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不同煤阶煤大分子模型构建及对比

现代地质 2024年

作者：张晨张松航唐书恒张守仁李哲范志辉中国地质大学(北京)能源学院西部钻探录井工程分公司(地质研究院) 中联煤层气有限责任公司非常规天然气地质评价与开发工程北京市重点实验室海相储层演化与油气富集机理教育部重点实验室

煤大分子模型的构建对研究煤的物理化学性质和高效利用有基础性意义，然而当前尚缺乏反映不同煤阶煤性质的大分子模型的构建和对比。为此，本研究利用工业分析和元素分析，以及核磁共振碳谱、红外光谱、X射线光电子能谱等测试手段，结... 详细信息

煤大分子模型的构建对研究煤的物理化学性质和高效利用有基础性意义，然而当前尚缺乏反映不同煤阶煤性质的大分子模型的构建和对比。为此，本研究利用工业分析和元素分析，以及核磁共振碳谱、红外光谱、X射线光电子能谱等测试手段，结合前人数据，构建并搜集了河曲煤、孝义煤、店坪煤、高阳煤、阳泉煤、赵庄煤等横跨褐煤到无烟煤(RO＝0.46%～3.21%)的13个不同煤阶煤大分子模型序列。煤大分子结构参数显示，随煤阶升高，芳香结构中芳碳率呈3阶段增加演化趋势；桥周比、桥接芳碳均线性增加，侧支芳碳、氧接芳碳在煤变质第一次跃变点以前快速减少。脂肪结构中脂碳率与芳碳率相反，呈3阶段减小趋势；甲基碳第一次跃变点之前增加最后减小；亚甲基碳呈波动变化与三次煤化跃变对应；氧接脂碳的变化情况规律不明显。含氧官能团含量则随煤阶的升高而减少。范德华能和键伸缩能的降低对分子稳定性起主导作用，氢键能只在低阶煤(褐煤)和中阶煤(长焰煤、气煤)及分子之间起作用。低阶煤(褐煤)和中阶煤(长焰煤到瘦煤)的多分子总能量低于等量单分子的能量，而高阶煤(贫煤和无烟煤)由于π―π作用多分子能量高于等量单分子能量。总体上，文中所建大分子模型序列反映了煤变质规律，揭示了煤分子能量构成。研究成果有望能为进一步的煤大分子模拟工作提供基础煤分子构型。

关键词：煤分子模型官能团能量构型煤阶

宁武盆地深部煤储层地温场特征及其对含气性的影响

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煤田地质与勘探 2024年第2期52卷 92-101页

作者：郗兆栋唐书恒刘忠屈晓荣张鹏豹苏育飞张迁中国地质大学(北京)能源学院北京100083 中国石油华北油田勘探开发研究院河北任丘062550 山西省煤炭地质勘查研究院山西太原030000

温度是影响深部煤储层含气性的重要因素,继而影响深部煤层气的开发效果。因此,明确煤储层地温条件及其对深部煤储层含气性的影响是系统认识深部煤层气富集特征及生产规律的关键。宁武盆地太原组9号煤层埋深大于1000 m的面积占比超过90%... 详细信息

温度是影响深部煤储层含气性的重要因素,继而影响深部煤层气的开发效果。因此,明确煤储层地温条件及其对深部煤储层含气性的影响是系统认识深部煤层气富集特征及生产规律的关键。宁武盆地太原组9号煤层埋深大于1000 m的面积占比超过90%,盆地腹部煤层埋深基本大于1500 m,最大埋深超过2500 m,属于典型的深部煤层气。以宁武南区块为例,基于井温测井数据、实验测试数据、录井资料及试井资料,确定宁武南煤储层地温场特征及其对含气性的影响效应。结果显示,宁武南区块9号煤储层温度为15.5~40.1℃,与煤层埋深具有显著的正相关性,地温梯度为1.27~1.95℃/hm,平均为1.52℃/hm,显示出低地温场特征。研究区煤储层含气饱和度为40.1%~93.7%,平均为71.7%,显示出深部煤储层低含气饱和度的特征。随着埋藏深度的增加,较低的地温梯度使得研究区煤储层温度增加缓慢,导致在相似埋深下,温度对研究区深部煤储层吸附能力的负效应显著低于大宁-吉县、临兴等深部煤层气区块,使得研究区煤储层吸附气向游离气的转换深度加深且转换比例降低。低地温条件是影响研究区深部煤层含气性的重要因素之一,继而影响其可开采程度。在深部煤层气的勘探开发中应重视煤储层地温条件的研究。

关键词：宁武盆地深部煤层气地温梯度地温场含气性

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宁武盆地南部深部煤层气临界深度与成藏特征

天然气工业 2024年第1期44卷 108-118页

作者：郗兆栋唐书恒刘忠张迁张鹏豹杨雄雄张珂中国地质大学(北京)能源学院中国石油华北油田公司勘探开发研究院

近年来,随着深部煤层气勘探开发技术的不断突破,深部煤层气已逐渐成为中国油气资源重要的勘探开发新领域。但是,关于煤层气深度界线的科学内涵、深部煤层气藏的地质特征、煤层气富集模式等基础科学问题仍处于初期探索阶段。为此,以宁武... 详细信息

近年来,随着深部煤层气勘探开发技术的不断突破,深部煤层气已逐渐成为中国油气资源重要的勘探开发新领域。但是,关于煤层气深度界线的科学内涵、深部煤层气藏的地质特征、煤层气富集模式等基础科学问题仍处于初期探索阶段。为此,以宁武盆地宁武南区块上石炭统太原组9号煤层为研究对象,基于区块20余口煤层气井的钻井、测井及试井资料等,联合等温吸附、气体同位素等实验测试手段,探讨了宁武南区块深部煤层气临界深度与成藏特征。研究结果表明:①研究区深部煤层气临界深度为1200 m,临界深度以深,深部煤层气藏具有煤层厚度大、热演化程度高、含气量及含气饱和度高、煤体结构好和孔隙度低的地质特征。②地温梯度和热演化程度是影响研究区深部煤层气临界深度及煤层气成藏条件的重要因素。结论认为,该盆地的宁武南区块深部煤层气地质特征与鄂尔多斯盆地大宁—吉县、临兴、延川南等深部煤层气区块具有可比性,展现出宁武盆地深部煤层气良好的勘探开发前景。

关键词：宁武盆地上石炭统太原组深层煤层气临界深度成藏特征

沁水盆地榆社—武乡区块二叠系煤系页岩储层地质建模及“甜点”预测

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岩性油气藏 2024年第4期36卷 98-108页

作者：申有义王凯峰唐书恒张松航郗兆栋杨晓东自然资源部矿业城市自然资源调查监测与保护重点实验室山西晋中030600 山西省煤炭地质物探测绘院有限公司山西晋中030600 中国地质大学(北京)能源学院北京100083 非常规天然气能源地质评价与开发工程北京市重点实验室北京100083

沁水盆地煤系页岩气资源丰富,但勘探开发处于初期阶段。基于钻井、测井和地震解释资料,结合有机地球化学与储层物性实验测试数据,通过三维地质建模技术,建立了沁水盆地榆社—武乡区块二叠系山西组底部—太原组上部煤系页岩地质模型,并... 详细信息

沁水盆地煤系页岩气资源丰富,但勘探开发处于初期阶段。基于钻井、测井和地震解释资料,结合有机地球化学与储层物性实验测试数据,通过三维地质建模技术,建立了沁水盆地榆社—武乡区块二叠系山西组底部—太原组上部煤系页岩地质模型,并预测了煤系页岩气“甜点”区。研究结果表明:(1)沁水盆地榆社—武乡区块石炭系—二叠系煤系地层模型反映了煤系页岩储层的发育主要受控于构造活动,呈“东浅西深、整体连续”的分布格局。(2)基于序贯指示法建立沉积相模型,指示研究区在太原期—山西期由海陆过渡相转变为近海陆相沉积环境,为稳定优质页岩储层的形成提供了有利的沉积环境。(3)通过相控属性建模实现了储层参数空间分布模拟和精细表征,泥地比、孔隙度、含气量、总有机碳含量和镜质体反射率的平均值分别为0.57,10.02%,1.21 m^(3)/t,2.18%,2.45%,揭示了研究区煤系页岩较好的储集能力、含气性、有机质丰度和资源潜力,脆性指数模型指示出页岩压裂后的有利区带。(4)在精细三维地质建模的基础上,将三维网格单元赋值积分,计算研究区二叠系煤系页岩气地质资源量为1 344.98×10^(8)m^(3),运用层次分析法和模糊评价法预测页岩气“甜点”区,Ⅰ类“甜点”区为地质与工程双重甜点,分布于研究区东北部、中部和西北部局部区域。

关键词：煤系地层页岩气地质建模储层特征 “甜点”预测地质资源量二叠系榆社—武乡区块沁水盆地

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脱气时间对中煤级煤低温氮吸附实验的影响

煤炭转化 2024年第3期47卷 59-69页

作者：颜志丰张旭峰唐书恒张松航丁占成张振国高莲凤侯海海辽宁工程技术大学辽宁省矿产资源绿色开发重点实验室辽宁阜新123000 辽宁工程技术大学矿业学院辽宁阜新123000 中国地质大学(北京) 北京10083

低温氮吸附法是目前用于评估直径在0.35 nm~300 nm之间煤的孔隙结构广泛使用的实验方法,通过实验得到的数据可以表征出煤的孔隙结构特征。在低温氮吸附实验中,样品的粒径、脱气温度和脱气时间等因素对实验结果影响较大。为研究脱气时间... 详细信息

低温氮吸附法是目前用于评估直径在0.35 nm~300 nm之间煤的孔隙结构广泛使用的实验方法,通过实验得到的数据可以表征出煤的孔隙结构特征。在低温氮吸附实验中,样品的粒径、脱气温度和脱气时间等因素对实验结果影响较大。为研究脱气时间对低温氮吸附实验结果的影响,进行了一系列其他条件不变,只改变脱气时间的实验,选择的脱气时间分别为2 h,3 h,4 h,5 h,6 h,9 h,12 h,24 h。选取三种中煤级煤岩样品为实验材料,分别为济宁三号井气煤、张北矿气煤以及临涣矿焦煤。研究不同脱气时间下中煤级煤样在低温氮吸附实验中孔隙结构的变化,以确定最佳的脱气时间。通过分析煤样的吸附曲线、吸附-脱附曲线“滞后环”、阶段孔容曲线、平均孔径等参数,发现煤样在脱气时间发生变化时,煤样孔隙结构也发生相应的变化。研究发现,煤样在脱气时间为2 h和3 h时吸附-脱附曲线的类型以H3为主,其孔隙结构简单。煤样测定的平均孔径在脱气时间为3 h达到最大值,平均孔径在脱气时间为5 h达到最小值。在脱气3 h时,水分对煤样孔隙结构的影响可以忽略不计,挥发分对煤样孔隙结构的影响较低,此时煤样的孔隙结构更佳。三种中煤级煤样最佳脱气时间为3 h。

关键词：低温氮吸附脱气时间中煤级煤孔隙结构比表面积

影响煤生物气化的物化特征及煤预处理的研究进展

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微生物学报 2022年第6期62卷 2328-2339页

作者：李洋唐书恒陈健陈萍安徽理工大学地球与环境学院安徽淮南232001 安徽理工大学深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室安徽淮南232001 中国地质大学(北京)能源学院北京100083 海相储层演化与油气富集机理教育部重点实验室北京100083 非常规天然气地质评价与开发工程北京市重点实验室北京100083

在“双碳”目标引领下,传统化石能源将逐渐被取代。我国煤炭资源储量多、分布广,将不可开采的煤炭资源生物气化可作为天然气资源的重要补充。因此,研究生物成因煤层气的增产机理具有重要的理论和现实意义。煤生物气化的发展前景广阔,但... 详细信息

在“双碳”目标引领下,传统化石能源将逐渐被取代。我国煤炭资源储量多、分布广,将不可开采的煤炭资源生物气化可作为天然气资源的重要补充。因此,研究生物成因煤层气的增产机理具有重要的理论和现实意义。煤生物气化的发展前景广阔,但难点在其缓慢的动力学特征。为揭示生物煤层气的生成潜力和内部因素,本文就煤的物理化学特征对生物气化的影响、煤的物化性质对生物作用的响应以及预处理煤提高其生物有效利用性进行系统论述。生物作用降解煤的内部因素和环境条件已通过室内研究查明,发现低阶煤比高阶煤更具生物气增产潜力。产甲烷微生物群落对煤的生物转化过程势必引起煤的各项物理化学性质的变化。为产甲烷菌持续提供可用底物是煤生物气化的主要限制因素,研究多以化学预处理手段提高煤生物气化的效率和产量,而超临界CO_(2)萃取以物理方式溶解大分子网格中小分子有机物用于生物气化。生物成因煤层气的增产潜力巨大,但室内实验条件与储层环境差异明显,原位增产有待深入研究,煤层有机物生物转化的微生物学研究亦有待完善。不同煤阶、不同储层环境对生物气化影响的主控因素研究是实现煤的生物气化商业化开发的关键。

关键词：产甲烷菌煤层气微生物二氧化碳

不同排采程度煤储层注CO_(2)驱煤层气模拟评价

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煤炭学报 2022年第3期47卷 1275-1285页

作者：张松航唐书恒张守仁王敬宇中国地质大学(北京)能源学院北京100083 非常规天然气地质评价与开发工程北京市重点实验室北京100083 中联煤层气有限责任公司北京100015

在“双碳”战略背景下,开展煤中封存CO_(2)和提高煤层气采收率(CO_(2)-ECBM)研究有重要现实意义,我国也已开展多方位的先导性试验和工程示范。已有的工程实验表明,煤储层的排采程度对CO_(2)注入的难易程度有重要影响,然而还缺少定量数... 详细信息

在“双碳”战略背景下,开展煤中封存CO_(2)和提高煤层气采收率(CO_(2)-ECBM)研究有重要现实意义,我国也已开展多方位的先导性试验和工程示范。已有的工程实验表明,煤储层的排采程度对CO_(2)注入的难易程度有重要影响,然而还缺少定量数据的支撑以及对CO_(2)注入及驱煤层气的效果的评价。借助数值模拟手段,以沁水盆地柿庄北区块SX018-5H井煤层气地质和工程条件为基础,构建了含1口水平井和2口直井的3号煤层CO_(2)-ECBM工区,设计了水平井排采0,1,2,3和4 a后,在1 a内连续注入万吨CO_(2),以及排采4 a后持续注入CO_(2)共计6个注入驱替方案,对比了10 a模拟时间内注入CO_(2)各方案及不注入CO_(2)方案的气井产出和储层动态变化情况。研究结果表明,在沁水盆地南部柿庄北区块3号煤层地质条件下,水平井具有较高的CO_(2)注气效率,3号煤层具有较大的封存潜力,注入万吨CO_(2)主要封存在水平井筒(长700 m)附近60 m范围内;煤储层的排采程度,也就是注入CO_(2)前储层的含气/含水饱和度,对CO_(2)注入有重要影响,储层中甲烷排采越充分,越有利于CO_(2)注入;CO_(2)注入对邻近煤层气井的生产存在增加储层压力的“负”效应和驱替甲烷的“正”效应。要在CO_(2)-ECBM项目中达到较好的驱替效果,一方面应增加煤储层的排采程度,另一方面应适当降低CO_(2)注入井和煤层气生产井距。

关键词：煤储层 CO_(2)封存煤层气采收率储层压力水平井

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煤储层含水性及其对煤层气产出的控制机理

煤炭学报 2023年第S1期48卷 171-184页

作者：张松航唐书恒孟尚志信迪张远远王希栋中国地质大学(北京)能源学院北京100083 非常规天然气地质评价与开发工程北京市重点实验室北京100083 中联煤层气有限责任公司北京100015

煤储层的含水性不仅决定了煤层气吸附成藏理论的应用,影响储层改造措施的选取,也决定了对煤层气产出过程的认识。针对煤层的含水性,煤层气地质学认为煤储层基本饱和水,而瓦斯地质学在瓦斯含量计算和瓦斯渗流中基本没考虑水的影响,相当... 详细信息

煤储层的含水性不仅决定了煤层气吸附成藏理论的应用,影响储层改造措施的选取,也决定了对煤层气产出过程的认识。针对煤层的含水性,煤层气地质学认为煤储层基本饱和水,而瓦斯地质学在瓦斯含量计算和瓦斯渗流中基本没考虑水的影响,相当于认为煤储层饱和气。从煤层水来源、煤储层埋藏及热演化史的角度阐述了煤储层含水性的变化,分析现今煤储层可能存在饱和水、超低饱和含水、不饱和含水和不含水4种状态。煤储层热演化生烃及其造成的储层润湿性的改变,先存气体对后期水侵作用的影响是影响储层现今含水性的关键因素。由于我国构造运动复杂,多发生后期水侵,“大孔裂隙饱和水、小微孔饱和气”可能为多数煤储层气、水赋存状态。这种气、水赋存状态,可以有效回应煤层气地质理论中“煤储层饱和水,兰氏吸附理论不适用”的论点,同时也决定了在煤储层含气性分析中应该考虑毛管力的影响。此外,煤储层为低孔、低渗储层,早期的排采阶段一般为单相水流,煤层气的排采过程需要确定并考虑启动压力梯度的影响。综上所述,开展煤-水-甲烷条件下的煤储层润湿性研究,生烃作用及先存气体对储层含水性的影响研究,重新认识煤储层的含水性,并基于此进一步刻画煤层气的赋存和产出过程,可能是解决我国煤层气,特别是中、高煤阶煤层气低产问题的一把钥匙。

关键词：煤层气储层含水性煤润湿性临界解吸压力产出机理

煤层气开发井网密度和井距优化研究--以韩城北区块为例

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煤炭科学技术 2023年第3期51卷 148-157页

作者：王之朕张松航唐书恒王凯峰张迁林文姬中国地质大学(北京)能源学院北京100083 海相储层演化与油气富集机理教育部重点实验室北京100083 非常规天然气地质评价与开发工程北京市重点实验室北京100083 中石油煤层气有限责任公司北京100028 中联煤层气国家工程研究中心有限责任公司北京100095

煤层气井网密度及井距优化是影响煤层气产量和经济效益的重要因素,井网密度及井距的设计优化是煤层气开发方案的重要组成部分。当前对于煤层气开发井距的研究大多单一考虑产能因素或者是经济因素,对于二者综合评价研究较少。为探究煤层... 详细信息

煤层气井网密度及井距优化是影响煤层气产量和经济效益的重要因素,井网密度及井距的设计优化是煤层气开发方案的重要组成部分。当前对于煤层气开发井距的研究大多单一考虑产能因素或者是经济因素,对于二者综合评价研究较少。为探究煤层气开发井网密度和井距的最优方案,并综合评价煤层气井的产能与经济效益,以韩城北区块为研究对象,基于区块基本地质条件和煤储层物性资料,确定了煤层气开发适用的井网样式和井网方位。通过经验对比法、单井合理控制储量法、经济极限井距法、规定单井产能法和经济极限井网密度法计算并讨论了韩城北区块煤层气开发井网密度和井距部署方案。利用煤层气产能数值模拟软件Comet3,模拟和评价了不同井距开发方案下的产能,并采用折现现金流法进一步从经济评价角度优化了煤层气开发井网密度。结果显示,韩城北区块煤层气开发适用的井网样式为矩形井网;井网方位为NE49°;数值模拟结果表明,当井距为200 m×250 m时煤层气井稳产期产能最高,累计产量最多;依据1 km^(2)不同井距布井方案的经济评价对比显示,当井网密度大于10口/km^(2)时,该区块煤层气开发具有经济效益,其中井网密度为20口/km^(2)即井距为200 m×250 m的方案内部收益率为11.27%,净现值为1437万元,投资回收期为7.49年,经济指标最优。综合分析认为,韩城北区块最佳开发井网密度为20口/km^(2),最佳井距方案为200 m×250 m。

关键词：煤层气韩城北区块井网优化产能模拟井距