我国煤层气开发研究现状调研

摘要煤层气产业是新兴的能源产业，具有广阔的发展潜力。我国是一个煤层气储量很丰富的国家。但是我国煤层气的储量评价、储层模拟、开发技术等的研究都还处在初级水平，进一步研究和合理开发利用煤层气尤为重要。虽然煤层气的开发利用能降低温室效应，但也会引发很多的环境问题，必须妥善解决。否则环保问题就可能成为煤层气产业发展的瓶颈。本文开始主要介绍了煤层气的成因（生物成因和热成因） 、煤层气的化学组分（主要成分是甲烷） 、煤层气的物理性质、煤层气对环境的影响。同时也介绍了煤层气的利用途径，如化工原料、合成油、工业和民用燃料。准确的估计煤层气储量对其生产起到关键作用，所以本文详细的讲解了煤层气储量的评价方法，尤其是体积法和物质平衡法还给出了计算公式。通过对煤储层中煤层气的生成、储集、运移和产出机理的了解，概化出了煤层气储层模拟的地质模型；以油气藏数值模拟和数值计算方法为工具，总结出描述三维、双孔隙、非平衡吸附、拟稳态条件下气水两相流体混相运移规律的煤层气储层模拟的数学模型；在查阅有关煤层气定向羽状水平井的增产机理的资料后，综述了双重介质下煤层气水流动方程、孔隙度渗透率压力敏感性模型、定向羽状水平井简化模型和井筒压降模型。最后对本文做出总结。关键词：煤层气；煤层气储量；煤层气储层；定向羽状水平井；井筒压降模型2Abstract Coalbed methane industry which is an emerging energy industry has a vast potential for development. China is a country which is very rich in coalbed methane But Chinas coalbed methanes reservoir evaluation, reservoir simulation, the development of research and technology are still at the initial level, Thus it is particularly important that we should further research , develop and make full use of coal-bed methane rationallyAlthough the development and utilization of coalbed methane to reduce the greenhouse effect, but it also led to a lot of environmental problems, so it must be properly addressedOtherwise, Environmental issues may be constraints on the development of coal-bed methane industryThe beginning of this article describes the main causes of coal-bed methane (biogenic and thermal causes), the chemical composition of coal-bed methane (main component is methane), the physical properties of coal-bed methane, The environmental impact of coal-bed methaneAt the same time, I also introduced the Application of coal-bed methane, such as chemical raw materials, synthetic, industrial and civilian fuel. Accurate estimates of coal-bed methane reserves play a key role in the production of CBM , so this article explains the evaluation of coal-bed methane reserves in detail, especially the volume of law and the material balance method. Through understanding of the generation of coal-bed methane reservoir, reservoir, migration and the mechanism output, I have outlined the geological model simulation of the coal-bed methane reservoirs; with oil and gas reservoir simulation and numerical calculation methods, I also summed up the coalbed methane reservoir simulation mathematical model of three-dimensional, dual porosity, non-equilibrium adsorption, Steady-state conditions to be gas - water miscible two-phase migration rule body; I have access to the information of coal-bed methane wells in plume-oriented production mechanism, and then I summed up the model of coal-bed methane - water flow equation under the dual-medium, Porosity - permeability of the pressure sensitivity model, Directional feather horizontal wells simplified model and Well-bore pressure drop model. Finally, I sum up this article. Key words: Coal-bed Methane; coal-bed methane reserves; coal-bed methane reservoir; directional plume horizontal wells; well-bore pressure drop model3目录摘要 .1Abstract .21.绪论 .41.1 研究目的和意义 .41.1.1 开发煤层气的重要意义 .41.1.2 煤层气数值模拟研究意义 .41.2 国内外开发研究现状 .51.3 研究内容 .62. 煤层气的物质组成、性质和利用 .62.1 煤层气的形成 .62.1.1 生物成因气 .72.1.2 热成因气 .72.2 煤层气的化学组分 .82.2.1 烃类气体 .82.2.2 非烃类气体 .82.3 煤层气的物理性质 .82.4 煤层气对环境的影响 .102.4.1 降低温室效应 .102.4.2 煤层气开发的负面效应 .112.5 煤层气的利用 .124. 煤层气的数值模拟研究 .134.1 煤层气储量的评价方法与计算技术 .134.1.1 相关概念 .134.1.2 煤层气储量评价与计算方法 .134.1.3 评价计算公式介绍 .144.2 煤层气储层模拟模型及求解 .174.2.1 地质模型的建立 .174.2.2 煤层气储层模拟数学模型的建立 .184.3 煤层气羽状水平井数学模型 .264.4.1 双重介质下煤层气、水流动方程 .274.4.2 孔隙度、渗透率压力敏感性模型 .284.4.3 定向羽状水平井简化模型 .284.4.4 井筒压降模型 .28结论 .32谢辞 .33参考文献 .3441 绪论1.1 研究目的和意义煤层气，又名瓦斯，一直被人们视为引起煤矿安全事故的罪魁祸首，以至于有人甚至谈“瓦斯”色变。然而近年来，随着世界能源局势持续紧张，人们已经认识到煤层气作为一种清洁、经济的能源可有效缓解世界能源危机，人们治理瓦斯的思路也逐渐由“抽排”转向“利用”。20世纪70年代以来，世界上一些主要产煤国家纷纷涉足这一领域，在勘探开发理论与开采应用技术方面进行了大量的研究与试验工作，取得了突出的成就，使这一产业得到快速发展 。煤层气以其巨大的资源优势和广阔的商业前景，特别是在能源、环保以及煤矿安全等多方面所显示的重要战略价值，已引起广泛关注。但我国煤层气开发产业链的发展现状与其自身的资源潜力还很不协调，因此非常有必要深入了解煤层气资源在我国的分布及其勘探开发现状和前景，对此深入研究并达到应用的目的 。1.1.1 开发煤层气的重要意义煤层气经开发利用后，促进了能源结构的变化、加快了经济的发展。很多国家都相继开始了对煤层气的研究，美国、加拿大、中国等国家在开发技术和开发规模上已经略有成就。可见煤层气开发的意义重大，主要有以下几个方面：1) 缓解能源紧张局势。随着我国国民经济的快速发展，对能源的需求越来越大，特别是国内煤、油、气供需缺口急剧增大，作为一种高效、洁净能源，开发和利用煤层气可有效地弥补我国常规天然气的不足，在一定程度上改善我国的能源结构，产生巨大的经济效益。2) 减少温室气体排放，充分做到绿色开采。 煤层气的主要成分是甲烷，甲烷是大气中主要的温室气体之一，煤矿开采过程中甲烷的排放量即占所有化石燃料排放量的一半。以往将煤层气直接排入大气的做法，既造成了资源浪费又加剧了全球温室效应。3) 减少煤矿事故的发生。长期以来瓦斯一直是影响煤矿安全生产的主要灾害物质，瓦斯突出与瓦斯爆炸5不仅造成重大人员伤亡事故，同时也给煤矿企业带来巨大经济损失。1.1.2 煤层气数值模拟研究意义煤层气储层数值模拟是煤层气资源勘探和开发的关键技术之一，是研究煤层气储集、运移和产出规律，确定煤储层特征、煤层气井作业制度与煤层气产量之间关系的有效手段，其研究结果可为煤层气资源开发潜力的评价和开发工程方案的优化提供科学决策依据。由于煤层气作为一种非常规天然气，其储层与常规石油天然气储层不同，具有一些独有的特点:一是煤、气、水三相共存；二是由微孔隙和天然裂隙组成的双重孔隙系统，并且微孔隙系统非常发达，具有极大内表面，吸附能力大；三是性软易碎，渗透率对应力很敏感，易污染，因而煤层气的生成、储集和运移有其自己内在的规律，煤层气储层数值模拟不能照搬常规油气藏数值模拟的技术。由此可见，在借鉴油气藏数值模拟技术的基础上，研究煤层气的生成、储集和运移规律，建立煤层气储层数值模拟模型，开发出专门软件，具有重要的理论意义和实用价值。1.2 研究内容煤层气作为一种新型的清洁能源，受到越来越多的人的重视，在理论研究方面也取得了很多成果。我国煤层气的开发研究还处在初级阶段，对煤层气的认识也很初级，本文主要围绕煤层气的性质定义及它对环境的影响，煤层气储量的评价及计算方法，对煤层气储层、羽状水平井的数学模型加以完善。第一部分陈述了本文的研究意义和目的以及本文的研究内容。第二部分主要介绍了煤层气的成因、化学组分、物理性质以及煤层气对环境的影响。煤层气的成因又包括生物成因和热成因。煤层气的化学组分的物理性质和化学性质各不相同。最后总结了煤层气各方面的应用。第三部分应用数学物理方程的知识对煤层气的储层、煤层气定向羽状水平井建立了数学模型。煤层气的储层数学模型和地质模型的建立使我们对煤储层的理解更为系统。62. 煤层气简介2.1 煤层气的组成及性质煤层气是指赋存在每层中以甲烷为主要成分、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气水中的烃类气体。其成分以甲烷为主，故常称为煤层甲烷。2.1.1 煤层气的化学组分煤层气的化学组分有烃类气体（甲烷及其同系物） 、非烃类气体（二氧化碳、氮气、氢气、一氧化碳、硫化氢和稀有气体氦、氩等） 。其中，甲烷、二氧化碳、氮气是煤层气的主要成分，尤以甲烷含量最高，二氧化碳和氮气含量较低，一氧化碳和稀有气体含量甚微。煤层气的主要成分是甲烷，其含量一般大于 80%，其他烃类气体含量极少。通常在同一煤阶烃类气体随埋藏深度的增大而增加 1。重烃类主要分布于未受风化的煤层中。通常用甲烷气体与总烃量的比率作为确定气体的干度指标，值大于 99%，为特别干的气体，其值为 95%99%时为干气；其值为 85%95%时为湿气；其值小于 85%，为特别湿的气体。大多数煤层气中的非烃类气体含量通常均小于 20%，其中氮气约占三分之二，二氧化碳约占三分之一。2.1.2 煤层气的物理性质煤层气是多种烃类和非烃类气体的混合物，其主要气体是甲烷，含量在 80%以上，重烃含量较低，还有少量的 N2，CO 2，H 2，CO，SO 2，H 2S。以及氦、氖、氩、氪、氙等惰性气体及其有害气体。1) 煤层气的密度标准状态下（1 atm，温度 15，55 ）单位体积煤层气的质量，单位为 kg/m3。c。煤层气在底下的密度随分子量和压力增大而增大，随温度升高而减小。煤层气的相对密度是指同温度、压力条件下煤层气密度与空气密度的比值。2) 煤层气的粘度煤层气的粘度很小，在地表常压 20 时，甲烷的动力粘度系数为 1.0810-5 c。MPa.s。表示粘度的参数还有运动粘度系数和相对粘度。煤层气的粘度与气体的组成、温度、压力等条件有关，在正常压力下粘度随温度的升高而变大。在较高压力7下，煤层气的粘度随压力增加而增长，随温度的身高而减小。随分子量的增大而增大。3) 煤层的溶解度煤层气能不同程度地溶解于煤储层的地下水中，不同的气体溶解度差别大。甲烷溶解度随压力的增加而增加，低压时呈线性关系，高压时（10MPa）呈曲线关系；甲烷溶解度随矿化度的增加而减少。所以在高温高压的地下水中溶解气明显增加。4) 主要气体组分的性质甲烷为无色、无味、无臭、无毒气体（表 2.2） 。在标准状态下，甲烷的分子量为 16.043；其密度为 0.677kg/m3，当空气中混有 5.3%16.0%浓度的甲烷时遇火即可燃烧；动力粘度为 1.08410-5Pas；热值约 37.62kJ/m3。表 2.1 煤层气成分的物理性质气体 CH4 CO CO2 H2S SO2 NO H2味 无 微有甜 略带酸味 臭味 酸味硫磺味 有刺激味 无色 无 无 无 无 无 褐红色 无相对密度 0.554 0.97 1.52 1.19 2.2 1.57 0.07水溶性 难溶 微溶 易溶 易溶 易溶 极易溶 微溶爆炸性 5.316 12.575 不爆 4.345.5 474.2毒性 无 有 无 有 有 有 无氮气是一种无色、无臭、无味的气体，微溶于水，0 时 1mL 水仅能溶解c。0.023mL 氮气。在 1atm、 15.55 时，其密度为 1.182kg/m3，相对密度 0.967（表c。2.1） 。二氧化碳为无色、无臭、略具酸味气体。在标准状态下，二氧化碳的分子量为44.010，分子大小为 0.330.47nm；密度为 1.858kg/m3，突然喷出可使人窒息；其动力粘度为 1.46610-5Pas。2.2 煤层气对环境的影响煤层气是煤层中自生自储的一种非常规天然气，它的主要成分是甲烷，是一种蕴藏量非常大的新兴潜在能源，煤层气储量约占世界天然气总储量的3O以上。在煤层气的勘探、开发和利用过程中，必然会对环境产生一定的影响。有人们所熟知的降低温室效应，同时也有一些负面的影响。82.2.1 降低温室效应1) 有效减排温室气体GWP(global warming potentia1)的分析显示，以单位分子数而言，甲烷的温室效应要比二氧化碳大上25倍。这是因为大气中已经具有相当多的二氧化碳。以至于许多波段的辐射早已被吸收殆尽了，因此大部分新增的二氧化碳只能在原有吸收波段的边缘发挥其吸收效应。相反地，一些数量较少的温室气体(包括甲烷在内)，所吸收的是那些尚未被有效拦截的波段，所以每多一个分子都会提供新的吸收能力。举例来说，如果将目前大气中的二氧化碳浓度250ppm增加360ppm，那么大气的温室增温率（也称为辐射驱动力)将提高33Wm -2；然而如果将大气中目前的甲烷浓度(16ppm)只增加3ppm，那么大气的温室增温率将提高13 Wm -2。甲烷通常与臭氧、水、氢氧化物、甲醛、卤烃、氯氟烃、氯气及二氧化硫等多种大气成分。发生如下化学反应： 4322;.CHOHLCL反应中CH 4通过与OH 一 反应而被清除，与Cl 2反应生成HCl和CH 3Cl，HCl不像Cl 2那样对O3有吸收能力，但反应生成的 却是重要的温室气体。另外卤烃、氯23l、氟烃及二氧化硫等都直接或间接地受到CH 4和OH -浓度的影响，增强了甲烷温室效应的影响。2) 洁净燃料煤层气作为一种廉价、洁净、高效的新型能源，其开发利用可以弥补常规天然气和燃油的不足，可以替代部分的燃煤。经专家测评750m 3煤层气即可顶替1t标准煤。如果煤含硫量为0.6，将煤层气燃烧与煤燃烧的排放污染物进行比较见表2.3。表2.3 燃烧煤与燃烧煤层气排污物比较燃料 排气量/m 3 CO/g NOX/g SO2/g 烟尘/g1t标准煤 2.72104 1.9103 12.96 14.41 20.96燃料 排气量/m 3 CO/g NOX/g SO2/g 烟尘/g750m3煤层气 2.01104 4.73 2.55 0.47 0.22由表2.3可见燃烧煤层气排放的CO是燃煤排放的1500，NOX为燃煤的15，SO 2为燃煤的150，烟尘排放为燃煤的1100。燃烧煤层气排放的各种气体污染物的量都远远低于燃煤的排放量。由此可见，采用煤层气来代替一部分煤做燃料，排人大9气的污染物将大大减小。开发和利用煤层气对大气环境的影响利大于弊。2.2.2 煤层气开发的负面效应1) 煤层中杂质气体的聚集与分布煤层中的气体，绝大部分是以吸附态吸附在煤的表面、孔隙和裂隙系统中。在煤层气开采的降压解吸过程中，甲烷和N 2先解吸出来，而其他气体如CO 2、H 2S等相对富集在煤层中，也有利用这一性质向煤层中注入CO 2以提高煤层气的采收率的，致使煤层中的CO 2含量增加，形成煤储层的高CO 2区和高H 2S区。在后期的煤层开采过程中，这些杂质气体从工作面和围岩中涌出，从矿井的通风系统排出，污染大气。2) 对水文系统的破坏在煤层气的开采过程中，为了使煤层中所吸附储集的甲烷气体释放出来，需要降低煤层的静压，为此需采取排水降压措施，将大量煤矿中的地下水排出地表。过分排采地下水形成地下水漏斗区，造成地面的沉降，对地表环境造成破坏影响地表植物的生长发育，破坏生态系统。并会形成区域地下水位以及地表、湖水位的下降，打破地下水系统平衡条件。在城郊地区由于存在排污河流，污水便会沿水头势差，向漏斗区补给，形成水体的大面积污染。这些地区又对环境污染的敏感度较强，周围水体对污染的自动调节能力较弱，将会影响当地工农业生产和人民生活.3) 回注水与地层的水岩作用水岩作用是指地表水、地下水与岩体不断进行力学、物理化学作用，并对岩体介质状态产生影响；另一方面，岩体结构也决定着水的存在形式及运动状态等。地层中常含有绿泥石、伊利石、石英、长石、方解石和白云石等矿物。回注的采出水与地层岩石发生水解、溶解、溶蚀和碳酸化等化学反应，使原有矿物分解并生成一些新的次生矿物，而这些新的次生矿物常常具有高度的分散性，这种作用使得岩体强度逐渐降低，抗破坏的能力减弱。受水化学作用影响，易溶矿物则容易随水流失，而难溶的矿物则残留在原地，结果必然导致岩体中的孔隙、裂隙增大，而裂隙的聚集、扩展又为水化学作用和渗透提供了更有利的条件。回注水在地层渗流的过程中，也会沿断层面运移，在水的润滑作用下，原来潜在的断层重新活动造成地面的塌陷或山体的滑坡。4) 煤层气中气体杂质的富集与分布煤层气在应用前，通常需要一个完整的设施对气体进行提