Acerca del autor: Wang Bo, ingeniero de la sucursal Langfang del Instituto de Investigación para la Exploración y el Desarrollo del Petróleo de China, dirección de correspondencia: Box 44, Wanzhuang , ciudad de Langfang, provincia de Hebei, sucursal de PetroChina Langfang, correo electrónico: wangbo69@petrochina.com.cn Instituto de Metano de Capas de Carbón Tel: 13784808169.
(1. Facultad de Recursos y Ciencias de la Tierra, Universidad de Minería y Tecnología de China, Xuzhou, Jiangsu 2210082. Rama Langfang del Instituto de Investigación de Exploración y Desarrollo del Petróleo de China, Langfang, Hebei 065007)
Con el fin de promover la industrialización del metano de capas de carbón de bajo rango, a través del análisis de la profundidad de entierro de la veta de carbón, el contenido de gas, el espesor de una sola capa, el espesor total y la zonificación de recursos, se determina que los principales factores de control del metano de capas de carbón de bajo rango de carbón Las áreas de enriquecimiento son el entorno de formación de carbón, la fuente de gas, la estructura y la actividad magmática y la hidrología, etc. Combinando estos principales factores de control, basándose en el análisis de una gran cantidad de datos de pruebas experimentales, usando analogías y métodos geoestadísticos, se discutió el mecanismo de formación del área de enriquecimiento de metano en capas de carbón en el bloque Wangying-Liujia de la cuenca Fuxin, y la hidrodinámica. y se propusieron métodos geoestadísticos. Modelo de enriquecimiento de metano en lechos de carbón fracturados causado por el sellado de paredes de roca mixta. En la última etapa de la exploración y el desarrollo de metano de yacimientos de carbón, encontrar áreas de enriquecimiento con patrones de enriquecimiento similares puede formar metano de yacimientos de carbón de alto rendimiento y bajo rango de carbón.
Palabras clave: modelo de enriquecimiento de desorción hidrodinámica de magma con fuente de gas ambiental de metano de lecho de carbón de alta abundancia
Modelo de acumulación de metano de lecho de carbón Wang Ying-Liu Jia de la cuenca Fuxin
p>Wang Bo 1, 2 Li Guizhong 2 Wang Yibing 2 Yang Jiaosheng 2 Chen Yanpeng 2 Deng Ze 3 Geng Meng 2
(1. Facultad de Recursos y Ciencias de la Tierra, Universidad de Minería y Tecnología de China; Tecnología, Xuzhou, Jiangsu 221008, China; 2. Langfang Branch of Petroleum Exploration and Development Research Institute, Langfang, Hebei 065007)
Resumen: Para lograr mayores avances en el proceso de industrialización del metano de yacimientos de carbón de bajo rango de carbón, Se analizó el enriquecimiento de metano de las capas de carbón en la cuenca del río Powder de los Estados Unidos. Sobre la base de la profundidad de las vetas de carbón, el contenido de gas, el espesor de las vetas de carbón, el espesor total y la división de recursos, se analizaron los principales factores de control del enriquecimiento de metano de las vetas de carbón de bajo rango. Se estudiaron áreas, incluido el entorno de formación de carbón, la fuente de gas, la estructura, la actividad del magma y la hidrología, et al. En vista de estos principales factores de control, se estudió el mecanismo de formación del área de enriquecimiento de metano en capas de carbón en el bloque Wangying-Liujia de Fuxin. La cuenca se discutió por analogía. Se propuso un modelo de enriquecimiento de metano en capas de carbón de tipo fractura híbrida con sellado hidrodinámico de diques. Si se encuentran áreas de enriquecimiento con patrones de enriquecimiento similares en futuras exploraciones y desarrollos de metano en yacimientos de carbón, se pueden lograr altos rendimientos.
Palabras clave: alta abundancia; metano de yacimientos de carbón; ambiente de formación de carbón; magma; dinámica de fluidos; modelo de concentración
1 Introducción
Actualmente La cuenca Fenhe es una de las cuencas gasíferas más exitosas del mundo para el desarrollo de metano de capas de carbón de bajo nivel, con recursos de metano de capas de carbón que alcanzan los 3,34 billones de metros cúbicos. A finales de 2008, se habían perforado 20.000 pozos en la cuenca y la producción de metano de capas de carbón fue de casi 654,38+0,6 mil millones de m3, lo que representa más del 20% de la producción de metano de capas de carbón de Estados Unidos [654,38+0]. La división de áreas de alta abundancia es un factor importante en el éxito de la industrialización del metano de yacimientos de carbón en la cuenca Fenhe. La cuenca Fuxin es también la primera cuenca carbonífera de bajo rango en China que logra un gran avance. Actualmente, existen 52 pozos en la cuenca, con una producción promedio de gas de 2.500 m3/d y un volumen comercial anual cercano a los 20 millones de m3. Los principales bloques de exploración y desarrollo son el bloque Wangying-Liujia, el bloque Wulong y el bloque Haizhou. Este artículo analiza los parámetros geológicos y los principales factores de control del área de enriquecimiento de metano en capas de carbón en la cuenca Fenhe, analiza el modelo de formación del área de enriquecimiento de metano en capas de carbón Wangying-Liujia en la cuenca Fuxin y tiene implicaciones para el desarrollo optimizado de otros metano en capas de carbón. áreas de enriquecimiento en la cuenca de Fuxin.
Dos principales factores de control del área de enriquecimiento de metano en capas de carbón en la Cuenca Fenhe de los Estados Unidos
2.1 Base para la división de las áreas de enriquecimiento
Según el profundidad del entierro de las vetas de carbón, contenido de gas, basado en el espesor único, el espesor total y la abundancia de recursos de las vetas de carbón, combinado con el estado actual de la exploración y el desarrollo de metano en las capas de carbón, y en función de las condiciones geológicas correspondientes a los diferentes volúmenes de producción de gas, la Se formulan las siguientes normas de clasificación.
Criterios para la clasificación de áreas de enriquecimiento: la profundidad de la veta de carbón es de 159 ~ 657 m, el espesor único de la veta de carbón es superior a 12 m, el espesor total es superior a 60 m, el contenido de gas es superior a 2,34m3/t, y la abundancia de recursos es superior a 200m3/km2.
Estándares relativos de división del área de enriquecimiento: las profundidades de entierro de las vetas de carbón son principalmente de 91,2 ~ 159 m y 657 ~ 912 m, el espesor único de la veta de carbón es superior a 10 m, el espesor total es superior a 30,4 m, el contenido de gas es superior a 1,88 m3/t, mayor abundancia de recursos.
2.2 Principales factores de control para la formación de áreas de enriquecimiento
A través del análisis de las características geológicas, las propiedades físicas del yacimiento y la evolución estructural del metano de las capas de carbón en la Cuenca Fenhe, se cree que las capas de carbón El metano se enriquece en la cuenca Fenhe. Hay tres factores de control principales: un entorno sedimentario favorable, un corto tiempo de evolución geológica histórica después de la formación de las vetas de carbón y un entorno hidrogeológico favorable para la generación de biogás.
2.2.1 Entorno sedimentario favorable
Desde el Paleógeno, una gran cantidad de sedimentos de la cuenca Fenhe han desembocado en las llanuras aluviales, estuarios y pantanos de la recién formada cuenca Fenhe. Las rocas paleógenas comenzaron con la "capa de lignito estable más baja" que surgió directamente de los últimos fósiles de dinosaurios. Las rocas del Paleógeno que cubren la mayor parte de la cuenca Fenhe son la Formación Youningbao del Paleoceno y la Formación Wasaqi del Eoceno. Los períodos Fort Union y Wasatch se caracterizaron por la deposición periódica de entornos costeros que periódicamente estaban sujetos a levantamientos y hundimientos. Durante el período estable, se desarrollaron grandes pantanos formadores de carbón, depositando vetas de carbón que estaban ampliamente distribuidas y eran gruesas.
2.2.2 El tiempo de evolución geológica después de la formación del carbón es corto, la compactación es débil y las propiedades físicas son buenas.
Las rocas sedimentarias de la Cuenca Fenhe incluyen un conjunto de gruesas secuencias de rocas Paleozoicas y Mesozoicas dominadas por facies marinas, y un delgado conjunto de secuencias de rocas continentales del Cretácico Superior y Cenozoico.
Los depósitos continentales iniciales del Cretácico tardío se conocen como Formación Lance en Wyoming y Formación Hulkrick en el sureste de Montana. Ambas formaciones consisten en arenisca densamente laminada, arcilla oscura y lutita alternadas. La formación se espesa de 152 a 204 m en el condado de Bighorn, Montana, a 760 m en el condado de Convers, Wyoming. Aunque hay evidencia de movimiento Lale en rocas de esta edad en otras áreas, no hay evidencia de esta orogenia en la cuenca Fenhe durante el período Reimsiano.
Por lo tanto, después de que se formaron las gruesas vetas de carbón ampliamente desarrolladas en el Paleógeno y el Neógeno en la cuenca de Fenhe, no se produjo ningún movimiento tectónico importante, la compactación general fue débil y las propiedades físicas de los yacimientos de carbón fueron buenas. . El yacimiento de carbón de la Cuenca Fenhe tiene poros de matriz bien desarrollados con una porosidad del 1,5% al 10%. Los yacimientos de carbón de la cuenca Fenhe tienen buenas propiedades físicas y alta permeabilidad. La permeabilidad de la fractura de la veta de carbón es de 32 ~ 550 mD y la permeabilidad de la matriz es de 0,01 ~ 20 MD. Las vetas de carbón en la mayoría de las áreas de la cuenca Fenhe también son reservorios de presión negativa. El gradiente de presión del yacimiento de carbón es de 0,6~0,7MPa/100m, mientras que el gas del yacimiento está mayoritariamente saturado con un grado de saturación del 90%~100%. Hay una cantidad adecuada de gas libre en la matriz de carbón y escisión (fracturas), lo que indica. que haya un suministro de aire externo.
2.2.3 Ambiente hidrogeológico propicio para la generación de biogás.
Los carbones de la Formación Paleógena Fort Union en la Cuenca Fenhe son en su mayoría lignito (Ro = 0,3% ~ 0,4%). Hay carbones bituminosos altamente volátiles en las partes profundas, que son lo suficientemente inmaduros para producir. grandes cantidades de metano termogénico. Su valor de metano δ13C es -60,0‰~-56,7‰ y su valor δD es -307‰~-315‰. Esto demuestra que domina el biogás [2].
El análisis comparativo de las composiciones isotópicas de deuterio (δ2H) y oxígeno (δ18O) del agua subterránea en la cuenca Fenhe y las líneas de precipitación global, combinado con los resultados del análisis de isótopos de tritio, muestra que la causa del agua de la veta de carbón de Unionburg es acción atmosférica, y su edad es anterior a 1952 (Figura 1)[3]. Muestra que la precipitación atmosférica entró en la formación durante la historia geológica. Las observaciones cualitativas, especialmente la generación de mezclas complejas inciertas y el análisis de cromatografía iónica completa de hidrocarburos saturados, indican que la veta de carbón de Lianhebao en la cuenca de Fenhe ha experimentado un cierto grado de biodegradación. Estos cromatogramas están dominados por una distribución bimodal con un aumento de UCM (mezcla compleja no resuelta), lo que indica cualitativamente biodegradación. Al mismo tiempo, la distribución unimodal del carbón muestra un aumento en la madurez térmica (Fig. 2).
Figura 1 Composiciones isotópicas de deuterio (δ2H) y oxígeno (δ18O) en aguas subterráneas de la cuenca Fenhe
3 Modelo de formación del área de enriquecimiento de metano en yacimientos de carbón de Wang Ying-Liu Jia en la cuenca Fuxin
3.1 El ambiente sedimentario controla las vetas de carbón extremadamente gruesas.
La facies de pantano de turba del delta del abanico se ha acumulado de manera estable y continua en el eje anticlinal sinsedimentario durante mucho tiempo, formando una enorme y gruesa veta de carbón en la cuenca de Fuxin, y el espesor de la veta de carbón es relativamente grande en el eje anticlinal sin-sedimentario [4]. Tomando como ejemplo el cinturón de carbón Wangying-Liujiafu, el espesor total de la veta de carbón de la Formación Taiping en este cinturón es de más de 45 m después de fusionarse con el mismo eje sedimentario del anticlinal. Entre ellos, el espesor total de la veta de carbón de Taishang es superior a 20 m, el espesor total de la veta de carbón subterránea es superior a 20 m y el espesor máximo de la veta de carbón de Sunjiawan puede alcanzar más de 25 m el espesor máximo del medio; -La gruesa veta de carbón puede alcanzar más de 15 m. Estas gruesas vetas de carbón proporcionan buenas condiciones de yacimiento para la generación y enriquecimiento de metano de yacimientos de carbón, y son la base material de la zona de enriquecimiento de metano de yacimientos de carbón, dando a los recursos de metano de yacimientos de carbón las características de "pequeños pero gruesos".
3.2 La actividad del magma mejora las propiedades físicas del yacimiento.
3.2.1 Transformación de las propiedades físicas del yacimiento de carbón por la actividad magmática
Cuando el magma invade la pared de roca, la destrucción dinámica y la cocción de la veta de carbón son desiguales. A medida que cambia la distancia desde la pared de roca, la estructura de la veta de carbón cambia de manera zonal y la permeabilidad de la veta de carbón cambia, controlando así el almacenamiento y la migración de metano de la capa de carbón en la sección [5-10]. En un bloque, a ambos lados de la pared de roca se forma el fenómeno de zonificación del coque natural - carbón fragmentado altamente metamórfico - carbón estructural - carbón normal. Cuanto más cerca de la pared de roca, mayor es el grado de metamorfismo del carbón, más desarrolladas son las juntas, mayor es la porosidad y mejor es la permeabilidad del carbón. En particular, el coque natural columnar que está cerca de la pared de roca tiene juntas columnares, una porosidad cientos de veces mayor que la del carbón ordinario, buena permeabilidad y poros grandes. No solo es un buen espacio de almacenamiento para el metano de las capas de carbón. también un buen canal de migración. En la zona de "carbón estructural" formada fuera del carbón fragmentado altamente metamórfico, la estructura original del carbón está completamente destruida y la permeabilidad es extremadamente baja. El espesor de esta zona es generalmente de más de 2 m, lo que tiene un buen efecto de sellado lateral sobre el metano de las capas de carbón. Se probaron y estudiaron la reflectancia de vitrinita y la materia orgánica volátil del carbón en las áreas afectadas por la pared de roca de BL8-2, BL8-5 y BL14, y se determinó que el ancho de influencia de la pared de roca es aproximadamente de 5 a 12 veces el ancho de la pared de roca. espesor. Entre la pared de roca y la zona de "carbón estructural", el principal método de almacenamiento de metano del lecho de carbón en el carbón de fisura altamente metamórfico y el coque natural es el gas libre. En el carbón de alto metamórfico, el gas adsorbido y el gas libre coexisten, pero el contenido de gas libre es alto. .
Las fracturas tectónicas provocadas por la actividad magmática y la presencia actual de paredes y lechos de roca aumentan la permeabilidad de los yacimientos de carbón. Según los datos de prueba de la muestra de carbón de la veta de carbón Wangying en la cuenca de Fuxin, la permeabilidad promedio de la roca de carbón perpendicular a la dirección del lecho de la veta de carbón en esta área es 142,3 × 10-3μm2, y la permeabilidad del lecho paralelo es 214,0×10-3μm2. La permeabilidad promedio perpendicular a la dirección de escisión de la veta de carbón es 75,3 × 10-3 μm2, y la permeabilidad promedio paralela a la dirección de escisión es 356,9 × 10-3 μm2 (Tabla 1).
Figura 2 Cromatograma de corriente iónica total de hidrocarburos en la veta de carbón de Fort Union en la cuenca Fenhe.
Tabla 1 Datos de prueba de permeabilidad absoluta del gas metano en roca de carbón en el campo de carbón Wangying, cuenca de Fuxin
3.2.2 Función de sellado de la pared de roca
Subterráneo profundo El magma invade y perfora el reservorio, formando una barrera que impide que el metano de las capas de carbón continúe migrando. También puede formar una barrera junto con los estratos suprayacentes. Su mecanismo de bloqueo es equivalente a las trampas convencionales de penetración de petróleo y gas y a las trampas compuestas. Por ejemplo, después de que se formó carbón en el yacimiento de carbón de Wangying, el magma paleógeno invadió fuertemente y más de 30 paredes de roca se extendieron por toda el área, rompiendo las vetas de carbón y las capas sedimentarias superpuestas. El lecho de roca se origina lateralmente en la pared de roca, y el lecho de roca intersecta o interpenetra las paredes de roca adyacentes, dividiendo el campo de pozos en varias unidades secundarias de almacenamiento de gas [1].
3.2.3 Características de la producción de metano en capas de carbón
La actividad del magma hace que se desarrollen fracturas exógenas y se conviertan en canales para la desorción de metano en capas de carbón, lo que acelera la tasa de desorción de metano en capas de carbón en la cuenca de Fuxin; Al mismo tiempo, debido al bajo contenido de carbón, la estructura de poros del depósito de carbón de rango medio está dominada por poros grandes, y las características de desorción de metano del lecho de carbón en la cuenca de Fuxin tienen las características tanto del carbón de rango medio-alto como del carbón de rango bajo. Tomando como ejemplo la curva de producción de gas del pozo LJ-6 en el bloque Liujia de la cuenca de Fuxin, se muestra que el pozo LJ-6 en el bloque Liujia de Fuxin se puso en producción en 2003 (Figura 3). La producción fue de 4500m3 y la producción comenzó a disminuir después de 4 años de producción estable. La producción diaria actual de gas es de 2780m3, la producción acumulada es de 662×104m3, la tasa de recuperación es del 26,6% y la tasa de recuperación estimada es del 50%.
Figura 3 Curva de drenaje y producción del Pozo LJ-6 en Liujia, Fuxin
3.3 Tipos de formación de metano en capas de carbón y sellado hidrodinámico
3.3.1 Tipos de formación de metano en capas de carbón
Según la composición del metano en capas de carbón y el valor isotópico del metano de -50,42‰~-44,75‰ (Fig. 4), se muestra que el origen del metano en capas de carbón de Wangying-Liujia es complejo , incluido el origen biológico secundario y el origen térmico, que es la causa secundaria de la termogénesis [13-19].
El metano de las capas de carbón son principalmente hidrocarburos, en los que la fracción en volumen de metano es relativamente alta, oscilando entre el 87,58% y el 98,03%, con una media del 93,54%. La fracción en volumen de hidrocarburos pesados es relativamente baja, oscilando entre 0 y 2,22%, con un promedio de 0,63%, que es el gas seco típico. El δ13c 113c 1 del gas biometano es -58,00‰~-44,70‰, lo que indica la existencia de biogás. Ro es del 0,3% al 1,5%, lo que es adecuado para la generación de biogás secundario. El Ro de la Formación Fuxin en la parte poco profunda de la cuenca es de 0,42% ~ 0,62%, y el Ro de la Formación Shahai en la parte profunda es de 0,70% ~ 1,67%, lo que favorece la generación de biogás.
Los datos geotérmicos en el área muestran que la temperatura más alta del suelo dentro de los 1800 m de la cuenca de Fuxin es de 70 °C, y la temperatura del suelo dentro de los 1500 m es generalmente de 30 a 60 °C, que es exactamente la temperatura de 0 a 75 °C para la supervivencia de bacterias metanogénicas. La comparación de isótopos de hidrógeno entre el agua de la veta de carbón y el metano de la veta de carbón (Figura 5) muestra que el biogás está sesgado hacia la reducción de CO2, y el antiguo medio de agua sedimentaria de la veta de carbón fue modificado continuamente por la precipitación atmosférica durante este período, lo que también confirma la contribución de fuerzas hidrodinámicas a la generación inicial de biogás.
Fig. 4 Diagrama de metano δ13CCH y CCH/(CC2H6+CC3H8)
Fig. 5 Diagrama comparativo de isótopos de agua y metano de uterio de lecho de carbón
Fig. 6 Cuenca Fuxin Composición de isótopos de hidrógeno y oxígeno del agua de drenaje
Acción de sellado hidráulico
Cuando el agua subterránea se mueve de poco profunda a profunda a lo largo de la veta de carbón, la difusión ascendente del gas en la veta de carbón se bloqueará, lo que provocará la acumulación de metano en el lecho de carbón. Las características de sellado hidráulico y control de gas prevalecen en sinclinales o monoclinales asimétricos [20, 265, 438+0]. Bajo ciertas condiciones de diferencia de presión, el metano de los yacimientos de carbón se filtra desde áreas de alta presión a áreas de baja presión, o de capas profundas a superficiales. La caída de presión hace que el metano del lecho de carbón se desorba, por lo que es la zona de escape de metano del lecho de carbón en los afloramientos de las vetas de carbón y las partes poco profundas. Si un acuífero o una veta de carbón recibe recarga de un afloramiento y el agua subterránea se mueve de poco profundo a profundo a lo largo de la capa, la difusión ascendente de gas en la veta de carbón se bloqueará, lo que provocará la acumulación de metano en el lecho de carbón.
El bloqueo de las aguas subterráneas en la cuenca de Fuxin se produce principalmente en el área de Wangying-Liujia. La escorrentía superficial en esta zona es la del río Wangying y el río Xiwa, afluentes del río Xihe. El agua subterránea recibe importantes precipitaciones superficiales y el agua superficial se vierte en grietas subterráneas de distintos anchos y cambios, formando barreras de agua. El metano de las capas de carbón en las vetas de carbón profundas migra hacia arriba y es bloqueado por el agua subterránea que migra hacia abajo y se conserva. A juzgar por los valores de isótopos de hidrógeno y oxígeno del agua de formación, la precipitación atmosférica ingresa fácilmente al yacimiento de gas profundo a lo largo de zonas de fractura de paredes de roca o fallas conductoras de agua, formando sellado de presión hidrostática y enriqueciendo e integrando metano de lecho de carbón (Figura 6).
3.4 Modelo de formación del área de enriquecimiento de metano en capas de carbón
Basado en la teoría anterior, el modelo de acumulación del área de enriquecimiento de metano en capas de carbón de Wang Ying-Liujia se puede resumir como sellado hidrodinámico y de paredes de roca. El modelo de enriquecimiento de metano en capas de carbón de tipo fractura es causado por taponamiento y mezcla (Fig. 7).
Figura 7 Modelo de enriquecimiento de metano de lecho de carbón de fractura híbrida de sellado de pared de roca hidrodinámica
4 Conclusiones
(1) División de la Cuenca Fenhe en los Estados Unidos Los principales parámetros de las áreas de enriquecimiento de metano en capas de carbón son la profundidad del entierro, el contenido de gas, el espesor de la veta de carbón, el espesor total y la abundancia de recursos. Los factores geológicos que controlan estos parámetros son el entorno de depósito, la evolución estructural y las condiciones hidrogeológicas.
(2) La facies de pantano de turba del delta del abanico en la cuenca de Fuxin se ha acumulado de manera constante y continua en el eje del anticlinal sinsedimentario durante mucho tiempo, formando una gruesa veta de carbón. de la veta de carbón es la más grande en el eje del anticlinal sinsedimentario, lo que proporciona una base para el enriquecimiento del material del lecho de carbón.
(3) La actividad magmática proporciona la capacidad de generación y almacenamiento de gas de los yacimientos de carbón. Al mismo tiempo, la existencia de fracturas estructurales y paredes de roca y lecho de roca existentes mejora la permeabilidad de los yacimientos de carbón, convirtiéndose en Wang Ying. - Condiciones favorables para una alta producción de metano en yacimientos de carbón en el bloque Liujia.
(4) La biodegradación hidrodinámica de los metanógenos y el gas termogénico producido por la actividad magmática diversifican el origen del metano de las capas de carbón en el bloque Wangying-Liujia, y la hidrodinámica y las paredes de roca pueden bloquear el depósito de metano de las capas de carbón.
(5) El modelo de formación del área de enriquecimiento de metano en capas de carbón en el bloque Wang Ying-Liujia es un modelo de enriquecimiento de metano en capas de carbón de tipo fractura causado por una mezcla de hidrodinámica y sellado de paredes de roca. En el futuro proceso de exploración y desarrollo, podemos comparar las condiciones geológicas y los principales factores de control para encontrar un modelo de enriquecimiento de metano de yacimientos de carbón similar al del bloque Wangying-Liujia para promover mayores avances en la industrialización del metano de yacimientos de carbón de bajo rango de carbón.
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