煤层气工程概论

1. 煤层气勘探开发的意义

a. 能源意义：煤层气是一种新型的洁净能源，其勘探开发可以弥补常规能源的不足。

b. 安全与减灾的意义：煤层气严重影响着我国的煤矿生产安全。在煤炭开采前预先进行煤层气的抽采，有利于降低煤矿生产过程中的瓦斯灾害事故。

c. 环境意义：煤层气开发降低了煤炭开采中的瓦斯排放，从而降低了由其产生的温室效应。

d. 形成的支柱产业：煤层气的利用不仅仅在民用方面，已广泛用于各个领域，如煤层气发电、汽车燃料、锅炉改造、工业用气、煤化工项目等。可以有利于衰老煤矿区专业，发展新型的相关产业，缓解转岗就业困难，成为新的经济增长点。

e ．巨大的经济意义：低敏啊煤层气开发预先抽放了瓦斯，可大大降低采煤过程中的瓦斯治理费用。欲抽瓦斯，降低了煤矿瓦斯事故，由此产生显著的社会效益。

2. 煤层气的形成过程

a ．泥炭话作用和成岩作用阶段：在微生物通过微生物的作用，有机质泥炭煤等部分转化为煤层气。按形成阶段可以分为原始生物成因气和次生生物成因气。气体成因：生物成因气

b ．变质作用阶段：气体成因：热成因气。摆阔原生热成因气和次生热成因气。原生热成气指由煤生成并就地储存的热成因气，保持了煤层气的原始祖坟和同位素组成，从烃源岩角度，主要包括热降解气（0.5%2%）。次生热成因气指热成因气生成经过运移，再在异地聚集下来。运移使气体组分和同位素的分离。

3. 煤层气开发过程中渗透率的动态变化的影响因素

在地面排水降压开发煤层气过程中，随着水、气的排出，一方面在地面排水降压开发煤层气过程中，随着水、气的排出，一方面煤储层内流体压力降低，有效应力增大，渗透率降低（简称为负效应）煤储层内流体压力降低，有效应力增大，渗透率降低（简称为负效应） ；另一方面煤基质收缩，渗透率增大（简称为正效应）煤基质收缩，渗透率增大（简称为正效应）。这种正、负效应在煤层气开发活动中，同时存在，同时发生，其综合作用效果是煤层气持续开发和经济评价所要考虑的重要因素之一。

4. 煤吸附能力影响因素

煤吸附能力的因素分为外部环境和内部环境。外部环境又分为温度、压力、气体成分，内部因素分为煤的热熔化成都、孔隙特征、灰分以及水分。（低压时，吸附能力几乎成线性增长；温度越高，吸附能力越弱；吸附量越少；镜质组含量高的镜煤的吸附能力比含量低的暗煤的吸附能力高；惰质组具有很强的吸附能力，低惰质组含量的暗煤的吸附能力取决于镜质组的含量；不同配比的气体成分对吸附能力有这很大的影响）

5. 控制煤层气的富集的地质因素

煤自身吸附能力、构造热烟花、卖身与上露有效地层厚度、围岩物性、地下水动力条件、构造特征

6. 煤层气储量计算方法

煤层气储量是指在原始状态下，赋存于已发现的具有明确估算边界的煤层中，有显示经济意义的煤层气总量。计算可采储量的方法有数值模拟法。产量递减法、采收率计算法（G r = G i R f G r --可采储量G i --地质储量 R f --采收率%）, 采收率计算方法又包括类比方法、数值模拟法、等温吸附曲线法、产量递减法

7. 钻井过程中对储层的潜在危害及降低措施

危害

（1 ）煤强度的影响：由于煤杨氏模量小，泊松比高，天然割理及节理发育，使煤的抗拉、抗压强度比较低。

（2 ）正压差伤害：在正压差作用下，钻井液中的胶体颗粒和其它细微颗粒被吸附在煤层气的孔隙喉道上，钻井液滤液的侵入又可能发生各种敏感性反应。

（3 ）固相伤害：钻井液中所含固相颗粒分为粗粒（大于2000 μm m ）、中粗粒（250-2000 μm m ）、细粒（44-250 μm m ）、微粒（2-44 μm m ）和胶体颗粒（小于2 μm m ）。

钻井液中不同粒径的固体颗粒，特别是其中的微粒和胶体颗粒会沿着煤层的割理和孔隙进入煤层，对煤层气的运移通道产生填充和堵塞。

（4 ）强亲水伤害：煤层气储层的低孔隙度、低渗透率、强亲水性、大比表面积，造成了高束缚水饱和度。在储层原始状态下，原始含水饱和度一般低于束缚水饱和度。当使用水基钻井液将煤储层打开时，很强的毛细管作用力使地层强烈吸水，而正压差作用下的渗流则加剧了水侵深度，直到储层吸水达到束缚水饱和度为止。水量增加形成的水膜将使煤层产生“水锁”，造成永久性伤害

措施

（1）若条件允许，应尽可能使用空气、雾化空气或泡沫进行钻进；（空气循环使煤层很少接触固体颗粒和化学添加剂，并且对煤层施加的静水压力也最小）

（2）若要用钻井液控制地层压力，最好使用产出的地层水或是加有少量

膨，润土（提高粘度）的清水；

（3）若采用泥浆钻进，应使用低PH 值（5.5-7.5) 的非活性泥浆，要求低密度、

低粘度、低失水量和低固相含量的钻井液较为适宜，并且要减少化学物质

（有机、无机）的加入。这种泥浆一般不会改变煤的基质和矿物成分；

的非活性泥浆，要求低密度、

（4） 平衡钻进；

（5） 对已伤害的储层实施酸化处理

8. 常用煤层气地质录井方法及定义

方法：钻时录井、岩心录井、岩屑录井、岩井液录井、气测录井还有其他录井

钻时录井—系统地记录钻时并收集与其有关的各项数据、资料的全部工作过程

岩心录井—在钻井过程中，用一种取芯工具将地下岩石取出来并对其进行分析、研究而取得的各项资料的过程。

岩屑录井 --钻井过程中，按照一定的取样间距和迟到时间，连续收集与观察岩屑并恢复地下地质剖面的过程。

岩井液录井（泥浆录井） ：根据泥浆性能的变化及槽面显示，推断井下是否钻遇油、气、水层及特殊岩性的录井方法

气测录井-- 直接测定钻井液中可燃气体含量的一种录井方法

9. 煤层气固井的目的及过程

目的：a. 封隔易塌、易漏等复杂地层，保证钻井顺利进行；b. 封隔气水层，建立气流出通道，防止产层间互窜；c. 进行增产措施；d. 安装井口；

过程：下套管——注水泥——候凝——检测评价

下完套管之后，把水泥浆泵入套管内，再用钻井液把水泥浆顶替到管外环形空间设计位置的作业称之为注水泥。

侯凝：

注入井内的水泥浆要凝固并达到一定强度后才能进行后续的钻井施工或是其它施工，因此，注水泥施工结束后，要等待水泥浆在井内凝固，该过程称为候凝 ；

候凝时间通常为24小时或48小时，也有72小时或几小时的，候凝时间的长短视水泥浆凝固及强度增长的快慢而定。候凝期满后。

测井进行固井质量检测和评价

10. 叙述煤层气有利区块的阶梯优选方法步骤

方法一：中国煤层气勘探选取评价标准表

方法二：一剔除三筛选法a. 关键参数一票否决b. 面积资源风度筛选c. 渗透率筛选d. 产能筛选d. 经济评价筛选

方法三：评分法。根据中层煤厚、含气量、煤层埋深、煤层渗透率和煤层压力等五项参数按标准赋分 方法四：关键要素梯阶优选法通过地质风险分析筛选出对不同层次评价单元煤层气前景具有关键性控制作用的风险因素进而按需气带、目标区、靶区的递接层次进行选取评价和优选

方法五：多层次模糊综合评价方法

11. 列举5种以上煤层气测井方法及原理

电阻率法：根据钻孔中煤、岩的电阻率不同，按电阻率变化曲线做出地质解释的测井方法。

人工电位法：根据钻孔中电流通过不同岩、煤层时所产生的人工电位，按电位变化曲线来做地质解释的测井方法。

自然电位法：根据钻孔中煤、岩的自然电位曲线所反映的自然电化学活动性能做地质解释的测井方法。 电流法：根据电极在钻孔中通过不同电阻的岩、煤层时所反映的电流强度变化曲线做地质解释的测井方法。 电极电位法：通过电极电位沿钻孔深度变化的曲线，确定煤层界面深度和煤层厚度的测井方法。

自然伽马：通过测定钻孔中不同深度岩、煤层的放射性强度，取得自然伽玛曲线，进行地质解释的测井方法。

人工伽马：把送入钻孔的伽玛射线源照射井壁的不同岩、煤层上，按所取得的散射回来的二次伽玛射线强度曲线来做地质解释的测井方法。

中子测井：以中子与岩层相互作用产生的各种效应为基础的核测井方法。

声波测井：利用声波在不同介质中传播时，速度、幅度及频率的变化等声学特性也不相同，来研究钻井的地质剖面，判断固井质量的一种测井方法。

｛电测井：以测定岩、煤层的电学性质为基础的测井方法。（电阻率法、人工电位法、自然电位法、电流法、电极电位法）

放射性测井：以岩石和煤层的核物理性质差异为基础的测井方法。（自然伽马、人工伽马、中子测井） 井温测井：又称热测井，利用岩石具有不同热导率来划分岩层。

井径测井：测量钻孔直径的测井方法。﹜

12. 试井在煤层气研究中的作用

煤层气试井在煤层气勘探及产能预测方面，具有非常重要的作用1）煤岩裂缝的有效渗透率2）平均储层压力3）煤层的伤害和改善4）评价压裂效果。5）判断煤层的连通性，求得连通参数6）确定排液的孔隙体积7）分析裂缝发育的方向性8）探测煤岩层的流动边界

13. 煤层气井常用试井方法及定义

1）注入压降试井----以恒定排量将水注入储层，在井筒周围形成水饱和状态后关井。注入和关井阶段都用井下压力计记录井底压力，根据注水排量和压力数据可以求得渗透率、储层压力等参数。

2）段塞测试----常用于评价饱和水且原始地层压力低于静水柱压力的煤层，就是通过钻孔向储层段注入或抽取一定量的流体，根据实测压力曲线进行储层参数计算。

3）钻杆地层测试----通过钻杆柱或油管柱将地层测试器下到待测层，进行不稳定试井，取得产层的产量，温度和井底开关井时间-压力曲线卡片，并取得流体样品。通过分析解释获得动态条件下地层和流体的各种

特性参数。

4）水罐测试----定义：利用重力进行的注入-压降试井方法。适用性：在低压储层的测试中，它是代替注入-压降试井的有效方法。它有效避免了在注入过程中将地层压裂的可能性。

5）压力恢复试井----由于大多数煤层气都采用了人工升举手段，煤层气井的压力恢复试井很难进行。关井时提出举升设备将使早期关井数据无法得到。取而代之的办法是利用测液面，但其精度较低

6）干扰试井----煤层气井常用的干扰试井是注入干扰试井，与注入-压降试井相同。

14. 压裂液对储层伤害的原因及类型

原因：煤层本身的特性----煤的质软、性脆、易造粉、煤层裂隙发育、物理化学变化敏感、吸附性强、低压低渗等特点；压裂液带来的外来物质所造成的伤害----水化学膨胀伤害、化学伤害、胶液滤饼和胶液残渣伤害等

类型：吸附伤害(吸附膜伤害、吸附絮凝伤害) ；堵塞伤害(煤粉堵塞伤害、胶液残渣堵塞伤害、杂物堵塞伤害) ；水化膨胀伤害（遇水膨胀伤害、煤层水化伤害）；化学伤害

15. 煤储层孔隙成因类型及空隙参数测试方法

原生孔：胞腔孔--成煤植物本身所具有的细胞结构孔；屑间孔--毛皂屑体、惰屑体、壳屑体内部颗粒之间的孔

后生孔：角砾孔--煤受构造应力破坏而形成的角砾之间的孔；碎粒孔--煤受构造应力破坏而形成的碎粒之间的孔；淋滤孔--煤中经流水淋滤作用而形成的孔

变质孔：气孔煤变质过程中产生的气体和气体聚集形成的孔

矿物质孔：铸膜孔--煤中矿物质在有机质中因硬度差异而铸成的孔；溶蚀孔--可溶性矿物质在等期气、水作用下受溶蚀而形成的孔；晶间孔--矿务晶粒之间的孔

测试方法：压汞法、低温氮吸附法、扫描电镜研究煤孔隙结构、二氧化碳吸附法

16. 支撑剂的选择和压裂液效果的关系

I 支撑剂颗粒大小、外形对流通性的影响----渗透率随颗粒大小变化而变化；颗粒越大，渗透率越大；反之，颗粒越小，渗透率越小。

II 支撑剂用量及排列对流通性的影响----支撑剂用量超过一定程度后，产量并不随加砂量的增加而成比例的提高。相反，由于用量过多，压裂设备能力不易满足要求，施工工艺复杂，成本也高，是不合理的。 III 支撑剂强度对流通性的影响----在煤储层较软，地层压力不太大时，硬的支撑剂在储层中会嵌入一定深度，因此，使用韧性可变形的支撑剂较好；在煤储层坚硬时，用硬的支撑剂，在地层压力不太大时，可起到支撑作用；当压力超过一定程度时，则会压碎，不能很好的起到支撑作用，此时，应改为韧性支撑剂。 IV 支撑剂的运行、沉积对流通性的影响----在垂直裂缝中，应先加入大颗粒砂子，之后加入小颗粒的砂子。

在水平裂缝中，为提高井筒附近渗透率，应先加入小颗粒的支撑剂，后加入大颗粒的支撑剂。

17. 煤层气产出机理

第一阶段: 仅有压降传递, 无水气流动阶段

压降幅度比较小, 还不足以使煤层中的水产生流动, 煤层气无法解吸, 处于静水阶段.

第二阶段: 饱和水单相流阶段

随着压降幅度的增大, 煤层中的裂隙水开始流动, 极少量游离气或溶解气在裂隙系统中将处于运移状态, 此阶段以饱和水单相流为表征.

第三阶段: 非饱和的单相流阶段

压力进一步下降, 一定数量煤层气解吸出来, 形成气泡, 阻碍水的流动, 水的相对渗透率下降，处于非饱和单相流阶段.

第四阶段: 气水两相流阶段

储层压力进一步下降, 解吸气、溶解气、游离气开始在裂隙系统中扩散，气体渗透率逐渐增大，气产量逐步增多, 水产量开始下降，直至气泡相互连接, 形成连续的流线, 处于气-水两相流阶段, 但此阶段水的相对渗透率大于气体相对渗透率.

第五阶段: 水气两相流阶段

压力进一步下降, 吸附气体的大量解吸, 处于以气为主的水-气两相流阶段.

18. 影响煤层气排采效果的主要因素

非连续性排采的影响:煤层气井的排采生产应连续进行, 使液面与地层压力持续平稳的下降。如果因关井、卡泵、修井等造成排采终止, 给排采效果带来的影响表现在:(1) 地层压力回升, 使甲烷在煤层中被重新吸附；(2) 裂隙容易被水再次充填，阻碍气流；(3) 回压造成压力波及的距离受限, 降压漏斗难以有效扩展。 井底流压的影响：井底流压是反映产气量渗流压力特征的参数, 制定合理的排采制度和进行精细的排采控制应该以井底流压为依据。较低的井底流压, 有利于增加气的解吸速度和解吸气体量

排采强度的影响：煤层气排采需要平稳逐级降压, 抽排强度过大 带来的影响有:(1) 易引起煤层激动，使裂隙产生堵塞效应, 降低渗透 率；(2) 降压漏斗得不到充分的扩展, (3) 影响压裂效果；(4) 煤粉等颗粒的产出也可能堵塞孔 眼, 同时出砂、煤屑及其它磨蚀性颗粒也会影响泵效。我国大多数煤层属于低含水煤层, 因此抽排速度一定要按照煤层的产水潜能, 进行合理排水。