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煤层气储层异常高压的形成机制

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煤层气 异常 高压 形成 机制
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   3 国家自然科学基金 (项目号 :49702027)与河南省自然科学基金资助项目。3 3 苏现波 ,1963 年生 ;1988 年毕业于中国矿业大学北京校区 ,长期从事煤层气地质学与勘探开发研究工作。地址 : (454000)河南省焦作市焦作工学院资源与环境工程系。电话 : (0391) 2930901。煤层气储层异常高压的形成机制 3苏现波 3 3  张丽萍(焦作工学院化石燃料研究所 )苏现波等 . 煤层气储层异常高压的形成机制 . 天然气工业 ,2002 ;22 (4) :15~ 18摘 要   本文根据国内外煤矿开采、煤层气勘探开发过程中获取的大量煤层气储层压力测试资料 ,对煤层气储层异常高压的形成机制进行了系统探讨。将异常高压区分为两类 :其一属地下水动力封闭型 ,以美国圣胡安盆地为代表 ;其二为自封闭型 ,以突出煤层为代表。最后探讨了异常高压对煤层气勘探开发和煤与瓦斯突出的影响。主题词   煤层气  异常高压  研究意义  形成机制近 10 多年来 ,异常地层压力 ,特别是高压流体封存箱理论在油气勘探中得到了广泛应用 (张厚福等 ,1999 年 ; 1998 年 ; ,1998 年 ;陈宝宁等 2001 年 ) ,但关于煤层气储层异常高压的形成机理及其在煤层气勘探开发和煤与瓦斯突出预测中的应用却少有人涉及 (张延庆等 ,2001 年 ) 。煤层气储层异常高压的研究可为煤层气勘探开发工艺选择提供信息 ,为煤炭开采过程中的煤与瓦斯突出预测提供理论依据 ,具有重要的理论意义和实际意义。本文根据国内外煤炭开采阶段和煤层气勘探开发阶段采集的大量煤层气储层压力资料 ,对煤层气储层异常高压的类型及其形成机制进行了系统论述 ,并将这一理论应用到煤层气勘探开发和煤与瓦斯突出预测中。异常高压的类型与形成机制根据煤层气储层自身的特征和所处的地质背景 ,煤层气储层异常高压可区分为两类 :水动力封闭型和自封闭型 ,分述如下。11 水动力封闭型地下水由补给区沿渗透性良好的煤储层向深部运移 ,在盆地深部遇到渗透性差的致密带后形成异常高压 ,是一个由水动力封闭的异常高压地质体 ,确切地说是一个水动力封闭的高压煤层气藏。该类型以美国的圣胡安盆地 煤储层为代表。由 167 个圣胡安盆地 砂岩和煤层的压力与深度的资料分析 ,有半数以上的点处于异常高压状态 ,基本上来自盆地中部 ;其它处于欠压状态 ,多数来自盆地中西部和南部 ;极少点处于正常压力状态 (图 1) 。图 1  圣胡安盆地 压力与深度关系图(据王新民等修改 ,1998)·51·第 22 卷第 4 期               天 然 气 工 业               地 质 勘 探© 1995o.,  区域上 ,可划分为超压区 (压力梯度大于 9179 m) 和欠压区 (压力梯度小于 9179m) 。超压区位于盆地的中北部 ,面积约 2 590超压区在各个方向被欠压区围限 ,但转换形式不同。盆地北部与西北部高压向欠压的南部和东北部高压与欠压的转换带与构造枢纽线一致 ,亦与煤系地层的尖灭相一致。的特征为一个较大范围的欠压区包围一个较小范围的超压区。这种压力状态的产生与盆地的演化历史密切相关。 在渐新世达到最大埋深 (2 743 m) ,同时受火成岩侵入的影响 ,造成大量的烃类生成 ,并形成了高压状态。可见这一阶段高压的形成是埋藏和烃类不断生成的结果 ,是 经历的第一次高压状态。在渐新世晚期 ,盆地基底的抬升和剥蚀使 的埋深降至不足 1 000 m ,仅温度的降低即可使超压转化为欠压 ,同时还有因剥蚀造成的地层流体向地表的排泄逸出。因此在渐新世晚期 ,全盆范围内的 今 超压的形成是中上新世压力恢复事件的结果。即超压是地下水动力作用的结果 :盆地北部边缘补给区不断抬升 ,大气降水沿含水层 (主要是 煤层 )向盆地深部运移 ,在低渗带受到阻挡。随补给区的不断抬升 ,水头抬升 ,以致出露地表 ,从而形成高压异常 (图 2) 。图 2  圣胡安盆地第三系、 和 据王新民等修改 ,1998)地、 地的 据这些盆地异常压力的研究 ,可概括出水动力封闭型异常高压储层形成必备的 4 个条件 : ①中煤级以上、连续性强、渗透性强的煤储层是前提条件 ; ②由补给区向盆地方向的地下水运移是必备条件 ; ③运移以盆地内部煤层非渗透性边界为终点 ,这种边界可以是构造枢纽线、断层、相变等。其展布方向与地下水运移方向垂直。④地下水运移过程中 ,沿途将携带热成因甲烷和次生生物成因甲烷运至非渗透性边界处聚集 ,并由侧向流转化为垂向流形成常规高压圈闭气藏与煤层气藏共存的现象。国内水动力封闭型煤层气储层在沁水盆地、六盘水地区、淮南地区、开平向斜西北翼、大城、柳林等地区均存在 ,但异常高压现象比较少见 ,仅大城地区存在与美国圣胡安盆地类似的情况 ,图 3可清晰地图 3  大城目标区水文地质剖面示意图(据中国煤田地质总局 ,1998)·61·地 质 勘 探                天 然 气 工 业                 2002 年 7 月© 1995o., 1 自封闭型另一类煤层气高压封存箱是自封闭型 ,其特征与成因和常规油气异常高压储层与水动力封闭型异常高压煤层气储层存在显著差异。自封闭型异常高压煤层气储层实际上是一个孤立的、处于异常高压状态的煤体 ,类似于油气高压流体封存箱。根据国内外 205 个煤矿煤层气压力资料统计(据于不凡等 ,1998 年 ) ,发现大约 20 %处于高压状态 ,而且几乎无一例外地来自于突出煤层 (图 4) 。压力在空间上存在强烈的非均质性 ,同样埋深情况下 ,同一矿区不同井田、同一井田不同采区、同一采区不同工作面之间瓦斯压力差异显著。这种强烈的非均质性受构造应力、煤体结构特征和瓦斯含量等多重因素控制。图 4  煤层瓦斯压力与深度的关系(原始数据于不凡 )瓦斯地质学研究表明煤体结构的空间展布存在强烈的非均质性。根据煤体遭受构造破坏的程度 ,可将其区分为原生结构煤、碎裂煤、碎粒煤和糜棱煤4 类 (焦作矿业学院 ,1991 年 ) 。自封闭型异常高压一般形成于渗透性极差的碎粒煤和糜棱煤中。碎粒煤和糜棱煤是煤的物质组成和构造应力共同作用的结果 ,以断裂作用、褶皱作用和层间滑动为主要方式。值得注意的是剪切面附近的煤体特征 :在剪切面处往往存在一层从毫米级到厘米级厚的粒度极细(数十微米到数百微米 ) 的煤、岩粉 ,并且具有一定的强度。这种煤、岩粉对它所围限的煤体内煤层气的赋存和异常高压的形成极其有利 ,可能是煤层气自我封闭的主要原因。同一井田 ,同一采区 ,甚至同一工作面 ,相同埋深条件下 ,储层压力存在显著差异。同一地区不同煤层之间压力梯度差异更为显著。这种侧向和垂向上压力梯度的差异充分说明不同压力系统的存在 ,即多个异常压力封存箱的存在。自封闭型煤层气异常高压的形成机制与温度、烃类形成和抬升、剥蚀有关。在煤层形成并达到最大埋深后 ,温度、静水压力和烃类生成量均达到了最大值。如果构造应力的作用使得低渗的碎粒煤和糜棱煤孤立几何体形成 ,那么几何体内部就保存了该温度、压力条件下的流体 (煤层气和水 ) ,并处于自封闭状态。即煤层气封存箱形成于该阶段。当构造运动造成煤层抬升剥蚀后 ,静水压力、温度降低 ,烃类的生成终止。如果煤层气封存箱的封闭性没有被打破 ,则可出现两种情形 :一是温度的降低使得储层内流体的体积减小 ,从而造成压力降低 ,如果压力降低的幅度低于静水压力降低幅度 ,则形成高压 ;反之形成欠压。如果封存箱的封闭性因剥蚀而被打破 ,则形成欠压。综上所述 ,自封闭型煤层气异常高压的形成必须具备以下 3 个条件 : ①低渗、特低渗储层的存在是前提条件 ,即发育碎粒煤 ,特殊是糜棱煤 ; ②抬升前的自封闭状态已经形成 ,抬升过程中封闭体不被破坏 ,且抬升引起的温度、静水压力降低幅度高于储层压力降低幅度 ; ③异常高压体存在可能的边界 ,如致密的煤、岩粉薄层。上述两类煤层气储层异常高压及其与常规油气异常高压的特征比较见表 1。异常高压的研究意义及结论11 研究意义煤层气储层异常高压的研究对于煤层气勘探开发和煤矿瓦斯灾害治理具有重要意义。对于煤层气开发而言 ,储层裂隙发育、连通性好、渗透性强、储层压力高是高产、稳产的有利条件。也就是说 ,水动力封闭型煤层气储层异常高压区是煤层气开发的最有利地带 ,是目前煤层气开发工艺条件下优先选择的目标。因此 ,在盆地范围内寻找这类压力状态的储层是勘探阶段或开发初期的主要任务。美国 地北部的高渗、高压区煤层气的勘探开发充分证实了这一结论。自封闭型异煤层气储层异常高压与煤矿瓦斯灾害之间存在密切关系。该类储层以低渗、高储气能力为特点。煤炭开采进入该类异常压力体 ,往往易发生煤与瓦斯突出。因此 ,查明这类封存箱的空间分布规律 ,对煤与瓦斯突出预测和治理方案的选择具有重要意义。·71·第 22 卷第 4 期               天 然 气 工 业               地 质 勘 探© 1995o., 论通过大量煤层气压力测试资料的分析 ,本文将异常高压煤层气储层区分为两类 :水动力封闭型和自封闭型 ,分别对其特征和形成机制进行了系统论述 ,探讨了煤层气储层异常高压理论在煤层气勘探开发和煤与瓦斯突出预测中的应用。表 1  异常压力煤层气封存箱的类型及其与常规油气封存箱的比较项  目 煤储层特征 封闭机制 压力机制 流体来源 代表性地区煤层气异常高压类型及特征水动力封闭型原生结构煤或碎裂煤 ,储层渗透性良好。作为一个独立的流体单元一般规模较大。上下为低渗的煤层顶底板围限 ,流体运移方向上存在渗透性壁障 (断层、相变、构造枢纽线 ) 。向补给区方向与大气降水沟通。为不完整的封存箱。异常高压的形成是现今地下水动力作用的结果。地下水由被给区沿高渗煤储层向深部运移 ,并在渗透性壁障处存在上升流 ,造成常规水动力圈闭气藏。煤层自身生成的气体、大气降水、地下水运移过程中沿途携带的热成因和次生生物成因煤层气。美国的 地和 煤层。自封闭型碎粒煤和糜棱煤 ,储层渗透性极差。单一的流体单元规模可大可小 ,但一般小于水动力封闭型。以低渗透性而自我封闭 ;或以断层、剪切破坏形成的致密煤岩粉层等作为封闭边界。受埋藏和抬升、剥蚀过程中烃类的形成、温度的变化控制。埋藏阶段形成的地层压力在封闭箱内于抬升、剥蚀后得到保持。抬升后因温度的降低 ,流体体积减小造成超压和欠压现象。封存箱内煤体自身形成的烃类和封存箱形成的时的地层水。中国的南桐、天府、白沙、连邵、北票 ,俄罗斯的库兹巴斯 ,哈萨克斯坦的卡拉甘达 ,美国的比阿特丽塞等存在高压封存箱。其它众多的瓦斯突出矿井存在欠压封存箱。常规油气异常高压特征储层为无机岩 ,储集空间为孔隙或裂隙。断层、成岩作用形成的致密层等为封闭层。多种形成机制 :热应力、机械压力、水动力、化学压力等。地层水和由烃源岩运移来的源类。多数沉积盆地均有发现。参  考  文  献1   张厚福 ,方朝亮 ,高先志 ,张枝焕 ,蒋有录 . 石油地质学 . 北京 :石油工业出版社 ,19992   D. a ,1998 ,22 :137~ 1473   G. , N. , L . in of . ,1998 ,22 :19~ 264   陈玉宁 ,王宁 . 异常流体压力研究进展与方法实践 . 油气地质与采收率 ,2001 ;8 (10)5   张延庆 ,唐书恒 . 华北部分矿区煤储层压力研究 . 地球科学 ,2001 ;22 (2)6   王新民 ,傅长生等译 . 国外煤层气勘探开发研究实例 . 北京 :石油工业出版社 ,19987   于不凡 ,王佑安 . 煤矿瓦斯灾害治理与利用 . 北京 :地质出版社 ,19988   中国煤田地质总局 . 中国煤层气资源 . 北京 :中国矿业大学出版社 ,19989   焦作矿业学院 . 瓦斯地质概论 . 北京 :煤炭工业出版社 ,1991(收稿日期   2001 - 12 - 18  编辑   黄君权 )·81·地 质 勘 探                天 然 气 工 业                 2002 年 7 月© 1995o., . N A . . v. 22 ,4. 10~ 14 ,7/ 25/ 2002. ( 0976 ; It is of to in ’ is of or of in ’ by , l2 of of is of > 150 g/ l) , ≤ 0. 3) ≤ 0. 2) , > 15) , > 40 l) > 2. 0l) in be a by it is or E’ , is in on   510640) , (020) 85290190 (O) , 85290874 ( H)…………………………. N A . . v. 22 , 15~ 18 ,7/ 25/ 2002. ( 0976 ; It is in on a of of on be is as an in S. A. is In it is on as as of , 963 , 988. He in on a   454000) , P. R. (0391) 2930901…………………………N . N A . . v. 22 ,4. 19~23 ,7/ 25/ 2002. ( 0976 ; It is as of in of in In a in of of on on of a of of of in a of in as of of of ·N A A L R Y/ 2002© 1995o.,
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