【摘要】：中國(guó)西北地區(qū)低煤階煤層氣資源豐富,且多具有“煤層厚度大、高孔高滲和低含氣量”的特點(diǎn),目前由于西北地區(qū)煤層氣總體勘探程度較低和存在含氣量測(cè)試不準(zhǔn)確等因素,亟需開(kāi)展煤儲(chǔ)層物性和綜合評(píng)價(jià)的研究工作。一方面,這樣可以有效彌補(bǔ)現(xiàn)階段低煤階煤層氣勘探中所存在的不足,促進(jìn)我國(guó)西北煤層氣勘探開(kāi)發(fā)的步伐;另一方面,通過(guò)建立以煤儲(chǔ)層物性特征為主導(dǎo)的有利區(qū)綜合評(píng)價(jià)模型,為我國(guó)低煤階煤層氣勘探開(kāi)發(fā)提供理論依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)。本論文以柴達(dá)木盆地北緣侏羅系煤儲(chǔ)層為研究對(duì)象,充分運(yùn)用煤巖學(xué)、煤田地質(zhì)學(xué)、沉積學(xué)、煤層氣地質(zhì)學(xué)等理論知識(shí),基于礦井井下觀測(cè)、鉆井現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和采樣,通過(guò)煤巖鑒定、宏/微觀裂隙分析、高壓壓汞、低溫氮比表面積、孔隙度和滲透率分析、掃描電鏡以及等溫吸附等一系列煤儲(chǔ)層的實(shí)驗(yàn)測(cè)試和系統(tǒng)分析等方法和手段,較為詳細(xì)地研究了柴北緣侏羅系煤儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)特征及其影響因素,建立了以煤儲(chǔ)層物性為主導(dǎo)的煤層氣勘探開(kāi)發(fā)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,綜合評(píng)價(jià)了研究區(qū)內(nèi)煤層氣儲(chǔ)層的物性特征。并取得了以下認(rèn)識(shí):1.基于研究區(qū)內(nèi)煤樣在不同條件下的等溫吸附實(shí)驗(yàn),研究了柴北緣侏羅系煤儲(chǔ)層吸附特征及其主控因素(1)柴北緣侏羅系煤儲(chǔ)層的蘭氏體積較高,在25℃的實(shí)驗(yàn)條件下其值介于26.51-42.19m3/t之間,平均為33.19m3/t;而蘭氏壓力則一般,在0.83-1.89MPa之間,均值為1.47MPa,表明該地區(qū)煤儲(chǔ)層在低壓區(qū)吸附相對(duì)容易,而在高壓區(qū)隨著壓力的增大煤的吸附量增加速率明顯減緩。(2)柴北緣煤儲(chǔ)層隨著實(shí)驗(yàn)溫度的升高,各煤樣蘭氏體積和蘭氏壓力均降低,同時(shí),德令哈煤田旺尕秀煤樣的吸附能力在所有煤樣中最差,全吉煤田大煤溝和綠草溝煤樣蘭氏壓力較高,在煤層氣開(kāi)采中隨壓力的降低最容易解吸出來(lái)。(3)柴北緣侏羅系煤的甲烷吸附能力與煤巖鏡質(zhì)組含量成正比,與煤巖惰質(zhì)組含量、煤中水分、灰分產(chǎn)率、煤體結(jié)構(gòu)綜合指標(biāo)和實(shí)驗(yàn)溫度成反比,與煤級(jí)關(guān)系并不十分明顯。綜合研究表明,影響柴北緣煤儲(chǔ)層吸附性能的主控因素為煤質(zhì)、溫度和煤巖組分。2.基于高壓壓汞實(shí)驗(yàn)和低溫液氮吸附實(shí)驗(yàn),對(duì)柴北緣侏羅系煤儲(chǔ)層滲流孔和吸附孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行了精細(xì)描述,并探討了其對(duì)煤層氣運(yùn)移的影響(1)研究區(qū)所測(cè)煤樣的孔隙度隨鏡質(zhì)組反射率的增大而降低,煤的孔隙度與煤中灰分產(chǎn)率呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系,即煤中的灰分產(chǎn)率越高,儲(chǔ)層越差,煤的孔隙度越小;煤體結(jié)構(gòu)破壞程度越高,煤中孔隙度越高,即構(gòu)造煤的孔隙度要高于原生結(jié)構(gòu)煤。(2)基于液氮吸附測(cè)試結(jié)果,柴北緣侏羅系各煤樣比表面積和總孔體積變化較大,在0.843-55.12m2/g之間,平均為23.34m2/g;總孔體積變化范圍在2.46-50.43×10-3ml/g之間,平均為25.27×10-3ml/g,且比表面積和總孔體積呈很好的正相關(guān)線性關(guān)系;除大煤溝煤礦外,其余采樣點(diǎn)各孔徑段體積比為:微孔小孔中孔,且微孔比例占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。(3)根據(jù)不同的毛細(xì)管壓力退汞曲線,將研究區(qū)內(nèi)煤儲(chǔ)層滲流孔隙結(jié)構(gòu)分為Ⅰ1和Ⅰ22種類(lèi)型,類(lèi)型Ⅰ1(以YQ-1為代表)的退汞曲線與進(jìn)汞曲線不平行,且退汞效率相對(duì)較低,表明該類(lèi)型煤樣孔隙結(jié)構(gòu)不均勻,孔隙之間的連通性能相對(duì)較差;類(lèi)型Ⅰ2(以五彩礦業(yè)為代表)的退汞曲線和進(jìn)汞曲線幾乎平行,退汞效率較高,可達(dá)到80%以上,表明該類(lèi)煤樣中孔隙結(jié)構(gòu)的連通性能好,該類(lèi)孔隙對(duì)煤層氣的富集和產(chǎn)出較為有利。(4)基于低溫液氮吸附曲線,將研究區(qū)煤儲(chǔ)層吸附孔隙結(jié)構(gòu)分為3種類(lèi)型,類(lèi)型Ⅰ孔隙對(duì)煤層氣的吸附和儲(chǔ)集性能非常好,但對(duì)于煤層氣的開(kāi)采和解吸而言難度相對(duì)較大;類(lèi)型Ⅱ?yàn)榈湫偷耐笟庑院玫奈⒖紫?對(duì)煤層氣的吸附、解吸和擴(kuò)散均有利;類(lèi)型Ⅲ具有典型的“雙峰”孔隙結(jié)構(gòu),因此這種孔隙結(jié)構(gòu)可能會(huì)影響到氣體的有效擴(kuò)散。3.基于對(duì)滲流孔和吸附孔的分形特征,定量表征了煤的滲流孔和吸附孔的非均質(zhì)性,表明了孔表面分形維數(shù)D1和孔結(jié)構(gòu)分形維數(shù)D2與吸附特征、煤質(zhì)、孔結(jié)構(gòu)參數(shù)和煤體結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系,并探討了其對(duì)甲烷吸附和煤儲(chǔ)層滲透性的影響(1)通過(guò)對(duì)煤樣吸附孔分形維數(shù)的計(jì)算,表征煤的表面分形維數(shù)D1值相對(duì)較低,介于2.001-2.345之間,并且分布較為均勻,而表征煤的結(jié)構(gòu)分形維數(shù)D2的值相對(duì)較高,介于2.641-2.917之間,認(rèn)為在較小吸附孔段(凱爾文半徑1.38 nm)微孔結(jié)構(gòu)差異并不十分明顯,而在較大吸附孔段(凱爾文半徑1.38 nm),吸附/脫附曲線中存在滯后環(huán)的煤樣的孔隙結(jié)構(gòu)要比不存在滯后環(huán)的煤樣更加復(fù)雜。(2)煤的吸附孔分形維數(shù)D1與煤的蘭氏體積呈二項(xiàng)式關(guān)系,與煤中水分、灰分、揮發(fā)分、平均孔徑、微孔含量、總孔體積和煤體結(jié)構(gòu)之間關(guān)系不明顯,與鏡質(zhì)體反射率和比表面積成正相關(guān);分形維數(shù)D2與煤的蘭氏體積和煤體結(jié)構(gòu)之間關(guān)系不明顯,與煤中水分、灰分、揮發(fā)分、平均孔徑成負(fù)相關(guān)關(guān)系,與鏡質(zhì)體反射率、比表面積、微孔含量和總孔體積成正相關(guān)關(guān)系。(3)柴北緣YQ-1的滲流孔分維數(shù)為2.9586,五彩礦業(yè)對(duì)應(yīng)的分維數(shù)為2.8816,兩個(gè)樣品對(duì)應(yīng)的分維數(shù)相對(duì)較高,表明該地區(qū)煤樣的滲流孔隙結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,同時(shí)隨煤的鏡質(zhì)體反射率增大而降低。(1)柴北緣侏羅系煤儲(chǔ)層宏觀裂隙表現(xiàn)為:裂隙類(lèi)型以垂直裂隙為主,順層和斜交裂隙為輔;宏觀煤巖類(lèi)型以光亮-半光亮型為主,暗淡煤次之;斷口類(lèi)型多以階梯狀為主;裂隙規(guī)模為中-大型;最大裂隙長(zhǎng)度大于8cm,高度介于3-8cm之間,寬度一般小于0.5cm;裂隙密集為密-較密型;裂隙無(wú)充填或少部分被方解石充填,裂隙連通性為中等-一般。(2)柴北緣侏羅系煤儲(chǔ)層微裂隙表現(xiàn)為:所測(cè)煤樣的微裂隙類(lèi)型以C型和D型為主,A型和B型裂隙所占比例明顯偏低,對(duì)于整個(gè)研究區(qū)而言,A+B型所占比例表現(xiàn)為兩端高中間低的趨勢(shì)。(3)柴北緣煤儲(chǔ)層微裂隙的發(fā)育程度與煤的變質(zhì)程度和煤中碎屑鏡質(zhì)體關(guān)系不明顯;與煤的鏡質(zhì)體含量、均質(zhì)鏡質(zhì)體含量、微鏡煤所占比例、微鏡惰煤所占比例、凝膠化指數(shù)(GI)和植物保存指數(shù)(TPI)之間呈正相關(guān)關(guān)系;與煤的惰質(zhì)體含量、基質(zhì)鏡質(zhì)體含量、半絲質(zhì)體含量、碎屑惰質(zhì)體含量、微惰煤所占比例、微惰鏡煤所占比例、氧化指數(shù)(OI)和破碎指數(shù)(BI)之間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。5.基于對(duì)柴北緣各煤田煤體結(jié)構(gòu)和煤巖類(lèi)型的描述、低溫液氮吸附、微裂隙統(tǒng)計(jì)、X射線衍射和煤體變形的巖石力學(xué)等方法,以魚(yú)卡煤田為例,對(duì)該地區(qū)煤體結(jié)構(gòu)分布進(jìn)行了區(qū)域預(yù)測(cè),并對(duì)不同煤體結(jié)構(gòu)下的煤儲(chǔ)層孔裂隙結(jié)構(gòu)和XRD結(jié)構(gòu)進(jìn)行了對(duì)比研究(1)高泉煤礦煤體結(jié)構(gòu)以原生和碎裂煤為主,碎粒煤和糜棱煤較為少見(jiàn),宏觀煤巖類(lèi)型以半光亮型和半暗淡型為主,光亮煤和暗淡煤其次;魚(yú)卡煤田宏觀煤巖類(lèi)型以半光亮型煤為主,半暗煤次之,煤巖成分以亮煤和暗煤為主;全吉煤田煤體結(jié)構(gòu)以碎裂煤-碎粒煤為主,原生結(jié)構(gòu)煤所占比例相對(duì)較少,宏觀煤巖類(lèi)型以半光亮-半暗淡型為主,煤巖成分則以亮煤和暗煤為主,鏡煤和絲炭較為少見(jiàn);德令哈煤田煤體結(jié)構(gòu)以原生-碎裂煤為主;宏觀煤樣類(lèi)型以光亮-半光亮型為主,煤巖成分則以鏡煤為主,亮煤次之,暗煤最少。(2)基于煤體變形的巖石力學(xué)機(jī)理,認(rèn)為柴北緣?mèng)~卡煤田構(gòu)造煤較發(fā)育區(qū)位于羊水河勘探區(qū)全部、魚(yú)東勘探區(qū)的南部及北部斷層發(fā)育帶、尕秀勘探區(qū)的北部、二井田勘探區(qū)的北部斷裂帶附近以及北山勘探區(qū)東南部及西北部斷裂帶。構(gòu)造煤欠發(fā)育區(qū)則主要分布在魚(yú)東勘探區(qū)的中部、尕秀勘探區(qū)中南部以及二井田勘探區(qū)的中南部區(qū)域。(3)五彩礦業(yè)、旺尕秀和綠草溝下分層等煤樣較其它樣品而言,煤的破碎程度相對(duì)較高,同時(shí)煤的孔隙結(jié)構(gòu)越復(fù)雜,對(duì)應(yīng)于甲烷的解吸和煤層氣的開(kāi)發(fā)難度則越大;煤的比表面積和孔容隨著煤體結(jié)構(gòu)的綜合指標(biāo)值降低而升高,最終導(dǎo)致煤吸附甲烷能力的增強(qiáng)。(4)研究區(qū)煤樣的面網(wǎng)間距平均為0.4088nm,單位堆砌度Lc平均為8.0241nm,4.基于野外地質(zhì)調(diào)查、光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡的研究,對(duì)柴北緣侏羅系煤儲(chǔ)層宏觀裂隙和微裂隙發(fā)育特征進(jìn)行了研究,并探討了內(nèi)生裂隙的煤巖學(xué)控制機(jī)理單位延展度La平均為18.8497nm;同時(shí),面網(wǎng)間距d002變化與煤體結(jié)構(gòu)綜合指標(biāo)成正比,而單位堆砌度Lc和單位延展度La與煤體結(jié)構(gòu)綜合指標(biāo)成反比,即煤體結(jié)構(gòu)破壞程度越大,煤晶核的面網(wǎng)間距越小,對(duì)應(yīng)的單位堆砌度和單位延展度則越大。6.通過(guò)分析柴北緣煤儲(chǔ)層的評(píng)價(jià)要素和基本參數(shù),建立了柴北緣侏羅系煤層氣綜合評(píng)價(jià)模型,并運(yùn)用多層次模糊數(shù)學(xué)的方法對(duì)該地區(qū)煤層氣勘探開(kāi)發(fā)有利區(qū)進(jìn)行了優(yōu)選(1)根據(jù)柴北緣侏羅系煤層氣勘探現(xiàn)狀,并結(jié)合煤儲(chǔ)層物性、煤地質(zhì)特征和資源及保存因素3個(gè)條件,包括滲透率等共計(jì)12個(gè)次一級(jí)影響因素,建立了以煤儲(chǔ)層物性為主導(dǎo)的煤層氣勘探開(kāi)發(fā)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。(2)通過(guò)運(yùn)用多層次模糊數(shù)學(xué)的思想,對(duì)柴北緣評(píng)價(jià)指標(biāo)體系內(nèi)各影響因素進(jìn)行了定量排序,并結(jié)合根據(jù)實(shí)際情況所建立的各參數(shù)隸屬度函數(shù),對(duì)研究區(qū)進(jìn)行了煤層氣有利區(qū)優(yōu)選,結(jié)果表明:魚(yú)卡煤田是最宜進(jìn)行煤層氣勘探開(kāi)發(fā)的地區(qū),賽什騰和全吉煤田次之,德令哈煤田的優(yōu)先級(jí)別最低。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類(lèi)號(hào)】：P618.13

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2744483