煤层气出版社
『壹』 煤层气的理化性质有哪些
主要成分是甲烷，一般默认甲烷为其理化性质。
理化性质包括化学性质和物理性质。
甲烷的化学性质
CH4,最简单的烷烃,具有烷烃的通性:由于甲烷中碳原子与氢原子间的化学键为较稳定的σ键,化学性质相当稳定,跟强酸、强碱或强氧化剂(如KMnO4)等一般不起反应。在适当条件下会发生氧化、热解及卤代等反应
(1)甲烷和空气成适当比例的混合物,遇火花会发生爆炸,即可燃性。 CH4 + 2O2 →点燃→ CO2 + 2H2O,作燃料(沼气、天然气) 2CH4+3O2→点燃→2CO+4H2O(不完全燃烧); CH4 + O2 →点燃→C + 2H2O(极不完全燃烧)(2)与卤素的化学反应:当甲烷与氯在黑暗中混合时,两者不会产生化学反应,如果把混合物加热或以紫外光照射,以下反应(取代反应)会发生:CH4 + Cl2 → CH3Cl + HCl;CH3Cl + Cl2 →。 1..把制得的甲烷气体通入盛有****溶液(加几滴稀硫酸)的试管里,没有变化。再把甲烷气体通入溴水,溴水不褪色。
甲烷的物理性质
甲烷分子式CH4。最简单的有机化合物。甲烷是没有颜色、没有气味的气体,沸点-161.4℃,比空气轻,它是极难溶于水的可燃性气体。甲烷和空气成适当比例的混合物,遇火花会发生爆炸。化学性质相当稳定,跟强酸、强碱或强氧化剂(如KMnO4)等一般不起反应。在适当条件下会发生氧化、热解及卤代等反应。甲烷在自然界分布很广,是天然气、沼气、坑气及煤气的主要成分之一。它可用作燃料及制造氢、一氧化碳、炭黑、乙炔、氢*酸及文字甲醛等物质的原料。
甲烷物理性质
甲烷是无色、可燃和无毒的气体。沸点为-161.49℃。甲烷对空气的重量比是0.54,比空气约轻一半。甲烷溶解度很少,在20℃、0.1千帕时,100单位体积的水,只能溶解3个单位体积的甲烷。
『贰』 中国煤层气资源与勘探开发
8.3.1 煤层气产业发展前景
目前，除了井下瓦斯抽放利用已形成一定规模并获相应效益外，地面煤层气勘探开发仍处于探索阶段，尚未进入工业性规模开发阶段。但是，展望未来，我国煤层气产业具有良好的发展前景。
根据最新的预测结果，我国烟煤和无烟煤煤田中，在埋深300～2000 m范围内煤层气资源量为31.46×1012m3。在世界上，前苏联煤层气资源量为（17.0～113.3）×1012m3，美国为（9.7～11.7）×1012m3（据Boyer，et al.，1998），我国煤层气资源量位居世界第二位。由石油天然气系统进行的全国第二轮油气资源评价结果显示，我国有38×1012m3的常规天然气资源量，其中陆地有30×1012m3、海域有8×1012m3（据陈永武，2000）；可见，在我国陆地范围内，煤层气资源量比常规天然气还要大。值得指出的是，在计算煤层气资源量时，褐煤、不可采煤层和煤层围岩等均未参与计算。但事实上，褐煤中含有一定量的煤层气，如我国沈北矿区褐煤的气含量Cdaf达6.47cm3/g，美国鲍德河盆地褐煤的气含量（Cdaf）虽只有0.03～2.3cm3/g，由于煤层单层厚度达67 m之巨，因而同样实现了商业性开发；我国褐煤广泛分布，大多煤层厚度都很大，故其中的煤层气资源潜力是不小的；另根据煤矿通风和井下瓦斯抽放实践，在不可采煤层和围岩中的煤层气资源量通常是可采煤层的10%～20%。若将上述3个范畴都包括在内，我国煤层气资源量将会更加巨大。
丰富的资源量为我国煤层气产业的形成和发展提供了雄厚的物质基础和资源保证。
8.3.2 国家能源战略和煤矿安全的需要
随着社会的进步和发展，在21世纪，人们将更加重视可持续发展战略。为实现国民经济持续、快速发展，必须坚持保护和建设生态环境、净化家园，节约和有效地利用能源资源。为此国家将大力推进开发和使用天然气等洁净能源。另外，从国家石油安全战略考虑，必须减少国民经济和人民生活对石油资源的依赖程度，开拓替代能源。我国人均拥有天然气产量不足20 m3，相对发达国家（如英国人均达1300 m3以上）差距很大，天然气消费量在一次能源消费结构中比例小，仅占2%左右，这种局面远远不能适应国民经济的发展和人民生活水平提高的需要。要改变这种被动局面，只靠常规天然气是不能解决问题的，国家在大力加强常规天然气开发的同时，十分重视煤层气这种非常规天然气的开发利用问题。因此，煤层气在未来我国的能源构成中将具有广阔的发展空间。
从煤矿安全生产角度看，煤层气（俗称煤层瓦斯）是煤矿安全生产的最大隐患，常常造成惨重的灾害事故，而且随着矿井的延伸，问题会变得更加严重。在采煤前及采煤过程中，如果从地面预先将煤层气开采出来，就会大大减少矿井瓦斯灾害的隐患；同时还大大降低了采煤过程中甲烷（CH4）这种强烈温室效应气体的排放量，对保护大气环境具有重要作用。
因此，利用地面采气技术开发利用煤层气资源，是解决矿井瓦斯灾害的一条有效途径，特别是对矿井深部，意义更为突出。
8.3.3 国家重视煤层气的开发利用
国家对煤层气资源的开发利用工作十分重视。江泽民总书记为煤层气开发题词：“依靠科技进步，发展煤层气产业，造福人民。”代表了国家和人民对煤层气产业化的殷切期望和高度重视。
1999年，由国土资源部、国家计委等5部委联合下发的《矿产资源储量评审认定办法》文件中，将煤层气与石油、天然气和放射性矿产同样对待，列为由国家统一管理的矿种。自20世纪80年代以来，国家在煤层气管理、产业政策、资源综合利用、价格政策及对外合作勘探开发等方面先后制定并实施了一系列措施和优惠政策（孙茂远，1998），扶持和鼓励煤层气产业的发展。
为了集中各方面的力量，加速我国煤层气资源的开发利用，经国务院批准，于1996年5月组建了中联煤层气有限责任公司。这是一个跨地区、跨行业，集煤层气开采、利用和输送于一体的主干公司，并被授予对外合作进行煤层气勘探、开发和生产的专营权。中联公司的成立，标志着我国煤层气勘探开发已进入了有序发展的全新历史阶段，也为我国煤层气产业的形成和发展提供了强有力的组织保证。
1990年，沈阳市煤气总公司引进美国技术，在辽宁省红阳矿区施工红阳一号煤层气井，进行煤层气资源风险勘探，开创了我国利用现代煤层气技术之先河。此后，国内煤炭、石油、地矿系统各有关单位和中联公司与联合国开发计划署（UNDP）、美国和澳大利亚的有关公司等，在我国各地进行煤层气勘探开发试验工作，先后在柳林、石楼、潘庄及晋城、潘庄及大城建成了6个小型煤层气试验开发井网，均获得工业性气流；由中联公司在枣园地区施工的TL-007 井，单井最高产气量达16000 m3/d。另外，正在建设中的还有新集、淮北、临兴、盘江和丰城等小型试验开发井网。这些小型开发井网起到了试验和示范作用。
小型开发井网显示出在中国利用地面技术开采煤层气的可行性，并积累了大量生产资料和丰富的实践经验，特别是在晋城矿区高变质无烟煤中利用地面垂直井技术采气获得成功，大大拓展了人们的视野。所有这些都为今后大规模工业性开发进行了有效的技术储备。
我国进行地面煤层气勘探开发试验工作已有10余年的历史，但至今仍停留在打勘探井和小型试验开发井网的水平上，未能进入大规模工业性开发利用阶段。究其原因，主要是投入不足和下游工程（特别是输气管道）不配套。美国至1995年底共有6700口煤层气生产井，年产气量达270×108m3；而我国截至1999年底，共打各类煤层气井156口，其中进行过采气试验的井（包括地面垂直井和采动区井）只有99 口；采出的气体全部排空，故煤层气产量为“零”。相比之下，我国煤层气井数量很少，相应的投入就更少。在这种状况下，很难实现煤层气开发利用的实质性突破。
天然气输送管道缺乏是制约我国煤层气发展的重要外部条件。在已有的和正在建设的小型煤层气试验开发井网范围内，除大城地区有地域性的天然气输气管道外，其他地区都没有。这种局面严重地抑制着对煤层气进一步投入和勘探的热情。若能解决煤层气远距离输送的通道问题，必将大大激发人们对煤层气勘探开发投资的热情。
伴随着国家实施西部大开发战略，由塔里木盆地至上海的“西气东输”工程已全面开工。这条长4200 km的输气管道，将经过榆林、长治和淮南等地，这些地区都是煤层气资源条件很好的地区，也是目前我国煤层气勘探开发的热点区域。“西气东输”工程的建设，为相关地区煤层气开发利用提供了一个大发展的良好契机。
8.3.4 开发前景评价
在对各主要地区分别评价和全国总体认识的基础上，按照分层次、分阶段和综合评价的原则，以煤层发育富集程度、煤层气资源量规模、地理位置及市场条件、煤层气勘探开发程度为依据，以含气带为单位，对于开发前景进行了分类评价。
Ⅰ类：指资源条件和经济地理位置俱佳，目前煤层气勘探效果显著，作为优先开发的含气带。此类含气带有沁水、鄂尔多斯盆地东缘、渭北、徐淮和淮南等5个含气带。这5个含气带的煤层气资源量为8.90×1012m3，占全国总资源量的28.29%。
Ⅱ类：指资源量丰富，但地区经济发展相对滞后，或地形条件不利，煤层气勘探工作很少，或煤层气勘探工作尚未开展的含气带，可作为长远规划考虑。这类含气带包括华蓥山、川南、黔北、六盘水、吐-哈、准噶尔南和伊犁等6个含气带。这6个含气带的煤层气资源量为6.81×1012m3，占全国总资源量的21.65%。
Ⅲ类：指资源条件一般，但经济地理位置优势明显，市场需求旺盛，煤层气勘探具有一定基础，煤层气开发利用已取得一定成效的含气带，可根据需要和可能性开展工作。这类含气带包括三江-穆棱河、浑江-辽阳、抚顺、辽西、京唐、冀中平原、豫西、萍乐、湘中、黄陇、鄂尔多斯盆地北部、鄂尔多斯盆地西部、桌-贺和准噶尔东14个含气带。这14个含气带的煤层气资源量为10.60×1012m3，占全国煤层气总资源量的37.73%。
Ⅳ类：为上述各类以外的含气带，资源条件和外部条件较差，在当前技术经济条件下可暂不考虑开发利用其煤层气资源。
在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类含气带中，优选出沁水盆地北部的阳泉-寿阳地区、沁水盆地南部地区、鄂尔多斯盆地东缘、渭北煤田东段、铁法盆地、大城地区、淮北矿区、淮南矿区、丰城矿区和盘江矿区等有利区块，作为煤层气地面开发的重点工作对象。
建议进一步阅读
1.程裕淇主编.1994.中国区域地质概论.北京：地质出版社
2.赵庆波.2004.中国煤层气地质特征及其勘探新领域.天然气工业，24（5）：4～8
3.朱杰，车长波等.2006.我国煤层气产业发展趋势预测.中国矿业，15（11）：5～8
4.张新民等.2002.中国煤层气地质与资源评价.北京：科学出版社，65～137、202～219、224～276
『叁』 鹤岗盆地煤层气资源潜力分析
王世辉 王有智 许承武
（中国石油大庆油田有限责任公司勘探开发研究院，黑龙江 大庆 1637121）
摘 要：鹤岗盆地煤炭资源量大，是黑龙江省主要的产煤盆地之一，2009年大庆油田成功部署和施工的 鹤煤1井，对认清鹤岗盆地煤层气资源量和资源潜力具有重要意义。本文基于煤田和油田的钻井和地震等资 料对鹤岗盆地煤层气进行了成藏条件分析，基于地震等资料的构造条件分析认为，鹤岗盆地张性断层发育，期次多，发育复查，互相切叠，不利于煤层气的保存。利用煤田钻井资料及鹤煤1井资料，对鹤岗盆地煤层 特征分析，认为南山矿、新一和鸟山矿的煤层厚度大，累计厚度一般均大于60m，主力煤层单层厚度达10m 以上；其主力煤层埋深适中，鹤煤1井揭示主力煤层埋深均在1000m以上；煤阶适中，一般以气肥煤为主，向东部随埋深增大而增大；通过已钻探的煤层气井统计分析，鹤岗煤田含气性南部较低，北部含气量高，可 达到工业开采标准；鹤煤1井的储层特征分析表明，鹤岗盆地大部分煤层储层物性较差，只有少量煤层割理 发育，适合开采煤层气。综上认为鹤岗盆地南山矿、新一和鸟山矿矿区显示出较好的富集潜力，对三个矿区 进行了资源量的估算，储量十分可观，为303.75×108m3。综合分析认为鹤岗盆地的张性断裂导致构造煤的 发育、勘探力度不够和针对构造煤的勘探方法的不清，是制约鹤岗盆地煤层气勘探实现突破的核心问题。
关键词：鹤岗盆地；煤层气；成藏条件；资源量
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 盆地概况
鹤岗盆地位于黑龙江省小兴安岭东麓与三江平原的接壤处，呈近南北向分布，北起四方山菜地，南 至阿凌达河，西临永利-蔬圆一带，东迄新华-圆头山一线，南北长约100km，东西宽约28km。鹤岗 盆地煤炭资源开发较早，由北到南依次为石头庙子、兴山、新一、鸟山、南山、大陆、富力、峻德、新 华等10个矿区，工业储量16×108t，可采储量8×108t［1］。
2 煤层气勘探开发现状
随着美国煤层气勘探理论和开发技术的不断突破，带动了世界上30多个重要产煤国的煤层气研究 与发展［2～4］。1989年联合国环保署援助项目 “中国煤层气资源开发” 的实施，正式拉开了我国煤层气 地面开发研究的序幕。通过与美国煤层气成功开发煤层气盆地的类比［5～7］，鹤岗盆地成为重要的煤层 勘探区之一。
鹤岗地区对矿井瓦斯的商业利用价值认识较早，1984年开始使用抽放瓦斯作为优质燃料，1992年 开始进入居民实用阶段至今。目前，仅在南山矿实现了瓦斯抽放综合利用［8～9］。
鹤岗盆地煤层气勘探始于1998年，中联煤层气公司、黑龙江省计委、鹤岗矿务局、黑龙江省煤管 局、鹤岗市政府5个单位联合，在峻德、兴安地区施工了两口煤层气参数井兼生产试验井（HE-01、 HE-02）。2002年，中联煤层气公司、黑龙江计委、黑龙江省煤田地质局在南山、新一、鸟山区进行 勘探，布置了4口煤层气参数井兼生产试验井（鹤参3、鹤参4、鹤参5、鹤参6），先期施工了一口参 数井（鹤参3）。2009年，中联煤层气公司在新一地区施工了一口试验井，对该井进行排采试验，日产 气量达到1400m3/d。
2009年11月21日鹤岗发生重大瓦斯爆炸，为落实省和油公司领导指示精神，体现大庆油田社会 责任，2009年至2010年大庆油田本着降低安全事故和解决环境污染的初衷，在新一矿和鸟山矿施工三 口煤层气评价井，取得较好的效果。
随着煤层气勘探力度的加大，对鹤岗盆地资源前景有了较为明确的认识，经充分分析研究确定南 山、新一和鸟山矿区为今后勘探开发的重点靶区，但由于成藏条件较为复杂，给勘探工作带来一定的 困难。
3 成藏条件分析
3.1 构造特征
区域构造通过对煤层生成和赋存状态的控制作用，影响到煤层气的生成和富集。因此，正确认识煤 田区域构造特征是分析煤层气资源赋存规律的基础。
3.1.1 区域构造特征
鹤岗盆地位于佳木斯地块的西北部，盆地西缘为南北走向的牡丹江断裂，盆地东南边界为依兰—伊 通断裂（图1）。盆地基底主要由前古生界麻山群、黑龙江群深变质岩系及元古宙混合花岗岩、华力西 期花岗岩等共同组成。鹤岗盆地由四个一级构造单 元组成，自西向东为：红旗断陷、连二岭—伏尔基 河隆起、宝泉岭断陷、都鲁河隆起，总体表现为 “坳隆相间” 的展布特征。
图1 鹤岗盆地构造分区图
3.1.2 煤田区构造特征
鹤岗煤田为一走向近南北，向东倾斜的单斜构 造，倾角15°～35°。受基底刚性的影响，盆地内褶 皱作用较微弱，断裂构造十分发育，以正断裂为主，可分成南北向、东西向、北北东向、北东向、北东 东向、北西向和北北西向多组。断裂数量多、期次 多，相互截切、交织在一起，造成断裂构造格局复 杂化。
张性断层的开放性不利于煤层气的保存。由于 受到拉张作用，断面附近由于构造应力释放而成为 低压区，煤层中吸附甲烷大量解析，从断面逸散，对煤层气藏起到破坏作用。
3.2 含煤地层特征
3.2.1 煤层厚度
鹤岗煤田主要含煤地层为下白垩统城子河组，含煤地层总厚730～1310m，煤田共发育40余层煤，其中可采及局部可采煤层36层，主要可采煤层［10］ 包括3＃、11＃、15＃、17＃、18＃、21＃、22＃、30＃、 33＃9个煤层（图2），其中主力煤层为11＃、15＃和 18＃煤层（图3）。
图2 鹤岗盆地城子河组煤层平均厚度统计直方图
从全区煤层发育情况来看，煤层厚度大连续性好，具备良好的资源潜力。整体上以新一矿为中心向 南、向北逐渐变薄，其中煤层厚度大于60m的主要分布在新一、南山和鸟山矿，兴安、峻德矿的只在 局部地区发育（图5）。鹤煤1井揭示的煤层累计厚度达到100m以上，新一矿显示出较好的勘探前景。
3.2.2 煤层埋深
鹤岗盆地煤层在西缘埋藏较浅，甚至出露地表，向东埋藏逐渐加深，但煤层厚度变薄。依据煤田钻 井资料和鹤煤1井揭示的煤层情况（图4），煤层最大埋深在1000m以浅，矿区边界以外没有钻井控制，依据地震解释推测其最大埋深可达2000m。鹤岗盆地煤层埋藏深度适中，有利于煤层气的勘探开发［5］。
图3 鹤岗盆地主采煤层剖面对比分布图
图4 鹤煤1井煤层厚度与埋深棒状图
3.2.3 煤阶
相同地质条件下，通常认为煤层含气量随煤的变质程度增大而升高。鹤岗煤田以低—中等变质的气 煤、肥煤为主，煤阶由西向东随埋藏深度的增加煤的变质程度增大；由于燕山期岩浆岩的侵入，使煤层 发生了热接触变质作用，使得煤的变质程度由南向北煤质逐渐增高（图4）。峻德、兴安矿区以气煤和 长焰煤为主，中部的富力、南山、新一矿区为肥煤，鸟山矿区变为焦煤，兴山矿东部分布有贫煤和无烟 煤（图6）。因此，鹤岗盆地煤层含气量北部高于南部。
3.3 煤层含气量
通过分析HE-01、HE-02井的测试结果，发现各煤层含气量均较低。HE-01井含气量为1.14～ 2.41m3/t，平均为2.3m3/t。HE-02井煤层含气量较高，1.06～5.01m3/t。
从鹤煤1井的测试结果上看，煤层气含量较高，鹤煤1井共解析样品23个，含气量基本大于 2m3/t。620～654m井段的含气量都在5m3/t以上，最高可达9.3m3/t，甲烷浓度在80％以上，已经达到 工业标准。
图5 鹤岗盆地煤层累计厚度分布图
图6 鹤岗盆地11＃煤层煤阶分布图
3.4 煤储层物性特征
物性因素主要包括孔隙、渗透率、割理、吸附能力、储层压力、解析压力等。从前人研究的结果可 知，鹤岗盆地的孔隙度和渗透率均较低［11］。通过对鹤煤1井23块样品的观测认为新一矿地区构造煤发 育，以暗煤为主，含少量亮煤，煤体结构破碎，以粉煤为主，含少量碎块，割理无法观测（图7）。表 1中651.73-652.13井段含气量高，达到9.3m3/t，含气饱和度为67％，储层压力和解析压力较高，适 合进行压裂改造进行煤层气解析排采。
图7 鹤煤1井煤岩类型、割理裂缝照片
表1 鹤煤1井储层物性参数表——储层压力为按压力梯度为0.77MPa/100m的估算值
4 煤层气资源预测
通过分析鹤岗地区基础地质条件、综合前人研究结果和鹤煤1井取得的相关数据，认为新一、鸟山 和南山地区是今后煤层气勘探的最有利区。考虑到目前得开采能力和经济因素，将1500m作为界限，对新一、鸟山和南山矿区的煤层气资源量进行了预测。南山矿煤炭资源储量为9.03×108t，煤层气储量 为139.5×108m3/t，新一、鸟山矿区煤炭资源量为22.32×108t，煤层气资源量为164.2×108m3/t。
5 结论
（1）在充分剖析鹤煤1井实测数据的基础上，对鹤岗盆地的基础地质特征，煤层埋深、厚度、变 质程度、煤层含气性和储层特征等成藏条件进行系统的研究，认为鹤岗盆地具备成为重要煤层气开发基 地的潜力，目前制约鹤岗盆地实现突破的关键因素是勘探力度不够，对于构造煤的勘探方法认识不清。
（2）鹤岗盆地煤层以气煤和肥煤为主，演化程度中等；含气量和含气饱和度相对较低，但是厚层 的煤和较小的层间距可以弥补演化程度低导致的气源不足；煤岩以粉煤为主，破碎较为严重，给后期压 裂改造工艺带来了不小的挑战；盆地后期改造强烈，张性断裂发育，构造煤广泛分布，对煤层气勘探来 说是一把双刃剑，构造煤既可以成为煤层气高富集区，又可以破坏煤层气成藏。
（3）虽然鹤岗盆地构造较为破碎，但是中部的南山、新一和鸟山矿区煤层气资源丰富，储量可观。鹤煤1井的成功钻探证明了大庆油田具备开发煤层气的实力，掌握较为成熟的煤层气勘探方法，同时树 立了尽早实现煤层气工业突破的信心。
［1］杨敏芳，孙斌，张丽琳，等.鹤岗盆地煤层气赋存特征及勘探开发潜力［J］.天然气工业，2010，30（11）： 26～29.
［2］Boyer Ⅱ C M.The Coalbed Methane Resources and the Mechanism of Gas Proction［M］.Chicago：GRI，989.
［3］Rightmire C T，et al.Coalbed Methane Resources of the United States［M］.AAPG Studies in Geology＃17，1989.
［4］Flores R M.Coalbed methane：f rom coal2mine outbursts to a gas resource（Special Issue on Coalbed Methane）［J］.InternationalJournal of Coal Geology，1998，35：1-4.
［5］Mastalerz M，Glikson M，Golding S D.Coalbed Methane：Scientific，Environmental and Economic Evaluaion［M］.Boston： Kluwer Academic Publishers，1999.
［6］Scott A R.Composition and origin of coalbed gases form selected basins in the United States［A］.Proc 1993 CBM Symp［C］.The University of Alabama，Tuscaloosa，1993.
［7］Homer D M.In-situ stresses：a critical factor influencing hydraulic fracture performance in Australia coal basins［A］.Proceedings 1991 Int CBM Symp［C］.1991.445-450.
［8］刘靖阳.鹤岗矿区煤层气利用与展望［J］.煤炭技术，2002，21（11）：3-4.
［9］赵淑荣.鹤岗煤田煤层气利用初步评价［J］.煤炭技术，2009，28（3）：144-145.
［10］秦勇，桑树勋.鹤岗矿区煤层气资源评价［R］.徐州：中国矿业大学，2005.
［11］李五忠，赵庆波，吴国干.中国煤层气开发与利用［M］.北京：石油工业出版社，2008.
『肆』 胡千庭的代表性论文（文章、科研报告等）
1、怎样开展煤与瓦斯突出预测预报 1992 煤炭工程师 №1. 独著
2、对预测煤与瓦斯突出的钻屑瓦斯解吸指标的探讨 1993 煤炭工程师 №5 第一作者
3、WTC瓦斯突出参数仪及其应用 1994 煤炭工程师 №4 第1作者
4、对煤巷掘进工作面放炮后瓦斯涌出预测指标的探讨 1996 煤炭工程师 №4 独著
5、对钻屑瓦斯解吸指标预测突出敏感性的探讨 1997 煤矿安全 №10 独著
6、中国防治煤与瓦斯突出技术研究及发展 1998.国际采矿技术研讨会论文集 独著
7、中国煤矿瓦斯抽放技术研究及发展 1998.10 国际采矿技术研讨会论文集 第2作者
8、煤与瓦斯突出非接触式预测技术的研究 1998.11 中国科协第三届青年学术年会论文集 独著
9、我国煤矿瓦斯灾害防治对策探讨 1999.8 中国科协首届学术年会 第1作者
10、我国煤矿瓦斯防治技术的研究与发展 1998.6 中国科协第31次青年科学家论坛报告文集 独著
11、煤矿瓦斯灾害防治技术研究方向探讨 2001.4 煤矿瓦斯灾害防治理论战略探讨 矿大出版社 独著
12、煤层气规模开发与安全高效采煤—体化研究，中国科技奖励，2008-9，第一作者
13、中国煤与瓦斯突出事故现状及其预防的对策建议，矿业安全与环保，2012.5，第一作者
14、突出矿井实现安全高效开采的技术途径探讨，2015.1 ，煤炭科学技术，独著
『伍』 压裂液对煤层气解吸附伤害机理研究
庚勐1 孙粉锦1 李贵中1 刘萍1 梁丽1 李林地2
(1.中国石油勘探开发研究院廊坊分院;2.中国石化石油勘探开发研究院.)
摘要:煤层气作为一种重要的非常规天然气能源，在成藏方式、储集类型、开发手段上与常规天然气藏存在很大差异。煤层不仅是煤层气的生气层，同时也是储气层，而且煤层气多以吸附态赋存于煤层中。因此，在煤层气井压裂施工过程中压裂液对煤储层的伤害不仅体现在宏观的渗流能力伤害方面，更主要体现在对吸附在煤表面的煤层气吸附解吸伤害影响上。本文针对煤层气的吸附解吸影响因素进行了综合分析评价，具体分析了煤的成分与煤中化学元素组成对煤层气吸附解吸的影响;确定了煤层气吸附解吸伤害实验评价方法;提出了压裂液与煤层润湿性是评价压裂液对煤层气解吸附伤害程度的衡量参数。利用该评价模式对两处不同煤质特征样品进行了含有粘土防膨剂的压裂液及活性水对煤层气解吸附伤害影响评价。该研究成果为煤层气井压裂施工过程中的压裂液选择具备理论指导作用。
关键词:煤层气 吸附-解吸 压裂液 润湿角 伤害机理
基金项目: 国家科技重大专项项目 37“煤层气完井与高效增产技术及装备研制”项目 ( 2008ZX05037) 资助。
作者简介: 庚勐，男，1981 年生，硕士研究生，2009 年毕业于中国石油大学 ( 北京) ，从事煤层气地质评价研究。地址: ( 065007) 河北省廊坊市广阳区万庄 44#煤层气所。电话 ( 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
煤层气作为一种重要的非常规天然气资源越来越受到世界各国的重视，2010年美国煤层气年产量已突破560亿方，达到常规天然气产量的一半;中国煤层气储量丰富，煤层气勘探开发利用的产业化进程也正在快速进行。煤层气开发技术不断突破，但由于煤储层的特殊性质，压裂施工成为获得工业气流的重要手段，而煤层气多以吸附态赋存于煤层中，使得压裂施工中对煤储层造成的伤害因素大大增加，其中压裂液与煤储层的配伍性显得格外重要。
2 煤层气吸附解吸机理
煤层气在煤中主要以吸附态赋存外，还有游离态和水溶态赋存方式。煤是具有裂缝系统和基质孔隙的双孔结构，该结构控制了其中气体的储集和运移。煤层其主要吸附于煤的孔隙中，受到温度压力等条件影响，造成热运动能力改变，从而实现在煤表面的吸附和解吸［1］。
煤层气的吸附和解吸主要区别于以下四个方面:(1)作用过程。吸附是一种自发的热演化生烃排烃过程;解吸则是一种被动的人为排水降压过程。(2)作用时间。吸附过程要经历漫长的年代，要以百万年计算;而解吸过程则非常短暂，只需要几分钟或者几小时。(3)作用类型。吸附包括了物理吸附和化学吸附两种形式，化学吸附是以离子键吸附，需要能量较大，但所占吸附气比例很小，物理吸附则具备了热能低、速度快、可逆和无选择性等特点;解吸过程则是单一的物理过程。(4)作用条件。吸附是通过煤演化过程中逐渐脱水、增压实现的;解吸则是一个相对恒温过程［2］。
通过对煤层气的吸附解吸原理分析可知，压裂液对煤层气的吸附解吸影响主要发生在解吸附过程中。
3 煤层气解吸附影响因素分析
煤对气体的吸附能力受多种因素的影响，通常情况下主要影响因素有压力、温度、矿物质含量、水分含量、煤阶、岩性、气体组分等［3］。本研究中使用了同一地区同一批次煤岩样品，等温吸附实验是在室内利用纯甲烷气体进行吸附解吸实验;人为规避了以上常规因素对煤层气解吸附的影响，可以将各种压裂液配方对煤层气解吸附的影响在同一标准下进行比较。
压裂液对煤层气解吸附的影响主要体现为与气体在煤表面的润湿能力不同，造成对煤层气解吸附促进作用存在差异，降低了由于孔隙堵塞造成的解吸附气量减少，个别压裂液配方的注入甚至增加了煤层气的解吸量。压裂液与煤的润湿性可以通过接触角来测定，接触角越小润湿性越好，对煤层气解吸附的促进作用越大［4］。
4 煤质特征对润湿性的影响
4.1 水分
煤层中水的赋存状态分包括外在水和内在水以及部分结晶水，本研究中涉及的水分含量是指内在水含量，此时内在水是以物理吸附形势存在于煤样中;而煤样中的结晶水是以化学方式与煤中矿物质结合的，含量很小，可以忽略其影响。由图1可知，随着煤样的空气干燥基水分增高，煤样与水的接触角越小，表明煤样越容易被水润湿，该煤样的润湿性越好。
图1 煤样水分含量与接触角关系
4.2 灰分
煤的灰分是指煤中所有可燃物完全燃烧，煤中矿物质在一定温度下产生一系列分解、化合等复杂反应后剩下的残渣。煤中灰分全部来自煤中矿物质，而灰分的组成和重量与煤中矿物质含量不完全相同，其并非煤中固有成分，通常将其称为灰分产率。煤中的矿物质成分主要有高岭石、黄铁矿、石英和方解石等。
如图2所示，煤样中灰分含量越大，煤样与水之间接触角越小，煤样润湿性能越好。
4.3 挥发分
图2 煤样灰分含量与接触角关系
水分和矿物质含量虽然对煤的润湿性起到一定作用，但由于二者均属于无机物，并不是煤的主要成分，而挥发分是煤中有机成分，其与煤的成因、显微组分和煤化程度有关，可以通过挥发分产率大致判断煤的变质程度。由于挥发分主要是由吸附于煤样孔隙中的气体和水分以及随温度升高煤样外围官能团释放气，其中水分和极性官能团亲水，气体和非极性官能团不亲水，所以很难通过挥发份产率判断煤样的润湿性。如图3所示，挥发份产率同煤样与水的接触角之间相关性很差，证明了挥发份与煤样润湿性之间并无明显关联。
图3 煤样挥发分含量与接触角关系
4.4 固定碳
固定碳与挥发分一样都属于煤中有机成分，煤样中的干燥无灰基固定碳含量随煤化程度增加而变高，所以也有国家(或地区)将其作为煤的分类标准。
实际上固定碳并不只是煤中碳元素的含量，还包括氧、氮、硫等元素。固定碳并不是煤中固有成分，而是热分解的产物。由于煤是由若干结构相似的结构单元通过性质活泼的桥键连接而成的大分子结构，其核心结构是芳香核，在边缘存在一定得较为活泼的基团，随着固定碳含量增加，煤化程度加深，煤分子的稳定性加强，导致了润湿性变差。由图4可以看出，随着煤中固定碳含量的增加，煤样与水之间的接触角逐渐增大，润湿性变差。
图4 煤样固定碳含量与接触角关系
5 压裂液对煤层气解吸附影响分析
5.1 含粘土防膨剂压裂液对煤层气解吸附影响分析
通过以上分析可以看出，水分、灰分和固定碳都与煤质和水的润湿性存在关联，水分和灰分含量的增加都会降低水与煤质间的接触角，提高煤的润湿性;固定碳含量增加则会增大水与煤之间的接触角，降低煤的润湿性。如表1工业分析数据可知，目标煤层的固定碳含量要远大于水分和灰分含量，超过了75%，所以该目标煤层的润湿性能较差。
表1 目标煤层工业分析结果
本次试验中首先用到了蒸馏水作为对比液，同时选择地下水作为基液，添加了不同浓度KCl进行对比，由于压裂液配方的成分远复杂于蒸馏水，所以每种添加了不同浓度KCl的地下水压裂液与煤层的润湿性能存在很大差异。
如表2所示，对于3#煤层添加了1%KCl的地下水压裂液与煤层的接触角最小，而2%KCl的地下水压裂液与煤层的接触角最大;同时对于5#目标煤层，添加了2%和6%KCl的地下水压裂液与煤层接触角较小，而添加了1%和4%KCl的地下水压裂液与煤层接触角较大。以上论则完全验证了添加不同浓度KCl粘土防膨剂的地下水压裂液污染后煤层解吸附曲线特征。
表2 不同浓度防膨剂与韩城地区3#煤样接触角对比表
如图5目标煤层受蒸馏水或含粘土防膨剂压裂液影响后的吸附解吸曲线所示，目标煤层受到含有KCl的地层水或蒸馏水污染后，解吸附曲线出现程度不同的滞后现象，且解吸滞后现象严重程度与压裂液同煤层的接触角度数大小成正比，即与润湿性成反比，这是由于不同配方污染后造成的不利影响与解吸促进综合作用后的结果，与目标煤层润湿性较好压裂液具备较好的促进解吸作用，相对解吸滞后性减小。
图5-1 蒸馏水对3#煤解吸影响
对于3#目标煤层，几种不同浓度防膨剂配方对煤层气解吸附影响程度由大到小依次为:地表水+2%KCl>地表水+6%KCl>蒸馏水>地表水+4%KCl>地表水+1%KCl，除地表水+2%KCl要根据煤层原始压力考虑其实用性意外，其余几种浓度防膨剂配方煤层气解吸附影响程度差别非常小［5］。如表3所示，综合考虑到目标煤层较低的粘土含量，从成本角度可以考虑优先选择浓度为1%的KCl防膨剂进行压裂液配制。
图5-2 蒸馏水对5#煤解吸影响
图5-3 1%防膨剂对3#煤解吸影响
图5-4 1%防膨剂对5#煤解吸影响
对于5#目标煤层，当压裂液为蒸馏水时对煤层气解吸附影响较小;当加入1%和4%KCl防膨剂对煤层解吸附的影响最大，使煤层气解吸出现了明显的滞后性，不建议使用该种防膨剂进行压裂液配制。其他几种防膨剂对煤层气解吸附影响有限，可以使用;如表4所示，综合考虑到目标煤层较低的粘土含量，最适合于5#煤层解吸的防膨剂是2%KCl。
图5-5 2%防膨剂对3#煤解吸影响
图5-6 2%防膨剂对5#煤解吸影响
图5-7 4%防膨剂对3#煤解吸影响
图5-8 4%防膨剂对5#煤解吸影响
图5-9 6%防膨剂对3#煤解吸影响
图5-10 6%防膨剂对5#煤解吸影响
表3 3#煤样粘土矿物含量测试表
表4 5#煤样粘土矿物含量测试表
5.2 活性水压裂液对煤层气解吸附影响分析
目前煤层压裂施工中大量使用活化水作为压裂液，因为活性水的粘度只有交联冻胶粘度1%，反排效果好，加砂量相对较少，同时对煤层的污染较少，所以具备较好的应用前景。
在对含粘土防膨剂压力液与煤层气解吸附影响评价基础上，本次试验中加入了0.5%DL8助排剂形成活性水进行试验分析。
如图6所示，受到地表水+0.5%Dl8助排剂+1%KCl防膨剂污染的5#煤试验样品解吸滞后性远远小于地表水+1%KCl防膨剂污染的5#煤层解吸过程。由表5可知，加入助排剂以后的压裂液与5#煤样接触角小于未加入助排剂之前，说明该助排剂改善了压裂液与目标煤层的润湿性，在某种程度上降低了单纯使用防膨剂给煤层气解吸造成的伤害。
图6 0.5DL8助排剂+1%防膨剂对5#煤解吸影响对比
表5 添加助排剂前后压裂液与5#煤样接触角对比表
结论
压力液对煤层气的影响主要发生在解吸附过程中;对于同一煤层煤样，压裂液对煤层气解吸附影响主要是由于固液间润湿性差异造成的压裂液置换煤层气能力不同，使得解吸气量产生差异。煤质中影响煤与水润湿性的主要成分为固定碳，固定碳含量越大煤的润湿性越差;与之相反的是水分和灰分，二者含量越大煤的润湿性越好，但由于二者含量远小于固定碳含量，所以目标煤层煤的润湿性较差。
添加防膨剂以后使得压裂液性质变复杂，根据不同压裂液与目标煤层润湿性验证了煤层气等温吸附解吸曲线滞后性特征;根据不同煤层具体情况选择经济高效的粘土防膨剂浓度进行压裂液配制。
对于加入了助排剂的活性水压裂液增加了液体表面活性，改善了其与目标煤层的润湿性，有效地降低了煤层气解吸附过程滞后性，提高了煤层气解吸附能力。
参考文献
［1］王红岩，刘洪林，赵庆波等.2005.煤层气富集成藏规律［M］.北京:石油工业出版社，60～66
［2］张遂安，叶建平，唐书恒等.2005.煤对甲烷气体吸附解吸机理的可逆性实验研究［J］.天然气工业，25(1):44～46
［3］钱凯，赵庆波，王毅成等.1997.煤层甲烷气勘探开发理论与实验室测试技术［M］.北京:石油工业出版社，143
［4］顾惕人，朱瑶等.1994表面化学［M］.北京:科学出版社
［5］王双明等.2008.韩成矿区煤层气地质条件及富存规律［M］.北京，地质出版社，24～26