沁水盆地南部煤层气储层压力分布规律的研究.pdf

西安科技大学 硕士学位论文 沁水盆地南部煤层气储层压力分布规律的研究 姓名景兴鹏 申请学位级别硕士 专业安全技术及工程 指导教师张辛亥;邓军 论文题目沁水盆地南部煤层气储层压力分布规律的研究 专业安全技术及工程 硕 士 生景兴鹏（签名） 指导教师张辛亥（签名） 邓军（签名） 摘要 煤层气是一种高效洁净的新能源，同时也可作为化工原料。勘探和开发这一新型能 源对缓解我国的能源供需矛盾、实施可持续发展的能源战略、解决煤矿开采中的安全问 题等都具有十分重要的现实意义。但是，要取得煤层气勘探和开发的重要突破，还必须 对我国的煤层气储层参数进行深入细致的研究。 本文以沁水盆地南部为研究对象， 从煤层气储层的特征出发对沁水盆地南部煤层气 储层压力的分布规律和影响因素进行综合分析研究。 这项研究是利用目前煤层气储层参 数的注入/压降试井和水力致裂实验原理和设备对沁水盆地南部煤层气的储层参数的测 试。首先，分析煤层气储层基本特征（主要包括煤层气储层的孔隙特征、煤层气储层等 温吸附特征和煤层气储层产气机理特征）和煤层气储层压力的基本特点；其次，介绍煤 层气储层参数的实验设备和分析研究现场实际测试情况， 主要是煤层气储层注入/压降试 井和水力致裂实验原理和测试过程； 并应用于沁水盆地南部煤层气测试井进行实例测试 分析。 利用煤层气注入/压降试井和水力致裂实验对沁水盆地南部区域的测试井进行测试 得出沁水盆地南部 55 口井 84 层的煤层气储层参数；最后，根据所测得的沁水盆地南部 储层压力进行整体区域分析和研究， 得出沁水盆地南部煤层储层压力的分布规律和影响 煤层气储层压力的因素。从而为沁水盆地南部的煤层气勘探和开发提供比较准确、可靠 的储层参数。 本论文的研究对我国的煤层气储层参数的分析有一定的参考价值和借鉴意 义。 关 键 词沁水盆地南部煤层；煤层气；储层压力；分布规律 研究类型应用研究 SubjectSubjectSubjectSubject D D D Disciplinarianisciplinarianisciplinarianisciplinarian ofofofof D D D DistributionistributionistributionistributionA A A Aboutboutboutbout thethethethe R R R ReservoireservoireservoireservoirP P P Pressureressureressureressure inininin S S S Southernouthernouthernouthern QinshuiQinshuiQinshuiQinshui BasinBasinBasinBasin SpecialtySpecialtySpecialtySpecialty SafetySafetySafetySafetyTechnologyTechnologyTechnologyTechnology andandandand EngineeringEngineeringEngineeringEngineering NameNameNameName JINGJINGJINGJING Xing-pengXing-pengXing-pengXing-pengSignatureSignatureSignatureSignature InstructorInstructorInstructorInstructor ZHANGZHANGZHANGZHANG Xin-haiXin-haiXin-haiXin-haiSignatureSignatureSignatureSignature DENGDENGDENGDENG JunJunJunJunSignatureSignatureSignatureSignature ABABABABS S S STRACTTRACTTRACTTRACT Coal-Bed Methane is a clean and efficient new energy sources, which also can be used as chemical raw material. Exploration and development of this new energy sources is of great practical significance to alleviate Chinas energy supply and demand, implement sustainable development of energy strategy and solve security issues in coal mining and so on. However, it is necessary to research Chinas coal-bed methane reservoir parameters deeply and meticulously to achieve a major breakthrough in coal-bed methane exploration and development. In this paper, as the research object is southern Qinshui Basin, the southern Qinshui Basin coalbed methane reservoir pressure distribution regularity and influence factors are analyzed according to the basic characteristics of coalbed methane reservoir, which is based on the current coalbed methane reservoir parameters of the injection / fall-off well and the hydraulic fracturing theory and experiment equipment to test the southern Qinshui Basin coalbed methane reservoir parameters. First, to analyse basic characteristics of coalbed methane reservoir, mainly including pore characteristics of coal-bed methane reservoir, isothermal adsorption and mechanism of gas production characteristics of coalbed methane reservoir and the basic characteristics of coalbed methane reservoir pressure; Secondly, to introduce the coal seam Gas reservoir parameters of the laboratory equipment and analyse actual test-site conditions, primarily about coalbed methane reservoir injection / fall-off well and the hydraulic fracturing experiment principle and testing process; and apply it to the test wells in southern Qinshui Basin. Then use coal-bed methane injection / fall-off well and the hydraulic fracturing experiments to test the test wells of the southern region in Qinshui Basin and reach parameters of 55 wells 84-layer seam in southern Qinshui Basin coal-bed methane; Finally, according to the measured reservoir pressure in the southern Qinshui Basin to analyse overall region, and it reaches distribution regularity of the southern Qinshui Basin coal seam reservoir pressure and factor of coalbed methane reservoir pressure. Thus it provides a more accurate and reliable reservoir parameters for exploration and development of the southern Qinshui Basin coal-bed methane. This paper is of some reference and learn to Chinas coalbed methane reservoir parameters’analysis. KeyKeyKeyKey wordswordswordswordsCoal-bed of Southern Qinshui BasinCoalbed methaneReservoir pressureDisciplinarian of distribution ThesisThesisThesisThesis Application Research 1 绪论 1 1 绪论 1.1 前言 煤层气是以甲烷（CH4）为主要成分，以吸附状态赋存于沉积盆地的煤层中，与煤 同体共生的能源矿产，亦称煤层甲烷或煤层瓦斯。煤层气是一种高效洁净的新能源， 也 可作为化工原料。根据国际能源署（IEA）的统计资料和我国煤层气资源评价结果，全 球煤层气资源量可能超过 2601012m3， 其中 90分布在 12 个主要产煤国， 其中俄罗斯、 加拿大、中国、美国和澳大利亚的煤层气资源量均超过 101012m3[1]。目前世界上 74 个发现煤炭的国家中，已有 35 个国家展开了煤层气的研发工作，其中约一半国家进行 了煤层气勘探井和生产测试井的钻探和实践，如美国、澳大利亚、加拿大和中国等国家 都开始了煤层气的勘探开发作业。美国是世界上煤层气勘探和开发利用较好的国家之 一， 现有 100 多个煤层气研究单位。 从 20 世纪 80 年代中期起， 受减税政策和油价影响， 美国的煤层气工业获得了前所未有的发展，已发现煤层气田的盆地扩展到 6 个，即圣胡 安、黑勇士、尤因塔、粉河、拉顿及阿巴拉契亚盆地，至 2006 年初共钻井 80000 多口， 年产煤层气超过 500108m3[2]。我国煤层气资源丰富，发展潜力十分广阔；1985 年以来 不同学者和有关部门分别给出了 11 个资源量数据， 煤层气资源量大约为 14.41012m3～ 381012m3，平均 281012m3。1999 年中国石油勘探开发研究院廊坊分院在前人工作的 基础上，依据最新煤炭资料和含气性数据，重新评价计算后结果为 22.491012m3。2002 年煤炭科学总院西安研究院评价小于 2000m 的煤层气地质资源量为 31.461012m3，其 中，埋深 300～1500m 的煤层气地质资源量为 19.081012m3（张新民等，2002）[3]。据 2006 年国家新一轮油气资源评价，埋深浅于 2000m 的煤层气地质资源量达 36.81 1012m3。根据勘探评价资料，我国煤层气主要富集于华北、西北两大聚煤区，其资源量 占全国总量的 70以上； 其中沁水盆地为 6.251012m3， 占全国总资源量的 17。其中， 位于山西南部的沁水盆地南部石炭二叠系煤为热变质成因，含气量高，含气饱和度大， 储层物性及封盖条件较好， 资源丰富， 被公认为是我国最有煤层气勘探前景的地区之一， 也是目前国内煤层气勘探开发活动最为集中的地区[4]。 我国煤层气工业起步较晚，其发展大致可分为三个阶段20 世纪 50 年代开始至 70 年代末，减少煤矿瓦斯灾害的井下抽放与利用阶段；70 年代末开始至 90 年代初，地面 勘探开发试验初期和煤层气井下抽放利用阶段； 90 年代初至现在， 地面煤层气开采试验 全面展开和井下大规模抽采利用阶段。到目前为止已在 12 省、自治区登记了 64 个煤层 气勘探区块，勘探区块总面积为 81810.3km2。在绝大多数区块内进行了煤层气资源普查 勘探，取得了一批重要勘探成果，并在一些重点区块进行煤层气商业性开发示范，与此 西安科技大学硕士学位论文 2 同时我国的矿井瓦斯抽放利用也获得了一些新的进展[4-5]。自 80 年代末期开始，我国煤 层气勘探与开发活动进入实质性试验和评价阶段， 在全国范围内已施工的几百口煤层气 井，取得了一定的成效。但是，由于煤层气储层特殊性，现阶段要取得煤层气开发的重 大突破，还必须对煤层气储层参数特征进行深入细致的研究。随着煤层气资源评价、 勘 探开发技术的进步和煤炭产量的不断加大，煤层气储层参数（储层压力、气含量、渗透 率、等温吸附性等）的技术研究已逐渐引起了人们广泛关注；同时也是投资者、决策者 关心的问题所在。 本课题通过对沁水盆地南部的典型区块煤层气储层压力参数进行测定、分类、归纳 及评价，得出沁水盆地煤层气储层压力的分布规律；利用地质学、油藏工程和渗流力学 等相关理论对影响煤层气储层压力的基本因素进行综合分析。 该课题的目标是为以后煤 层气资源评价、测试、开发提供了比较完整的储层压力划分理论依据和技术指导，同时 为煤层气抽采提供比较可靠的储层参数以及为煤矿开采创造一个比较安全的采煤环境。 1.2 国内外研究现状 我国现阶段煤层气储层参数测试主要包括储层压力、煤层气含量、煤层渗透率、 调查半径、 表皮系数和原地应力等参数测试。 衡量煤层气可开采性有两个最重要的指标 煤层的含气量和渗透率。因此在进行煤层气勘探开发工作之前，必须做好煤层气储层评 价工作，特别是煤储层参数的分析评价工作。煤层储层压力是煤层气的重要参数之一， 是指煤层孔隙中的流体（包括气体和水）压力；而且直接控制着煤储层吸附气体的含气 量（含气饱和度） ，在开采过程直接影响煤层气排采过程。煤层储层压力对煤层气含量、 气体赋存状态起着重要作用。同时，储层压力也是水和气体从煤的裂隙中流向井筒的能 量和动力。因此研究煤层储层压力将对煤层气开采起到重要作用。煤层气作为一种非常 宝贵的非常规天然气资源，已被视为 21 世纪洁净燃料和化工原料的重要来源，它的开 发和利用，不仅可以减少煤矿开采的灾害，可以减少甲烷向大气中排放所造成的环境污 染，而且可以接替和补充常规天然气的能源矿种，从而有着极大的经济价值、社会效益 和环境效应。 1.2.1 国外煤层气研究现状 美国是世界上煤层气勘探开发比较早的国家之一，20 世纪 80 年代初，美国启动了 西部落基山造山带和东部阿帕拉契亚造山带相关的 13 个含煤盆地群煤层气成藏条件探 索研究，取得了煤层气“排水降压解吸扩散渗流”产出过程的认识突破，最后 选择圣胡安盆地和黑勇士盆地为基地进行试验，并在 1984 年使地面垂直井开发的煤层 气年产量达到近 3108m3，得出了美国许多地区具有煤层气生产可能性的重要推论。 以 此为依据，将勘探逐步扩大到皮申斯、尤因塔等 6 个含煤盆地，经过理论研究与勘探开 1 绪论 3 发实践的多轮相互反馈，提出了北美西部落基山造山带高产走廊的煤层气成藏模式， 形 成了以煤储层双孔隙导流、中煤阶煤生储优势与成藏优势、低渗极限与高煤阶煤产气缺 陷、多井干扰、煤储层数值模拟等为核心的煤层气勘探开发理论体系[6-14]。90 年代后期， 美国 Scott[15]又提出“生物型或次生煤层气成藏”理论，实现了自身煤层气地质理论突 破， 1998 年在低煤阶煤的粉河盆地成功地实现了煤层气商业性开发。 美国煤层气商业性 开发的成功，带动了加、澳、德、英、波、印、俄等 20 余个重要产煤国家煤层气的研 究与开发。然而，在直接引用美国相关理论和技术的过程中，除加拿大由于与北美大陆 地质条件具有一致性而进一步证实了美国煤层气理论的适用性以外， 只有澳大利亚结合 本国煤储层的低渗特点发展了地应力评价理论， 并在开发出水平井高压喷射改造技术后 获得产气突破，其余各国都还没有获得地面垂直井商业性开发成功的案例。目前国外煤 层气理论研究和勘探取得的认识，主要有以下几个方面[6-15]一是利用有机地球化学手 段（主要是同位素研究） ，开展了煤层气成因和来源分析，依据分析研究结果认为，加 拿大和美国阿拉斯加州的煤盆地内煤层气的成因有 3 种来源早期生物气、中期热裂解 气和晚期次生生物气；同一盆地不同部位，有时是一种成因占主导地位，有时是两种成 因共存，有时甚至是三种成因混合。二是受岩浆岩影响的煤储层具典型的微孔结构和裂 隙，且生气量大，含气量高，甲烷浓度也高，达 95。这一理论认识是对澳大利亚冈尼 达（Gunnedah）盆地进行的地质研究得出来的。三是褐煤和低煤化烟煤的煤层气勘探开 发深度已突破 1500m。如，美国阿拉斯加州的煤盆地内勘探开发深度已达 1981m。四是 开展了地质构造对煤储层割理、煤层气含量以及煤层气、水产能影响的研究。五是运用 核磁共振技术（GMI）研究甲烷气体分子在煤孔隙中的流动。六是储层测试分析和数值 模拟技术日趋完善。发明了瞬变流法甲烷扩散系数测试技术，开展了煤储层渗透率与压 应力、孔隙压力关系实验，修正了相对渗透率实验，尤其是广泛开展了同相多组分（二 氧化碳、甲烷、氮气）定成分膨胀或定体积压缩吸附/解吸实验，讨论了二氧化碳、氮气 不同注入速度和不同注入期对甲烷生产的影响，并在煤层气排采试验中进行了大量应 用。在数值模拟方面发展了平衡吸附模型和非平衡吸附模型，开发了煤层气产能模拟新 的模型和软件。 1.2.2 国内煤层气研究现状 我国从 20 世纪 80 年代开始研究国外现代煤层气勘探技术，起步较晚，并且勘探程 度相对滞后，但多年的开发实践也为本次研究提供了较多的理论依据。 （1）煤层气理论和开发研究 煤层气的开发取得了较大进展，但仍处于研究探索和试验阶段；从 1981 年开始的 国家“六五”科技攻关课题“煤成气的开发研究”中，已列出专题我国主要煤田煤层 气赋存规律及资源评价 ，开始对煤层气形成、聚集的地质条件和资源分布进行研究。 西安科技大学硕士学位论文 4 之后，石油、煤炭和地矿三大系统基本上一直无间断地开展了煤层气研究和实验性地面 钻探工作。1991 年，煤炭科学研究总院西安分院张新民[16]等对煤层气的形成、运移等 煤储集进行系统分析和研究；这也是我国学者第一次系统、全面阐述煤层气储层流动规 律的理论。1992 年以后，煤炭、地矿系统先后利用联合国开发计划署全球环境基金， 更 有石油、煤炭、地矿三大系统乃至一些地方政府与国外公司合作，把国内煤层气的研究 与勘探活动推向了高潮。1996 年，钱凯[17]等对煤层甲烷气勘探开发理论与实验测试技 术进行深入的研究；1997 年，孙茂远[18]等对我国煤层气整体勘探开发技术进行总结和 研究；而且石油、煤炭、地矿三大系统相继组织学者对美国天然气研究所出版的煤层 甲烷作业指南 、 煤层气含量测定指南 、 煤层甲烷储层工程指南 进行翻译学习[19-21]； 对美国煤层气理论和勘探技术有了初步的认识。 2000 年以来， 国内科研单位的学者也分 别对煤层气进行了进一步的研究和分析。煤炭科学研究总院西安研究院张新民[3]等对我 国煤层气地质与资源评价进行了整体评价（2002 年） ；2007 年中国石油天然气股份有限 责任公司贾承造[22]等和廊坊分院课题组和美国DJuly. [11] Baker C. Primary migration-the importance of water-organic-mineral matter interactions in the source rock .AAP G Studies in Geology,198010. [12] Eaton B A.A theory on effect of overburden stress on geo-pressure prediction from well logs. Soc Petroleum Eng,1972;371915～22. [13] Eaton B A, The equation for geo-pressure prediction from well logs. SPE 50th Annual Fall Meeting, Dallas, TX, September 282October 1.SPE paper5544,197511. [14]D.W.VanKrevelen, Cole-typology, Chemistry physics Constitution, Elsevier Scientific publishing Company.1981. [15] ScottAR, Geologic Controls on the San Juan Bain Fairway Gas Research Institute’s Coalbed Methane Project Area Proceedings,1993. [16] 张新民等.中国的煤层甲烷[M].陕西科学出版社.1991. [17] 钱凯等. 煤层甲烷气勘探开发理论与实验测试技术[M].石油工业出版社.1996. [18] 孙茂远、黄盛初等. 煤层气开发利用手册[M].煤炭工业出版社.1997. [19] 美国天然气研究所.煤层甲烷作业指南[M].煤炭工业部编译.1997. [20] 美国天然气研究所. 煤层气含量测定指南[M].煤炭工业部编译.1997. [21] 美国天然气研究所. 煤层甲烷储层工程指南 [M].煤炭工业部编译.1997. 西安科技大学硕士学位论文 58 [22] 贾承造等.煤层气资源储量评估方法[M].石油工业出版社.2007. [23] 冯三利等.中国煤层气勘探开发技术研究[M].石油工业出版社.2007. [24]Hunt.J.M. Generation and migration of petroleum from abnormal pressured fluid compartments [J].AAPG,1990. [25] 钟玲文.中国煤储层压力特征[J].天然气工业.2003（9）. [26] 苏现波,张丽萍.煤层气储层压力预测方法[J].天然气工业.2004（5）. [27] 苏现波,张丽萍.煤层气储层异常高压的形成机制[J].天然气工业.2002（7）. [28] 张培河.沁水煤田煤储层压力分布特征及影响因素分析[J].煤田地质与勘探.2002 （12）. [29] 李仲东,周文等.我国煤层气储层异常压力的成因分析[J].矿物岩石.2004（12）. [30] 吴永平,李仲东等.煤层气储层异常压力的成因机理及受控因素[J].煤炭学报.2006 （8）. [31] 曾义金,樊洪海等.一种检测地层压力新方法研究岩石力学参数法[J].岩土力 学.2005（12）. [32] 托鲁基安Y .S. 岩石与矿物的物理性质[M].石油工业出版社, 1990. [33] 金业权,王越之等.地震资料预测地层压力的研究[J].石油钻探技术.2001（6）. [34] 王越之,李自俊等.地震资料预测地层压力方法综述[J].钻采工艺.1997（2）. [35] 杨礼宾.浅谈地震资料预测地层压力的方法[J].一线技术.2007. [36] 刘吉.用地震资料预测地层压力方法总结[J].科技信息.2007（16）. [37] 邓兴德.利用测井曲线预测地层压力[J].石油钻采工艺.1996（4）. [38] 申辉林，朱玉林等.测井资料检测地层压力的方法综述及评价[J].内蒙古石油化 工.2006（11）. [39] 毕丽华, 周金云等.用合成声波测井技术预测地层压力[J].石油地球物理勘探.1988. [40] 侯月明,郭海敏等. MDT 在水平井中的地层压力测试[J].钻采工艺.2004（1）. [41] 景兴鹏.基于注入压降法的煤层气指标试井试验研究[J].煤炭科学技术.2008（10）. [42] 陈志胜等.煤层气井注入压降试井测试中有关技术问题探讨[J].煤田地质与勘 探.2003. [43] 韩永新,庄惠农.煤层气井注入/压降法的试井评测分析[J].油气井测试.1999（3）. [44] 刘能强.1实用现代试井解释方法[M].石油工业出版社.1996. [45] J.贝尔著.多孔介质流体力学中译本 [M].中国建筑工业出版社.1983. [46] 董书宁等.安全高效煤矿地质保障技术及应用.煤炭工业出版社.2007. [47] 景兴鹏等.煤层气利用技术研究现状[J].陕西煤炭.2007（6）. [48] Clark N J. Elements of Petroleum Reservoirs. Society of Petroleum Engineering. Dallas.1969. 附录 59 附录 攻读硕士学位期间发表的论文 [1] 景兴鹏等.煤层气利用技术研究现状[J].陕西煤炭.2007（6）. [2] 景兴鹏等.瓦斯涌出量预测方法及问题[J].劳动保护,200711. [3] 景兴鹏,郑登锋等.综采面煤层自燃综合防治技术研究[J],煤矿工程.20083. [4] 景兴鹏,基于注入/压降法的煤层气指标试井试验研究[J].煤炭科学技术.200810 [5] 景兴鹏,黑磊等.瓦斯地质因素对瓦斯涌出的影响[J],陕西煤炭.20092. [6] 景兴鹏,王伟峰等.无线传感器网络在煤矿安全智能监控系统中的应用[J],煤炭技 术.20093. [7] 景兴鹏,王亚超.煤层自燃过程的实验模拟研究[J],中国矿业.20094. [8] 景兴鹏等.煤层自燃模拟实验[J],煤田地质与勘探.20094. [9] 景兴鹏等.矿井安全无线监控系统的研究[J],煤炭工程.20102. [10] 邓军,王伟峰,陈晓坤,景兴鹏.基于CC1020的煤自燃无线温度传感器自组网络监控系 统的研究[J],工矿自动化.20092. [11] 李树刚,成连平,景兴鹏,许晨霞.煤矿安全投入评价指标体系构建方法研究[J], 中国 安全生产科学技术.20095. [12] 吴玮,景兴鹏,何敏.基于双绞线的矿山救援环境参数实时监测系统的研究,中国地质 学会、 中国煤炭学会煤田地质专业委员会、 中国煤炭工业劳动保护科学技术学会水 害防治专业委员会学术年会,2007. 攻读硕士学位期间参与的科研工作 [1] 参加负责山西潘庄、河南、云南和内蒙古等项目共计 18 口井 33 层煤的煤层气含量 和注入/压降试井测试工作，2007 年。 [2] 负责了内蒙古乌审、江西、云南、四川等项目共计 23 口 32 层煤的煤层气含量和注 入/压降试井工作，2008 年。 [3] 参加制定煤炭科学研究总院西安研究院企业标准的制定2份煤层气注入/压降试 井成果报告编写规范、煤层气注入/压降试井施工设计规范，2008 年。 [4] 参加制定煤炭科学研究总院企业标准的制定1份煤层气注入/压降试井施工设计 规范，2009 年。 [5] 参加参加陕西黄陵矿业集团的煤炭勘探项目中的煤层气测试项目，2009 年。 [6] 参加参加河南平顶山煤业集团的陕西杨家坪煤炭资源勘探项目中的煤层气测试项 西安科技大学硕士学位论文 60 目，2009 年。 [7] 负责壳牌公司柳林煤层气测试项目和泛亚大陆煤层气公司煤层气项目以及蓝焰煤层 气公司的煤层气项目，2009 年。 [8] 负责参加煤炭科学研究西安研究院青年创新基金“晋城无烟煤煤层气含量现场数理 统计” ，2009 年。 [9] 负责参加国家科技重大专项“大型油气田及煤层气开发”40 项目 04 课题“矿区煤 层气开发产能预测技术及装备” （2008ZX05040-004）的其中一个专题煤矿井下 煤储层参数测试技术及装备的科研项目，2009 至今。 [10] 负责中石化和顺区块 4 口井 4 层煤的煤层气测试勘探项目，2009 年。