 4、 板块内部变形作用强 基本属大陆地块边缘，各种弱化面多期、多种方式活动，使内部构造比国外极为复杂。,2. 含煤层气盆地一般经历了多期构造运动，盆内构造复杂,沁南煤层气埋藏演化图,鄂尔多斯盆地吉县韩城煤层气埋藏演化图,3. 成煤期多，储层非均质性强,主要成煤期： 早第三纪； 侏罗白垩纪； 早中侏罗纪； 晚三叠纪； 晚二叠
9、纪； 石炭二叠纪； 早石炭纪。,各成煤期地质构造复杂，成煤环境复杂，煤层气成藏条件复杂。,中国煤层气含量分布的基本特点：南高北低，东高西低。 平均气含量(干燥无灰基)：华南的煤矿区多在10-15m3/t，松藻矿区高达27.1m3/t；华北的煤矿区，除山东省外，多在5-10m3/t，其中阳泉、晋城、焦作、鹤壁和安阳矿区较高；东北的煤矿区，除红阳和抚顺较高外，一般较低，为4-6m3/t。,4. 含气量分布不均，含气饱和度总体上较低,4. 含气量分布不均，含气饱和度总体上较低,全国115个目标区煤层平均含气量4-27.1m3/t之间，平均为9.76，平均含气饱和度为20-91%，平均为45%，,全国
10、各煤层气聚气区煤层平均含气性统计结果,中国主要聚气区煤层平均含气性统计结果,中国煤储层试井渗透率测值变化于0.00216.17md，平均为1.27md， 以0.11md为主。 渗透率小于0.1md的占35； 0.11md之间的占37；大于1md的层次占28。小于0.01md和大于10md的均较少。 渗透率在5md以上的煤储层仅分布在华北的韩城、柳林、寿阳； 渗透率介于15md的煤储层分布范围相对较广，包括韩城、柳林、寿阳、晋城、淮北、淮南、焦作、哆峰、铁法、平顶山等，其它地区煤储层渗透率均低于1md。,5. 渗透率普遍偏低，总体上小于1md,美国黑勇士盆地绝对渗透率多在1 25md之间；圣胡安
11、盆地部分高压区煤层绝对渗透率为515md；粉河盆地煤储层渗透率非常有利，割理（裂隙）渗透率在35-500md。,1红阳煤田 2大同煤田 3沁水盆地 4河东煤田 5渭北煤田 6安鹤煤田 7平顶山煤田 8永夏煤田 9荥巩煤田 10淮北煤田 11淮南煤田,5.渗透率普遍偏低，总体上小于1md,我国32个矿区煤层气试井结果表明: 超压状态占33.2%；正常压力状态占21.9%； 欠压状态占45.3%。,6. 煤储层压力低，煤层气降压解吸难度较大,6.煤储层压力低，煤层气降压解吸难度较大,主 要 内 容,一、煤层气开发的意义 二、煤层气的物质组成与性质 三、我国煤层气资源分布与地质条件 四、我国煤层气勘
12、探开发现状 五、煤层气赋存特征与产出机理 六、煤层气开发技术,四、国内外煤层气勘探开发现状,1.煤层气勘探向纵深扩展，探明储量显著增长,四、国内外煤层气勘探开发现状,1.煤层气勘探向纵深扩展，探明储量显著增长,2.煤层气产能规模扩大，产销量同步上升,四、国内外煤层气勘探开发现状,3.煤层气成为现实的天然气补充能源,四、国内外煤层气勘探开发现状,主 要 内 容,一、煤层气开发的意义 二、煤层气的物质组成与性质 三、我国煤层气资源分布与地质条件 四、我国煤层气勘探开发现状 五、煤层气赋存特征与产出机理 六、煤层气开发技术,五、煤层气赋存特征与产出机理,五、煤层气赋存特征与产出机理,1.煤的孔裂隙结
13、构,宏观裂隙 大、中、小、微 一级、二级、三级割理 显微裂隙 阶梯状、雁列式、帚状、X式 孔隙 大孔、中孔、过渡孔、微孔 渗流孔、吸附孔,2.煤层气赋存状态,五、煤层气赋存特征与产出机理,44,3.吸附曲线：,型：适用于无孔均一表面的单分子层吸附或微孔吸附剂的容积填充机理，前一种可用Langmuir方程来描述，后一种应使用D-R（D-A）方程来描述。,Langmuir方程用于描述无孔均一表明的单分子层吸附。,五、煤层气赋存特征与产出机理,吸附理论1： Langmuir理论单分子层吸附,吸附是单分子层的； 固体表面是均匀的，各处的吸附能力是相同的； 已被吸附分子之间无作用力； 吸附平衡是动态平衡
14、。,Irving Langmuir,吸附等温式：,五、煤层气赋存特征与产出机理,4.吸附理论,单层吸附Langmuir方程,气体首先以单层的形式被吸附在煤孔隙表面上。,吸附理论2： BET理论多分子层吸附,被吸附分子和碰撞到其上面的气体分子之间存在范德华力，因而发生多层吸附； 第一层的吸附热和以后各层的吸附热不同，而第二层以上各层的吸附热相同； 吸附质的吸附和脱附只发生在直接暴露于气相的表面上。,吸附等温式：,五、煤层气赋存特征与产出机理,4.吸附理论,单层吸附后，气体再以多分子层吸附。,多层吸附BET方程,当煤层气经多分子层吸附仍有剩余时，便以自由气形式存在。,过饱和吸附（存在自由气）,吸附
15、理论3：吸附势理论,吸附势理论认为吸附是由势能引起的，在固体表面附近存在一个势能场，即吸附势，就如同地球存在引力场而使空气在地球表面附近包覆成大气层一样。,吸附等温式：,五、煤层气赋存特征与产出机理,4.吸附理论,5. 吸附曲线,五、煤层气赋存特征与产出机理,解吸气在浓度差的作用下由基质扩散到割理中； 扩散主要为气相扩散； 描述气体扩散方程为：,五、煤层气赋存特征与产出机理,6.解吸-扩散-渗流,7.煤层气解吸渗流机理,引自：Tony Ma，“An Introduction to Coalbed Methane”,五、煤层气赋存特征与产出机理,煤,气泡较多后聚集，形成连续气流。,引自：Tony Ma，“An Introduction to Coalbed Methane”,作者已提到基质孔隙内成泡以及气泡连续流动的过程。,7.煤层气解吸渗流机理,五、煤层气赋存特征与产出机理,b. 基质孔隙气体“运移”机理,水,面割理,端割理,流动方向,压差方向,压差方向,解吸气溶解在水中，在浓度差作用下扩散或随水渗流到割理。,解吸气形成气泡，在压差作用下渗流进入割理。,浓度差方向,浓度差方向,a.裂隙中流体产出,割理,7.煤层气解吸渗流机理,五、煤层气赋存特征与产出机理,8. 煤层气产出三
