煤層氣開發(fā)地質(zhì)學(xué)理論與方法

前言

煤層氣是主要以吸附狀態(tài)賦存于煤層之中的一種自生自儲式非常規(guī)天然氣。它是一種新型的潔凈能源和優(yōu)質(zhì)化工原料，是我國在21世紀(jì)的重要接替能源之一。煤層氣開發(fā)地質(zhì)學(xué)是研究煤層氣開發(fā)工程活動與煤層氣賦存地質(zhì)條件之間相互作用和相互影響的一門學(xué)科；也就是研究與煤層氣開發(fā)工程活動有關(guān)的地質(zhì)條件及其評價、預(yù)測及有效開發(fā)的科學(xué)。我國煤層氣資源非常豐富，埋深2000m以淺的資源量為36.8 ×1012m3，約占世界煤層氣總資源量的13％，與常規(guī)天然氣資源量相當(dāng)，是繼俄羅斯和加拿大之后的第三大煤層氣資源國。因此開發(fā)利用煤層氣，對緩解我國常規(guī)油氣供應(yīng)緊張狀況、改善煤礦安全生產(chǎn)條件、實施國民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略、保護(hù)大氣環(huán)境等多方面均具有十分重要的意義。長期以來，在煤炭地下開采過程中煤層氣被視為有害氣體——瓦斯，大多進(jìn)行井下抽放，利用很少，并未從資源的角度加以認(rèn)識。直到20世紀(jì)80年代美國解決了從地面開發(fā)煤層氣的技術(shù)以后，煤層氣作為一種非常規(guī)天然氣資源，日益受到世人關(guān)注。我國自20世紀(jì)80年代以來，將煤層氣作為一種資源進(jìn)行勘探評價研究，同時積極引進(jìn)美國現(xiàn)代煤層氣開采技術(shù)，進(jìn)行煤層氣勘探開發(fā)試驗，并對我國煤層氣開發(fā)的基本地質(zhì)條件有了系統(tǒng)認(rèn)識，基本掌握了可供開發(fā)的煤層氣資源和基本技術(shù)。截至2009年底，在我國施工的各類煤層氣井已達(dá)4000余口，多個井組已取得較好的產(chǎn)氣效果，并實現(xiàn)了小規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)。特別是在沁水盆地南部高變質(zhì)無煙煤層中獲得了較為理想的單井工業(yè)氣流，實現(xiàn)了單井產(chǎn)氣突破，創(chuàng)建了一定規(guī)模的生產(chǎn)試驗井組的煤層氣開發(fā)示范工程。2009年底沁水盆地南部地區(qū)已完成煤層氣地面預(yù)抽井達(dá)3000口，單井最高日產(chǎn)氣量超過10000m3，有一大批井日產(chǎn)氣量超過3000m3。目前沁水盆地南部已成為我國具有商業(yè)性開發(fā)價值的煤層氣生產(chǎn)基地，它打破了世界上在高煤階地區(qū)開展煤層氣勘探開發(fā)的禁區(qū)，進(jìn)一步拓寬了煤層氣勘探開發(fā)的層系和領(lǐng)域。據(jù)2009年統(tǒng)計，全國煤層氣總抽采量71.8 5×108m3，其中井下抽采量61.7 0×108m3，地面抽采量10.1 5×lO8m3。晉城煤業(yè)集團(tuán)的地面煤層氣產(chǎn)量為6.2 ×108m8，占全國地面總產(chǎn)量的61.08%；井下煤層氣產(chǎn)量為5.4 8×108m8，占全國井下總產(chǎn)量的8.8 8%，合計總量為11.6 9×108m8，占全國總產(chǎn)量的16.2 7％。晉城煤業(yè)集團(tuán)走出了一條“井上、井下抽采并舉，抽采與利用并舉”的煤礦瓦斯治理新思路。

內(nèi)容概要

　　本書以我國沁水盆地這一典型實例為依托，應(yīng)用煤層氣地質(zhì)學(xué)、煤田地質(zhì)學(xué)和油氣地質(zhì)學(xué)等多學(xué)科理論，通過實驗分析、理論研究和數(shù)值模擬計算等方法，系統(tǒng)研究煤層氣儲層地質(zhì)條件及其主要受控因素，主要包括煤儲層厚度及其預(yù)測、煤巖、煤質(zhì)特征及煤變質(zhì)作用、煤儲層孔滲性及其控制因素、煤儲層含氣性及其預(yù)測方法、煤的吸附與解吸特性和現(xiàn)代地應(yīng)力及其對煤儲層滲透性的控制；揭示煤層氣賦存地質(zhì)規(guī)律及高產(chǎn)富集因素。在此基礎(chǔ)上，對煤層氣開發(fā)中的相關(guān)地質(zhì)問題如煤儲層物理力學(xué)性質(zhì)及其壓裂機(jī)理和煤層氣井下抽采和地面開發(fā)模式等進(jìn)行了探討，為我國下一步煤層氣大規(guī)模、合理化開發(fā)提供了地質(zhì)依據(jù)。

作者簡介

孟召平（1963－），男.湖南省汨羅市人，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事礦井工程地質(zhì)和煤層氣地質(zhì)的教學(xué)與科研工作。先后主持和參加完成國家、部重點攻關(guān)及部門科研課題50余項，目前主持國家“973計劃”項目、國家自然科學(xué)基金項目和教育部專項基金等項目多項。曾獲得國家科技進(jìn)步二等獎1項，煤炭部特等獎1項和部級科技進(jìn)步獎7項.2002年度全國百篇優(yōu)秀博士學(xué)位論文獲得者，2003年度獲第十二屆“中國科技發(fā)展基金會孫越崎青年科技獎”。2003年國家公派1年在德國柏林工業(yè)大學(xué)應(yīng)用地球科學(xué)系進(jìn)行深部開采地質(zhì)條件研究。完成專著3部，在國內(nèi)外重要刊物和國際會議上發(fā)表學(xué)術(shù)論文90余篇，其中50余篇被SCI、EI、ISTP收錄。田永東（1969－），男，博士，高級工程師，自1993年開始一直在晉城煤業(yè)集團(tuán)從事地面煤層氣開發(fā)和研究工作，中國煤炭學(xué)會煤層氣專業(yè)委員會成員，第五屆中國煤炭標(biāo)準(zhǔn)委員會成員。先后主持和參加完成10多項科研課題，曾獲國家和省部級科技進(jìn)步獎多項，發(fā)表學(xué)術(shù)論文10余篇。李國富（1965－），男，山西晉城市人，博士，教授級高工，自1991年開始，先后在潘莊井組、棗園井組、寺河礦區(qū)從事煤層氣開發(fā)利用工作。先后主持和參加完成多項科研課題，發(fā)表學(xué)術(shù)論文10余篇。目前主要從事山西晉城礦區(qū)采煤采氣一體化安全高效協(xié)調(diào)開采工作。

書籍目錄

前言第1章  緒論1.1 煤層氣開發(fā)地質(zhì)學(xué)研究目的與意義1.2 煤層氣勘探及開發(fā)研究現(xiàn)狀1.2.1 國外研究現(xiàn)狀1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀1.3 本書研究的內(nèi)容與方法參考文獻(xiàn)第2章  煤的物質(zhì)組成及其基本物理化學(xué)性質(zhì)2.1 引言2.2 煤的物質(zhì)組成2.2.1 煤儲層固態(tài)物質(zhì)組成2.2.2 煤中的水和氣2.3 煤化作用及煤層氣的形成2.3.1 煤化作用2.3.2 煤化作用特點及煤化程度指標(biāo)2.3.3 煤層氣的形成2.4 煤的基本物理化學(xué)性質(zhì)2.4.1 煤的基本物理性質(zhì)2.4.2 煤的基本化學(xué)性質(zhì)2.5 基于測井曲線的煤質(zhì)參數(shù)預(yù)測2.5.1 研究區(qū)煤層煤質(zhì)特征2.5.2 煤的工業(yè)分析與測井參數(shù)之間關(guān)系2.5.3 煤質(zhì)參數(shù)預(yù)測的多元回歸模型2.5.4 煤質(zhì)參數(shù)預(yù)測的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型2.5.5 兩種模型的對比分析參考文獻(xiàn)第3章  煤儲層厚度及其預(yù)測技術(shù)3.1 引言3.2 煤層的形成與煤厚變化的控制因素3.2.1 煤層的形成3.2.2 煤厚變化的控制因素3.3 煤儲層厚度穩(wěn)定性評價3.3.1 煤儲層厚度穩(wěn)定性評價步驟和方法3.3.2 煤儲層厚度及其穩(wěn)定性分析3.4 基于地震屬性的煤儲層厚度預(yù)測技術(shù)3.4.1 背景技術(shù)3.4.2 關(guān)于厚度預(yù)測方法3.4.3 煤儲層厚度預(yù)測的基本原理3.4.4 淮南謝橋煤礦13-1煤儲層厚度預(yù)測分析3.5 煤儲層厚度對煤層氣井產(chǎn)能的影響3.5.1 煤層分布特征對煤層氣井產(chǎn)能的影響3.5.2 煤儲層厚度對煤層氣井產(chǎn)能的控制分析3.5.3 沁水盆地南部煤儲層厚度與煤層氣井產(chǎn)氣量對比分析參考文獻(xiàn)第4章  煤儲層孔隙-裂隙特征及其孔滲性4.1 引言4.2 煤的孔隙特征4.2.1 煤孔隙結(jié)構(gòu)4.2.2 煤的孔隙成因4.2.3 煤的孔隙表征參數(shù)4.2.4 煤的孔隙結(jié)構(gòu)測定方法4.3 煤儲層裂隙系統(tǒng)4.3.1 煤中節(jié)理（裂隙）類型4.3.2 煤中節(jié)理（裂隙）的分級及特征4.3.3 煤中節(jié)理（裂隙）的表征參數(shù)4.4 煤儲層滲透性及其評價4.4.1 煤儲層滲透性4.4.2 煤儲層滲透性評價分類4.5 煤儲層滲透性影響因素4.5.1 地質(zhì)構(gòu)造4.5.2 煤體結(jié)構(gòu)4.5.3 煤層埋藏深度4.5.4 現(xiàn)今地應(yīng)力4.6 基于最大主曲率的煤儲層滲透性預(yù)測及應(yīng)用4.6.1 滲透性預(yù)測的基本原理4.6.2 煤儲層滲透率預(yù)測的應(yīng)用參考文獻(xiàn)第5章  煤儲層含氣性及其控制理論5.1 引言5.2 煤層氣的賦存狀態(tài)及氣體組分特征5.2.1 煤層氣的賦存狀態(tài)5.2.2 煤層氣的氣體組分特征5.3 煤層含氣量測試方法5.3.1 煤層含氣量的解吸法5.3.2 逸散／損失氣量的估算5.4 煤儲層壓力5.4.1 煤儲層壓力基本概念5.4.2 煤儲層壓力的影響因素5.5 煤儲層含氣飽和度5.5.1 含氣飽和度的基本概念5.5.2 含氣飽和度的影響因素5.5.3 臨界解吸壓力5.6 影響煤層氣富集的地質(zhì)因素及其控氣理論5.6.1 地質(zhì)構(gòu)造及其控氣作用5.6.2 煤變質(zhì)作用對煤層含氣性的影響5.6.3 有效埋藏深度及其控氣作用5.6.4 上覆地層厚度及其控氣作用5.6.5 煤層頂?shù)装鍘r性及其控氣作用5.6.6 煤巖、煤質(zhì)特征的影響5.6.7 水文地質(zhì)條件的控氣作用5.7 煤層含氣量的預(yù)測方法5.7.1 基于Langmuir方程的煤層含氣量預(yù)測方法5.7.2 煤層含氣量BP網(wǎng)絡(luò)預(yù)測方法5.8 煤層含氣量對煤層氣井產(chǎn)能的控制參考文獻(xiàn)第6章  煤的吸附與解吸特征6.1 引言6.2 吸附與解吸理論6.2.1 氣固吸附及吸附熱力學(xué)6.2.2 吸附等溫式6.2.3 吸附滯后現(xiàn)象6.2.4 吸附／解吸等溫試驗6.3 煤的吸附與解吸特征6.3.1 煤的吸附特征6.3.2 煤的解吸特征6.3.3 吸附質(zhì)6.3.4 吸附時間6.4 煤的吸附與解吸差異性實驗研究6.4.1 等溫吸附與解吸實驗6.4.2 煤樣的“解吸滯后”特征6.5 煤的吸附解吸特性對煤層氣開發(fā)的影響6.5.1 對煤層氣井臨界解吸壓力的影響6.5.2 對煤層氣井產(chǎn)量的影響6.5.3 對煤層氣井采收率的影響參考文獻(xiàn)第7章  水文地質(zhì)條件及其對煤層氣開發(fā)的影響7.1 引言7.2 水文地質(zhì)條件7.2.1 地下水類型及特征7.2.2 主要含水層和隔水層類型7.3 水文地質(zhì)條件的控氣作用7.3.1 煤層氣隨地下水運(yùn)移逸散作用7.3.2 水力封閉控氣作用7.4 煤層氣井開發(fā)的排水降壓過程7.4.1 煤層氣單井的排采規(guī)律7.4.2 煤層氣單井的排采階段及特征7.4.3 煤層氣單井排采的局限性7.4.4 煤層氣井井間干擾7.5 水文地質(zhì)條件對煤層氣井產(chǎn)能的影響7.5.1 主要含水層條件對煤層氣開發(fā)的影響7.5.2 煤層自身水文地質(zhì)條件對煤層氣井產(chǎn)能的影響7.5.3 煤層頂?shù)装宓乃牡刭|(zhì)條件對煤層氣井產(chǎn)能的影響7.5.4 考慮地下水影響的煤層氣井產(chǎn)量預(yù)測7.6 煤層氣開發(fā)的水文地質(zhì)條件評價分類7.6.1 礦井水文地質(zhì)類型7.6.2 煤層氣開發(fā)的水文地質(zhì)條件評價分類參考文獻(xiàn)第8章  現(xiàn)今地應(yīng)力及其對煤儲層滲透性的控制8.1 引言8.2 地應(yīng)力成因類型及應(yīng)力狀態(tài)8.2.1 地應(yīng)力成因類型8.2.2 巖體天然應(yīng)力狀態(tài)及其類型8.2.3 有效應(yīng)力8.2.4 煤儲層的壓縮系數(shù)8.3 沁水盆地南部現(xiàn)代地應(yīng)力場特征8.3.1 地應(yīng)力隨深度的變化8.3.2 最小水平主應(yīng)力、垂直主應(yīng)力和孔隙壓力之間的關(guān)系8.3.3 垂直應(yīng)力與水平應(yīng)力之間的關(guān)系8.3.4 現(xiàn)今地應(yīng)力方向8.4 煤儲層滲透性與現(xiàn)今地應(yīng)力之間的關(guān)系8.5 地應(yīng)力對煤儲層滲透性影響機(jī)理分析8.5.1 裂隙巖體滲透特性與應(yīng)力耦合關(guān)系8.5.2 煤儲層中的應(yīng)力和變形對滲透性的影響參考文獻(xiàn)第9章  煤、巖石力學(xué)性質(zhì)及其壓裂機(jī)理研究9.1 引言9.2 煤、巖石力學(xué)性質(zhì)9.2.1 煤、巖石變形及強(qiáng)度參數(shù)9.2.2 煤的變形力學(xué)特性9.2.3 煤、巖石破壞的基本形式和機(jī)制9.3 煤、巖破壞準(zhǔn)則9.3.1 莫爾-庫侖（Mohr-Coulomb）準(zhǔn)則9.3.2 格里菲斯準(zhǔn)則9.4 煤層氣井壓裂的基本原理及應(yīng)用分析9.4.1 水力壓裂的基本原理9.4.2 沁水盆地南部水力壓裂試驗結(jié)果及分析9.5 煤巖壓裂的裂縫形態(tài)及其影響因素9.5.1 煤巖壓裂的裂縫形態(tài)9.5.2 地應(yīng)力對壓裂裂縫擴(kuò)展的影響9.5.3 巖性對水力壓裂裂縫擴(kuò)展的影響9.5.4 原生裂隙對水力壓裂裂縫擴(kuò)展的影響參考文獻(xiàn)第10章  煤層氣產(chǎn)出規(guī)律及其開發(fā)技術(shù)10.1 引言10.2 煤層氣產(chǎn)出規(guī)律10.2.1 煤層氣井產(chǎn)出的動態(tài)規(guī)律10.2.2 煤層氣井排采特征10.2.3 礦井瓦斯自然排放衰減規(guī)律10.3 煤層氣開發(fā)方式10.3.1 概況10.3.2 煤礦井下抽采10.3.3 地面鉆井開發(fā)10.4 煤層氣地面垂直井開采及采收率預(yù)測10.4.1 煤層氣勘探開發(fā)選區(qū)評價10.4.2 煤層氣地面開發(fā)的井網(wǎng)優(yōu)化10.4.3 單井開發(fā)及井組開發(fā)產(chǎn)能比較10.4.4 采收率預(yù)測參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：沉積巖或沉積物中的有機(jī)質(zhì)統(tǒng)稱為沉積有機(jī)質(zhì)，是形成包括煤在內(nèi)的化石能源礦產(chǎn)的物質(zhì)基礎(chǔ)。沉積有機(jī)質(zhì)來源于活的有機(jī)體及其新陳代謝產(chǎn)物，包括煤、瀝青等聚集有機(jī)質(zhì)及泥巖、灰?guī)r等中的分散有機(jī)質(zhì)。煤是一種固體可燃有機(jī)巖，它由有機(jī)質(zhì)、混入的無機(jī)礦物質(zhì)及孔隙一裂隙中的水和氣體三部分組成，是一個多相的孔隙一裂隙系統(tǒng)，通常稱為煤的三相體系。固體相煤基質(zhì)由大小不等、形狀不同、成分不一的有機(jī)質(zhì)和混入的礦物質(zhì)組成，構(gòu)成煤的主體。用肉眼觀察，煤由各種宏觀煤巖成分所組成，這些宏觀煤巖成分組合成不同的宏觀煤巖類型。用顯微鏡觀察時，煤由各種顯微煤巖組分所組成，這些顯微煤巖組分組合成不同的顯微煤巖類型。不同的宏觀煤巖成分和宏觀煤巖類型是由不同的顯微煤巖類型所組成的。不同的煤層，由于原來聚積條件的不同，煤巖組成也不相同。煤化過程中，各種煤巖組成均發(fā)生了深刻的變化。液體相即孔隙一裂隙中的水溶液，它部分或全部充填于孔隙一裂隙中。氣體相是指煤中的甲烷及其他氣體，它是占據(jù)著未被水充滿的那部分孔隙一裂隙和在儲層條件下的吸附氣。三相體系相互聯(lián)系，隨著三相物質(zhì)質(zhì)量和體積的比例不同，煤的物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)、煤儲層特征和工程力學(xué)特性也就不同。因此，研究煤的物質(zhì)組成及其物理化學(xué)性質(zhì)對于了解煤層氣生成演化、賦存規(guī)律和煤儲層特征，以及煤層氣開發(fā)的工程力學(xué)問題，具有理論和實際意義。本章主要介紹煤的三相物質(zhì)構(gòu)成、煤化作用及煤層氣的形成、煤的基本物理化學(xué)性質(zhì)，最后介紹基于測井曲線的煤質(zhì)參數(shù)預(yù)測方法，為煤層氣開發(fā)提供基本地質(zhì)參數(shù)。

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