Preservación y captura de metano de yacimientos de carbón
(1) Preservación del metano del yacimiento de carbón
1. Caprock
Para mantener la presión de la formación y evitar la desorción y fuga de gas, el caprock se coloca en el El sistema de metano en capas de carbón es esencial. La capa de cobertura directa de la veta de carbón es la roca circundante de la veta de carbón. La preservación del metano del yacimiento de carbón está estrechamente relacionada con las características de la roca circundante del yacimiento de carbón. Las propiedades físicas de la roca circundante, incluida la porosidad, la permeabilidad, el grado de desarrollo de nódulos, etc. de la roca circundante, determinan directamente la presión de ruptura de la roca circundante, afectando así el rendimiento de la roca circundante en el yacimiento de carbón y determinan la preservación y preservación de las condiciones de difusión del metano en capas de carbón. Las características físicas anteriores de las rocas circundantes están estrechamente relacionadas con los tipos de rocas y sus combinaciones. En otras palabras, comprender los tipos de rocas y las combinaciones de las rocas circundantes ayudará a comprender las características del metano de las capas de carbón desde una perspectiva macro.
(1) Tipos de roca del techo y el piso de los depósitos de carbón: El techo y el piso de los depósitos de carbón son la primera barrera para bloquear el metano del lecho de carbón y son las capas de roca más importantes en la combinación de rocas circundantes. yacimientos de carbón. Sus principales tipos de rocas son rocas carbonatadas, areniscas, lutitas, lutitas bituminosas y areniscas-lutitas intercaladas.
Rocas carbonatadas. Las rocas carbonatadas en las formaciones carboníferas de China son casi todas calizas, excepto una fina capa de dolomita en la formación Benxi en la cuenca del norte de China. La piedra caliza, como techo y piso directo de los depósitos de carbón, es común en la Formación Taiyuan en la Cuenca del Norte de China y en la Formación Heshan en el Sur de China. Es principalmente piedra caliza bioclástica. La toba de la Formación Taiyuan en la parte sur de la cuenca del norte de China representa alrededor del 20-40% del espesor de la sección vertical, generalmente de 10 a 13 capas. Las delgadas miden menos de 1 metro y las gruesas pueden alcanzar los 18 metros. La distribución es relativamente estable; el número de capas de toba en la Formación Taiyuan en la parte norte de la cuenca se reduce significativamente, compuestas principalmente de toba densa de micrita, a excepción de la capa de retraso de tormenta, el contenido bioclástico es bajo y la porosidad. menos de 1,5, la permeabilidad es inferior a 0,05 × 10-3 y la permeabilidad al agua es inferior a 0,05 × 10-3 μm2. Solo en áreas con movimientos tectónicos débiles, la toba densa con cuevas y grietas no desarrolladas; formar una cierta capacidad de limitación. La toba en los estratos carboníferos generalmente contiene una cierta cantidad de bioclastos, y generalmente tiene cuevas y lagunas bien desarrolladas, con una permeabilidad promedio de (1,5~2,5)×10-3μm2, y generalmente contiene agua, lo cual es muy desfavorable para la preservación del metano de las capas de carbón. Por un lado, el metano de las capas de carbón migra a través de los poros y fisuras de la toba en la parte superior e inferior de la veta de carbón y, por otro lado, es arrastrado por la escorrentía de agua subterránea en la toba. Por lo tanto, la capacidad de la roca de cobertura de la toba de la Formación Taiyuan en la cuenca del sur del norte de China es extremadamente débil. Aunque la capacidad de la roca de cobertura de la toba del norte de la cuenca del norte de China ha mejorado debido al aumento en el contenido de lodo, la cuenca del norte de China todavía lo muestra. que el contenido de gas de las vetas de carbón de la Formación Taiyuan es generalmente menor que el de la Formación Shanxi. Regularidad del contenido de gas de las vetas de carbón. En el sur de China, las vetas de carbón de la formación Heshan combinadas con toba generalmente tienen un bajo contenido de gas. En la mina de carbón Hongyan y la mina de carbón Yanshitai en el área minera de Nantong en la región sur de Sichuan-norte de Guizhou, aunque la Formación Longtan no contiene toba, la toba Maokou se convierte en el "techo" de la veta de carbón debido a la inversión estratigráfica. se pliega, por lo que la mayor parte del gas de la veta de carbón se escapa, lo que hace que estas dos minas se conviertan en las únicas minas en el área minera de Nantong que no han experimentado explosiones de gas. Estas dos minas son las únicas en el área minera de Nantong que no han experimentado explosiones de gas. La toba de la Formación Changxing en la Mina de Carbón Fengcheng es el techo de la veta de carbón C superior de la Formación Longtan. Ha desarrollado karst y el acuífero de fisura kárstica es rico en agua. Los dos están estrechamente conectados hidráulicamente. La escorrentía de agua subterránea saca el metano del lecho de carbón de la veta de carbón, lo que hace que el metano del lecho de carbón en la veta de carbón C sea generalmente más bajo que el de la parte inferior de la veta de carbón B.
Tipo arenisca. La parte superior e inferior de la arenisca generalmente no son propicias para la preservación del metano de los lechos de carbón, pero debido a las diferencias en su composición, estructura y diagénesis, su capacidad para sellar las vetas de carbón también varía mucho. Las diferencias en las facies sedimentarias y la historia de la evolución estructural de los estratos carboníferos de mi país han dado lugar a grandes diferencias en las características litológicas de las areniscas superiores e inferiores de los yacimientos de carbón de mi país. Sin embargo, su madurez estructural tiene una tendencia de degradación gradual desde el nivel inferior. Carbonífero hasta el Neógeno. Durante los procesos diagenéticos y térmicos a largo plazo, las areniscas en la parte superior e inferior de las vetas de carbón desde el Carbonífero Inferior hasta el Pérmico Superior han experimentado compactación, disolución por presión, agrandamiento secundario de cuarzo, acumulación de feldespato, recristalización de minerales arcillosos, cementación de carbonatos y otros. Efecto de relleno de poros, muchos poros primarios de la arenisca se han llenado por completo. Al mismo tiempo, algunos componentes de la arenisca, como el feldespato detrítico, la matriz arcillosa, el cemento carbonatado, etc., también han experimentado disolución y erosión, formándose un determinado número de poros secundarios.
La arenisca del Carbonífero-Pérmico al norte y al oeste de Ordos en la cuenca del norte de China tiene una porosidad superior a 5 y una permeabilidad superior a 2×10-3 μm2. No sólo no tiene capacidad de sellado para yacimientos de carbón, sino que también puede usarse directamente. como depósito de gas natural; otras áreas La porosidad promedio de la arenisca del techo y del piso es 3. El contenido de gas de la veta de carbón disminuye exponencialmente con el espesor de la arenisca suprayacente. La Figura 4-26 muestra la relación entre el espesor de la arenisca suprayacente y el contenido de gas de la veta de carbón No. 10 en la Formación Shanxi en la tendencia Huaibei-Suinan (Ye Jianping, 1998).
Figura 4-26 Relación entre el espesor de arenisca suprayacente y el contenido de metano del lecho de carbón de la veta de carbón No. 10 en la Formación Shanxi del sinclinal Huaibei-Suinan
Tipos intercalados de arenisca y lutita . La arenisca fina, la limolita, la lutita limosa, la limolita arcillosa y la lutita intercalada son tipos de combinaciones de rocas comunes en la parte superior e inferior de las vetas de carbón. Según la proporción de lutita en la combinación de capas intermedias, se puede dividir en dos tipos: roca circundante heterogénea y roca circundante relativamente homogénea. En la primera combinación, la proporción de lutita en la combinación es inferior al 50%, y en la segunda. combinación, la proporción de lutita es del 50 al 75%. La mayoría de los estratos carboníferos del Pérmico en el sur de mi país pertenecen a un tipo de roca circundante relativamente homogéneo. El contenido de lutita controla las características de permeabilidad de los poros del tipo de capa intermedia de roca circundante a través de su influencia en la estructura de la roca. El contenido de lodo de la combinación intercalada de arenisca y lutita aumenta, el diámetro máximo de poro y el diámetro del poro principal disminuyen y la presión de ruptura aumenta. Obviamente, la capacidad de sellado de poros de la roca circundante relativamente homogénea es relativamente más fuerte que la de la roca circundante heterogénea. Con la cooperación favorable de otras condiciones, puede desempeñar un cierto papel en el sellado de yacimientos de carbón.
Tipo fangolita. La lutita es un tipo de roca común en el techo y el suelo de las vetas de carbón lacustres y costeras rotas. A menudo tiene un cierto grado de estabilidad y continuidad en la región, por lo que también se la llama roca de capa regional. Cuando no se desarrollan fisuras, la lutita es una sobrecarga impermeable y tiene buena capacidad de cobertura. Las propiedades físicas de la lutita están relacionadas con su origen, etapa de evolución y profundidad de entierro. A medida que aumentan el grado de origen y la profundidad de entierro, la plasticidad de la lutita disminuye, aumenta la fragilidad, aumenta el grado de desarrollo de grietas y se debilita la capacidad de cobertura. Tabla 4-12). La capacidad de sellado de la lutita también está estrechamente relacionada con la composición de los minerales arcillosos. La lutita dominada por caolinita o illita tiene una alta expansión y plasticidad para absorber agua y una fuerte capacidad de cobertura. Por ejemplo, el gas común al perforar lutitas de bauxita (lutitas de caolinita) en áreas mineras como Fengfeng y Kailuan muestra que el buen efecto de sellado de la lutitas de bauxita en las vetas de carbón es una razón importante. A medida que aumenta el contenido de clorito, la lutita se vuelve más quebradiza y tiene una peor capacidad de sellado. En los estratos que contienen carbón en alta mar de mi país, la mayoría de las lutitas contienen clorita, mientras que en los estratos que contienen carbón en tierra, la lutita de caolinita es dominante. Por lo tanto, la capacidad de capa de roca de las lutitas de la Formación Taiyuan y de la Formación Longtan del sur de China en la cuenca del norte de China es más débil que la de la lutita de la Formación Shanxi en la cuenca del norte de China, mientras que la capacidad de capa de roca de la lutitas de la Formación Xiashixia en la cuenca del norte de China es más fuerte que los tres grupos de lutitas anteriores.
Tipos de esquisto bituminoso. El esquisto bituminoso tiene alta densidad, alta tenacidad, grietas no desarrolladas, alto contenido de petróleo y agua, baja porosidad y baja permeabilidad, lo que lo convierte en la roca de cobertura más ideal para yacimientos de carbón. El esquisto bituminoso en los estratos carboníferos de mi país se distribuye principalmente en pequeñas cuencas mesozoicas y cenozoicas en el noroeste, noreste, Guangdong, Yunnan y otros lugares. El rango de distribución es limitado y no tiene importancia universal. En el área minera de Fushun, el esquisto bituminoso cubre directamente la veta de carbón, con una porosidad de 3,09 ~ 6,07 y un contenido promedio de petróleo de 5 ~ 6. El agua y el petróleo llenan el espacio poroso, lo que da como resultado una baja permeabilidad de la roca (10 × 10-3 μm2). nivel) y presión de ruptura Grande (6MPa), tiene un buen efecto de cobertura en las vetas de carbón subyacentes.
Tabla 4-12 La relación entre la evolución diagenética de la lutita y su capacidad de sellado y las etapas de formación de carbón
(2) La capacidad de sellado de la roca circundante: La capacidad de sellado de roca circundante y La litología, dureza, espesor, continuidad y profundidad de enterramiento de la roca circundante están relacionados. En términos de litología, la capacidad de cobertura de la roca circundante aumenta con la disminución del contenido de clastos, la finura de las partículas y el contenido de lodo. Se puede ver que desde arenisca, roca carbonatada, combinación intercalada de arenisca y lutita, lutita, veta de carbón hasta esquisto bituminoso, la capacidad de sellado aumenta gradualmente. Mudstone tiene un cierto grado de tenacidad, produce menos grietas durante la deformación estructural y tiene una gran capacidad de protección. Además, cuanto más gruesa sea la capa de roca compacta, más estable será la continuidad y mayor será la capacidad de cobertura.
Según las estadísticas del área minera de Huaibei: cuando el techo de la veta de carbón es de arenisca, el contenido máximo de metano no excede los 6 m3/t; cuando el techo de la veta de carbón es de limolita, el contenido máximo de metano no excede los 6 m3/t; 10 m3/t; el contenido de metano de la veta de carbón es superior a 10 m3/t, el techo de la veta de carbón es casi todo lutita (Figura 4-25).
(3) Mecanismo de sellado de la roca circundante: el mecanismo de sellado de la roca circundante se puede dividir en varios tipos: sellado con película, sellado hidráulico, sellado por presión y sellado por concentración (Tabla 4-13). La acumulación de metano de yacimientos de carbón es el resultado de la difusión continua del metano de yacimientos de carbón y la recarga de metano de yacimientos de carbón profundos y alcanza un equilibrio relativo hasta cierto punto. La difusión se producirá siempre que exista una diferencia de concentración, y la difusión siempre existe en todos. etapas de coalificación. Si la cantidad de difusión de metano de las capas de carbón en la roca circundante es mayor que la cantidad de recarga, el gas en el depósito de metano de las capas de carbón no se saturará. El espesor y la calidad de la roca circundante son factores importantes que afectan el escape y la acumulación de metano en capas de carbón. En nuestro país, a excepción del sellado concentrado de esquisto bituminoso o lutitas carbonáceas espesas en algunas áreas, lo que hace que los yacimientos de carbón estén básicamente en un estado saturado, el metano de las capas de carbón se difunde a las rocas circundantes en la mayoría de las áreas en diversos grados, y la saturación de gas de los yacimientos de carbón es generalmente relativamente bajo.
Tabla 4-13 Tipos de rocas circundantes
(Según Pang Xiongqi et al., 1993)
2. Condiciones hidrogeológicas Las condiciones hidrogeológicas son los principales factores que afectan. La preservación del metano de las capas de carbón es uno de los factores. El metano de las capas de carbón se almacena en los poros del carbón en un estado adsorbido, formando presión para sellar el metano de las capas de carbón a través de la humedad del carbón. Por lo tanto, las condiciones hidrogeológicas tienen una gran influencia en la preservación y migración del metano de las capas de carbón y son la clave para el desarrollo y utilización del metano de las capas de carbón.
Las características de control de gas de la hidrogeología se pueden resumir en tres funciones: ① control de migración y difusión hidráulica; ② sellado hidráulico y control de gas; ③ sellado hidráulico y control de gas. Entre ellos, el primer efecto conduce a la dispersión del metano de las capas de carbón, y los dos últimos efectos son beneficiosos para la preservación del metano de las capas de carbón.
(1) Control de dispersión y migración hidráulica: El control de dispersión y migración hidráulica son comunes en áreas de desarrollo de fallas. Las fallas tienen propiedades conductoras de agua y las vetas de carbón y los acuíferos están conectados a través de fallas o fisuras conductoras de agua. El sistema de reabastecimiento, diámetro y drenaje de la unidad hidrogeológica está completo. Si el acuífero es rico en agua, tiene una fuerte fuerza hidrodinámica y tiene una buena conexión hidráulica entre el acuífero y la veta de carbón, el agua subterránea transportará gas de la veta de carbón para migrar y. escapar durante el movimiento (Figura 4-27). Los acuíferos que están conectados hidráulicamente a las vetas de carbón incluyen el acuífero de fisuras kársticas de toba en la parte inferior de la serie de carbón, el acuífero de fisuras kársticas de toba en la parte media de la serie de carbón, el acuífero de fisuras de poros de arenisca cuaternaria, el acuífero de fisuras de poros de lecho rocoso y el acuífero de poros sueltos.
Figura 4-27 Diagrama esquemático del agua por gravedad de la veta de carbón que participa en el sistema de flujo del acuífero de roca circundante (según Ye Jianping y otros)
La pendiente disipada de Kaiping es una pendiente diseminada asimétrica, con un ala noroeste empinada y un ala sureste empinada. El eje de la pendiente disipada es suave y se inclina hacia el noroeste. Las formaciones rocosas en ambas alas son más altas en el ala norte y más bajas en el ala sureste. El acuífero suelto cenozoico tiene más de 600 m. de espesor, rico en agua y tiene buena permeabilidad. El flujo de agua unitario es de 3 ~ 11 L/s-m en el norte y 0,286 ~ 1,704 L/s-m, permeabilidad 0,896 × 10-3 μm2 ~ 20,626 × 10-3 μm2, salinidad 290,0. ~386,0 mg/L, el tipo químico del agua es del tipo HCO3-Ca-Mg, que cubre directamente el sistema de carbón. Arriba, está en contacto con el acuífero principal de la serie del carbón (es decir, la arenisca debajo del carbón 12# y el acuífero de fisura de arenisca sobre el carbón 5#). Este acuífero recibe recarga de agua subterránea del nuevo acuífero suelto con límite de agua dulce en el ala noroeste, y luego fluye hacia el sistema de carbón. Fluye en dirección sureste y recarga el nuevo acuífero suelto con límite de agua dulce en. el ala sureste, formando condiciones de suministro, escorrentía y descarga relativamente completas (Figura 4-28). En el ala sureste oblicua, la dirección de migración del metano de las capas de carbón es consistente con la dirección del flujo de agua subterránea, que proporciona. poder para el movimiento ascendente del metano de las capas de carbón y acelera su velocidad de migración. Por otro lado, puede transportar parte del metano de las capas de carbón disuelto y difundirse a la parte poco profunda durante el proceso de flujo. contenido de gas del lecho de carbón en el ala sureste de la pendiente de Kaiping 1.
(2) Cierre hidráulico y control de gas: el cierre hidráulico y el control de gas a menudo ocurren en pendientes anchas y suaves con estructuras simples, donde hay fallas. no están muy desarrolladas y la mayoría de las estructuras de fallas no son fallas conductoras de agua, especialmente algunas fallas límite fueron comprimidas y recubiertas para convertirse en límites aislados de agua.
Hay buenos acuíferos en las partes superior e inferior de las medidas de carbón, es decir, no hay conexión hidráulica entre el acuífero de medida de carbón y el acuífero suelto cuaternario suprayacente y el acuífero de fisura kárstica de toba subyacente, y las condiciones hidrogeológicas regionales son relativamente simples. . El acuífero de la veta de carbón lleno directamente de agua es el acuífero de fisura de arenisca en la serie del carbón. El acuífero de la fisura de arenisca tiene un contenido de agua débil, un coeficiente de permeabilidad bajo y la escorrentía de agua subterránea es lenta o incluso estancada. La recarga del acuífero se limita a la precipitación atmosférica procedente de afloramientos poco profundos y la cantidad de recarga es muy pequeña. El agua subterránea fluye impulsado por la presión hidrostática y la gravedad. El agua subterránea tiene propiedades selladoras y tiene un efecto sellador sobre el metano de las capas de carbón. El metano del lecho de carbón se enriquece bajo la acción del sellado hidráulico y el contenido de gas del lecho de carbón es alto.
Figura 4-28 Diagrama esquemático del flujo de agua subterránea en Kaiping Slope (según Wu Jianguang, 1996)
(3) Sellado hidráulico y control de gas: cuando el agua subterránea fluye en depósitos de carbón y acuíferos de lecho de carbón Cuando la dirección del flujo en el agua subterránea es opuesta a la dirección de migración del metano del lecho de carbón, el flujo de agua subterránea puede, por un lado, crear una cierta resistencia a la migración del metano del lecho de carbón desde aguas abajo a partes poco profundas bajo la acción de presión estática y, por otro lado, puede reducir el contenido de gas del lecho de carbón. Por un lado, el flujo de agua subterránea creará una cierta resistencia al transporte de metano de las capas de carbón a las partes poco profundas de la veta de carbón bajo la acción de la presión estática, lo que ralentizará la velocidad de transporte del metano de las capas de carbón. Por otro lado, durante el proceso de flujo, el metano de las capas de carbón parcialmente disuelto se puede llevar a profundidad, lo que es beneficioso para el enriquecimiento del metano de las capas de carbón. Los estranguladores hidráulicos y los controles de gas son comunes en pendientes asimétricas o monoclinales. El acuífero se recarga mediante afloramientos y el agua subterránea se mueve de poco profundo a profundo a lo largo del estrato, bloqueando el gas que se difunde hacia arriba en la veta de carbón y provocando que se acumule metano en el lecho de carbón. Por ejemplo, después de que el acuífero suelto neocenozoico en la ladera de Kaiping se recarga mediante precipitación atmosférica y escorrentía superficial, los afloramientos ocultos de las formaciones rocosas en el lado noroeste recargan suficiente agua a los estratos Carbonífero-Pérmico y Ordovícico. El agua subterránea de la veta de carbón fluye de poco profundo a profundo. El metano en la veta de carbón se mueve hacia arriba a lo largo de las dos capas de roca de las alas bajo la acción de la zona profunda de alta presión. Específicamente, el ala noroeste tiene una tendencia de migración inversa hacia el noroeste, lo que hace que la dirección del flujo del agua subterránea sea opuesta a la dirección de migración del metano de las capas de carbón. Por un lado, el flujo de agua subterránea crea resistencia y ralentiza el movimiento ascendente de las capas de carbón. El metano bajo la acción de la presión estática, por otro lado, puede llevar parte del metano del lecho de carbón a disolverse en la profundidad durante el proceso de flujo. Debido al aumento de la presión del metano del lecho de carbón y la fuerte capacidad de adsorción, el metano del lecho de carbón. se enriquece (Figura 4-28). Durante el proceso de flujo de metano de yacimientos de carbón en el ala noroeste del pozo inclinado de Kaiping, el metano de yacimientos de carbón se enriquece debido al aumento de presión y a la fuerte capacidad de adsorción (Figura 4-28). Esta es también una de las principales razones del alto contenido de gas en campos de pozos como Majiagou en el ala noroeste de la ladera de Kaiping.
En el proceso de evolución del metano de yacimientos de carbón, especialmente en la etapa de formación de biogás y etapa de ascenso estratigráfico, se ha llevado a cabo el control hidrodinámico de la migración y la difusión del gas. Los controles modernos de migración y difusión hidráulica se distribuyen en los bordes de las cuencas o áreas de lecho rocoso poco profundos; los controles de sellado hidráulico se distribuyen en las pendientes de las cuencas; los controles de sellado hidráulico se distribuyen en el centro de las cuencas.
Para una cuenca sedimentaria, la capacidad de escorrentía de agua subterránea desde el borde de la cuenca hasta el centro de la cuenca se puede dividir en tres tipos: "escorrentía fuerte", "escorrentía lenta" y "escorrentía estancada" de El control de gas de fuerte a débil también se puede dividir en tres tipos: "escorrentía fuerte", "escorrentía lenta" y "escorrentía estancada". Un fuerte control del gas de escorrentía no favorece la preservación del metano del lecho de carbón; el control del gas de flujo lento es más propicio para la preservación del metano del lecho de carbón; el control del gas de flujo estancado es muy propicio para la preservación del metano del lecho de carbón.
(2) Trampa de metano de lecho de carbón
Aunque existen trampas convencionales en el sistema de metano de lecho de carbón, las trampas convencionales no son una condición necesaria para el sistema de metano de lecho de carbón porque el gas y la diferenciación gravitacional de agua es muy secundaria a la adsorción en la superficie microporosa. Los pozos de metano de lechos de carbón más productivos del mundo están ubicados en el área de producción de metano de lechos de carbón de Fritland de la Cuenca de San Juan. Estos pozos están ubicados en una formación de explosión y la presión del fluido (agua) mantiene el gas adsorbido en el carbón. cama (Figura 4-29). Sin embargo, algunas formaciones, formaciones o hundimientos mixtos pueden aumentar la capacidad de producción del área productora de metano de la veta de carbón de Freetland. Existen puntos dulces oblicuos similares en Black Warrior Basin (Ellard et al., 1992; Pashin y Groshong, 1998).
Figura 4-29 Diagrama esquemático de la trampa de metano en lecho de carbón en la Cuenca de San Juan (basado en Scott, 1993; Kaiser et al., 1991)