重庆沥鼻峡背斜煤层气富集成藏规律及有利区带预测研究

论文摘要

煤层气,曾称煤层瓦斯,是赋存于煤及其围岩中的一种与煤伴生共存的非常规天然气,主要成分为甲烷,是一种优质洁净的气体资源。开发利用煤层气不仅可以有效的遏制煤矿瓦斯灾害,降低甲烷气体对大气环境的温室效应,而且开采储量巨大的煤层气资源对于优化我国以煤为主的能源结构,缓解能源短缺具有战略意义。我国煤层气具有巨大的储量和诱人的开发前景,但至今尚未进入商业化开发阶段,主要是因为我国煤储层具有高煤级、高地应力、低渗透的特征,这使得我国煤层气的富集规律、渗透性变得异常复杂。本文针对我国当前煤层气富集区预测难以定量化、预测位置模糊不精确;高渗区预测定性描述、预测位置不准确;储量计算精度不高,难以反映煤厚和含量的非均质性;选区综合评价中指标矛盾不相容性;背斜煤层气富集规律及富集成藏机制缺乏系统完整的研究等几大关键科学问题展开研究,取得了如下成果:煤层气富集区预测,建立了地应力场、地温场中煤层气含量、压力预测方程,提出了煤层气富集区高精度、定量化预测理论与方法。进行了kaiser原岩应力测试实验、不同温度的甲烷吸附实验及煤质分析实验,结合原始地质数据,定量预测了重庆沥鼻峡盐井矿区主力煤层气的含量、压力分布,并划定了煤层气富集区,解决了煤层气富集区难以定量化预测和预测位置不准的难题。提出了两种新的、精度较高的煤层气储量计算方法——微元体积法,计算了研究区煤层气地质储量和技术可采储量,解决了当前煤层气储量计算中难以体现含气量和煤厚非均质性的问题。煤层气高渗透区预测,(1)建立了地应力场、地温场中煤层渗透率预测方程,同时提出了用实验室测试的渗透率计算真实渗透率的校正方法,定量预测了研究区7层煤的渗透率分布,划出了高渗透区的位置,解决了煤层气高渗区预测难以定量化和预测位置不准的问题;(2)进行了不同温度、不同有效应力下的CH4和He渗流实验,发现了不同有效应力条件下,渗透率与温度的关系,提出了升温渗流过程中的“内膨胀效应”和“外膨胀效应”理论模型,并通过数学推证,解释了低有效应力条件下渗透率随温度升高而增大,高有效应力条件下渗透率随温度升高而降低的实验现象;(3)提出了地应力场、地温场中煤层气渗流运移控制方程,以现场实际资料和实验为基础,计算了矿井煤层气的抽采运移能力。背斜煤层气富集成藏规律,进行了煤的扫描电镜实验、孔径分布与比表面积实验、从煤层气的生成、储集、保存和煤的沉积的角度,对重庆沥鼻峡高陡背斜煤层气富集规律进行了较为系统的研究,通过将各因素与含气量逐项对比分析,研究了重庆沥鼻峡盐井矿区煤层气富集的主控因素、控气机制及成藏模式,并得出本区煤层气富集影响因素为煤厚、埋深、断层、含碳量(煤阶),主控因素为构造动力,构造改造引起了煤厚、埋深、渗透率、煤体结构、煤的孔隙结构、应力等一系列变化,同时引起了局部动力变质作用。高陡背斜煤层气富集的构造控气机制,进行了煤岩的力学性质实验,计算了沥鼻峡背斜盐井矿区的应力场,研究了应力分布与煤层气富集的关系。从构造动力学角度,研究了高陡背斜、高角度断层、煤厚变化的成因及各因素的控气机制,研究了背斜煤层动力变质的分布规律及其控气机制。煤层气开发有利区带预测的选区综合评价,引入了全新的煤层气选区综合评价方法——模糊物元法,根据前述研究成果,提出了煤层气评价指标体系,对开发有利区块进行了优选排队,预测了本区煤层气开发的有利区带,并对各区开发条件进行了综合评价。根据评价结果,提出了重庆地区煤层气开发的建议。重庆地区高陡背斜煤层气富集规律与构造动力密切相关,从构造动力学定性和岩石力学定量综合研究,是今后重庆地区煤层气开发的主要研究方向,井下卸压抽采是本区较为合适的开发方式。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 总论
• 1.1 问题的提出
• 1.2 国内外煤层气富集理论基础研究现状
• 1.2.1 煤层气富集理论方面
• 1.2.2 煤层气富集区预测方面
• 1.2.3 煤层气高渗区预测方面
• 1.2.4 煤层气选区综合评价方面
• 1.2.5 煤层气储量计算方面
• 1.3 课题研究的目的和主要内容
• 2 区域地质特征
• 2.1 自然地理及地形
• 2.2 地层特征
• 2.2.1 区域地层及沉积
• 2.2.2 矿区地层特征
• 2.2.3 煤系地层
• 2.3 构造特征
• 2.3.1 褶皱及地层产状
• 2.3.2 断层
• 2.4 水文地质
• 2.4.1 水文单元及水系
• 2.4.2 地层含水性
• 2.5 煤质与瓦斯
• 2.6 小结
• 3 煤层气富集区预测与储量计算
• 3.1 概述
• 3.1.1 富集的定义
• 3.1.2 富集的判别指标
• 3.1.3 富集的分区分带性
• 3.1.4 富集的条件
• 3.2 含气量的测定方法
• 3.2.1 直接法
• 3.2.2 间接法
• 3.2.3 煤层气含量测定方法的选择
• 3.3 地应力场、地温场中煤层气富集理论
• 3.3.1 地应力、地温场随地层深度变化的规律
• 3.3.2 地应力、地温场中煤层气压力的计算方法
• 3.3.3 地应力、地温场中煤层气含量的计算方法
• 3.4 Kaiser 效应声发射原岩应力测定实验
• 3.4.1 声发射测试原岩应力的基本原理
• 3.4.2 现场取岩芯样及试件加工
• 3.4.3 实验过程
• 3.4.4 地下岩体测点处的地应力计算
• 3.4.5 地应力测试结果
• 3.4.6 地应力椭球的基本方程
• 3.4.7 平均应力梯度计算
• 3.5 煤的等温吸附实验研究
• 3.5.1 煤的工业分析结果
• 3.5.2 煤的真密度、视密度及孔隙率测定
• 3.5.3 不同温度等温吸附实验
• 3.6 地温分布
• 3.7 煤层气富集区预测结果
• 3.7.1 煤层气压力和含量计算的主要参数的选取
• 3.7.2 煤层气压力与含量预测结果
• 3.7.3 预测结果分析
• 3.7.4 含气质量分布
• 3.8 煤层气储量计算新方法（微元体积法）
• 3.8.1 煤层气储量定义
• 3.8.2 煤层气地质储量理论计算方法
• 3.8.3 沥鼻峡背斜盐井一矿煤层气地质储量计算
• 3.8.4 煤层气的技术可采储量预测
• 3.9 小结
• 4 地应力场、地温场中煤层渗透率与煤层气高渗区预测
• 4.1 概述
• 4.2 渗透率的测试方法
• 4.3 地应力、地温场中煤层气高渗区的预测
• 4.3.1 高渗区预测原理
• 4.3.2 地应力、地温场中渗透率理论计算方法
• 4.4 渗透率实验研究
• 4.4.1 实验装置
• 4.4.2 实验原理
• 4.4.3 实验准备
• 4.4.4 实验过程
• 4.4.5 实验方案
• 4.4.6 实验结果分析
• 4.4.7 应力、温度影响下渗透率变化机理
• 4.4.8 应力、温度影响下渗透率计算
• 4.5 实验渗透率与真实渗透率的校正方法
• 4.6 渗透率分布
• 4.7 地应力、地温场中煤层气的运移
• 4.7.1 煤层气流动的连续性方程
• 4.7.2 游离甲烷质量浓度方程
• 4.7.3 吸附甲烷质量浓度方程
• 4.7.4 甲烷质量浓度方程
• 4.7.5 甲烷流动质量方程
• 4.7.6 煤层气渗流运移方程的数值解
• 4.8 小结
• 5 重庆沥鼻峡背斜煤层气富集成藏规律
• 5.1 概述
• 5.2 煤的孔裂隙测试实验
• 5.2.1 煤的扫描电镜（SEM）实验
• 5.2.2 低温液氮吸附实验
• 5.3 煤岩生气能力与富集的关系
• 5.3.1 煤层气形成过程及成因类型
• 5.3.2 煤阶、组分的生气能力对煤层气富集的影响
• 5.4 煤岩吸附储集能力与富集的关系
• 5.4.1 吸附煤层气的储集能力
• 5.4.2 游离煤层气的储集能力
• 5.5 煤岩的大孔及裂隙与煤层气的运移能力
• 5.5.1 大孔及裂隙的成因与类型
• 5.5.2 煤岩性质与裂隙
• 5.5.3 沥鼻峡背斜煤显微裂隙与煤层气渗透能力
• 5.6 煤层空间几何要素与煤层气富集
• 5.6.1 煤层埋深
• 5.6.2 煤层空间展布
• 5.6.3 煤厚与含气分布
• 5.7 在沉积演化与构造变动中煤层气的逸散和保存
• 5.8 煤层气的封闭和保存条件
• 5.8.1 构造封闭
• 5.8.2 盖层封闭
• 5.9 水文地质控气特征
• 5.9.1 地下水对煤层气含量的影响机制
• 5.9.2 沥鼻峡背斜矿区水文地质条件
• 5.9.3 地下水补给、径流、排泄及流向
• 5.9.4 地下水水力联系
• 5.9.5 地下水对煤层气运移的影响
• 5.10 沥鼻峡背斜煤层气富集成藏模式
• 5.10.1 富集规律研究尺度的标定
• 5.10.2 煤层气藏边界的界定
• 5.10.3 煤层气富集规律和富集的主控因素
• 5.10.4 沥鼻峡背斜煤层气富集成藏模式
• 5.11 小结
• 6 重庆沥鼻峡背斜煤层气富集的构造动力学主控机制
• 6.1 概述
• 6.2 地应力场数值模拟
• 6.2.1 岩石力学参数测定实验
• 6.2.2 数值模拟几何模型
• 6.2.3 数值模拟力学模型
• 6.3 沥鼻峡背斜构造形成与变形的控气机制
• 6.3.1 褶皱的形成与变形
• 6.3.2 褶皱变形对煤层气富集的影响
• 6.3.3 断层的形成对煤层气富集的影响
• 6.4 煤厚变化的控气机制
• 6.5 渗透率对含气量的影响
• 6.6 煤的构造动力变质与含气量的关系
• 6.6.1 沥鼻峡背斜煤的变质程度与煤层气分布的关系
• 6.6.2 沥鼻峡背斜煤的动力变质
• 6.6.3 沥鼻峡背斜煤的比表面积讨论
• 6.7 小结
• 7 煤层气开发有利区带的选区综合评价
• 7.1 选区综合评价的目的、意义和内容
• 7.2 评价方法
• 7.2.1 现有评价方法的适应性
• 7.2.2 现有评价方法的不足
• 7.3 物元与模糊物元
• 7.3.1 物元法
• 7.3.2 模糊物元法
• 7.4 模糊物元分析原理
• 7.4.1 模糊物元的概念
• 7.4.2 模糊物元的类型
• 7.4.3 模糊物元分析的从优隶属原则
• 7.4.4 关联分析
• 7.5 沥鼻峡矿区有利区带选区综合评价
• 7.5.1 评价范围及区带划分
• 7.5.2 评价指标体系
• 7.5.3 选区综合评价模糊物元法
• 7.5.4 综合评价
• 7.6 小结
• 8 结论和建议
• 8.1 主要结论
• 8.2 创新点
• 8.3 对重庆地区煤层气开发的建议
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A. 作者在攻读博士学位期间发表的学术论文
• B. 作者在攻读博士学位期间参加的科研项目