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碎软低渗煤储层强化与煤层气地面开发技术进展

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煤炭科学技术 2024年第1期52卷 196-210页

作者：桑树勋皇凡生单衍胜周效志刘世奇韩思杰郑司建刘统王梓良王峰斌中国矿业大学江苏省煤基温室气体减排与资源化利用重点实验室江苏徐州221008 中国矿业大学碳中和研究院江苏徐州221008 中国矿业大学资源与地球科学学院江苏徐州221008 中国地质调查局油气资源调查中心北京100083

我国碎软低渗煤储层分布广泛,然而由于其煤体松软、破碎、渗透性差,常规的直井/水平井煤储层直接压裂技术应用于碎软低渗煤储层强化及其煤层气地面开发的效果并不理想,碎软低渗煤储层煤层气的高效开发是制约我国煤层气产业大规模发展以... 详细信息

我国碎软低渗煤储层分布广泛,然而由于其煤体松软、破碎、渗透性差,常规的直井/水平井煤储层直接压裂技术应用于碎软低渗煤储层强化及其煤层气地面开发的效果并不理想,碎软低渗煤储层煤层气的高效开发是制约我国煤层气产业大规模发展以及煤矿瓦斯高效治理的重要技术瓶颈。在系统分析我国碎软低渗煤储层特征及煤层气地面开发中存在的问题基础上,以水平井为基础井型,围绕间接压裂、应力释放和先固结后压裂3种不同的技术方向,梳理了目前碎软低渗煤储层强化与煤层气地面开发技术进展。归纳评述了以顶板间接压裂、夹矸层间接压裂以及硬煤分层间接压裂为内涵的间接压裂煤层气开发技术,以水力喷射造穴、气体动力造穴、扩孔+水力喷射+流体加卸载诱导失稳造穴、水力割缝为不同应力释放方式的应力释放煤层气开发技术,以及先微生物诱导碳酸钙固结碎软煤储层再进行水力压裂的先固结后压裂煤层气开发技术。间接压裂技术的工程实践探索已有较多积累,在地质条件适宜地区对碎软低渗煤储层强化取得了较好效果,而以应力释放为代表的碎软低渗煤储层强化新技术探索已取得重大进展,并进入工程试验和验证阶段。水平井应力释放技术针对碎软低渗煤储层特性和新的开发原理,其对储层改造潜力更大、煤层气开发效果会更好。基于水平井应力释放技术,围绕扩大应力释放范围、提高煤层气开发效果以及实现煤与煤层气共采3个方面,对碎软低渗煤储层强化及煤层气地面开发技术的发展趋势进行了展望,以期为改善我国碎软低渗煤储层增产改造效果以及提高煤层气单井产量提供参考。

关键词：煤层气碎软低渗煤储层储层强化技术地面开发水力压裂

煤层亚临界/超临界CO_(2)吸附特征与封存模式

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天然气工业 2024年第6期44卷 152-168页

作者：王帅峰韩思杰桑树勋郭常建郭庆徐昂张金超中国矿业大学资源与地球科学学院江苏省煤基温室气体减排与资源化利用重点实验室·中国矿业大学中国矿业大学碳中和研究院

大规模高效CO_(2)地质封存是短期内快速实现CO_(2)减排的关键途径之一,以吸附特征为主要封存机制的深部不可采煤层CO_(2)封存具有规模化实施的潜力。为研究深部煤层CO_(2)封存机制,以沁水盆地无烟煤为研究对象,开展了高温高压CO_(2)吸... 详细信息

大规模高效CO_(2)地质封存是短期内快速实现CO_(2)减排的关键途径之一,以吸附特征为主要封存机制的深部不可采煤层CO_(2)封存具有规模化实施的潜力。为研究深部煤层CO_(2)封存机制,以沁水盆地无烟煤为研究对象,开展了高温高压CO_(2)吸附实验,并采用简化局部密度模型(SLD-PR)拟合,分析了温压变化下不同孔隙的吸附相密度分布特征,揭示了以吸附相密度和最大吸附层厚度协同变化为核心的煤层CO_(2)封存机理,最后通过准确划分孔内吸附空间与自由空间,预测了不同埋深下煤层CO_(2)封存量。研究结果表明:(1)不同温度下超临界CO_(2)吸附曲线均表现出典型的超临界气体吸附特征,过剩吸附量(最大值介于1·25~1·75 mmol/g)在达到最大值后下降;(2)孔隙内CO_(2)吸附层分为接触层、内层和过渡层,亚临界CO_(2)在孔内以单分子层吸附为主,而超临界CO_(2)吸附方式为多分子层吸附;(3)最大吸附层厚度随埋深增加而减小,与温度呈正相关,而与压力呈负相关;(4)CO_(2)平均吸附相密度随埋深“先增后减”,总封存量与绝对吸附量曲线在CO_(2)处于超临界状态下存在差异。结论认为:(1)在吸附空间与吸附相密度协变下,煤层CO_(2)微观封存模式随埋深可分为亚临界单分子层吸附、超临界类气态多分子层吸附型以及超临界类液态多分子层吸附3种类型,自由相封存量对总封存量的贡献随埋深增加,但吸附封存仍是煤层CO_(2)封存的主要方式;(2)研究成果揭示了原位煤层超临界CO_(2)封存机理,能够为深部煤层CO_(2)封存能力评价提供新认识。

关键词：超临界 CO_(2) 深部煤层吸附相密度分布 SLD-PR模型最大吸附层厚度封存容量吸附封存

新疆煤层气大规模高效勘探开发关键技术领域研究进展与突破方向

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煤炭学报 2024年第1期49卷 563-585页

作者：桑树勋李瑞明刘世奇周效志韦波韩思杰郑司建皇凡生刘统王月江杨曙光秦大鹏周梓欣中国矿业大学江苏省煤基温室气体减排与资源化利用重点实验室江苏徐州221008 中国矿业大学碳中和研究院江苏徐州221008 中国矿业大学资源与地球科学学院江苏徐州221116 中国矿业大学煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室江苏徐州221008 新疆维吾尔自治区煤田地质局新疆乌鲁木齐830091 新疆亚新煤层气投资开发(集团)有限责任公司新疆乌鲁木齐830063

新疆煤层气资源量7.5万亿m^(3)(2000 m以浅),已施工煤层气井450口,年产气量达到0.8亿m^(3),新疆维吾尔自治区提出了2025年实现煤层气产量25亿m^(3)的目标,煤层气大规模高效开发成为紧迫的重大需求。从煤层气富集模式与选区技术、“甜点... 详细信息

新疆煤层气资源量7.5万亿m^(3)(2000 m以浅),已施工煤层气井450口,年产气量达到0.8亿m^(3),新疆维吾尔自治区提出了2025年实现煤层气产量25亿m^(3)的目标,煤层气大规模高效开发成为紧迫的重大需求。从煤层气富集模式与选区技术、“甜点”预测探测技术、加速滚动开发与快速增储上产策略、地质适配性开发技术、煤层气与煤炭、油气协同开发技术5个关键技术领域,系统梳理了新疆煤层气勘探开发已取得的主要研究进展,分析提出了可能突破方向。研究表明:新疆煤储层具有多-厚煤层普遍、低阶煤发育、急倾斜煤层多见、煤体变形与构造控制显著、水文条件和露头条件复杂,和三“低”(含气量低、甲烷体积分数低、含气饱和度低)五“高”(高含气强度、高孔隙度、高地应力变化、高储层压力变化、高渗透率变化)的含气性及物性等煤层气地质独特性;煤层气成因与富集模式具有多样性,包括生物成因气、热成因气或生物-热复合成因及其相应富集模式,生物成因气藏或生物成因气贡献普遍;煤层气分布赋存规律呈现前陆盆地、山间盆地显著差异性;创新形成基于“两”分开(浅部与深部,低阶煤与中高阶煤)“两”结合(地质评价与工程评价,多元数据)的科学评价与基于“机器学习+三维地质建模”的精准选区技术是第1个突破方向。深部煤层气/煤系气“甜点”发育区域主要为盆内坳陷的凸起、盆内隆起的凹陷、盆缘斜坡,高产井位多为构造高点,发育层位为割理裂隙发育的原生结构煤层或孔裂隙发育的煤系砂砾岩储层;基于“地球物理+岩石物理+岩石力学地层新方法”和“地质甜点+工程甜点新理念”的深部煤层气/煤系气“甜点”预测探测技术是第2个突破方向。低风险、短周期、高效率、多批次工程部署是加速滚动开发的基本原则;中浅部煤层气快速增储上产技术策略是在优选新区块布井建井、对老区块煤层气井进行增产改造;深部煤层气快速增储上产技术策略是在大型盆地缓坡深部和盆内凸起“甜点”区优先部署开发;科学加速滚动开发与高效快速增储上产的工程部署方法与技术策略是第3个突破方向。在井网井型差异性优化部署、低储层伤害钻井固井、高可靠性录井测井试井、多井型高效分段压裂、低套压-控压排采管控等工程技术取得重要进展;发展构建新疆煤层气大规模高效勘探开发地质适配性技术体系是第4个突破方向。开展先采气后采煤、煤层气与煤共采、煤层气与原位富油煤共采,推动中浅部煤层气与煤炭协同勘探开发;开展煤系叠合型气藏开发、煤层气与煤系气共探共采、煤系全油气系统勘探开发,推动深部煤层气与油气协同勘探开发,已有关注和探索;煤层气与煤、油气共探共采是第5个突破方向。成果试图为新疆煤层气大规模高效勘探开发提供技术支持和工程决策参考。

关键词：地质独特性成因与成藏模式工程部署方法地质适配性技术协同勘探开发新疆煤层气

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多重定时截尾数据下石化安全设备可靠度估计

计算机集成制造系统 2023年第4期29卷 1107-1114页

作者：韩思杰王海清郑威周文安中国石油大学(华东)机电工程学院山东青岛266580 杭州汉德质量认证服务有限公司上海分公司/Tüv Nord 上海201100

针对多重定时截尾类型的石化安全设备寿命数据和由此导致的可靠度评估挑战,提出一种填充最小二乘法结合改进Bootstrap法的可靠度估计方法。采用代表性的Weibull分布拟合,并利用填充最小二乘法获得设备可靠度的点估计,再利用改进Bootstra... 详细信息

针对多重定时截尾类型的石化安全设备寿命数据和由此导致的可靠度评估挑战,提出一种填充最小二乘法结合改进Bootstrap法的可靠度估计方法。采用代表性的Weibull分布拟合,并利用填充最小二乘法获得设备可靠度的点估计,再利用改进Bootstrap法扩大样本量,得到可靠度的置信下限。通过蒙特卡洛模拟实验结果表明,所提出方法在精确性和适用性上均优于传统的方法且具有优良的稳健性。最后,以加氢裂化装置中紧急泄压阀为例进行数值计算,确定设备维护时间为12 929 h,改进Bootstrap法获得的置信下限估计为6 969 h,确保石化安全设备平稳运行。

关键词：石化安全设备多重定时截尾数据蒙特卡洛模拟参数估计可靠度

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基于失效估计的石化安全设备测试策略优化

高校化学工程学报 2023年第1期37卷 103-110页

作者：王海清韩思杰殷冬培周文安中国石油大学(华东)安全科学与工程系山东青岛266580 中国石油工程建设有限公司华东环境岩土分公司北京咨询中心北京100101

针对利用传统的可靠性模型估计设备未来失效时间,因制定设备的检验与测试策略存在误差较大和计算复杂等工程困难,提出一种新的拓展波利亚过程模型。通过拓展波利亚过程描述设备的失效趋势,利用遗传算法得到拓展波利亚模型参数估计值;建... 详细信息

针对利用传统的可靠性模型估计设备未来失效时间,因制定设备的检验与测试策略存在误差较大和计算复杂等工程困难,提出一种新的拓展波利亚过程模型。通过拓展波利亚过程描述设备的失效趋势,利用遗传算法得到拓展波利亚模型参数估计值;建立失效时间估计模型对设备失效时间进行估计;以催化裂化装置中滑阀为例进行数值模拟计算,得到该模型失效时间估计误差与传统的非齐次泊松过程和Weibull分布相比分别缩小了5.75%和8.46%。结果表明所提算法优化了催化裂化装置中滑阀设备的功能测试策略,可为设备的完整性管理提供理论指导。

关键词：石化安全设备不完全维修安全蒙特卡洛模拟参数估计失效时间估计

不同含水性无烟煤CO_(2)吸附行为及其对地质封存的启示

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煤田地质与勘探 2022年第9期50卷 96-103页

作者：张金超桑树勋韩思杰张凤碧徐昂刘琦珊中国矿业大学资源与地球科学学院江苏徐州221116 中国矿业大学煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室江苏徐州221008 中国矿业大学碳中和研究院江苏徐州221008 中国矿业大学江苏省煤基温室气体减排与资源化利用重点实验室江苏徐州221008 贵州省六盘水市钟山区自然资源局贵州六盘水553000 中国石油天然气管道工程有限公司河北廊坊065000

深部煤层CO_(2)地质封存是助力“碳达峰碳中和”战略的重要途径,煤层含水性对以CO_(2)吸附封存为主的深部煤层CO_(2)地质封存能力影响显著。以无烟煤为例,开展了45℃下干燥、平衡水、饱和水煤样高压CO_(2)等温吸附实验,校正了饱和水煤... 详细信息

深部煤层CO_(2)地质封存是助力“碳达峰碳中和”战略的重要途径,煤层含水性对以CO_(2)吸附封存为主的深部煤层CO_(2)地质封存能力影响显著。以无烟煤为例,开展了45℃下干燥、平衡水、饱和水煤样高压CO_(2)等温吸附实验,校正了饱和水煤样过剩吸附曲线,利用改进的D-R吸附模型拟合得到三者吸附能力与吸附热,对比了不同含水条件下CO_(2)绝对吸附曲线,阐释了饱和水增强无烟煤吸附能力的微观作用机理。结果表明:(1)干燥、平衡水、饱和水煤样CO_(2)吸附能力分别为56.72、45.19和48.36 cm^(3)/g,吸附热分别为29.42、26.23和27.24 kJ/mol。(2)CO_(2)密度小于0.16 g/cm^(3)(6.48 MPa)时,无烟煤CO_(2)绝对吸附量大小顺序为干燥煤样、饱和水煤样和平衡水煤样,而CO_(2)进入超临界状态后,顺序变为饱和水煤样、干燥煤样和平衡水煤样。(3)水分子优先占据高能吸附位是平衡水煤样吸附能力减弱的主要原因,而煤-水体系与CO_(2)相互作用强于CO_(2)与H2O竞争吸附下的煤-CO_(2)相互作用是饱和水煤样在CO_(2)超临界阶段吸附能力高于干燥煤样的根本原因。(4)吸附封存是煤层CO_(2)地质封存的主要形式,深部煤储层条件下,煤层饱和水对超临界CO_(2)增储作用更为明显,高压注水是提高深部煤层CO_(2)地质封存潜力,改善煤储层渗透性的有效手段。

关键词：饱和水无烟煤吸附能力 CO_(2)地质封存沁水盆地

改进的深部煤层CO_(2)地质封存潜力评价方法——以沁水盆地郑庄区块3^(#)煤层为例

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中国矿业大学学报 2023年第4期52卷 772-788页

作者：韩思杰桑树勋段飘飘徐昂张金超向文鑫中国矿业大学江苏省煤基温室气体减排与资源化利用重点实验室江苏徐州221008 中国矿业大学碳中和研究院江苏徐州221008 中国矿业大学煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室江苏徐州221008 中国矿业大学资源与地球科学学院江苏徐州221116

煤层CO_(2)地质封存作为CCUS(Carbon Capture,Utilization and Storage,碳捕集、利用与封存)的重要组成部分,是短期内降低大气CO_(2)浓度的有效手段之一.本次研究以郑庄区块3#煤为例,开展不同温度条件煤岩CO_(2)等温吸附试验,建立了改... 详细信息

煤层CO_(2)地质封存作为CCUS(Carbon Capture,Utilization and Storage,碳捕集、利用与封存)的重要组成部分,是短期内降低大气CO_(2)浓度的有效手段之一.本次研究以郑庄区块3#煤为例,开展不同温度条件煤岩CO_(2)等温吸附试验,建立了改进的煤层CO_(2)封存容量评价模型,分析了不同埋深条件下吸附封存量与游离量之和的变化规律与CO_(2)吸附机理,计算了沁水盆地郑庄区块3#煤CO_(2)理论封存容量和有效封存量.研究结果表明:CZ煤和SH煤不同温度下的CO_(2)吸附能力分别为1.58~2.47 mmol/g和1.51~2.38 mmol/g;CZ煤和SH煤CO_(2)的改进计算封存量(吸附+游离)随埋深呈先增后减的变化,最大值分别为2.71 mmol/g和2.80 mmol/g,2000 m煤储层条件下,二者改进计算封存量仍有最大值的76%和67%,表明深部煤层仍具有较大封存潜力;埋深剖面上CO_(2)吸附状态具有三分特点:分别为低密度表面覆盖式吸附,高密度微孔填充式吸附和高密度表面覆盖式吸附;郑庄区块3#煤层CO_(2)理论封存容量为428.7 Mt,气态-类气态超临界区和类液态超临界区煤层分别为277.91 Mt和150.79 Mt;区块总的有效封存容量为340.59 Mt,两分区的有效封存容量分别为250.12 Mt和90.47 Mt.建议优先考虑在高渗透率与保存条件良好的煤层发育区域实施CO_(2)-ECBM工程.

关键词： CO_(2)地质封存改进的评价方法深部煤层吸附机理储层条件封存地质模型

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中国煤炭甲烷管控与减排潜力

煤田地质与勘探 2023年第1期51卷 159-175页

作者：桑树勋刘世奇韩思杰郑司建刘统周效志王冉王猛中国矿业大学江苏省煤基温室气体减排与资源化利用重点实验室江苏徐州221008 中国矿业大学碳中和研究院江苏徐州221008 中国矿业大学资源与地球科学学院江苏徐州221116

甲烷是最主要的非二氧化碳温室气体,受到越来越多的重视。煤炭甲烷是我国最主要的甲烷排放源类型,我国也是世界煤炭甲烷排放量最大的国家,煤炭甲烷的有效排放管控与高效开发利用兼具温室气体减排、能源气体开发利用和灾害气体防治三重... 详细信息

甲烷是最主要的非二氧化碳温室气体,受到越来越多的重视。煤炭甲烷是我国最主要的甲烷排放源类型,我国也是世界煤炭甲烷排放量最大的国家,煤炭甲烷的有效排放管控与高效开发利用兼具温室气体减排、能源气体开发利用和灾害气体防治三重意义。基于系统调研和研究工作积累,概述了煤炭甲烷排放管控背景,总结了全球与代表性国家煤炭甲烷排放及其管控现状,阐释了我国煤炭甲烷开发利用与排放管控历程及发展趋势,讨论和前瞻了我国煤炭甲烷减排路径与减排潜力。已有研究工作表明:我国煤炭甲烷排放主要来自煤炭地下开采风排瓦斯,且较长时期内仍是我国煤炭甲烷的主要来源;随着我国关闭矿井增多,由此产生的关闭矿井甲烷排放量呈增长趋势,是我国煤炭甲烷不容忽视的来源。随着碳中和目标的提出,温室气体减排的政策导向逐渐成为我国煤炭甲烷排放管控的重点,明确了煤炭甲烷减排方向。我国煤炭甲烷排放管控形成了以煤层气勘探开发利用、煤矿瓦斯抽采利用、关闭/废弃矿井瓦斯抽采利用、乏风瓦斯利用等全浓度利用,煤炭采前、采中和采后全周期利用为特征的关键技术路径。我国煤炭甲烷排放管控面临巨大压力和严峻挑战,诸多政策、机制、技术问题亟待破解。突破复杂地质条件适配性煤层气高效勘探开发技术体系,精准化、数字化、智能化、低碳化煤矿瓦斯高效抽采技术体系,关闭/废弃矿井煤炭甲烷减排管控与利用技术体系,全浓度瓦斯综合利用技术体系等是主要发展方向。

关键词：煤炭甲烷管控煤矿瓦斯煤层气关闭矿井甲烷减排潜力

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煤系叠合型气藏及其勘探开发技术模式

煤田地质与勘探 2022年第9期50卷 13-21页

作者：桑树勋郑司建易同生赵福平韩思杰贾金龙周效志中国矿业大学江苏省煤基温室气体减排与资源化利用重点实验室江苏徐州221008 中国矿业大学碳中和研究院江苏徐州221008 中国矿业大学资源与地球科学学院江苏徐州221116 中国矿业大学低碳能源与动力工程学院江苏徐州221116 贵州省煤田地质局贵州贵阳550008 武汉工程大学资源与安全工程学院湖北武汉430073

煤系叠合型气藏是含煤地层煤系气特有的关键成藏类型,煤系叠合型气藏的发现、勘探开发实践与研究探索为我国煤系非常规天然气勘探开发提供了新领域和新思路。提出并阐述煤系叠合型气藏的概念、主要类型、发育特征和赋存分布,探讨煤系叠... 详细信息

煤系叠合型气藏是含煤地层煤系气特有的关键成藏类型,煤系叠合型气藏的发现、勘探开发实践与研究探索为我国煤系非常规天然气勘探开发提供了新领域和新思路。提出并阐述煤系叠合型气藏的概念、主要类型、发育特征和赋存分布,探讨煤系叠合型气藏的形成条件、成藏过程、成藏模式,揭示其形成机理,重点讨论2种主要类型煤系叠合型气藏的地质适配性勘探开发技术模式,分析前瞻了煤系叠合型气藏在煤系气勘探开发中的应用。研究表明:我国发育(分流)河道砂体与煤层接触型(华北型)、煤层-砂岩–泥岩互层型(华南型)、煤层–砂岩–泥岩互层夹砂砾岩型(东北型)3类煤系叠合型气藏,分布赋存分别以华北地区山西组、华南地区龙潭组和东北地区城子河组为代表;沉积作用是煤系叠合型气藏的关键主控地质因素,三角洲沉积体系的泥炭沼泽、分流河道、支流间湾的沉积微相组合为煤系叠合型气藏的有利沉积相序组合;煤层为主的叠置复合储层结构和岩性圈闭是煤系叠合型气藏的重要特征,统一的含气系统和压力梯度一致是其本质特征;含煤段煤层/砂岩/页岩不同类型储层间发生能量物质传递和平衡、煤层气/致密砂岩气/页岩气间运移和相态转化是煤系叠合型气藏形成的主要机理,喜马拉雅期是华北地区山西组煤系叠合型气藏成藏关键期;高分辨率地震岩相解释识别气藏与虚拟产气层合层开发是华北型煤系叠合型气藏勘探开发技术模式的关键特征,“层段优选、小层射孔、分段压裂、投球分压、合层排采”构成华南型煤系叠合型气藏勘探开发技术模式的核心内涵。这些技术模式已得到应用并将为我国煤系气共探共采和深层煤层气高效开发提供重要支持。

关键词：煤系叠合型气藏勘探开发技术模式煤系气形成机理应用