煤層氣出版社
『壹』 煤層氣的理化性質有哪些
主要成分是甲烷，一般默認甲烷為其理化性質。
理化性質包括化學性質和物理性質。
甲烷的化學性質
CH4,最簡單的烷烴,具有烷烴的通性:由於甲烷中碳原子與氫原子間的化學鍵為較穩定的σ鍵,化學性質相當穩定,跟強酸、強鹼或強氧化劑(如KMnO4)等一般不起反應。在適當條件下會發生氧化、熱解及鹵代等反應
(1)甲烷和空氣成適當比例的混合物,遇火花會發生爆炸,即可燃性。 CH4 + 2O2 →點燃→ CO2 + 2H2O,作燃料(沼氣、天然氣) 2CH4+3O2→點燃→2CO+4H2O(不完全燃燒); CH4 + O2 →點燃→C + 2H2O(極不完全燃燒)(2)與鹵素的化學反應:當甲烷與氯在黑暗中混合時,兩者不會產生化學反應,如果把混合物加熱或以紫外光照射,以下反應(取代反應)會發生:CH4 + Cl2 → CH3Cl + HCl;CH3Cl + Cl2 →。 1..把製得的甲烷氣體通入盛有****溶液(加幾滴稀硫酸)的試管里,沒有變化。再把甲烷氣體通入溴水,溴水不褪色。
甲烷的物理性質
甲烷分子式CH4。最簡單的有機化合物。甲烷是沒有顏色、沒有氣味的氣體,沸點-161.4℃,比空氣輕,它是極難溶於水的可燃性氣體。甲烷和空氣成適當比例的混合物,遇火花會發生爆炸。化學性質相當穩定,跟強酸、強鹼或強氧化劑(如KMnO4)等一般不起反應。在適當條件下會發生氧化、熱解及鹵代等反應。甲烷在自然界分布很廣,是天然氣、沼氣、坑氣及煤氣的主要成分之一。它可用作燃料及製造氫、一氧化碳、炭黑、乙炔、氫*酸及文字甲醛等物質的原料。
甲烷物理性質
甲烷是無色、可燃和無毒的氣體。沸點為-161.49℃。甲烷對空氣的重量比是0.54,比空氣約輕一半。甲烷溶解度很少,在20℃、0.1千帕時,100單位體積的水,只能溶解3個單位體積的甲烷。
『貳』 中國煤層氣資源與勘探開發
8.3.1 煤層氣產業發展前景
目前，除了井下瓦斯抽放利用已形成一定規模並獲相應效益外，地面煤層氣勘探開發仍處於探索階段，尚未進入工業性規模開發階段。但是，展望未來，我國煤層氣產業具有良好的發展前景。
根據最新的預測結果，我國煙煤和無煙煤煤田中，在埋深300～2000 m范圍內煤層氣資源量為31.46×1012m3。在世界上，前蘇聯煤層氣資源量為（17.0～113.3）×1012m3，美國為（9.7～11.7）×1012m3（據Boyer，et al.，1998），我國煤層氣資源量位居世界第二位。由石油天然氣系統進行的全國第二輪油氣資源評價結果顯示，我國有38×1012m3的常規天然氣資源量，其中陸地有30×1012m3、海域有8×1012m3（據陳永武，2000）；可見，在我國陸地范圍內，煤層氣資源量比常規天然氣還要大。值得指出的是，在計算煤層氣資源量時，褐煤、不可採煤層和煤層圍岩等均未參與計算。但事實上，褐煤中含有一定量的煤層氣，如我國沈北礦區褐煤的氣含量Cdaf達6.47cm3/g，美國鮑德河盆地褐煤的氣含量（Cdaf）雖只有0.03～2.3cm3/g，由於煤層單層厚度達67 m之巨，因而同樣實現了商業性開發；我國褐煤廣泛分布，大多煤層厚度都很大，故其中的煤層氣資源潛力是不小的；另根據煤礦通風和井下瓦斯抽放實踐，在不可採煤層和圍岩中的煤層氣資源量通常是可採煤層的10%～20%。若將上述3個范疇都包括在內，我國煤層氣資源量將會更加巨大。
豐富的資源量為我國煤層氣產業的形成和發展提供了雄厚的物質基礎和資源保證。
8.3.2 國家能源戰略和煤礦安全的需要
隨著社會的進步和發展，在21世紀，人們將更加重視可持續發展戰略。為實現國民經濟持續、快速發展，必須堅持保護和建設生態環境、凈化家園，節約和有效地利用能源資源。為此國家將大力推進開發和使用天然氣等潔凈能源。另外，從國家石油安全戰略考慮，必須減少國民經濟和人民生活對石油資源的依賴程度，開拓替代能源。我國人均擁有天然氣產量不足20 m3，相對發達國家（如英國人均達1300 m3以上）差距很大，天然氣消費量在一次能源消費結構中比例小，僅佔2%左右，這種局面遠遠不能適應國民經濟的發展和人民生活水平提高的需要。要改變這種被動局面，只靠常規天然氣是不能解決問題的，國家在大力加強常規天然氣開發的同時，十分重視煤層氣這種非常規天然氣的開發利用問題。因此，煤層氣在未來我國的能源構成中將具有廣闊的發展空間。
從煤礦安全生產角度看，煤層氣（俗稱煤層瓦斯）是煤礦安全生產的最大隱患，常常造成慘重的災害事故，而且隨著礦井的延伸，問題會變得更加嚴重。在採煤前及採煤過程中，如果從地面預先將煤層氣開采出來，就會大大減少礦井瓦斯災害的隱患；同時還大大降低了採煤過程中甲烷（CH4）這種強烈溫室效應氣體的排放量，對保護大氣環境具有重要作用。
因此，利用地面采氣技術開發利用煤層氣資源，是解決礦井瓦斯災害的一條有效途徑，特別是對礦井深部，意義更為突出。
8.3.3 國家重視煤層氣的開發利用
國家對煤層氣資源的開發利用工作十分重視。江澤民總書記為煤層氣開發題詞：「依靠科技進步，發展煤層氣產業，造福人民。」代表了國家和人民對煤層氣產業化的殷切期望和高度重視。
1999年，由國土資源部、國家計委等5部委聯合下發的《礦產資源儲量評審認定辦法》文件中，將煤層氣與石油、天然氣和放射性礦產同樣對待，列為由國家統一管理的礦種。自20世紀80年代以來，國家在煤層氣管理、產業政策、資源綜合利用、價格政策及對外合作勘探開發等方面先後制定並實施了一系列措施和優惠政策（孫茂遠，1998），扶持和鼓勵煤層氣產業的發展。
為了集中各方面的力量，加速我國煤層氣資源的開發利用，經國務院批准，於1996年5月組建了中聯煤層氣有限責任公司。這是一個跨地區、跨行業，集煤層氣開采、利用和輸送於一體的主幹公司，並被授予對外合作進行煤層氣勘探、開發和生產的專營權。中聯公司的成立，標志著我國煤層氣勘探開發已進入了有序發展的全新歷史階段，也為我國煤層氣產業的形成和發展提供了強有力的組織保證。
1990年，沈陽市煤氣總公司引進美國技術，在遼寧省紅陽礦區施工紅陽一號煤層氣井，進行煤層氣資源風險勘探，開創了我國利用現代煤層氣技術之先河。此後，國內煤炭、石油、地礦系統各有關單位和中聯公司與聯合國開發計劃署（UNDP）、美國和澳大利亞的有關公司等，在我國各地進行煤層氣勘探開發試驗工作，先後在柳林、石樓、潘庄及晉城、潘庄及大城建成了6個小型煤層氣試驗開發井網，均獲得工業性氣流；由中聯公司在棗園地區施工的TL-007 井，單井最高產氣量達16000 m3/d。另外，正在建設中的還有新集、淮北、臨興、盤江和豐城等小型試驗開發井網。這些小型開發井網起到了試驗和示範作用。
小型開發井網顯示出在中國利用地面技術開採煤層氣的可行性，並積累了大量生產資料和豐富的實踐經驗，特別是在晉城礦區高變質無煙煤中利用地面垂直井技術采氣獲得成功，大大拓展了人們的視野。所有這些都為今後大規模工業性開發進行了有效的技術儲備。
我國進行地面煤層氣勘探開發試驗工作已有10餘年的歷史，但至今仍停留在打勘探井和小型試驗開發井網的水平上，未能進入大規模工業性開發利用階段。究其原因，主要是投入不足和下游工程（特別是輸氣管道）不配套。美國至1995年底共有6700口煤層氣生產井，年產氣量達270×108m3；而我國截至1999年底，共打各類煤層氣井156口，其中進行過采氣試驗的井（包括地面垂直井和采動區井）只有99 口；采出的氣體全部排空，故煤層氣產量為「零」。相比之下，我國煤層氣井數量很少，相應的投入就更少。在這種狀況下，很難實現煤層氣開發利用的實質性突破。
天然氣輸送管道缺乏是制約我國煤層氣發展的重要外部條件。在已有的和正在建設的小型煤層氣試驗開發井網范圍內，除大城地區有地域性的天然氣輸氣管道外，其他地區都沒有。這種局面嚴重地抑制著對煤層氣進一步投入和勘探的熱情。若能解決煤層氣遠距離輸送的通道問題，必將大大激發人們對煤層氣勘探開發投資的熱情。
伴隨著國家實施西部大開發戰略，由塔里木盆地至上海的「西氣東輸」工程已全面開工。這條長4200 km的輸氣管道，將經過榆林、長治和淮南等地，這些地區都是煤層氣資源條件很好的地區，也是目前我國煤層氣勘探開發的熱點區域。「西氣東輸」工程的建設，為相關地區煤層氣開發利用提供了一個大發展的良好契機。
8.3.4 開發前景評價
在對各主要地區分別評價和全國總體認識的基礎上，按照分層次、分階段和綜合評價的原則，以煤層發育富集程度、煤層氣資源量規模、地理位置及市場條件、煤層氣勘探開發程度為依據，以含氣帶為單位，對於開發前景進行了分類評價。
Ⅰ類：指資源條件和經濟地理位置俱佳，目前煤層氣勘探效果顯著，作為優先開發的含氣帶。此類含氣帶有沁水、鄂爾多斯盆地東緣、渭北、徐淮和淮南等5個含氣帶。這5個含氣帶的煤層氣資源量為8.90×1012m3，佔全國總資源量的28.29%。
Ⅱ類：指資源量豐富，但地區經濟發展相對滯後，或地形條件不利，煤層氣勘探工作很少，或煤層氣勘探工作尚未開展的含氣帶，可作為長遠規劃考慮。這類含氣帶包括華鎣山、川南、黔北、六盤水、吐-哈、准噶爾南和伊犁等6個含氣帶。這6個含氣帶的煤層氣資源量為6.81×1012m3，佔全國總資源量的21.65%。
Ⅲ類：指資源條件一般，但經濟地理位置優勢明顯，市場需求旺盛，煤層氣勘探具有一定基礎，煤層氣開發利用已取得一定成效的含氣帶，可根據需要和可能性開展工作。這類含氣帶包括三江-穆棱河、渾江-遼陽、撫順、遼西、京唐、冀中平原、豫西、萍樂、湘中、黃隴、鄂爾多斯盆地北部、鄂爾多斯盆地西部、桌-賀和准噶爾東14個含氣帶。這14個含氣帶的煤層氣資源量為10.60×1012m3，佔全國煤層氣總資源量的37.73%。
Ⅳ類：為上述各類以外的含氣帶，資源條件和外部條件較差，在當前技術經濟條件下可暫不考慮開發利用其煤層氣資源。
在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類含氣帶中，優選出沁水盆地北部的陽泉-壽陽地區、沁水盆地南部地區、鄂爾多斯盆地東緣、渭北煤田東段、鐵法盆地、大城地區、淮北礦區、淮南礦區、豐城礦區和盤江礦區等有利區塊，作為煤層氣地面開發的重點工作對象。
建議進一步閱讀
1.程裕淇主編.1994.中國區域地質概論.北京：地質出版社
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『叄』 鶴崗盆地煤層氣資源潛力分析
王世輝 王有智 許承武
（中國石油大慶油田有限責任公司勘探開發研究院，黑龍江 大慶 1637121）
摘 要：鶴崗盆地煤炭資源量大，是黑龍江省主要的產煤盆地之一，2009年大慶油田成功部署和施工的 鶴煤1井，對認清鶴崗盆地煤層氣資源量和資源潛力具有重要意義。本文基於煤田和油田的鑽井和地震等資 料對鶴崗盆地煤層氣進行了成藏條件分析，基於地震等資料的構造條件分析認為，鶴崗盆地張性斷層發育，期次多，發育復查，互相切疊，不利於煤層氣的保存。利用煤田鑽井資料及鶴煤1井資料，對鶴崗盆地煤層 特徵分析，認為南山礦、新一和鳥山礦的煤層厚度大，累計厚度一般均大於60m，主力煤層單層厚度達10m 以上；其主力煤層埋深適中，鶴煤1井揭示主力煤層埋深均在1000m以上；煤階適中，一般以氣肥煤為主，向東部隨埋深增大而增大；通過已鑽探的煤層氣井統計分析，鶴崗煤田含氣性南部較低，北部含氣量高，可 達到工業開采標准；鶴煤1井的儲層特徵分析表明，鶴崗盆地大部分煤層儲層物性較差，只有少量煤層割理 發育，適合開採煤層氣。綜上認為鶴崗盆地南山礦、新一和鳥山礦礦區顯示出較好的富集潛力，對三個礦區 進行了資源量的估算，儲量十分可觀，為303.75×108m3。綜合分析認為鶴崗盆地的張性斷裂導致構造煤的 發育、勘探力度不夠和針對構造煤的勘探方法的不清，是制約鶴崗盆地煤層氣勘探實現突破的核心問題。
關鍵詞：鶴崗盆地；煤層氣；成藏條件；資源量
Coalbed Methane Resources Potential Analysis in Hegang Basin
WangShihui，WangYou，Xu Chengwu
（Exploration and Development Research Institute of Daqing Oilfield Company，CNPC，Daqing 1637121，China）
Abstract：Hegang Basin has rich coal resources.It is one of the major core-proction basins in Heilongjiang Province.The HM-1 well has a great significance for recognizing Hegang coalbed methane resources and resource potential，which was successfully designed and constructed by Daqing Oilfield in 2009.By studying well data and seismic data from coalfield and oilfield，this paper analyzed the condition of coalbed methane accumulation about Hegang Basin.Tensional faults develop Hegang Basin which are disadvantages for coalbed methane to store.Utilizing the data from coalfield and the HM-1 well to analyze the coal bed character of Hegang Basin，which make us know that the coal bed thickness is big in Nanshan zone，Xinyi zone and Niaoshan zone.The cumulative thickness generally is bigger than 60 meters.The layer thickness of the major coal bed can be 10 meters above.The major coal beds were buried moderately，which of the HM-1 well were buried in the depth of 1000 meters above.The Ro of coal is in the right range.Most of which is gas-fat coal.The coal rank increases eastward as the buried depth deepen.Through the analysis of drilled coalbed methane wells，we found that the gas potential is low in the southern part and high in the northern part of Hegang Basin.These data accord with instrial proction exploration standard.Through the study of reservoirs character of HM-1 well，it indicates that the physical properties of most of reservoirs is bad，only a few development of coal cleat for coalbed methane.To sum up that the Nanshan zone in Hegang Basin，Xinyi zone and the Niaoshan zone show good potential for enrichment.For estimating the resource of the three zone we found that reserves are substantial，as 303.75×108m3.Comprehensive analysis shows that tensile fracture led to the development of deformed coal，inadequate exploration and unclear exploration methods for deformed coal，which are the core issue of restricting the Hegang Basin coalbed methane exploration to achieve a breakthrough.
Key words：Hegang Basin；coalbed methane；reservoir forming conditions；resource extent
1 盆地概況
鶴崗盆地位於黑龍江省小興安嶺東麓與三江平原的接壤處，呈近南北向分布，北起四方山菜地，南 至阿凌達河，西臨永利-蔬圓一帶，東迄新華-圓頭山一線，南北長約100km，東西寬約28km。鶴崗 盆地煤炭資源開發較早，由北到南依次為石頭廟子、興山、新一、鳥山、南山、大陸、富力、峻德、新 華等10個礦區，工業儲量16×108t，可采儲量8×108t［1］。
2 煤層氣勘探開發現狀
隨著美國煤層氣勘探理論和開發技術的不斷突破，帶動了世界上30多個重要產煤國的煤層氣研究 與發展［2～4］。1989年聯合國環保署援助項目 「中國煤層氣資源開發」 的實施，正式拉開了我國煤層氣 地面開發研究的序幕。通過與美國煤層氣成功開發煤層氣盆地的類比［5～7］，鶴崗盆地成為重要的煤層 勘探區之一。
鶴崗地區對礦井瓦斯的商業利用價值認識較早，1984年開始使用抽放瓦斯作為優質燃料，1992年 開始進入居民實用階段至今。目前，僅在南山礦實現了瓦斯抽放綜合利用［8～9］。
鶴崗盆地煤層氣勘探始於1998年，中聯煤層氣公司、黑龍江省計委、鶴崗礦務局、黑龍江省煤管 局、鶴崗市政府5個單位聯合，在峻德、興安地區施工了兩口煤層氣參數井兼生產試驗井（HE-01、 HE-02）。2002年，中聯煤層氣公司、黑龍江計委、黑龍江省煤田地質局在南山、新一、鳥山區進行 勘探，布置了4口煤層氣參數井兼生產試驗井（鶴參3、鶴參4、鶴參5、鶴參6），先期施工了一口參 數井（鶴參3）。2009年，中聯煤層氣公司在新一地區施工了一口試驗井，對該井進行排采試驗，日產 氣量達到1400m3/d。
2009年11月21日鶴崗發生重大瓦斯爆炸，為落實省和油公司領導指示精神，體現大慶油田社會 責任，2009年至2010年大慶油田本著降低安全事故和解決環境污染的初衷，在新一礦和鳥山礦施工三 口煤層氣評價井，取得較好的效果。
隨著煤層氣勘探力度的加大，對鶴崗盆地資源前景有了較為明確的認識，經充分分析研究確定南 山、新一和鳥山礦區為今後勘探開發的重點靶區，但由於成藏條件較為復雜，給勘探工作帶來一定的 困難。
3 成藏條件分析
3.1 構造特徵
區域構造通過對煤層生成和賦存狀態的控製作用，影響到煤層氣的生成和富集。因此，正確認識煤 田區域構造特徵是分析煤層氣資源賦存規律的基礎。
3.1.1 區域構造特徵
鶴崗盆地位於佳木斯地塊的西北部，盆地西緣為南北走向的牡丹江斷裂，盆地東南邊界為依蘭—伊 通斷裂（圖1）。盆地基底主要由前古生界麻山群、黑龍江群深變質岩系及元古宙混合花崗岩、華力西 期花崗岩等共同組成。鶴崗盆地由四個一級構造單 元組成，自西向東為：紅旗斷陷、連二嶺—伏爾基 河隆起、寶泉嶺斷陷、都魯河隆起，總體表現為 「坳隆相間」 的展布特徵。
圖1 鶴崗盆地構造分區圖
3.1.2 煤田區構造特徵
鶴崗煤田為一走向近南北，向東傾斜的單斜構 造，傾角15°～35°。受基底剛性的影響，盆地內褶 皺作用較微弱，斷裂構造十分發育，以正斷裂為主，可分成南北向、東西向、北北東向、北東向、北東 東向、北西向和北北西向多組。斷裂數量多、期次 多，相互截切、交織在一起，造成斷裂構造格局復 雜化。
張性斷層的開放性不利於煤層氣的保存。由於 受到拉張作用，斷面附近由於構造應力釋放而成為 低壓區，煤層中吸附甲烷大量解析，從斷面逸散，對煤層氣藏起到破壞作用。
3.2 含煤地層特徵
3.2.1 煤層厚度
鶴崗煤田主要含煤地層為下白堊統城子河組，含煤地層總厚730～1310m，煤田共發育40餘層煤，其中可采及局部可採煤層36層，主要可採煤層［10］ 包括3＃、11＃、15＃、17＃、18＃、21＃、22＃、30＃、 33＃9個煤層（圖2），其中主力煤層為11＃、15＃和 18＃煤層（圖3）。
圖2 鶴崗盆地城子河組煤層平均厚度統計直方圖
從全區煤層發育情況來看，煤層厚度大連續性好，具備良好的資源潛力。整體上以新一礦為中心向 南、向北逐漸變薄，其中煤層厚度大於60m的主要分布在新一、南山和鳥山礦，興安、峻德礦的只在 局部地區發育（圖5）。鶴煤1井揭示的煤層累計厚度達到100m以上，新一礦顯示出較好的勘探前景。
3.2.2 煤層埋深
鶴崗盆地煤層在西緣埋藏較淺，甚至出露地表，向東埋藏逐漸加深，但煤層厚度變薄。依據煤田鑽 井資料和鶴煤1井揭示的煤層情況（圖4），煤層最大埋深在1000m以淺，礦區邊界以外沒有鑽井控制，依據地震解釋推測其最大埋深可達2000m。鶴崗盆地煤層埋藏深度適中，有利於煤層氣的勘探開發［5］。
圖3 鶴崗盆地主採煤層剖面對比分布圖
圖4 鶴煤1井煤層厚度與埋深棒狀圖
3.2.3 煤階
相同地質條件下，通常認為煤層含氣量隨煤的變質程度增大而升高。鶴崗煤田以低—中等變質的氣 煤、肥煤為主，煤階由西向東隨埋藏深度的增加煤的變質程度增大；由於燕山期岩漿岩的侵入，使煤層 發生了熱接觸變質作用，使得煤的變質程度由南向北煤質逐漸增高（圖4）。峻德、興安礦區以氣煤和 長焰煤為主，中部的富力、南山、新一礦區為肥煤，鳥山礦區變為焦煤，興山礦東部分布有貧煤和無煙 煤（圖6）。因此，鶴崗盆地煤層含氣量北部高於南部。
3.3 煤層含氣量
通過分析HE-01、HE-02井的測試結果，發現各煤層含氣量均較低。HE-01井含氣量為1.14～ 2.41m3/t，平均為2.3m3/t。HE-02井煤層含氣量較高，1.06～5.01m3/t。
從鶴煤1井的測試結果上看，煤層氣含量較高，鶴煤1井共解析樣品23個，含氣量基本大於 2m3/t。620～654m井段的含氣量都在5m3/t以上，最高可達9.3m3/t，甲烷濃度在80％以上，已經達到 工業標准。
圖5 鶴崗盆地煤層累計厚度分布圖
圖6 鶴崗盆地11＃煤層煤階分布圖
3.4 煤儲層物性特徵
物性因素主要包括孔隙、滲透率、割理、吸附能力、儲層壓力、解析壓力等。從前人研究的結果可 知，鶴崗盆地的孔隙度和滲透率均較低［11］。通過對鶴煤1井23塊樣品的觀測認為新一礦地區構造煤發 育，以暗煤為主，含少量亮煤，煤體結構破碎，以粉煤為主，含少量碎塊，割理無法觀測（圖7）。表 1中651.73-652.13井段含氣量高，達到9.3m3/t，含氣飽和度為67％，儲層壓力和解析壓力較高，適 合進行壓裂改造進行煤層氣解析排采。
圖7 鶴煤1井煤岩類型、割理裂縫照片
表1 鶴煤1井儲層物性參數表——儲層壓力為按壓力梯度為0.77MPa/100m的估算值
4 煤層氣資源預測
通過分析鶴崗地區基礎地質條件、綜合前人研究結果和鶴煤1井取得的相關數據，認為新一、鳥山 和南山地區是今後煤層氣勘探的最有利區。考慮到目前得開采能力和經濟因素，將1500m作為界限，對新一、鳥山和南山礦區的煤層氣資源量進行了預測。南山礦煤炭資源儲量為9.03×108t，煤層氣儲量 為139.5×108m3/t，新一、鳥山礦區煤炭資源量為22.32×108t，煤層氣資源量為164.2×108m3/t。
5 結論
（1）在充分剖析鶴煤1井實測數據的基礎上，對鶴崗盆地的基礎地質特徵，煤層埋深、厚度、變 質程度、煤層含氣性和儲層特徵等成藏條件進行系統的研究，認為鶴崗盆地具備成為重要煤層氣開發基 地的潛力，目前制約鶴崗盆地實現突破的關鍵因素是勘探力度不夠，對於構造煤的勘探方法認識不清。
（2）鶴崗盆地煤層以氣煤和肥煤為主，演化程度中等；含氣量和含氣飽和度相對較低，但是厚層 的煤和較小的層間距可以彌補演化程度低導致的氣源不足；煤岩以粉煤為主，破碎較為嚴重，給後期壓 裂改造工藝帶來了不小的挑戰；盆地後期改造強烈，張性斷裂發育，構造煤廣泛分布，對煤層氣勘探來 說是一把雙刃劍，構造煤既可以成為煤層氣高富集區，又可以破壞煤層氣成藏。
（3）雖然鶴崗盆地構造較為破碎，但是中部的南山、新一和鳥山礦區煤層氣資源豐富，儲量可觀。鶴煤1井的成功鑽探證明了大慶油田具備開發煤層氣的實力，掌握較為成熟的煤層氣勘探方法，同時樹 立了盡早實現煤層氣工業突破的信心。
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『肆』 胡千庭的代表性論文（文章、科研報告等）
1、怎樣開展煤與瓦斯突出預測預報 1992 煤炭工程師 №1. 獨著
2、對預測煤與瓦斯突出的鑽屑瓦斯解吸指標的探討 1993 煤炭工程師 №5 第一作者
3、WTC瓦斯突出參數儀及其應用 1994 煤炭工程師 №4 第1作者
4、對煤巷掘進工作面放炮後瓦斯湧出預測指標的探討 1996 煤炭工程師 №4 獨著
5、對鑽屑瓦斯解吸指標預測突出敏感性的探討 1997 煤礦安全 №10 獨著
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『伍』 壓裂液對煤層氣解吸附傷害機理研究
庚勐1 孫粉錦1 李貴中1 劉萍1 梁麗1 李林地2
(1.中國石油勘探開發研究院廊坊分院;2.中國石化石油勘探開發研究院.)
摘要:煤層氣作為一種重要的非常規天然氣能源，在成藏方式、儲集類型、開發手段上與常規天然氣藏存在很大差異。煤層不僅是煤層氣的生氣層，同時也是儲氣層，而且煤層氣多以吸附態賦存於煤層中。因此，在煤層氣井壓裂施工過程中壓裂液對煤儲層的傷害不僅體現在宏觀的滲流能力傷害方面，更主要體現在對吸附在煤表面的煤層氣吸附解吸傷害影響上。本文針對煤層氣的吸附解吸影響因素進行了綜合分析評價，具體分析了煤的成分與煤中化學元素組成對煤層氣吸附解吸的影響;確定了煤層氣吸附解吸傷害實驗評價方法;提出了壓裂液與煤層潤濕性是評價壓裂液對煤層氣解吸附傷害程度的衡量參數。利用該評價模式對兩處不同煤質特徵樣品進行了含有粘土防膨劑的壓裂液及活性水對煤層氣解吸附傷害影響評價。該研究成果為煤層氣井壓裂施工過程中的壓裂液選擇具備理論指導作用。
關鍵詞:煤層氣 吸附-解吸 壓裂液 潤濕角 傷害機理
基金項目: 國家科技重大專項項目 37「煤層氣完井與高效增產技術及裝備研製」項目 ( 2008ZX05037) 資助。
作者簡介: 庚勐，男，1981 年生，碩士研究生，2009 年畢業於中國石油大學 ( 北京) ，從事煤層氣地質評價研究。地址: ( 065007) 河北省廊坊市廣陽區萬庄 44#煤層氣所。電話 ( 010) 69213236，13581883303。E mail:gengmengxi@ petrochina. com. cn。
Research on the Mechanism of Coalbed Methane Desorption Damages Caused by Fracturing Fluid
GENG Meng1，SUN Fenjin1，LI Guizhong1，LIU Ping1，LIANG Li1，LI Lindi2
( 1. Langfang Branch，PetroChina Petroleum Exploration and Development Research Institute， Lang-fang，Hebei 065007，China; 2. Sinopec Petroleum Exploration ＆ Proction Research Institute，Beijing 100083，China. )
Abstract: Coal-bed methane is an important unconventional natural energy resource. Compared to convention- al gas reservoir，it has greater difference with the ways of reservoir modes and storage types and exploration meth- ods. Coal seam is the generation and storage of the gas which prefers to exist with adsorption behavior. Therefore， the damage caused by fracturing fluid ring the fracture treatment not only displayed on the harm to filtration ca- pability，moreover the influence on the adsorption ＆ desorption of the gas being on the coal surface. This article makes synthetic analysis and appraisal of the coal bed methane absorption ＆ desorption affecting factors. It analyzes the influence of the coal component and chemical elements composition to coal-bed methane absorption-desorption， establishes the coal-bed methane absorption ＆ desorption damage experimental evaluation methods，proposes that fracturing fluid and coal seam wettability are the measuring parameters for evaluating the damage degree of the frac- turing fluid to coal-bed methane desorption. It evaluates the damages of the fracturing liquid and active water con- taining clay antiswelling agent with two samples of different coal quality features. The result has theoretical guid- ance on choosing fracturing liquid ring coal-bed methane fracturing operation.
Keywords: coal-bed methane; adsorption ＆ desorption; fracturing fluid; wetting angle; damage mecha- nism
1 前言
煤層氣作為一種重要的非常規天然氣資源越來越受到世界各國的重視，2010年美國煤層氣年產量已突破560億方，達到常規天然氣產量的一半;中國煤層氣儲量豐富，煤層氣勘探開發利用的產業化進程也正在快速進行。煤層氣開發技術不斷突破，但由於煤儲層的特殊性質，壓裂施工成為獲得工業氣流的重要手段，而煤層氣多以吸附態賦存於煤層中，使得壓裂施工中對煤儲層造成的傷害因素大大增加，其中壓裂液與煤儲層的配伍性顯得格外重要。
2 煤層氣吸附解吸機理
煤層氣在煤中主要以吸附態賦存外，還有游離態和水溶態賦存方式。煤是具有裂縫系統和基質孔隙的雙孔結構，該結構控制了其中氣體的儲集和運移。煤層其主要吸附於煤的孔隙中，受到溫度壓力等條件影響，造成熱運動能力改變，從而實現在煤表面的吸附和解吸［1］。
煤層氣的吸附和解吸主要區別於以下四個方面:(1)作用過程。吸附是一種自發的熱演化生烴排烴過程;解吸則是一種被動的人為排水降壓過程。(2)作用時間。吸附過程要經歷漫長的年代，要以百萬年計算;而解吸過程則非常短暫，只需要幾分鍾或者幾小時。(3)作用類型。吸附包括了物理吸附和化學吸附兩種形式，化學吸附是以離子鍵吸附，需要能量較大，但所佔吸附氣比例很小，物理吸附則具備了熱能低、速度快、可逆和無選擇性等特點;解吸過程則是單一的物理過程。(4)作用條件。吸附是通過煤演化過程中逐漸脫水、增壓實現的;解吸則是一個相對恆溫過程［2］。
通過對煤層氣的吸附解吸原理分析可知，壓裂液對煤層氣的吸附解吸影響主要發生在解吸附過程中。
3 煤層氣解吸附影響因素分析
煤對氣體的吸附能力受多種因素的影響，通常情況下主要影響因素有壓力、溫度、礦物質含量、水分含量、煤階、岩性、氣體組分等［3］。本研究中使用了同一地區同一批次煤岩樣品，等溫吸附實驗是在室內利用純甲烷氣體進行吸附解吸實驗;人為規避了以上常規因素對煤層氣解吸附的影響，可以將各種壓裂液配方對煤層氣解吸附的影響在同一標准下進行比較。
壓裂液對煤層氣解吸附的影響主要體現為與氣體在煤表面的潤濕能力不同，造成對煤層氣解吸附促進作用存在差異，降低了由於孔隙堵塞造成的解吸附氣量減少，個別壓裂液配方的注入甚至增加了煤層氣的解吸量。壓裂液與煤的潤濕性可以通過接觸角來測定，接觸角越小潤濕性越好，對煤層氣解吸附的促進作用越大［4］。
4 煤質特徵對潤濕性的影響
4.1 水分
煤層中水的賦存狀態分包括外在水和內在水以及部分結晶水，本研究中涉及的水分含量是指內在水含量，此時內在水是以物理吸附形勢存在於煤樣中;而煤樣中的結晶水是以化學方式與煤中礦物質結合的，含量很小，可以忽略其影響。由圖1可知，隨著煤樣的空氣乾燥基水分增高，煤樣與水的接觸角越小，表明煤樣越容易被水潤濕，該煤樣的潤濕性越好。
圖1 煤樣水分含量與接觸角關系
4.2 灰分
煤的灰分是指煤中所有可燃物完全燃燒，煤中礦物質在一定溫度下產生一系列分解、化合等復雜反應後剩下的殘渣。煤中灰分全部來自煤中礦物質，而灰分的組成和重量與煤中礦物質含量不完全相同，其並非煤中固有成分，通常將其稱為灰分產率。煤中的礦物質成分主要有高嶺石、黃鐵礦、石英和方解石等。
如圖2所示，煤樣中灰分含量越大，煤樣與水之間接觸角越小，煤樣潤濕性能越好。
4.3 揮發分
圖2 煤樣灰分含量與接觸角關系
水分和礦物質含量雖然對煤的潤濕性起到一定作用，但由於二者均屬於無機物，並不是煤的主要成分，而揮發分是煤中有機成分，其與煤的成因、顯微組分和煤化程度有關，可以通過揮發分產率大致判斷煤的變質程度。由於揮發分主要是由吸附於煤樣孔隙中的氣體和水分以及隨溫度升高煤樣外圍官能團釋放氣，其中水分和極性官能團親水，氣體和非極性官能團不親水，所以很難通過揮發份產率判斷煤樣的潤濕性。如圖3所示，揮發份產率同煤樣與水的接觸角之間相關性很差，證明了揮發份與煤樣潤濕性之間並無明顯關聯。
圖3 煤樣揮發分含量與接觸角關系
4.4 固定碳
固定碳與揮發分一樣都屬於煤中有機成分，煤樣中的乾燥無灰基固定碳含量隨煤化程度增加而變高，所以也有國家(或地區)將其作為煤的分類標准。
實際上固定碳並不只是煤中碳元素的含量，還包括氧、氮、硫等元素。固定碳並不是煤中固有成分，而是熱分解的產物。由於煤是由若干結構相似的結構單元通過性質活潑的橋鍵連接而成的大分子結構，其核心結構是芳香核，在邊緣存在一定得較為活潑的基團，隨著固定碳含量增加，煤化程度加深，煤分子的穩定性加強，導致了潤濕性變差。由圖4可以看出，隨著煤中固定碳含量的增加，煤樣與水之間的接觸角逐漸增大，潤濕性變差。
圖4 煤樣固定碳含量與接觸角關系
5 壓裂液對煤層氣解吸附影響分析
5.1 含粘土防膨劑壓裂液對煤層氣解吸附影響分析
通過以上分析可以看出，水分、灰分和固定碳都與煤質和水的潤濕性存在關聯，水分和灰分含量的增加都會降低水與煤質間的接觸角，提高煤的潤濕性;固定碳含量增加則會增大水與煤之間的接觸角，降低煤的潤濕性。如表1工業分析數據可知，目標煤層的固定碳含量要遠大於水分和灰分含量，超過了75%，所以該目標煤層的潤濕性能較差。
表1 目標煤層工業分析結果
本次試驗中首先用到了蒸餾水作為對比液，同時選擇地下水作為基液，添加了不同濃度KCl進行對比，由於壓裂液配方的成分遠復雜於蒸餾水，所以每種添加了不同濃度KCl的地下水壓裂液與煤層的潤濕性能存在很大差異。
如表2所示，對於3#煤層添加了1%KCl的地下水壓裂液與煤層的接觸角最小，而2%KCl的地下水壓裂液與煤層的接觸角最大;同時對於5#目標煤層，添加了2%和6%KCl的地下水壓裂液與煤層接觸角較小，而添加了1%和4%KCl的地下水壓裂液與煤層接觸角較大。以上論則完全驗證了添加不同濃度KCl粘土防膨劑的地下水壓裂液污染後煤層解吸附曲線特徵。
表2 不同濃度防膨劑與韓城地區3#煤樣接觸角對比表
如圖5目標煤層受蒸餾水或含粘土防膨劑壓裂液影響後的吸附解吸曲線所示，目標煤層受到含有KCl的地層水或蒸餾水污染後，解吸附曲線出現程度不同的滯後現象，且解吸滯後現象嚴重程度與壓裂液同煤層的接觸角度數大小成正比，即與潤濕性成反比，這是由於不同配方污染後造成的不利影響與解吸促進綜合作用後的結果，與目標煤層潤濕性較好壓裂液具備較好的促進解吸作用，相對解吸滯後性減小。
圖5-1 蒸餾水對3#煤解吸影響
對於3#目標煤層，幾種不同濃度防膨劑配方對煤層氣解吸附影響程度由大到小依次為:地表水+2%KCl>地表水+6%KCl>蒸餾水>地表水+4%KCl>地表水+1%KCl，除地表水+2%KCl要根據煤層原始壓力考慮其實用性意外，其餘幾種濃度防膨劑配方煤層氣解吸附影響程度差別非常小［5］。如表3所示，綜合考慮到目標煤層較低的粘土含量，從成本角度可以考慮優先選擇濃度為1%的KCl防膨劑進行壓裂液配製。
圖5-2 蒸餾水對5#煤解吸影響
圖5-3 1%防膨劑對3#煤解吸影響
圖5-4 1%防膨劑對5#煤解吸影響
對於5#目標煤層，當壓裂液為蒸餾水時對煤層氣解吸附影響較小;當加入1%和4%KCl防膨劑對煤層解吸附的影響最大，使煤層氣解吸出現了明顯的滯後性，不建議使用該種防膨劑進行壓裂液配製。其他幾種防膨劑對煤層氣解吸附影響有限，可以使用;如表4所示，綜合考慮到目標煤層較低的粘土含量，最適合於5#煤層解吸的防膨劑是2%KCl。
圖5-5 2%防膨劑對3#煤解吸影響
圖5-6 2%防膨劑對5#煤解吸影響
圖5-7 4%防膨劑對3#煤解吸影響
圖5-8 4%防膨劑對5#煤解吸影響
圖5-9 6%防膨劑對3#煤解吸影響
圖5-10 6%防膨劑對5#煤解吸影響
表3 3#煤樣粘土礦物含量測試表
表4 5#煤樣粘土礦物含量測試表
5.2 活性水壓裂液對煤層氣解吸附影響分析
目前煤層壓裂施工中大量使用活化水作為壓裂液，因為活性水的粘度只有交聯凍膠粘度1%，反排效果好，加砂量相對較少，同時對煤層的污染較少，所以具備較好的應用前景。
在對含粘土防膨劑壓力液與煤層氣解吸附影響評價基礎上，本次試驗中加入了0.5%DL8助排劑形成活性水進行試驗分析。
如圖6所示，受到地表水+0.5%Dl8助排劑+1%KCl防膨劑污染的5#煤試驗樣品解吸滯後性遠遠小於地表水+1%KCl防膨劑污染的5#煤層解吸過程。由表5可知，加入助排劑以後的壓裂液與5#煤樣接觸角小於未加入助排劑之前，說明該助排劑改善了壓裂液與目標煤層的潤濕性，在某種程度上降低了單純使用防膨劑給煤層氣解吸造成的傷害。
圖6 0.5DL8助排劑+1%防膨劑對5#煤解吸影響對比
表5 添加助排劑前後壓裂液與5#煤樣接觸角對比表
結論
壓力液對煤層氣的影響主要發生在解吸附過程中;對於同一煤層煤樣，壓裂液對煤層氣解吸附影響主要是由於固液間潤濕性差異造成的壓裂液置換煤層氣能力不同，使得解吸氣量產生差異。煤質中影響煤與水潤濕性的主要成分為固定碳，固定碳含量越大煤的潤濕性越差;與之相反的是水分和灰分，二者含量越大煤的潤濕性越好，但由於二者含量遠小於固定碳含量，所以目標煤層煤的潤濕性較差。
添加防膨劑以後使得壓裂液性質變復雜，根據不同壓裂液與目標煤層潤濕性驗證了煤層氣等溫吸附解吸曲線滯後性特徵;根據不同煤層具體情況選擇經濟高效的粘土防膨劑濃度進行壓裂液配製。
對於加入了助排劑的活性水壓裂液增加了液體表面活性，改善了其與目標煤層的潤濕性，有效地降低了煤層氣解吸附過程滯後性，提高了煤層氣解吸附能力。
參考文獻
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