煤層氣開發(fā)地質(zhì)學(xué)

前言

本書以沁水盆地煤層氣開發(fā)區(qū)資料為基礎(chǔ)，結(jié)合作者近期的研究成果，對煤層氣開發(fā)地質(zhì)學(xué)的基本理論和研究方法進(jìn)行了系統(tǒng)論述，從而基本界定了煤層氣開發(fā)地質(zhì)學(xué)的基本內(nèi)容。全書共分八章，包括煤層氣系統(tǒng)、煤儲層的原始滲透率、煤層氣開發(fā)井型選擇及井網(wǎng)布置、水力壓裂基本原理及壓裂后煤儲層的滲透率、煤層氣井的產(chǎn)氣機(jī)理及產(chǎn)能的主控因素、煤層氣井排采過程的物性參數(shù)變化、煤層氣井的排采控制和煤層氣開發(fā)過程的動態(tài)監(jiān)測及生產(chǎn)管理。本書可供從事煤層氣地質(zhì)及勘探開發(fā)領(lǐng)域的高年級本科生、研究生及科研院所的科技人員、工程技術(shù)人員參考使用。隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速增長，國內(nèi)能源供需矛盾日益加劇。貧油、貧氣的現(xiàn)實(shí)，使我國石油、液化天然氣的進(jìn)口量逐漸增加，對國際能源市場的嚴(yán)重依賴，嚴(yán)重威脅到了國家能源安全；煤炭開采難度、開采深度的加大，部分老礦區(qū)面臨資源枯竭問題；能源結(jié)構(gòu)中煤炭所占份額達(dá)2/3，潔凈能源所占比例遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于世界平均水平……所有這一切問題都要求我國盡快開發(fā)其他潔凈能源。我國煤層氣資源十分豐富，埋深2000m以淺煤層氣地質(zhì)資源量為3681×1012m3，與我國陸上天然氣資源量相當(dāng)。因此，開發(fā)利用豐富的煤層氣資源，從某種程度上可有效增加潔凈能源供給，改變目前不合理的能源結(jié)構(gòu)。美國自20世紀(jì)80年代開始，進(jìn)行了系統(tǒng)的煤層氣地質(zhì)基礎(chǔ)研究，形成了“煤儲層雙孔隙幾何模型”、“中階煤生儲優(yōu)勢與成藏優(yōu)勢理論”、“生物型或次生煤層氣成藏理論”、“中階煤選區(qū)評價理論”、“低滲極限與高煤階煤層氣缺陷理論”、“煤儲層數(shù)值模擬技術(shù)”等為核心的煤層氣勘探開發(fā)理論體系，在此基礎(chǔ)理論支撐下，形成了“地面鉆井-完井-試井-壓裂-排采”為核心的技術(shù)工藝流程，使美國的煤層氣年產(chǎn)量突破500×1012m3（2005年）。我國在引進(jìn)、消化、吸收美國成功經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，逐漸形成了“欠平衡鉆井技術(shù)”、“水力加砂壓裂技術(shù)”、“煤層氣多分支定向長鉆孔技術(shù)”，率先在沁水盆地的高階煤中獲得了商業(yè)化開發(fā)，推翻了美國“高階煤煤層氣缺陷理論”，充分說明理論的進(jìn)步是工程技術(shù)實(shí)施的基礎(chǔ)。煤層是煤層氣的載體，成煤環(huán)境的多期性和多樣性決定了煤層氣富集的復(fù)雜性；煤層氣是不可再生的，是流體，是“活的”。煤層氣的這些特點(diǎn)及目前國內(nèi)煤層氣的開發(fā)迫切要求從事煤層氣工作的科技人員，不僅要研究煤層氣的靜態(tài)特征，而且要研究煤層氣開發(fā)過程中的動態(tài)特征；不僅要研究煤儲層的宏觀特征，而且要研究煤儲層的微觀特征及與之匹配的開發(fā)工藝的選型；不僅要研究煤儲層對產(chǎn)能的影響，而且要研究不同開發(fā)工藝引起煤儲層特征的變化進(jìn)而對煤層氣井產(chǎn)能的影響，即從我國自身的地質(zhì)條件出發(fā)，研究出一套與我國煤層氣開發(fā)工程相匹配的，對現(xiàn)場具有一定指導(dǎo)意義的煤層氣地質(zhì)開發(fā)理論，使煤層氣開發(fā)地質(zhì)從以前的定性分析、盲目性逐漸向半定量化、定量化、針對性發(fā)展。煤層氣開發(fā)地質(zhì)學(xué)作為煤層氣地質(zhì)學(xué)的一個重要分支，它包括從煤層氣投入開發(fā)至開發(fā)結(jié)束全過程的地質(zhì)研究工作，且在不同開發(fā)階段賦予了不同的研究內(nèi)容。煤層氣開發(fā)意味著地下流場的變化，涉及煤巖學(xué)、煤田地質(zhì)學(xué)、煤層氣地質(zhì)學(xué)、滲流力學(xué)、巖體力學(xué)等多學(xué)科的交叉與滲透；作為一門新興學(xué)科，開發(fā)是歸結(jié)點(diǎn)，地質(zhì)是工程開發(fā)的基礎(chǔ)，中國地質(zhì)條件的復(fù)雜性決定了開發(fā)工藝的多樣性，開發(fā)工藝的多樣性決定了開發(fā)理論的適用性?；诓煌牡刭|(zhì)條件，結(jié)合不同的開發(fā)工藝，探討開發(fā)理論的適用條件是指導(dǎo)中國煤層氣開發(fā)的當(dāng)務(wù)之急。為此，筆者根據(jù)以往大量的資料和近些年來的科研成果，撰寫了《煤層氣開發(fā)地質(zhì)學(xué)》一書，以期對我國煤層氣開發(fā)提供理論指導(dǎo)，推動我國煤層氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。本書在撰寫過程中，盡可能利用最新的生產(chǎn)和科研資料，以及筆者近期的科研成果，使其內(nèi)涵盡可能廣泛。筆者立足于我國煤層氣開發(fā)的地質(zhì)條件，以影響煤層氣產(chǎn)出的重要評價參數(shù)——滲透率為主線，對煤儲層原始滲透率、水力壓裂改造后滲透率、排采過程中滲透率的變化及排采時不同階段、不同過程滲透率的控制等方面進(jìn)行了理論分析。本書在理論分析的同時，在目前煤層氣地面開發(fā)最成功的沁水盆地東南部進(jìn)行了實(shí)踐求證，初步建立了煤層氣開發(fā)地質(zhì)學(xué)理論體系。本書撰寫工作的分工如下：第一章 、第二章 、第八章 ，蘇現(xiàn)波；第三章 、第四章 、第五章 、第六章 、第七章 ，倪小明；張小東參與了部分章節(jié)的撰寫。全書由蘇現(xiàn)波統(tǒng)一審核、定稿。中國工程院彭蘇萍院士欣然為本書作序；研究工作得到了中國礦業(yè)大學(xué)（北京）王延斌教授，北京奧瑞安能源技術(shù)開發(fā)有限公司楊陸武總裁，北京九尊能源技術(shù)開發(fā)有限公司李玉魁教授級高工，中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司吳建光教授級高工的指導(dǎo)和幫助；河南理工大學(xué)張戰(zhàn)營教授、李化敏教授對本書的編寫提出了許多寶貴意見；碩士研究生李金海、魏慶喜、李廣生、陳鵬等參與了資料收集、圖件清繪工作，在此一并致以衷心謝意！筆者引用了大量國內(nèi)外參考文獻(xiàn)，借此機(jī)會對這些文獻(xiàn)的作者表示感謝。本書由長江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃基金（編號：IRT0618）和國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（編號：40902044）共同資助。由于作者水平有限，書中不妥之處在所難免，敬請廣大讀者不吝批評指正！

內(nèi)容概要

本書以沁水盆地煤層氣開發(fā)區(qū)資料為基礎(chǔ)，結(jié)合作者近期的研究成果，對煤層氣開發(fā)地質(zhì)學(xué)的基本理論和研究方法進(jìn)行了系統(tǒng)論述，從而基本界定了煤層氣開發(fā)地質(zhì)學(xué)的基本內(nèi)容。全書共分八章，包括煤層氣系統(tǒng)、煤儲層的原始滲透率、煤層氣開發(fā)井型選擇及井網(wǎng)布置、水力壓裂基本原理及壓裂后煤儲層的滲透率、煤層氣井的產(chǎn)氣機(jī)理及產(chǎn)能的主控因素、煤層氣井排采過程的物性參數(shù)變化、煤層氣井的排采控制和煤層氣開發(fā)過程的動態(tài)監(jiān)測及生產(chǎn)管理。     本書可供從事煤層氣地質(zhì)及勘探開發(fā)領(lǐng)域的高年級本科生、研究生及科研院所的科技人員、工程技術(shù)人員參考使用。

書籍目錄

第一章　煤層氣系統(tǒng) 　第一節(jié)　含油氣系統(tǒng)簡介　　一、含油氣系統(tǒng)研究歷史 　　二、含油氣系統(tǒng)研究內(nèi)容與方法 　　三、含油氣系統(tǒng)分類 　第二節(jié)　煤層氣系統(tǒng) 　　一、煤層氣系統(tǒng)的概念 　　二、煤層氣系統(tǒng)基本內(nèi)容 　第三節(jié)　沁水盆地煤層氣系統(tǒng) 　　一、區(qū)域地質(zhì)背景 　　二、煤層氣的成因 　　三、煤層氣含量與封閉 　　四、水動力學(xué)特征 　　五、煤層氣儲層特征 　　六、區(qū)域?qū)Ρ?第二章　煤儲層的原始滲透率 　第一節(jié)　煤體結(jié)構(gòu)與滲透率的關(guān)系 　　一、煤體結(jié)構(gòu) 　　二、煤體結(jié)構(gòu)與滲透率的關(guān)系 　第二節(jié)　滲透率預(yù)測方法 　　一、Hoek-Brown破裂準(zhǔn)則 　　二、煤巖體強(qiáng)度因子的建立 　　三、煤巖體分形維數(shù) 　第三節(jié)　沁水盆地東南部煤體變形特征 　　一、煤體變形特征 　　二、煤體變形空間展布 　　三、強(qiáng)度因子與分形維數(shù) 　　四、強(qiáng)度因子、分形維數(shù)與構(gòu)造的關(guān)系 　　五、強(qiáng)度因子、分形維數(shù)與煤體變形的關(guān)系 　　六、斷層對煤體變形的影響 　　七、煤體變形與高滲區(qū)的展布 　第四節(jié)　地應(yīng)力對滲透率的影響 　　一、地應(yīng)力參數(shù)的獲取 　　二、沁水盆地東南部現(xiàn)今地應(yīng)力狀態(tài) 　　三、地應(yīng)力與煤層氣井產(chǎn)量關(guān)系分析 　　四、沁水盆地東南部高滲高產(chǎn)區(qū)預(yù)測 第三章　煤層氣開發(fā)井型選擇及井網(wǎng)布置 　第一節(jié)　煤層氣開發(fā)井型概況 　　一、中國煤層氣鉆完井工藝發(fā)展歷程 　　二、垂直壓裂井井身結(jié)構(gòu) 　　三、多分支水平井井身結(jié)構(gòu) 　第二節(jié)　煤層氣井型選擇 　　一、兩種煤層氣井的異同 　　二、井型選擇的影響因素 　　三、煤層氣井型選擇評判體系 　　四、煤層氣開發(fā)井型選擇 　第三節(jié)　煤層氣開發(fā)井網(wǎng)布置 　　一、井網(wǎng)布置的一般流程 　　二、垂直壓裂井井網(wǎng)優(yōu)化 　　三、多分支水平井井網(wǎng)優(yōu)化 　第四節(jié)　沁水盆地東南部井型選擇及井網(wǎng)布置 　　一、沁水盆地東南部井型選擇 　　二、沁水盆地東南部井網(wǎng)布置 第四章　水力壓裂基本原理及壓裂后煤儲層的滲透率 　第一節(jié)　煤層氣垂直井的水力壓裂機(jī)理 　　一、煤層氣垂直井水力壓裂的目的 　　二、煤層氣垂直井水力壓裂的原理 　　三、水力壓裂的主要設(shè)備及施工工序 　　四、水力壓裂效果的影響因素 　　五、水力壓裂施工工藝參數(shù)優(yōu)化 　第二節(jié)　煤層氣垂直井水力壓裂裂縫形態(tài)的主控因素 　　一、地應(yīng)力對裂縫形態(tài)的影響 　　……第三章　煤層氣開發(fā)井型選擇及井網(wǎng)布置第四章　水力壓裂基本原理及壓裂后煤儲層的滲透率第五章　煤層氣井的產(chǎn)氣機(jī)理及產(chǎn)能的主控因素第六章　煤層氣井排采過程的物性參數(shù)變化第七章　煤層氣井的排采控制第八章　煤層氣開發(fā)過程的動態(tài)監(jiān)測及生產(chǎn)管理參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：2.保存條件一個系統(tǒng)要有一個邊界，涉及煤層氣的保存，可區(qū)分為垂向和側(cè)向兩類邊界。（1）垂向邊界煤層氣系統(tǒng)的垂向邊界取決于頂?shù)装宸忾]能力、上覆地層有效厚度等。煤層氣蓋層對保持儲層壓力、阻止煤層氣解吸和逃逸很必要，盡管不像常規(guī)氣藏對蓋層要求那么嚴(yán)格。與蓋層起相同作用的儲層底板稱為封閉層。當(dāng)儲層壓力降低，一部分吸附氣會解吸成為游離氣。當(dāng)游離態(tài)煤層氣的膨脹力和浮力大于蓋層排替壓力，將散失。而溶解態(tài)煤層氣通過蓋層散失方式主要是擴(kuò)散，由高濃度（煤儲層）向低濃度（蓋層）方向進(jìn)行。煤層氣的富集與蓋層的性質(zhì)和埋深有關(guān)。適度埋深、具有一定厚度、巖性以泥質(zhì)為主、封閉性較好的蓋層有利于煤層氣的保存。對于一個多煤層系統(tǒng)而言，如美國的粉河盆地，不僅煤層是儲層，還發(fā)育常規(guī)的砂巖儲層，可作為一個復(fù)合煤層氣系統(tǒng)研究。系統(tǒng)的上下封閉邊界可以以厚層的泥巖等作為封閉層。上覆巖層包括自烴源巖頂面以上到第一個不整合面或沉積旋回界面之間的巖層段。一定厚度的上覆巖層的存在不僅促進(jìn)煤層熱演化，而且能減少煤層氣的散失，有利于煤層氣的保存。（2）側(cè)向邊界煤層氣封閉主要有物性封閉、巖性封閉、水動力封閉和斷層封閉。所謂物性封閉，即存在滲透性較差的煤層（Ⅲ類、Ⅳ類煤）或與煤儲層相鄰的致密巖體。水動力封閉是形成側(cè)向封閉和垂向封閉的重要途徑，多數(shù)情形下沒有水動力封閉，就不可能有煤層氣的富集。側(cè)向水動力封閉是指煤儲層存在頂?shù)装宸忾]，煤儲層處于一個獨(dú)立流體流動單元時，地下水沿煤層露頭補(bǔ)給，向深部運(yùn)移，不僅把淺部的煤層氣攜帶到深部聚集，而且為煤層氣的賦存提供了吸附所必需的壓力。一般在地下水滯留區(qū)煤層氣富集。另一類是煤層氣頂板為砂巖等封閉性差的巖層，地下水沿頂板淋濾，形成靜水壓力促使煤層氣保存。斷層封閉是被封烴類壓力小于儲層壓力。被封烴類壓力與相互連通的孔喉半徑、烴液界面張力及潤濕角有關(guān)；儲層壓力與儲層內(nèi)烴的密度、儲層內(nèi)烴柱高度有關(guān)。斷層封閉性存在四種機(jī)理，即斷層兩側(cè)巖性配置、泥巖涂抹作用、顆粒碎裂作用和成巖膠結(jié)作用，在相關(guān)書籍有詳細(xì)闡述，在此不再贅述。

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《煤層氣開發(fā)地質(zhì)學(xué)》由化學(xué)工業(yè)出版社出版。

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