Con el apoyo del Proyecto Nacional Principal de Ciencia y Tecnología (2011ZX05034), el Proyecto Nacional de Metano de Capas de Carbón 973 (2009CB219605), el Proyecto Clave de la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (40730422 ), y el Proyecto del Fondo Científico Juvenil (40802032).
Sobre la autora: Zeng Jiayao (1987-), mujer, del condado de Dafang, provincia de Guizhou, estudió en la Escuela de Recursos y Ciencias de la Tierra, Universidad China de Minería y Tecnología (Xuzhou), con una maestría Su dirección de investigación es la exploración y el desarrollo de metano en capas de carbón. Dirección de correspondencia: Sala 302, Unidad 5, 1.er piso, Instituto de Investigación, Campus Nanhu, Universidad de Minería y Tecnología de China, ciudad de Xuzhou, provincia de Jiangsu. Número de contacto: 1895 2246792, correo electrónico: jiaoyang haha@126.com.
(1. Facultad de Recursos y Ciencias de la Tierra, Universidad de Minería y Tecnología de China, Xuzhou, Jiangsu 2210082. Laboratorio clave de recursos y procesos de acumulación de metano de capas de carbón, Ministerio de Educación, Xuzhou, Jiangsu 221008)
Resumen: La permeabilidad de los yacimientos de carbón es uno de los factores importantes que restringen el desarrollo de metano en las capas de carbón. Sobre la base de un estudio en profundidad de las características de permeabilidad de los yacimientos de carbón en el oeste de Guizhou y el este de Yunnan, y combinado con una gran cantidad de datos de exploración geológica de yacimientos de carbón, se expusieron los principales factores geológicos que controlan la permeabilidad en el área de estudio. La investigación muestra que la permeabilidad de toda el área de estudio disminuye gradualmente de este a oeste, y la permeabilidad del yacimiento de carbón de Qianxi Jina es mucho mayor que la de otras áreas. Entre los muchos factores que afectan la permeabilidad, el estrés tectónico regional, el desarrollo de fisuras en las vetas de carbón, la profundidad de enterramiento de las vetas de carbón y el espesor de las vetas de carbón desempeñan un importante papel de control en la permeabilidad de las vetas de carbón.
Palabras clave: permeabilidad de la veta de carbón, tensión tectónica, profundidad de la veta de carbón y espesor de la veta de carbón
Investigación sobre las características de permeabilidad de los yacimientos de carbón y los factores de control geológico en el área occidental de Guizhou y este de Yunnan
Zeng Jiayao 1, 2 Wu Caifang 1, 2
(1. Facultad de Recursos y Ciencias de la Tierra, Universidad de Minería y Tecnología de China, Xuzhou, Jiangsu 221008. Laboratorio clave de recursos de metano de capas de carbón y Procesos de acumulación, Xuzhou, Jiangsu 221008)
Resumen: La permeabilidad de las vetas de carbón es uno de los factores clave que restringen el desarrollo de metano en las vetas de carbón. Al analizar las características de permeabilidad de las vetas de carbón y hacer referencia a los datos de exploración geológica de los yacimientos de carbón, se aclaran los principales factores geológicos que afectan la permeabilidad de las vetas de carbón en el oeste de Guizhou y el este de Yunnan. Los resultados de la investigación muestran que la permeabilidad de toda la región muestra una tendencia a la baja de este a oeste, siendo la permeabilidad de la mina de carbón Zhina en el oeste de Guizhou significativamente mayor que la de otras regiones. Entre todos los factores que afectan la permeabilidad, la tensión tectónica regional, las fisuras de las vetas de carbón, la profundidad de entierro de las vetas de carbón y el espesor de las vetas de carbón tienen efectos de control significativos.
Palabras clave: veta de carbón; permeabilidad; tensión tectónica; profundidad de enterramiento de la veta de carbón; espesor de la veta de carbón
Introducción
El oeste de Guizhou es rico en recursos de metano en yacimientos de carbón. encontrado en En las estructuras sinclinales de Liupanshui Coalfield y Zhina Coalfield, los recursos en el área "rica en metano" con un contenido de metano superior a 8 m3 / t representan más del 90% de los recursos totales en la provincia de Guizhou. Los recursos de metano de capas de carbón en el este de Yunnan son 450 mil millones de m3, lo que representa el 90% del total de recursos de metano de capas de carbón en la provincia de Yunnan.
La permeabilidad de los yacimientos de carbón es uno de los indicadores más importantes para medir la recuperabilidad del metano de las capas de carbón (Telly et al., 2000). Bajo la premisa de que se ha determinado la fuente de gas metano de las capas de carbón, la permeabilidad del yacimiento de carbón es uno de los factores clave que restringen el éxito o el fracaso del desarrollo de recursos de metano de las capas de carbón. Durante el proceso de deshidratación y reducción de presión, con la desorción, difusión y descarga de metano de yacimientos de carbón, el efecto de estrés efectivo, el efecto de contracción de la matriz de carbón y el efecto de deslizamiento de gas causan cambios dinámicos en la permeabilidad del yacimiento de carbón. El análisis en profundidad de las características de distribución de la permeabilidad y los factores de control geológico tiene una importancia teórica y práctica importante para optimizar las zonas favorables de metano en yacimientos de carbón y las medidas de desarrollo.
1 Características de permeabilidad de la veta de carbón
1.1 Permeabilidad de prueba de pozos de veta de carbón
Según las estadísticas, hay datos de prueba de 9 pozos de metano de lecho de carbón en el nivel 19 en la provincia de Guizhou (Tabla 1). Dos pozos de parámetros de metano en capas de carbón en Zhina Coalfield están ubicados en el área de exploración de Huale en el sinclinal de Beide. La profundidad de la veta de carbón probada es inferior a 600 m y la permeabilidad de prueba del pozo es alta, oscilando entre 0,1074 y 0,5002 MD, con un promedio de 0,2797 mD. Es una veta de carbón de permeabilidad media y tiene condiciones favorables para el desarrollo comercial.
Hay siete pozos de exploración de metano en lechos de carbón en Liupanshui Coalfield, todos ubicados en el sinclinal de Panguan y el sinclinal de Qingshan en el sureste. La permeabilidad de prueba de pozo de las vetas de carbón es de 0,0004 ~ 0,4800 mD, la mayoría de las cuales son inferiores a 0,02 mD, con un promedio de 0,0741 mD, que es mucho más bajo que el del campo de carbón de Zhina y es una veta de carbón de permeabilidad ultrabaja.
Tabla 1 Resultados de las pruebas de pozos de metano en lechos de carbón en la región occidental de Guizhou
Continuación
1.2 Características de distribución de permeabilidad de las vetas de carbón
Según la Tabla 1 Los resultados estadísticos muestran que, según las vetas de carbón de prueba con una profundidad de entierro de menos de 650 m, el patrón de distribución regional de la permeabilidad de las vetas de carbón del Pérmico superior en el oeste de Guizhou (o incluso el este de Yunnan) es muy obvio y, en general, muestra una tendencia decreciente desde el este. al oeste. Por ejemplo, la permeabilidad promedio de la prueba de pozo de la veta de carbón sinclinal de Bide en South Coalfield es de 0,2797 mD, la permeabilidad promedio de la prueba de pozo de las vetas de carbón en el área de exploración de Jinzhuping del sinclinal de Panguan en la yacimiento de carbón de Liupanshui y la exploración de Antdong El área del sinclinal de Qingshan es de aproximadamente 0,15 mD, y más al oeste hasta Yunnan. La permeabilidad promedio de los sinclinales de Hongen, Laochang, Xuanwei o campos de carbón en el este es de solo 0,0904 MD. Por un lado, este patrón de distribución regional es el. resultado de diversos grados de daño a las vetas de carbón causado por cambios estructurales después del período de acumulación de carbón. Por otro lado, está relacionado con el grado de compresión y sellado de las fisuras de las vetas de carbón por el campo de tensión tectónico moderno regional.
Debido a la correlación entre la profundidad de enterramiento del yacimiento de carbón y la tensión efectiva de la formación correspondiente, cuanto más profunda es la profundidad de enterramiento, mayor es la tensión efectiva y menor es la permeabilidad (Fu et al., 2003; Zhou Weiyuan, 1990). No parece haber una tendencia de distribución obvia en la permeabilidad de las vetas de carbón (Tabla 1). Por ejemplo, el pozo 1602 en el área de exploración de Huale, el pozo QH1 en el área de exploración de Liangshan, el pozo Gm2 en el área de exploración de Jinzhuping y el pozo MY01 en el área de exploración de Antdong, la permeabilidad tiende a disminuir con el aumento de la profundidad de enterramiento de la veta de carbón. Sin embargo, en el pozo MY03 en el área de exploración de Mayidong, el pozo QH3 en el área de exploración de Liangshan y el pozo 3603 en el área de exploración de Huale, el nivel de la veta de carbón disminuyó y la permeabilidad de prueba del pozo tendió a aumentar.
2 Factores geológicos que afectan la permeabilidad de las vetas de carbón
Hay muchos factores que afectan la permeabilidad de las vetas de carbón, como el campo de tensión tectónica, la profundidad de enterramiento de las vetas de carbón y el espesor del yacimiento de carbón. , la presión del yacimiento de carbón, la estructura del cuerpo del carbón, las características de la calidad del carbón, las clasificaciones del carbón, las fisuras naturales, etc., tienen distintos grados de influencia en la permeabilidad de las vetas de carbón. Puede ser el resultado de una combinación de múltiples factores, o puede ser el resultado. ser el resultado de un determinado factor que desempeña un papel importante.
2.1 La influencia del campo de tensión tectónica en la permeabilidad de la veta de carbón
Las fallas transversales en el área occidental de Guizhou y este de Yunnan controlan zonas de fallas plegadas en diferentes direcciones, que se combinan en arcos, rombos, triángulos, etc. Una variedad de estilos estructurales forman un marco estructural regional unificado (Figura 1). Entre ellos, el campo de carbón de Zhina está ubicado en la estructura triangular de Baixing, y el campo de carbón de Liupanshui se compone principalmente de la estructura del rombo de Faer y la estructura triangular de Panxian, y el campo de tensión estructural es extremadamente complejo (Figura 1). Para la estructura triangular, la diferencia de tensiones es mayor en las tres esquinas del vértice, seguidas por las aristas, y disminuye hacia el interior del triángulo. La deformación estructural es más fuerte en la parte superior y los bordes de las esquinas y más débil en el medio, lo que es consistente con el patrón de distribución regional de las estructuras del cuerpo de carbón en Jina Coalfield. Por lo tanto, se especula que puede haber dos cinturones centrales con estructuras de carbón relativamente completas en las partes central y sur de la yacimiento de carbón de Liupanshui, a saber, el cinturón estructural en forma de rombo en el medio de Faer y el cinturón estructural triangular en Panxian en el sur. Entre ellos, el área estructural del rombo de Faer tiene un fuerte levantamiento estructural, y los estratos carboníferos tienen malas condiciones de conservación y solo están dispersos. Por lo tanto, la zona con buena permeabilidad de las vetas de carbón en el oeste de Guizhou puede estar ubicada en dos zonas: una es la parte central de la yacimiento de carbón de China, como el sinclinal Shuigonghe, el sinclinal Zhuzang y el sinclinal Niuchang; el sinclinal de Panguan en la yacimiento carbonífero del sur de Liupanshui, aproximadamente ubicado en el norte del condado de Pan.
Las propiedades físicas de las vetas de carbón en el área occidental de Guizhou y este de Yunnan están estrechamente relacionadas con la tensión in situ, especialmente la estructura del carbón, la permeabilidad de las vetas de carbón y la presión del yacimiento de carbón. controlado por el fondo tectónico regional. Este efecto de control se refleja en el nivel del gradiente de tensión in situ y es una razón geológica importante para las diferencias de distribución regional en la permeabilidad de las vetas de carbón.
Figura 1 Diagrama esquemático del patrón estructural del oeste de Guizhou
Enever et al (1997) estudiaron la correlación entre la permeabilidad y la tensión efectiva de las vetas de carbón australianas y encontraron que los cambios en el carbón. permeabilidad de la costura y tensión in situ El cambio es exponencial (Zhou Weiyuan, 1990):
K/K0=e3C△δ
En la fórmula: K/K0 es la relación entre Relación de permeabilidad y permeabilidad inicial en condiciones de tensión específicas; c es el coeficiente de compresibilidad de los poros del carbón; △△ es la tensión efectiva desde el estado de tensión inicial hasta cierto estado.
Según los datos de las pruebas de pozos de 36 niveles del pozo 18 de los pozos de metano en capas de carbón en el oeste de Guizhou y el este de Yunnan, el gradiente de la tensión principal mínima (presión de cierre) en el campo de tensiones in situ disminuye , y la permeabilidad de la veta de carbón aumenta en consecuencia, y los dos están en una relación de potencia negativa. Además, la permeabilidad disminuye con el aumento de la tensión in situ y el daño a la estructura original de la veta de carbón. El gradiente de tensión principal mínimo en el área aumenta gradualmente de este a oeste, alcanzando 17 ~ 21 kPa/m en el sinclinal de Bide de la cuenca carbonífera de Na, 12 ~ 27 kPa/m en el sinclinal de Qingshan de la cuenca carbonífera de Liupanshui y 21 ~ 33 kPa/m. en el sinclinal de Panguan de la yacimiento de carbón de Liupanshui, área minera 65438 del este de Yunnan Laochang. Cuanto más cerca del antiguo continente de Kangdian, mayor es la tensión principal mínima.
2.2 Efecto de la profundidad de enterramiento de la veta de carbón sobre la permeabilidad
La densidad de las formaciones rocosas es mucho mayor que la densidad de los fluidos en los poros, lo que resulta en un aumento sustancial de la tensión vertical. Fu et al. (2001) creían que la permeabilidad de los yacimientos de carbón muestra una tendencia decreciente exponencial con el aumento de la profundidad del entierro. Por otro lado, esto también refleja la influencia de la tensión in situ sobre la permeabilidad de los yacimientos de carbón. Es decir, a medida que aumenta la profundidad del enterramiento, la gravedad de la capa de roca suprayacente aumentará la compresión de las fracturas, provocando que la tensión efectiva aumente. aumento, lo que no es propicio para los yacimientos de carbón. El desarrollo de grietas en las capas reduce la permeabilidad.
Aunque la relación entre la permeabilidad de la veta de carbón y la profundidad del entierro es discreta, la tendencia del exponente de potencia negativo es muy obvia. Al mismo tiempo, cuando la profundidad de enterramiento de las vetas de carbón probadas es similar (500 a 700 metros), la permeabilidad también tiene una tendencia decreciente de este a oeste (Figura 2). La profundidad de giro de la relación exponencial de potencia negativa entre la permeabilidad y la profundidad de enterramiento de la veta de carbón es de aproximadamente 600 m, y la permeabilidad correspondiente es de aproximadamente 0,05 mD una vez que la permeabilidad de la veta de carbón es inferior a 0,05 MD, no existe una relación definida entre la permeabilidad y la profundidad de enterramiento. , lo que indica que la permeabilidad es extremadamente baja no solo está relacionada con la profundidad de enterramiento de la veta de carbón, sino también con otros factores que también tienen un gran impacto en la permeabilidad de la veta de carbón. Es difícil desarrollar metano en capas de carbón en la superficie, como el sinclinal de Panguan y el sinclinal de Hongen en el este de Yunnan. El sinclinal de Qingshan muestra la tendencia opuesta, pero a medida que aumenta la profundidad del entierro, la permeabilidad de la veta de carbón muestra una tendencia creciente. El contenido de metano de la veta de carbón en el área minera tiene un cierto patrón de distribución en el plano, mostrando "alto". el norte y bajo en el sur, alto en el este y bajo en el oeste. La tendencia general es "profundo, alto y poco profundo" (Peng Lun et al., 2010). Esto se debe a la débil conexión hidráulica entre el área sinclinal de Qingshan y el mundo exterior. El sellado hidráulico da como resultado un alto contenido de gas en la veta de carbón, una estructura de carbón completa, buena permeabilidad y un buen potencial de desarrollo de metano en el lecho de carbón.
Figura 2 La relación entre la permeabilidad de la veta de carbón y la profundidad de enterramiento en el área occidental de Guizhou-este de Yunnan
2.3 La relación entre la permeabilidad de la veta de carbón y la presión del yacimiento
Cuando la veta de carbón está enterrada Cuando aumenta la profundidad, la tensión vertical in situ hace que la presión del yacimiento aumente y la tensión efectiva disminuya. La expansión elástica del cuerpo de carbón hace que el ancho de la fractura y la permeabilidad disminuyan. La presión del yacimiento de carbón en el área de estudio tiene una relación logarítmica negativa con la permeabilidad de la veta de carbón, que está inevitablemente relacionada con el hecho de que la presión del yacimiento está controlada por la profundidad de enterramiento de la veta de carbón. Por ejemplo, cuando la presión del yacimiento está entre 5 y 7 MPa, la distribución de la permeabilidad de la veta de carbón es relativamente discreta y no tiene una tendencia específica (Figura 3).
Figura 3 La relación entre la permeabilidad de las vetas de carbón en el oeste de Guizhou y el este de Yunnan y la presión de los yacimientos de carbón.
Figura 4 Relación entre la permeabilidad de la veta de carbón y el espesor de la veta de carbón en la región occidental de Guizhou
2.4 Efecto del espesor de la veta de carbón sobre la permeabilidad
Telly et al. ) encontró que Carbonífero del Norte de China: la veta de carbón del Pérmico está limitada por una permeabilidad de 0,5 mD, y los patrones de distribución del espesor y la permeabilidad de la veta de carbón muestran dos tendencias opuestas. Cuando la permeabilidad es inferior a 0,5 mD, el espesor de la veta de carbón aumenta y la permeabilidad general aumenta. Cuando la permeabilidad es superior a 0,5 mD, la permeabilidad disminuye con el aumento del espesor del carbón.
En cuanto a las vetas de carbón con permeabilidad superior a 0,03 mD en el oeste de Guizhou, a medida que la veta de carbón se espesa, la permeabilidad tiende a disminuir (Figura 4), lo que se correlaciona negativamente con el espesor del carbón y la relación de desarrollo de grietas. , el efecto integral de diversos factores geológicos durante el período de acumulación de turba juega un importante papel de control. Cuando la permeabilidad es inferior a 0,03 mD, existe una correlación positiva entre el espesor de la veta de carbón y la permeabilidad. Esto obviamente no puede explicarse mediante el principio anterior, lo que indica que otros factores desempeñan un papel controlador más importante, como la estructura del carbón controlada por el rango del carbón. y composición de la roca de carbón, apertura y cierre de grietas, densidad de desarrollo de grietas, etc.
2.5 La influencia de otros factores en la permeabilidad
Cuando la permeabilidad es relativamente pequeña, la relación entre la profundidad de enterramiento de la veta de carbón, la presión del yacimiento de carbón, el espesor de la veta de carbón y la permeabilidad no es simple. relación lineal, lo que indica que la permeabilidad de los yacimientos de carbón también está controlada por otros factores como los poros, la estructura de la fisura y la estructura del cuerpo de carbón de la veta de carbón.
Desde el noreste al suroeste en el área de estudio, la porosidad muestra una característica bimodal de primero aumentar, luego disminuir y luego aumentar. Los yacimientos de carbón tienen baja porosidad y la permeabilidad aumenta al aumentar la porosidad. La porosidad se ve significativamente afectada por el metamorfismo regional. A medida que aumenta la reflectancia máxima de vitrinita, la porosidad primero aumenta y luego disminuye lentamente. El yacimiento de carbón sinclinal de Panguan tiene poros bien desarrollados, lo que favorece el almacenamiento y la filtración de metano de las capas de carbón. En segundo lugar, algunos yacimientos en Zhina Coalfield están bien desarrollados y la mayoría de los yacimientos de carbón están extremadamente desarrollados, lo que favorece mucho el almacenamiento de metano de yacimientos de carbón. Sin embargo, la mala conectividad de los poros no favorece la filtración y migración de metano de yacimientos de carbón. Los yacimientos de carbón sinclinal de Gemu y East Yunnan tienen un desarrollo de poros similar, con muchos tipos de poros, grandes diferencias, fuerte heterogeneidad y un rendimiento de almacenamiento relativamente bueno, pero generalmente no son propicios para la migración de filtración de metano en capas de carbón.
La estructura del carbón de las diferentes yacimientos de carbón en la provincia de Guizhou varía mucho. En general, la estructura del carbón de la yacimiento de carbón de Liupanshui está fragmentada, como el carbón tectónico en el sinclinal de Panguan; la estructura del carbón de la yacimiento de carbón de China es relativamente completa, como la estructura original de la mayoría de las vetas de carbón en el sinclinal de Shuigonghe. La diferencia en la estructura general es una razón importante por la cual la permeabilidad de las vetas de carbón en Zhina Coalfield es mucho mayor que la de Liupanshui Coalfield.
3 Conclusión
En resumen, la permeabilidad de las vetas de carbón en el oeste de Guizhou y el este de Yunnan se ve afectada por muchos factores como el estrés tectónico, la profundidad de enterramiento de las vetas de carbón, la presión del yacimiento de carbón y la espesor de las vetas de carbón. Entre ellos, la tensión tectónica es el factor más importante que afecta la permeabilidad de las vetas de carbón.
(1) La permeabilidad de las vetas de carbón aumenta con la disminución del gradiente de tensión principal mínimo en el campo de tensión local.
(2) La permeabilidad de las vetas de carbón en el área occidental de Guizhou y este de Yunnan disminuye exponencialmente con el aumento de la profundidad de enterramiento de las vetas de carbón. Afectado por esto, existe una relación logarítmica negativa entre la presión del yacimiento de carbón y la permeabilidad de la veta de carbón.
(3) Bajo el control general de la tensión tectónica sobre la permeabilidad del yacimiento de carbón, también existen muchos factores como fracturas, presión del yacimiento, espesor de la veta de carbón, condiciones hidrogeológicas, etc., bajo condiciones de tensión tectónica similares. otros factores juegan un papel más importante.
Referencias
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