1、阜新盆地王營-劉家煤層氣富集區的形成模式
王勃1,2 李貴中2 王一兵2 楊焦生2 陳艷鵬2 鄧澤2 庚勐行攔肆2
作者簡介:王勃,工程師,中國石油勘探開發研究院廊坊分院,通訊地址:河北省廊坊市萬庄44號信箱中石油廊坊分院煤層氣所,Email:[email protected]電話:13784808169
(1.中國礦業大學資源與地檔轎球科學學院 江蘇徐州 2210082.中國石油勘探開發研究院廊坊分院 河北廊坊 065007)
摘要:為了推動低煤階煤層氣產業化取得更大突破,本文在剖析美國粉河盆地煤層氣富集區煤層埋深、含氣量、煤層單層厚度、總厚度及資源量劃分依據的基礎上,釐定了低煤衡彎階煤層氣富集區的主控因素為成煤環境、氣源、構造、岩漿活動及水文等,結合這些主控因素,在大量實驗測試數據分析的基礎上,利用類比法及地質統計法,對阜新盆地王營-劉家區塊煤層氣富集區的形成機制進行了探討,並提出了水動力-岩牆封堵混合成因裂隙型煤層氣富集模式。在後期煤層氣勘探開發中尋找具有類似富集模式的富集區,可能形成低煤階煤層氣高產。
關鍵詞:高豐度 富集 成煤環境 氣源 岩漿 水動力 解吸 富集模式
Accumulation Model of Wangying-Liujia Coal-bed Gas Enrichment Area in Fuxin Basin
WANG Bo1,2 LI Guizhong2 WANG Yibing2 YANG Jiaosheng2 CHEN Yanpeng2 DENG Ze3 GENG Meng2
(1.School of Resources and Geoscience, China University of Mining & Technology, Xuzhou, Jiangsu 221008, China; 2.Langfang Branch, Research Institute of Petroleum Exploration and Development, Langfang, Hebei 065007, China)
Abstract: In order to make greater breakthroughs ring the low rank coal-bed gas instrialization process, based on the analysis of coal bed depth, gas content, coal bed monolayer thickness, overall thickness as well as the basis of division of resources of the coal-bed gas enrichment area in the Powder River Basin in the United States, main controlling factors in low rank coal-bed gas enrichment area were examined, including coal-forming environment, gas source, structure, magmatic activity and hydrology etc.. Considering these main controlling fac- tors, the formation mechanism of coal-bed gas enrichment area of Wangying-Liujia Block in Fuxin Basin was dis- cussed using analogy method. A model of hydrodynamic force-dike plugging hybrid origin fracture type coal-bed gas enrichment was proposed. High proction can be observed if enrichment areas of the similar enrichment model were found ring coal-bed gas exploration and development in the future.
Keywords: high abundance; coal-bed gas; coal-forming environment; gas source; magma; hydrodynamicforce;desorption;enrichment model
1 引言
粉河盆地是目前世界上低煤階煤層氣開發最為成功的含氣盆地之一,煤層氣資源量為3.34萬億m3,2008年底該盆地累計鑽井20000口,煤層氣產量近160億m3,佔美國煤層氣產量的20%以上[1]。對高豐度富集區的劃分是粉河盆地煤層氣產業化成功的一個重要因素,而阜新盆地也是中國第一個取得突破的低煤階含煤盆地,目前該盆地鑽井52口,單井平均產氣量2500m3/d,年商品量近2000萬m3,勘探開發主要區塊為王營-劉家、五龍及海州區塊。本文通過對粉河盆地煤層氣富集區的地質參數及其主控因素進行解剖,並分析了阜新盆地王營-劉家煤層氣富集區的形成模式,指導了阜新盆地的其他煤層氣富集區的優選及開發。
2 美國粉河盆地煤層氣富集區的主控因素
2.1 富集區劃分的依據
根據埋深、含氣量、煤層單層厚度、總厚度及資源豐度,結合煤層氣勘探開發現狀,以不同產氣量對應的地質條件為依據,特製定下列劃分標准。
富集區劃分標准:煤層埋深為159~657m,煤層單層厚度大於12m,總厚度大於60m,含氣量大於2.34m3/t,資源豐度大於2億m3/km2。
較富集區劃分標准:煤層埋深主要為91.2~159m和657~912m,煤層單層厚度大於10m,總厚度大於30.4m,含氣量大於1.88m3/t,資源豐度較高。
2.2 富集區形成的主控因素
通過分析粉河盆地煤層氣地質特徵、儲層物性、構造演化等,認為粉河盆地煤層氣富集主要存在以下三個方面的主控因素:有利的沉積環境、煤層形成後地質歷史演化時間短、存在生物氣生成的有利水文地質環境。
2.2.1 有利的沉積環境
粉河盆地從古近紀開始有大量沉積物流進了泛濫平原、河口和新形成的粉河盆地的沼澤中。古近紀岩石從直接產於最新的恐龍化石之上的「最下部穩定褐煤層」開始。覆蓋大部分粉河盆地的古近紀岩石是古新世的尤寧堡組和始新世的沃薩奇組。尤寧堡和沃薩奇時期的特點是在周期性遭受上升和下沉的近岸環境中具有旋迴沉積作用。在穩定時期,廣泛的成煤沼澤得到了發育,沉積了分布廣泛厚度較大的煤層。
2.2.2 成煤後地質演化時間短,壓實作用弱,物性好
在粉河盆地內的沉積岩包括一套厚的大部分為海相成因的古生代和中生代岩石層序,和一套較薄的陸相成因的晚白堊世和新生代岩石層序。
晚白堊世最初的陸相沉積在懷俄明州稱為蘭斯組,而在蒙大拿州東南部稱為赫爾克里克組。這兩個組由厚層狀砂岩、暗色粘土和頁岩交替組成。這個組從蒙大拿州比格霍恩縣的152~204m往南增厚,至懷俄明州康佛斯縣達760m。雖然在其他地區這個時代的岩石中存在有拉臘米運動的證據,但在蘭斯時期在粉河盆地沒有此造山運動的證據。
因此粉河盆地古近系和新近系廣泛發育且厚度較大的煤層形成後,沒有發生較大的構造運動,整體壓實作用較弱,煤儲層物性好。粉河盆地煤儲層基質孔隙發育,孔隙度1.5%~10%。粉河盆地煤儲層物性好,滲透率高,煤層裂隙滲透率32~550mD,基質滲透率0.01~20mD。粉河盆地多數地區的煤層也屬於欠壓儲層,煤儲層壓力梯度0.6~0.7MPa/100m,而儲層含氣多為飽和狀態,飽和度90%~100%,並且在煤基質和割理(裂縫)中存在適量的自由氣,表明粉河盆地具有外來氣源補給。
2.2.3 存在生物氣生成的有利水文地質環境
粉河盆地古近系Fort Union組的煤大部分地區為褐煤(Ro=0.3%~0.4%),深部存在高揮發分煙煤,沒有達到可以大量產生熱成因甲烷的成熟度。其甲烷δ13C值為-60.0‰~-56.7‰,δD值為-307‰~-315‰。表明生物成因氣為主[2]。
粉河盆地地下水氘(δ2H)和氧(δ18O)同位素組成與全球大氣降水線對比分析,結合氚同位素分析結果顯示,Fort Union煤層中水的成因是大氣作用,其年份早於1952年(圖1)[3]。說明地質歷史時期有大氣降水進入地層,而通過定性觀測,特別是未確定的復雜混合物的產生、飽和烴類的總離子色譜表明粉河盆地的Fort Union煤層都經歷了某種程度的生物降解作用。這些色譜都有雙峰分布控制,UCM(Unresolved complex mixture)增大,定性顯示了生物降解作用。同時,煤的單峰分布更顯示了熱成熟度的增加(圖2)。
圖1 粉河盆地地下水氘(δ2H)和氧(δ18O)同位素組成圖
3 阜新盆地王營一劉家煤層氣富集區的形成模式
3.1 沉積環境控制巨厚煤層
扇三角洲泥炭沼澤相在同沉積背斜的軸部長期穩定持續堆積,形成阜新盆地的巨厚煤層,同沉積背斜軸部煤層厚度大[4]。以王營—劉家富煤帶為例,該帶太平組煤層在同沉積背斜軸部合並後的總厚度達45m以上。其中,太上煤層總厚度達20m以上;太下煤層總厚度達20m以上;孫家灣煤層厚度最大可達25m以上;中間煤層厚度最大可達15m以上。這些厚煤層為煤層氣的生成富集提供了良好的生儲層條件,是煤層氣富集帶的物質基礎,使得煤層氣資源呈現出「小而肥」的特徵。
3.2 岩漿活動改善了儲層物性
3.2.1 岩漿活動對煤儲層物性的改造
岩漿侵入形成岩牆時對煤層動力破壞和烘烤作用是不均勻的,隨著距岩牆距離的變化,煤層結構構造發生帶狀變化,煤層滲透率也發生改變,從而控制了區段內煤層氣的儲存和運移[5-10]。在一個塊段內,在岩牆的兩側依次形成了天然焦-高變質碎裂煤-構造煤-正常煤的分帶現象,越靠近岩牆,煤的變質程度越高,節理越發育,孔隙率越高,煤的滲透性越好。尤其是緊靠岩牆的柱狀天然焦,具有柱狀節理,孔隙率高於正常煤幾百倍,透氣性好,孔隙大,即是煤層氣的良好儲存空間,又是良好的運移通道。而在高變質碎裂煤外側形成的「構造煤」帶中,煤的原生結構構造全部破壞,滲透率極低,該帶的厚度一般為2m以上,對煤層氣有良好的側向封閉作用。通過對BL8-2、BL8-5和BL14岩牆影響帶內煤的鏡質組反射率和有機質揮發分的測試研究,確定岩牆的影響寬度約為岩牆厚度的5~12倍。在岩牆和「構造煤」帶之間,高變質碎裂煤與天然焦中煤層氣儲集的方式主要狀態為游離氣,高變煤中吸附氣與游離氣並存,但游離氣的含量高。
岩漿活動產生的構造裂隙和現今岩牆、岩床的存在提高了煤儲層滲透性。根據阜新盆地王營井田煤層的樣品測試數據,本區煤岩垂直於煤層層理方向的滲透率平均值為142.3×10-3μm2,平行層理滲透率為214.0×10-3μm2。垂直於煤層面割理方向的平均滲透率為75.3×10-3μm2,平行面割理方向的平均滲透率為356.9×10-3μm2(表1)。
圖2 粉河盆地Fort Union煤層烴類總離子流色譜圖
表1 阜新盆地王營井田煤岩甲烷氣絕對滲透率測試數據表
3.2.2 岩牆的封堵作用
地下深處的岩漿,侵入並刺穿儲層,構成阻止煤層氣繼續運移的遮擋物,也可與上覆蓋層一起構成遮擋物,封堵機理相當於常規油氣的刺穿圈閉及復合圈閉。如王營井田成煤後,古近紀岩漿侵入強烈,30餘條岩牆遍布全區,刺穿煤層及上覆沉積層。岩牆側向派生岩床,岩床又與臨近岩牆匯合或穿插,將井田分割成若干個次一級儲氣單元[1]。
3.2.3 煤層氣產出特點
岩漿活動引起外生裂隙的發育,成為煤層氣解吸的通道,使得阜新盆地煤層氣解吸速率較快;同時由於低煤階煤儲層本身孔隙結構以大孔為主的特徵,使得阜新盆地煤層氣解吸特徵既具有中高煤階又具有低煤階煤層氣解吸的特徵。以阜新盆地劉家區塊LJ-6井采氣曲線為例進行論證,阜新劉家區塊LJ-6井2003年投產(圖3),初期日產氣4500m3,穩產4年開始遞減,目前日產氣2780m3,已累計采出662×104m3,采出程度26.6%,預計採收率50%,劃分為上升—穩產—遞減三個階段[12]。
圖3 阜新劉家LJ-6井排采曲線圖
3.3 煤層氣成因類型及水動力封堵作用
3.3.1 煤層氣成因類型
根據煤層氣的成分組成和甲烷同位素值在-50.42‰~-44.75‰之間(圖4),說明王營—劉家煤層氣成因的復雜性,既有次生生物成因,又有熱成因,且為次生熱成因[13-19]。
煤層氣以烴類為主,其中甲烷體積分數高,為87.58%~98.03%,平均93.54%;重烴體積分數低,為0~2.22%,平均0.63%,為典型的干氣。生物甲烷氣的δ13C1
2、英文簡歷部分工作經驗請高手進來翻譯，急需使用 萬分感謝
2007~ now : Zhejiang HeYi Shipping Corporation\Ningbo HeYi International Logistics Corporation
2007~2008 : I took charge of the work of container management in the Ningbo HeYi International Logistics Corporation, I had made the single month container accrued expenses decreased over 150 thousand yuan.
I also did the work of the heavy buyer maintenance, ring that, I can give the rmergency reaction for the buyer』s need speedy and timely. I can make the maximize balance between the customer demand and the corporation profit flexibly and effectively
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3、國際航班錯過了如何辦
1.四川航空
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16.東星航空
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17.大 新 華
大新華快運航空有限公司（GS）是海航集團下屬的一家專營支線的航空運輸企業,目前海航的支線航班號已由原來的HU改為GS,其業務管理由海航全權負責.
GS 兒童(F50、Y50正常兒童票)按5%收取退票費;免費變更次數不限;
F/C/Y艙起飛前按票面5%收取退票費,起飛後按票面10%收取退票費;免費變更,次數不限;
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L/M/N/Q/T艙起飛前按票面20%收取退票費,起飛後按票面30%收取退票費;起飛前免費變更一次,再次變更收10%改期費,起飛後每次變更收取 20%變更費;
X/U/E 艙起飛前按票面50%收取退票費,起飛後不得退票; 起飛前免費變更一次,再次變更收10%改期費,起飛後每次變更收取20%變更費;
換開: 換開:姓名偏傍、音同字不同、異體字、形似字、英文名個別錯等可免費換開;所有艙位可自行升艙換開,免收退票手續費.
18.西部航空西部航空公司
（PN）是由海航集團控股組建的重慶首家本土航空公司,其成都業務歸海航全權負責.
PN F/Y/B/H/K/L/M/N/Q/T艙退票按客規辦理;
F-K免費變更次數不限,
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4、不同的溶劑對醋酸乙烯酯溶液聚合反應的影響
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醋酸乙烯酯的溶液聚合
高分子化學實驗
醋酸乙烯酯的溶液聚合
一、目的要求
1、通過本實驗掌握溶液聚合的實驗方法和溶液聚合的特點。
2、掌握醋酸乙烯酯聚合原理及溶劑對醋酸乙烯酯溶液聚合的影響。
二、實驗基本原理
1、單體的性質
醋酸乙烯酯的分子量為86.09。純的醋酸乙烯酯的聚合能力很強，在常溫下能緩
第 1 頁
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慢聚合，在光和引發劑的作用下聚合的速度顯著提高。聚合過程為放熱反應，故聚
合開始後即能自行加快聚合速度。
醋酸乙烯醋在無機酸或鹼的作用下易發生水解，生成乙醛和乙酸。受熱的穩定
溫度可達到400℃。
醋酸乙烯酯（VAC ）的物化常數
凝固點(℃) -84
沸點(℃) 73
密度 0.9342
第 2 頁
折光率 1.3958
20
D n 膨脹系數（5-250）(l/℃) 0.00155
粘度（20℃）厘泊 0.432
燃燒熱（kJ/mol ） 2072.07
生成熱（kJ/mol ） 118.46
蒸餾潛熱（kJ/mol ） 32.65
第 3 頁
閃點（℃） -5—8
水中溶解度（20℃）% 2.5
水在VAC 中溶解度（20℃）% 0.1
2、聚合反應機理
醋酸乙烯酯的聚合方式按自由基型鏈式反應進行。常用的引發劑是過氧化物體
系和偶氮雙腈體系、反應過程中除鏈引發、鏈增長、鏈終止三個分數外還有鏈轉移
反應，反應機理如下：
第 4 頁
（1）鏈引發
（2）鏈增長
（3）鏈轉移
在醋酸乙烯酯聚合反應中，由於RCH 2CHOCOCH 3的活性大，增長的活性鏈容
易向溶劑，向單體以及向已生成的聚合物大分子轉移。
第 5 頁
① 向溶劑轉移
ktr n n M HA M H A +−−→+A
A
如果A·不活潑，不與單體發反，或反應速度很小HA 就稱為阻聚劑或緩聚劑。
如A ·很活潑，易與單體發生反應，重新引起聚合反應，HA 就稱為鏈轉移劑。
有溶劑情況下平均聚合度
式中：DP0—無溶劑存在條件下時聚合物平均聚合度。
第 6 頁
[S] —溶劑濃度
[M]—單體濃度
Cs—鏈轉移常數
② 向單體轉移，可形成拆唯薯支鏈聚合物
23233
2
3
2322
2222~~R nM
RCH CHOOCCH CH CHOOCCH RCH CHOOCCH CH CHOOCCH
第 7 頁
RCH CHOOCCH CH CHOOCCH CH CHOOCCH RCH CHOOCCH +=⇒
→=+→+==−−→A 或③ 向大分子轉移，也可形成支鏈聚合物
（4）終止鏈
鏈終止一般按偶合終止和歧化終止兩種方式進行。
偶合終止：
醋酸乙烯酯的聚合實施方法也有本體、懸浮、乳液和溶液聚合四種方法。溶液
聚合是最廣泛的一種方法。所得到的聚醋酸乙烯酯溶液可以加工成聚乙烯醇，
第 8 頁
可紡
絲作紡織物，也可作粘合劑和清漆等。本實驗採用溶液聚合來制備聚醋酸乙烯酯。
三、實驗配方與儀器
1、試劑與配方
醋酸乙烯酯（新蒸餾）
40克
乙醇（或甲醇、或丙酮）
40克
過山悶氧化苯甲醯
第旅者 9 頁
0.4克（0.5%）
2、實驗儀器實驗用儀器與實驗5相同。
四、實驗操作步驟
將醋酸乙烯酯40克、過氧化苯甲醯0.2克、乙醇溶劑20克等加入三頸瓶中，攪
拌、加熱，使引發劑過氧化苯甲醯溶解。升溫至70-73℃在此溫度下反應1小時，然
第 10 頁
後加入10克乙醇溶劑。又在70-73℃下反應1小時後將剩餘的10克乙醇溶劑全部加
入，繼續在此溫度下反應。一般反應時間為4小時左右。可參看反應體系粘度增加，
並結合反應時間來確定反應終點。
在反應過程中測不同時間的轉化率，做出轉化率隨時間變化曲線。反應進行30
分鍾測一個值，反應結束時測最後一個值，共測4-6個值。測轉化率的方法是：取
第 11 頁
一塊鋁箔，摺成一小方盒（帶有蓋）、並稱重。用吸管取樣1克快速稱重，然後在空
氣中使溶劑揮發30分鍾後再放入100℃烘箱中烘12小時，稱重恆重，即可算出轉化
率。
轉化率%=
100
)(121
3⨯--W
G G G G 式中：G 1 ——小盒重量
第 12 頁
G 2 ——乾燥前（小盒重量 + 樣品重量）
G 3 ——乾燥後（小盒重量 + 樣品重量）
W——單體質量%
此實驗可以用不同的溶劑（如甲醇、丙酮）進行聚合反應，觀察溶劑對反應速率的影響和對轉化率的影響。（反應條件有所變動）
五、影響聚合反應的主要因素
醋酸乙烯酯溶液聚合的關鍵問題就是鏈轉移。單體、溶劑和雜質都有個鏈轉移
第 13 頁
問題。所以影響因素主要考慮與鏈轉移有關的因素。
1、溶劑的選擇與用量
在溶液聚合中，溶劑的選擇和用量對聚合反應速率和聚合物的分子結構、分子
量大小及分布都有重要的影響。溶劑不直接參加聚合反應。但溶劑對過氧化物體系
的引發劑有誘導分解作用，而誘導分解雖然使引發劑效率降低，但使引發速率增加。
各類溶劑對過氧化物類引發劑的分解速
第 14 頁
率按如下次序依次增加：芳烴、烷烴、醇類、
胺類。
溶劑能控制生長著的鏈分子的分散狀態和構型。溶劑能降低向大分子進行轉移
反應的幾率；從而減少聚合物的支化和交聯。
溶劑對聚合物分子量大小有影響。即大分子活性鏈與單體的加成能力應遠遠大
於分子活性鏈與溶劑的鏈作用能力，否則溶劑發生鏈轉移，既影響了聚合速率又使
第 15 頁
分子量降低，因而選擇溶劑，首先看其鏈轉移常數Cs 。選擇鏈轉移常數小的溶劑一
般可制備高分子量的聚合物。
另外要得到聚合的溶液，可選擇聚合物的良溶劑，而要使聚合物沉澱出來，就
要選擇聚合物的非溶劑。下面列出一些溶劑的鏈轉移常數。
溶劑的鏈轉移常數Cs (VAC ，60C ，AIBN 引發劑)
溶 劑 Cs×104 溶 劑 Cs×104
第 16 頁
苯 2.96 氯 仿 1.50
甲苯 20.89 四氯化碳 9.60乙醇 19,23,6 乙酸甲酯 2.5
巴豆醛 1800丙酮 11.7 丁硫醇 ~5×106甲乙酮 73.8 乙酸乙烯酯 3二氯甲烷 4
聚乙酸乙烯酯
1.4~3
溶劑的用量由[AB]/[M]的比值決定，根據公式可以看出01[]
第 17 頁
C []
AB DP s
DP M =
+聚合度首先決定於溶劑的Cs ，但也決定於所用溶劑的量。如果要達到某一聚合度，
即可知道溶劑在反應體系中的用量。
2、單體
前面已述，增長的活性鏈容易向單體發生鏈轉移，其如形成支鏈聚合物，一般
控制到聚合反應的轉化率在50~60%時停止反應，這樣就可以避免支化反應。
第 18 頁
3、雜質
在聚合反應中，如果存在醛和巴豆醛，就很難聚合。因為它們的鏈轉移常數非常大，聚合度一般小時10。醛可以作分子量調節劑，當需要的產物的聚合度不是太大時，可在能得到聚合度較大的溶劑中加入少量的乙醛，即可使聚合度適當降低。
此外，聚合溫度的影響是溫度升高，聚合度相應降低，溫度降低，所得出的聚醋酸乙烯酯形成的聚乙烯醇的結晶度高，生產的維尼龍纖維耐熱水性好，但反應熱移出困難。氧對醋酸乙烯酯的聚合反應有雙重作用。吸氧量多時起阻聚
第 19 頁
作用；吸氧量少時起引發聚合作用。
六、結果處理
繪出時間——轉化率曲線。
七、思考題
1、溶液聚合的特點是什麼？為什麼說醋酸乙烯酯溶液聚合的關鍵問題是鏈轉移？
2、比較不同的溶劑對醋酸乙烯酯溶液聚合反應的影響？
註：本文引用於成都科技大學編的《高分子合成專業實驗教材》（1983年6月）。
第 20 頁
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