不同煤体结构煤储层物性差异分析
李 松 汤达祯 许 浩 陶 树 蔡佳丽
( 中国地质大学 ( 北京) 能源学院 北京 100083)
摘 要: 本次研究以不同煤体结构的煤储层物性的差异分析为切入点，运用各种实验测试手段，探讨了煤体结构和煤储层物性的耦合关系。结果表明: 煤岩随着应力的增强，吸附能力不断增大，煤中吸附孔隙类型由封闭型孔变为开放型孔，有利于煤层气的吸附、解吸和扩散。渗流孔隙和微裂隙随着应力的增强在初碎裂煤阶段骤减，而后增加，在碎裂煤阶段最为发育，而到了糜棱煤阶段，煤岩发生塑性变形，其发育程度再次减小，碎裂煤对煤层气的产出最为有利。煤体结构变形可分为五个阶段，包括裂隙闭合阶段、微裂隙产生阶段、宏观裂隙产生阶段、沿某破裂面破坏阶段和流变破坏阶段，表述了各阶段煤岩渗透率的变化规律。
关键词: 煤体结构 储层物性 孔隙 裂隙
基金项目: 国家自然科学基金重点资助项目 ( 40730422) ; 国家科技重大专项课题 34 ( 2011ZX05034) ; 中央高校基本科研业务费专项资金资助
作者简介: 李 松，1985 年生，男，江苏省沛县人，博士研究生，从事能源地质方面的研究。E-mail: lisong85@ 126. com
Coal Reservoir Property Differences Analysis of Different Coal Structure
LI Song TANG Dazhen XU Hao TAO Shu CAI Jiali
( School of Energy Resources，China University of Geosciences，Beijing 100083，China)
Abstract: This paper focused on the influence of coal structure types on the coal reservoir properties，using a variety of testing methods studied the connection between coal structure types and properties. The results showed that: with the stress increasing，the coal reservoir adsorption capacities improved，and the adsorption pores changed from enclosed types to open pores which are conducive to the adsorption，desorption and diffusion of the coalbed methane. Seepage pores and microfracures firstly sharply decreased with the stress increasing in the proto- cataclastic coal stage，then increased and most developed in the cataclastic coal stage，while in the mylonitic coal stage the seepage pores and microfractures reduced again，thus，the cataclastic coals are most favorable to the production of coalbed methane. The evolution of the coal structure can be divided into five stages，including the closing stages of fractures，the microfractures development stage，cracks development stage，damage along cer- tain fracture plane and rheological destruction stage.
Keywords: coal structure; reservoir properties; porosity; cracks
我国的含煤盆地具有复杂的构造演化史，尤其在中国南方地区，煤层受多期构造运动的叠加改造，不仅导致煤盆地结构发生变化，也使煤层结构发生了强烈变形，煤储层物性发生了根本性的变化，煤储层非均质性增强，从而加大了我国煤层气勘探和开发的难度(姜波等，1998;琚宜文等，2002;傅雪海等，1999)。目前我国在对构造煤储层物性特征方面缺乏深入研究和探讨，由于构造复杂，甚至将构造煤视为煤层气开发的“禁区”(杨陆武等，2001)。针对这一问题，本次研究采集了不同煤体结构的煤岩样品进行了各种测试及实验，以不同煤体结构的煤储层物性的差异分析为切入点，力求在煤体结构和煤储层物性的相互关系方面取得突破。
样品采自云南省老厂地区箐地沟煤矿，样品涵括了原生结构煤、初碎裂煤、碎裂煤和糜棱煤。为了对具有不同煤体结构煤岩样品的物性特征进行多技术综合表征，本次研究设计并开展了多项测试及实验，对采集煤样的孔裂隙系统及物性参数进行了系统的分析。首先，从四种不同煤体结构的煤岩样品中分别钻取2个直径约25mm的岩心柱样，一套柱样用于压汞孔隙测试，另一套用于煤岩常规孔渗分析;然后将钻取柱样时剩余的块状样品用于制作煤岩光片，进行煤岩显微裂隙测定;剩余的颗粒状样品用于煤岩液氮比表面、孔径测试、工业分析和甲烷等温吸附实验。
1 煤储层孔隙结构特征
1.1 吸附孔隙结构特征
煤的吸附孔是指孔径小于100nm的孔隙，包括小孔、微孔等孔隙空间(XoДoTBBetal.，1996)。液氮吸附法能够非常有效地区分吸附孔中的微孔和小孔，对研究煤储层吸附孔径结构具有一定的优势(陈萍等，2001)。四块煤样的液氮吸附实验结果呈现出很好的规律性(表1)，原生结构煤、初碎裂煤、碎裂煤和糜棱煤所受到的构造应力依次增大，随着应力条件的增强，各煤岩样品的BET比表面积和BJH总孔体积依次升高。微孔和小孔含量也随着应力的增大发生相应的变化，箐地沟煤矿煤的演化程度已经达到无烟煤阶段，因此该煤矿的原生结构煤的微孔含量较高，达83.3%，随着应力作用的增强，微孔趋于闭合，小孔变为更小的孔隙，部分大中孔变为小孔，相对来说，微孔数量的减少要大于小孔数量的减少，因此小孔含量相对增加。从原生结构煤到糜棱煤小孔含量从16.7%变为65.4%，平均孔直径也从10.6nm增大到17.8nm。
表1 液氮吸附实验测试数据表
四块煤样的液氮吸/脱附曲线呈现不同的形态，尤其糜棱煤与其他煤样存在较大的差异(图1)。糜棱煤的吸附曲线从压力接近P0时开始迅速增加，曲线变陡，吸附量迅速增大，最大吸附量可达2.0mL/g;而原生结构煤、初碎裂煤和碎裂煤的最大吸附量较小，均在0.6mL/g以下，吸附曲线整体比较平缓，吸附能力糜棱煤碎裂煤初碎裂煤原生结构煤。随着应力的增加，煤岩小孔含量逐渐高于微孔，煤储层的BET比表面，BJH总孔体积和平均孔直径相对增高，煤岩吸附能力随之增大。糜棱煤和碎裂煤的吸/脱附曲线都存在较为明显的吸附回线，反映的孔隙类型是开放型的圆筒孔和平行板状孔;而原生结构煤和初碎裂煤的吸/脱附曲线近乎重合，孔隙多为一端封闭型孔。总体而言，随着应力的增强，煤岩吸附能力不断增大，煤中吸附孔隙类型由封闭型孔变为开放型孔，应力的增大使得煤岩吸附孔隙的吸附能力和孔隙类型变好，有利于煤层气的吸附、解吸和扩散。
图1 典型液氮孔隙模型
1.2 渗流孔隙结构特征
煤储层中孔径大于100nm的孔隙为渗流孔隙，主要由大孔和中孔组成，其孔径结构对煤的渗透性及开发阶段煤层气的产出具有重要意义。本文研究煤储层渗流孔隙结构采用了压汞测试方法，压汞法可以定量得到孔径大于3.75nm的孔隙参数，这种方法在测试煤的大孔和中孔的孔径结构上具有一定的优势［7］。煤样的压汞测试结果表明:四块煤样的微小孔含量基本相当，但大中孔含量差异较大(表2)，表明应力作用对煤岩的渗流孔隙的发育具有较强的控制作用。其中煤岩大孔含量碎裂煤糜棱煤原生结构煤初碎裂煤，碎裂煤的大孔含量最高，达15.53%，其他三块样品的大孔含量均低于5%，原生结构煤的大孔含量为3.53%，初始的应力使得部分大孔转化为中孔，初碎裂煤的大孔含量相对减少，为2.97%，随着应力的增大，煤岩开始破裂，产生大量裂隙和大孔径孔隙，大孔含量明显增高，为15.53%，随着应力的进一步增大，煤岩变为糜棱煤，煤岩结构被严重破坏，大孔含量再次减少到4.71%。
表2 压汞孔隙测试数据表
在通过压汞测试的进、退汞曲线形态分析煤的渗流孔隙结构时，发现四块样品的压汞测试的进、退汞曲线形态显示出较大的差异(图2)。碎裂煤的进汞饱和度和退汞效率最高，而其他样品的进汞饱和度都较低，在30%左右，糜棱煤退汞效率最低，为32.35%，而其他样品的退汞效率均在60%左右。排驱压力碎裂煤糜棱煤初碎裂煤原生结构煤。碎裂煤的进汞饱和度和退汞效率都较高，排驱压力低，渗流条件最好，而糜棱煤的进汞饱和度和退汞效率都较低，排驱压力高，渗流条件最差，原生结构煤和初碎裂煤基本相当，渗流条件一般。研究表明煤岩中孔径大于1000nm的大孔对煤层气渗流的贡献要优于其他孔隙，碎裂煤的大孔含量最高，对煤层气的开发最为有利。
图2 典型压汞曲线类型
2 煤储层微裂隙结构特征
微裂隙是沟通孔隙与宏观裂隙的桥梁，其发育程度影响煤储层的渗透性能，借助于光学显微镜可直观地观测到煤岩中微裂隙的大小与形态。微裂隙可划分为A、B、C和D四种类型(Yao，Y.B.etal.，2009):类型A(宽度w5μm且长度L10mm)是宏观能清晰辨认的裂隙;类型B(w5μm且10mm≥11mm)是连续且较长的裂隙;类型C(w5μm且1mm≥1300μm)是时断时续的裂隙;类型D(w5μm且≤1300μm)是短裂隙。实验方法是首先将煤岩样品抛光制作成规格为30mm×30mm的煤岩光片，然后在50倍荧光显微镜下将该煤岩光片划分成10mm×10mm的9个微区，分别统计各级别微裂隙的发育程度。
2.1 微裂隙密度
四块煤岩样品的微裂隙发育密度差别较大，微裂隙以D型为主，C型和B型次之，而A型微裂隙极少见(表3)。其中，碎裂煤的微裂隙密度最大，可达165条/9cm2;初碎裂煤的微裂隙发育密度最小，仅为14条/9cm2;糜棱煤为25条/9cm2;而原生结构煤的微裂隙密度为67条/9cm2。原生结构煤和初碎裂煤都未见A型裂隙发育;碎裂煤和糜棱煤中存在A型裂隙，研究表明后期的构造应力作用是产生A型裂隙的主要因素。
表3 微裂隙类型和密度统计表
图3 微裂隙的显微镜下特征
2.2 微裂隙特征
原生结构煤以D型微裂隙和C型微裂隙为主，两者交叉分布，联通性一般;初碎裂煤的微裂隙密度非常小，镜下特征显示为几条孤立存在的D型裂隙，B和C型裂隙极少，未见A型裂隙发育，连通性最差;碎裂煤的微裂隙相对较发育，且裂隙方向杂乱无章，分布极不规律，但裂隙之间的连通性非常好，有利于煤层气的渗流;糜棱煤的微裂隙多呈树枝状，其中类型B宽度较大，多为树枝状裂隙的树干部分，而裂隙C多较细而且延伸远，为树枝状裂隙的树枝部分。
3 煤储层吸附性和渗流能力
3.1 煤储层吸附性
通常用等温吸附实验的兰氏(Langmuir)参数来评价煤储层的吸附性能，常用参数有兰氏体积和兰氏压力(姚艳斌等，2007;张群等，1999):兰氏体积是煤层气储层的极限吸附量，代表煤层气储层的吸附能力;兰氏压力是实际吸附量达到极限吸附量50%时的压力，代表煤层气储层吸附气体的难易程度。等温吸附测试结果表明:四块煤岩的原煤兰氏体积在26.87～30.96m3/t之间，可燃基兰氏体积在30.45～38.94m3/t之间，兰氏压力在1.22～2.37MPa之间(表4)。煤的变质程度对煤的吸附性能具有决定性的作用，四块煤样的变质程度高，因此煤岩兰氏体积普遍较高，随煤级增高，煤中孔隙结构发生规律性变化，其中大孔、中孔逐渐闭合，而小孔和微孔逐渐增加，大量的小孔和微孔为甲烷气体提供了更多的吸附空间，提高了煤的吸附能力。碎裂煤的可燃基兰氏体积最低，原生结构煤、初碎裂煤和糜棱煤依次增高，糜棱煤最大，达到38.94m3/t。而原煤兰氏体积糜棱煤最低，为26.87m3/t，这是因为该块样品灰分含量极高，达到27.73%，显著高于其他样品，影响了其煤岩整体吸附能力。碎裂煤、原生结构煤、初碎裂煤和糜棱煤的兰氏压力依次升高，其煤岩吸附难易程度依次降低。
表4 等温吸附和工业分析数据表
3.2 煤储层渗流能力
原生结构煤、初碎裂煤、碎裂煤和糜棱煤的渗透率依次为0.0078mD、0.0028mD、3.53mD和0.00037mD，其中碎裂煤的渗透率最高，而其他煤样的渗透性较差。大孔含量、微裂隙密度与煤岩渗透率存在较好的正相关关系，大孔含量越高，微裂隙越发育，煤岩渗透性越好(图4)。碎裂煤的气测渗透率值为3.53mD，裂隙广泛发育是导致该样品的实测渗透率较高的主要原因。
煤体结构变形可分为五个阶段，包括AB段(裂隙闭合阶段)、BC段(微裂隙产生阶段)、CD段(宏观裂隙产生阶段)、DE段(沿某破裂面破坏阶段)和EF段(流变破坏阶段)(图5)。AB段(裂隙闭合阶段):煤岩在应力作用下裂隙受压闭合，其应力相对较小，而煤岩应变量较大，渗透率降低;BC段(微裂隙产生阶段):初期除产生弹性变形外，还表现为部分微裂隙摩擦滑动，开始不稳定扩展破裂，微裂隙的出现使得渗透率增大，随后随着应力作用的增强，煤岩非弹性体积增长，微裂隙大量出现并扩展，此阶段对应碎裂煤形成阶段，是渗透率增加速率最大阶段;CD段(宏观裂隙产生阶段):当扩容发生到一定程度时，煤岩便开始产生肉眼可以识别的宏观裂隙，此阶段对应碎裂煤，是渗透率极大值阶段;DE段(沿某破裂面破坏阶段):被贯通裂隙分割后煤岩沿贯通裂隙发生滑移，并有新裂隙面扩展贯通，此阶段对应碎裂煤晚期和碎粒煤早期，渗透率开始降低;EF段(流变破坏阶段):裂隙面不断扩展，形成流变破坏，对应糜棱煤阶段，渗透率急剧降低。
图4 渗透率的控制因素
图5 不同煤体结构煤岩渗透率变化特征
4 结论
将煤体结构变形分为五个阶段，包括裂隙闭合阶段、微裂隙产生阶段、宏观裂隙产生阶段、沿某破裂面破坏阶段和流变破坏阶段;原生结构煤、初碎裂煤、碎裂煤和糜棱煤所受的应力依次增大，随着应力的增强，煤岩吸附能力不断增大，煤中吸附孔隙类型由封闭型孔变为开放型孔，有利于煤层气的吸附、解吸和扩散。渗流孔隙和微裂隙随着应力的增强在初碎裂煤阶段骤减，而后增加，在碎裂煤阶段最为发育，而到了糜棱煤阶段，煤岩发生塑性变形，其发育程度再次减小，碎裂煤对煤层气的产出最为有利。碎裂煤、原生结构煤、初碎裂煤和糜棱煤的兰氏压力依次升高，其煤岩吸附难易程度依次降低;煤岩大孔含量及微裂隙密度与渗透率有较好的正相关关系。
参 考 文 献
陈萍，唐修义 . 2001. 低温氮吸附法与煤中微孔隙特征的研究 ［J］ . 煤炭学报，26 ( 5) : 552 ～556
傅雪海，陆国祯，秦杰等 . 1999. 利用测井响应值进行煤层气含量拟合和煤体结构划分的研究 . 测井技术，23( 2) : 112 ～ 11
姜波，秦勇，宋党育等. 1998. 高煤级构造煤的 XRD 结构及其构造地质意义. 中国矿业大学学报，27 ( 2) : 115 ～118
琚宜文，王桂梁 . 2002a. 煤层流变及其与煤矿瓦斯突出的关系 . 地质论评，48 ( 1) : 96 ～105
杨陆武，孙茂远 . 2001. 中国煤层气藏的特殊性及其开发技术要求 . 天然气工业，21 ( 6) : 17 ～19
姚艳斌，刘大锰，黄文辉，汤达祯，唐书恒 . 2006. 两淮煤田煤储层孔 － 裂隙系统与煤层气产出性能研究 ［J］ .煤炭学报，31 ( 2) : 163 ～168
姚艳斌，刘大锰 . 2007b. 华北重点矿区煤储层吸附特征及其影响因素 . 中国矿业大学学报，( 3) : 308 ～314
张群，杨锡禄 . 1999. 平衡水分条件下煤对甲烷的等温吸附特性研究 . 煤炭学报，24 ( 6) : 566 ～570
XoДoT B B. 宋世钊，王佑安译 . 1996. 煤与瓦斯突出 ［M］ . 北京: 中国工业出版社，27 ～ 30
Yao，Y. B. ，Liu，D. M. ，Tang，D. Z. ，Tang，S. H. ，Huang，W. H. ，Liu，Z. H. ，Che，Y. ，2009. Fractal char- acterization of seepage-pores of coals from China: an investigation on permeability of coals ［J］ . Computer ＆ Geosciences 35 ( 6) ，1159 ～ 1166
渗透率变化分析
1.围压稳定,改变驱替流速
根据实验监测数据可知(图5-23,图5-24,图5-25),在等围压、变流速实验条件下,随着驱替流速增大,煤岩渗透率有增大趋势,且流速越大,不同煤岩组分的3号煤、5号煤、11号煤渗透率变化趋势越接近;相同驱替流速条件下,3号煤、5号煤、11号煤的渗透率变化特征各异。低驱替流速条件下,11号煤的渗透率明显小于3号煤及5号煤,而随着驱替流速的提高,三种实验样品的渗透率均相应地增大,但11号煤的渗透率增大幅度大于3号煤及5号煤,至高驱替流速条件时,11号煤、3号煤及5号煤的渗透率几乎一致。11号煤的渗透率变化相对简单,首先为快速提升阶段,随后为平稳持续阶段,3号煤、5号煤的渗透率变化则相对复杂,实验过程中出现较大幅度的波动,驱替流速变大后,波动的起伏相对较弱。
初步分析认为:煤岩中黏土矿物可显著影响渗透率的变化。11号煤的黏土矿物含量最高,其黏滞吸附力最强,黏滞吸附作用会使分散的煤粉颗粒迅速聚合。同时黏土矿物在驱替液的冲蚀作用下容易从骨架颗粒上脱落,随驱替液易于迁移而产出,渗透率则迅速提升。3号煤、5号煤的黏土矿物含量较少,在围压稳定时,煤粉颗粒相对更分散,颗粒间结合力更小,驱替流速越小,煤粉的运移排出过程就越复杂,渗透率变化则会越无序(李小明等,2015)。
图5-23 不同煤岩组分的原生结构煤在5MPa-5mL/min条件下渗透率曲线
图5-24 不同煤岩组分的原生结构煤在5MPa-15mL/min条件下渗透率曲线
图5-25 不同煤岩组分的原生结构煤在5MPa-25mL/min条件下渗透率曲线
2.驱替流速稳定,改变围压
根据实验监测数据可知(图5-26,图5-27,图5-28),在等流速、变围压实验条件下,随着围压增大,煤岩渗透率均有所降低,不同煤岩组分的3号煤、5号煤、11号煤渗透率变化差异明显。11号煤的渗透率变化最小,其次是5号煤,渗透率变化最大的是3号煤。初步分析认为:煤岩中镜质组的易脆性影响渗透率的变化。围压的提高会造成性脆易碎的镜质组破裂,趋于碎屑、粉末状。这导致3号、5号煤形成了更多的煤粉颗粒。同时较少的黏土矿物含量无法有效地使煤粉颗粒聚合,导致煤粉整体运移缓慢,而后期煤粉排出增多未能疏通逐渐堵塞的有效导流裂缝,表现为渗透率持续降低。
图5-26 不同煤岩组分的原生结构煤在10mL/min-3MPa条件下渗透率曲线
图5-27 不同煤岩组分的原生结构煤在10mL/min-5MPa条件下渗透率曲线
图5-28 不同煤岩组分的原生结构煤在10mL/min-7MPa条件下渗透率曲线
综上所述,渗透率受煤岩中镜质组及黏土矿物含量的影响较大。其中11号煤的渗透率受驱替流速的影响最大,3号煤次之,5号煤最小;3号煤的渗透率受围压的影响最大,5号煤次之,11号煤最小。镜质组含量越多,产出煤粉受围压变化的影响越大;黏土矿物含量越多,产出煤粉受驱替流速变化的影响越大。因此,针对具有不同组分特征的煤储层,开采煤层气、控制煤粉产出需要采取合理的生产调控方案,尽量减轻、缓和煤储层压力波动,降低对煤储层的伤害(李小明等,2015)。
典型实例
不同煤阶煤层形成地质背景、气藏特征和成藏过程有着明显的差别，本节以世界上最典型的我国沁水盆地高煤阶煤层气、美国圣胡安盆地中煤阶煤层气和美国粉河盆地低煤阶煤层气为例，说明不同类型煤层气的特点和成藏机制。
一、沁水盆地东南部高煤阶煤层气
沁水盆地是我国煤层气商业化开发较早，也是目前我国煤层气产量最高的含煤盆地，是世界上高煤阶煤层气的典型代表。中联煤层气公司、中石油煤层气公司、蓝焰公司等单位近些年来的勘探，相继在盆地南部的潘庄、寺庄、樊庄等区块获得了高产煤层气井，最高产量达16000m3/d，平均稳产可达2000～3000m3/d。
1.地质背景
沁水盆地位于山西省中南部，四周分别被太行山、中条山、吕梁山和五台山隆起所围限。石炭-二叠纪华北克拉通接受了广泛的含煤沉积后，由于印支运动，特别是燕山运动的作用，使地层抬升遭受剥蚀，形成了多个晚古生代残留盆地，沁水盆地是其中之一。该残留盆地总体上为一走向NNE的宽缓复式向斜，区内构造简单，断层稀少，地层倾角为50°左右，宽缓的NNE和近SN向次级褶曲发育。盆地南部地区是我国重要的煤层气勘探区，蕴藏着丰富的煤层气资源，目前已成为中国煤层气勘探开发的热点地区之一。
2.煤层气特征
沁水盆地南部煤层气的主要煤层为山西组的3号煤和太原组的15号煤(图4-26)。其中15号煤一般厚度为1～6m，平均厚3m，煤层分布的总体趋势为东厚西薄、北厚南薄，属较稳定煤层。3号煤层厚度为4～7m，平均厚度为6m，总体上表现为东厚西薄，分布稳定(图4-27)。15号煤埋深在0～900m，大部分区域不超过700m，3号煤层比15号煤层浅数十米。这一埋藏深度非常有利于煤层气开发。
沁水盆地南部煤层气含量高，3号煤含气量高于15号煤。山西组3号煤层含气量一般为8～30m3/t，最高可达37m3/t，太原组15号煤层含气量一般为10～20m3/t，最高可达26m3/t。端氏—潘庄—樊庄一带煤层气含气量高，是煤层气富集的主要地区。另外，在研究区内北部的枣园地区，煤层气含量相对较高，形成了一个小型的煤层气富集中心。3号煤含气饱和度为87%～98%，平均93%;15号煤含气饱和度为71%～76%，平均74%。总体看煤层气含气饱和度低，以欠饱和为主，个别呈饱和状态。煤层气资源丰度高，达到2×108m3/km2以上。以甲烷含量80%为下限，浅部煤层气风氧化带的深度一般在180m左右。
图4-26 沁水盆地石炭-二叠系含煤地层综合柱状图
图4-27 山西组3号煤层(左)和太原组15号煤层(右)厚度等值线
煤层气组分以甲烷为主，其含量一般大于98%，分布范围为98.16%～98.99%，此外含少量的N2(0.96%～1.63%)、CO2(0.02%～0.15%)，重烃气只有少量C2，含量仅0.012%～0.029%。
煤层孔隙主要为微孔和过渡孔，具有少量的中孔和大孔，煤层孔隙具有一定的连通性，有效孔隙度在1.15%～7.69%之间，一般＜5%。煤储层渗透率为(0.1～6.7)×10-3μm2，一般不超过2×10-3μm2，具有明显的方向性，沿主裂隙方向具有最大的渗透率。由浅部向深部渗透率逐渐降低，渗透率随地应力的增加而减小。
沁水盆地南部煤的吸附能力大，兰氏体积一般在28.08～57.87m3/t，兰格缪尔压力为1.91～3.99MPa，其中晋城地区等温吸附试验数据表明，原煤和可燃质的兰氏体积分别为35.30～43.11m3/t和41.40～57.87m3/t，兰格缪尔压力为2.13～3.77MPa。
沁南煤层气储层压力具有偏低的特点，一般情况下，3号煤储层压力为0.08～3.36MPa，15号煤储层压力为2.24～6.09MPa，压力系数多小于0.8，属于欠压储层，个别地区存在正常压力，异常高压罕见。
3号煤的顶板多为泥岩和粉砂质泥岩，其次为粉、细砂岩，直接顶板厚度多在10m以上，樊庄—潘庄区块厚达24～55m，晋试1井3号煤直接顶板厚30m，山西组泥岩厚55.4m，区域盖层厚159m，底板以粉砂质泥岩为主，泥岩裂隙不发育，空间上连续稳定分布，封盖能力较强，对煤层气保存有利。15号煤层顶板为区域分布稳定的浅海相灰岩(K2灰岩)。研究区内灰岩裂隙不发育，封盖性能好。寺头断层附近灰岩裂隙十分发育，为透气层。3号煤泥岩盖层突破压力为3～10MPa，15号煤灰岩为2～15MPa，封盖能力强。根据3号、15号煤层盖层类型及分布、构造形态和裂隙特征分析认为，3号煤优于15号煤层，这是15号煤含气量低于3号煤的主因。晋试1井周围地区盖层分布及盖层封堵能力是目前已知研究区中最好的，是保存条件最好、煤层气含量最高的地区之一。
沁南煤层气的侧向上主要受边界断层和水动力封闭，可能存在物性边界封闭，但其到目前为止还没有直接的证据。沁南煤层气西部为封闭性的寺头断层，东部和南部的主要边界为水动力边界。气藏的北部主要受地下水分水岭控制，该分水岭呈东西向展布，东部至露头，西部至寺头断层。
3.煤层气成藏过程与成藏机制
沁水盆地的构造发展经历了前古生代的盆地基地发育形成阶段及新生代的边缘改造阶段。上古生界有利的成煤环境形成了厚且连续稳定的煤层，构成了煤层气富集成藏的物质基础。太原组15号煤和山西组3号煤煤层厚度较大，连续性好，埋藏深度较浅，渗透率中等-较好，煤储层吸附能力强，是较好的储层。
印支期与燕山期的两次变质作用，形成了高阶无烟煤，镜质组反射率达2.2%～4.0%。对应的两次生烃生成了大量煤层气，晚期生烃起主要作用。所生成的煤层气在喜马拉雅期持续抬升过程中发生了严重的调整与改造，最终形成了现今的沁南煤层气。
煤层具备较强封闭能力的顶底板，侧向上存在封闭性的边界，如封闭性的寺头断层、地下水分水岭和沿露头的水动力封堵。地下水在补给—运移—汇聚过程中，在空间上依次形成了补给区—径流区—滞流区。在浅部补给区是煤层气逸散带，含气量低;中部径流区煤层气含量中等，对应于地下水径流区;深部滞流区是煤层气的有利聚集区，形成了高含气量分布区。
二、圣胡安盆地中煤阶煤层气
1.地质背景
圣胡安(San Juan)盆地位于美国新墨西哥州西北及科罗拉多州西南的科罗拉多高原(Colo-rado Plateau)的东—中部。它是晚白垩世到古近纪形成的圆形不对称构造盆地。盆地内上白垩统的沉积中心和向斜轴在盆地北缘和北东缘附近，并与之平行。
盆地内整个白垩系均有煤层分布，但最重要的煤层和煤层气资源存在于Fruitland组中，该组出露面积17350km2。Fruitland组煤层从地表到地下1280m均有分布。通过计算知Fruitland组深度大于400ft(＞122m)的煤层煤炭资源量为2450×108t，煤层气为43～49Tcf。其中Fruitland Fairway煤层气富集区带是目前世界上最大的巨型煤层气富集区，面积600km2，年产量占美国煤层气年产量的50%左右，该富集区带已经采出2500×108m3以上的煤层气。
2.煤层气特征
圣胡安盆地Fruitland组煤层气分析表明，虽然许多煤层气在化学成分上是干气，但是有很大一部分是湿气。据研究发现从Fruitland煤中解析出来的气的C1/C1-5值的变化范围为0.81～1.00。Fruitland煤层气的乙烷含量变化范围是从0到大于11%，二氧化碳含量变化范围从小于1%到大于13%。含二氧化碳最高的煤层气来自盆地的中北部，盆地南部煤层气二氧化碳含量一般小于1%。
根据水文地质特征可以将圣胡安盆地分成3个区带:1带位于盆地北部超压区，是地下水汇聚区，圣胡安盆地大部分煤层气高产井位于该区;2带位于盆地中西部地区，为欠压区;3带位于盆地中东部地区，为欠压地区(图4-28)。
图4-28 圣胡安盆地压力分布及分带图
如表4-9所示，1带煤层厚度大，普遍大于10m，煤层气含气量较高，渗透率较大。根据气渗透性特征，可以将1带进一步划分为3个区，即1A区、1B区和1C区。1A区最大净煤厚度可达21m，煤层气含气量高，一般大于14m3/t，储层渗透率大，最高可达60×10-3μm2，最高产气量可达28000～168000m3/d，是圣胡安盆地的“甜点”地区。该区为地下水滞留区，储层压力高，压力梯度超过11.3MPa/100m，为超高压储层。1B区和1C区相对1A区来说，煤层厚度和含气量较小，煤层气含气量为5.6～11.2m3/t，位于地下水弱径流带，压力梯度为9.79～11.3MPa/100m，为超压储层。
表4-9 圣胡安盆地和粉河盆地煤层气地质特征参数
(据Ayers，2002)
2带最大产气量为850～14000m3/d，煤层厚度为9～15m，煤层气含气量一般小于4.25m3/t，煤层气保存条件不如1带，大部分储层处于欠压状态，煤储层渗透率为(5～25)×10-3μm2。
3带最大日产气量小于1400m3/d，煤层厚度为9～15m，煤层气含气量一般小于4.25m3/t，煤储层渗透性较差，渗透率一般小于5×10-3μm2，为欠压储层。
较大的煤层厚度和含气量是圣胡安盆地1带煤层气资源丰度高的原因之一。而较高的储层压力和渗透率有利于煤层气井的高产。
3.煤层气成藏过程与成藏机制
煤层甲烷的产能取决于其渗透性、煤的分布与埋藏历史(等级)、气体含量、流体动力学、沉积结构以及构造趋势等。要形成高的产能，就要求这些相关的地质和水文条件能够协调组合。
在圣胡安盆地，与岩浆热事件有关的热演化作用和流体动力学共同发生作用，从而在盆地中北部较浅的部位生成了大量的气体。气体含量比预期要高，这是沿构造转折线迁移的气体被常规流体动力学圈闭的，也反映了有煤层次生生物成因气的生成。目前的水文系统是在埋藏、热成因气生成并沿盆地边缘上升、侵蚀后建立起来的(图4-29步骤①)。流向盆地的地下水沿构造断层枢纽线通过高等级的(中、低挥发性沥青质)、高气体含量的煤向低等级(高挥发性B型和A型沥青质)煤流动(图4-29步骤②)。这些地下水将细菌带入，细菌作用于煤化过程中产生的正烷烃和湿气，从而生成次生生物成因甲烷和CO2(图4-29步骤③)。当地下水流向盆地时，不断推进的前锋预先扫除那些在它之前被溶解或夹带的气体，这些气体最终被吸附或填充进普通圈闭的裂隙之中(图4-29步骤④)。流体动力学对煤层气富集的明显贡献表现在它维持了Fruitland等势面、煤层气成分和开采量之间良好的关系。
图4-29 圣胡安盆地Fruitland组和Pictured Cliffs砂岩地下水系统剖面图
三、粉河盆地低煤阶煤层气
1.地质背景
粉河盆地是目前世界上在未成熟低煤阶煤层中获得煤层气商业开发最成功的地区。盆地位于美国怀俄明州东北部和蒙大拿州东南部，面积66800km2，是位于逆冲断层带的山间构造盆地(残留盆地)。盆地东部以Black Hills隆起为界，西部由一系列复杂的基底推覆构造和白垩系-古新统逆冲断层构成。盆地内含煤地层构造相对简单，褶皱和断层稀少，向斜的轴心位于盆地的西部边缘，在向斜的东翼，地层倾角平缓(西倾)，为2.5°左右。盆地的北部和东北部向西、西南倾，倾角1°，而在大角隆起附近的盆地西翼向东倾，倾角平均为5°～25°(图4-30)。
图4-30 粉河盆地区域剖面示意图
粉河盆地煤层气资源量估计为(0.28～1.84)×1012m3(最可能的是0.849×1012m3)(Scott，1999)。粉河盆地具有并不太长的开发历史，但是产量却增长迅速。1991年，粉河盆地产气井仅54口，年平均气产量为2500×104m3。1993年底，有煤层气井332口。2000年10月，煤层气井已增加到4000口。2001年产气井有8167口，产气量为69×108m3。到2003年为止，粉河盆地的煤层气井已超过12000口，煤层气产量占美国煤层气产量的第二位，总产量为145×108m3，其中2000和2001年产出占77%。
2.煤层气特征
粉河盆地的主要含煤地层为古近系，目的层包括Fort Union组Tongue River段和中新世Wasatch组煤层。Wasatch和Fort Union组煤层煤级从褐煤到亚烟煤(Ro=0.3%～0.4%)，局部为高挥发分烟煤C，没有达到可以大量产生热成因甲烷的成熟度。
Fort Union组最厚的煤层赋存在厚460～550m的Tongue River段，该段下伏为Lebo页岩和Tullock砂泥岩互层段。Tongue River段煤层在盆地的北部和东部被很好地揭露，发育8～10层连续的亚烟煤层。这些厚煤层中最厚的被称为Wyodak-Anderson煤层，出露在盆地东部边缘，通常厚15～30m，局部可达到45m。
粉河盆地另一重要的含煤地层是埋深305～610m的Wasatch组，主要由细至中粒透镜状、横向不连续的砂岩和细粒沉积层如页岩、粉砂岩、泥岩及灰岩互层而成。Wasatch组含8层厚而连续的煤层，其中厚度最大、连续程度最好的煤层位于盆地的西部和中部。Wasatch组煤层比Fort Union组煤层薄，最大厚度为9～16m，局部可达67m。在粉河盆地的多数地区，Wasatch组煤层上覆地层厚度小于61m，因此不是煤层气开发的主要目标。
粉河盆地煤层气成分几乎全为甲烷，C1/C1-5＞0.97，二氧化碳含量非常低(1.5%～2%)，整个盆地煤层气成分是一致的。粉河盆地煤层含气量普遍较低，一般为0.78～1.6m3/t，最大一般不超过4m3/t。含气量随着煤层埋藏深度的增加有所增加。
粉河盆地煤割理孔隙度一般为0.1%～1.0%;基质孔隙度变化较大，从1%到10%不等，随着深度增加呈降低趋势。粉河盆地煤储层裂隙渗透性一般极高，介于(35～500)×10-3μm2之间;煤基质渗透率非常低，而且变化大，从0.001×10-3μm2到1.0×10-3μm2不等。由于受到褶皱、挤压构造、小型断层的影响，Tongue River煤的渗透率很高，从10×10-3μm2至150×10-3μm2。Wyodak煤层渗透率从10×10-3μm2到数达西。粉河盆地渗透率异常高的原因有:煤层本身的割理渗透率高;Tongue River煤层巨厚，总厚24～45m，造成煤层的导流能力强;巨厚煤层中夹的砂岩具有较高的渗透率;煤层中发育的垂直割理系统与砂岩导通。
等温吸附线显示，吸附量随压力增加而增大，但增幅较小，表现为吸附曲线较为平缓，煤兰氏体积为15m3/t，兰氏压力为9.66MPa。
粉河盆地古近纪煤层气上覆盖层为Wasatch组，岩性为细-中粒透镜状、横向不连续的砂岩、泥岩，泥岩横向不连续，封闭能力差。起封闭作用的是顶板网络状渗滤形成的水力封堵。下封闭层为Fort Union组Lebo页岩段和Tullock段。Tullock段厚度为113～438m(370～1440ft)，由透镜状、横向不连续的细-中粒砂岩、泥岩、少量灰岩、薄煤层互层而成，渗透性强。Lebo页岩段厚度约152～518m(499～1700ft)，由页岩或泥岩与少量砂岩、粉砂岩、稀少的煤层互层而成，是一个隔水层，它将Tullock段和Tongue段隔开，对Tongue段煤层气起一定的封闭作用。
侧向上的封闭主要为水动力封闭和岩性封闭。粉河盆地煤层气的部分煤层向盆地内尖灭于页岩，具有较高的排驱压力，对煤层气的保存十分有利。
3.煤层气成藏过程与成藏机制
粉河盆地是晚白垩世和古近纪拉拉米运动期间所形成的年轻盆地。晚白垩世时期，粉河盆地的西部和西南部受拉拉米隆起影响遭受剥蚀，剥蚀深度直到前寒武纪核部地层。古新世中期，粉河盆地东部边缘隆起沿一系列逆冲断层展布，该隆起是盆地的主要物源，此期间形成湖泊环境。晚古新世东部进一步抬升与剥蚀，向盆地提供粗碎屑物质。在整个古新世期间，主要含煤地层Fort Union组形成，在微生物降解的作用下，烃类生成。始新世时期，东部继续抬升，沿着山脉侧翼沉积了砾质冲积扇，另一主要含煤地层Wasatch组形成，烃类继续生成，粉河盆地煤层气形成。渐新世以来，盆地进一步被改造。盆地充填至少持续到中新世早期，这一阶段甚至可能持续到中新世中期。随后，发生区域性隆起，结果粉河盆地大范围向北倾斜;同时形成了南北流向的粉河和东北流向的Belle Fourche河。几乎在同一时期，盆地南—东南边缘形成了正断层。区域性隆起和局部断裂作用对粉河盆地进行改造使山脉剥露，且持续至今。在水动力及微生物的作用下，煤层气大量产生并持续至今，煤层气最终形成。
0条大神的评论