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泥岩超压层封闭煤层气能力分析_王翰锋

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泥岩 超压层 封闭 煤层气 能力 分析 王翰锋
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第 43 卷第 6 期煤 炭 科 学 技 术3 2015 年 6 月 015泥岩超压层封闭煤层气能力分析王 翰 锋( 煤炭科学技术研究院有限公司,北京 100013)摘 要: 覆岩( 盖层) 密闭性是煤层气储层资源量决定条件之一 。通过对泥岩超压层的成因和性质分析,建立煤层气储层渗流的数学方程,探讨稳定地质条件下煤层气运移的约束条件 。研究发现,泥岩超压的形成具有阶段性,受地质条件变化控制; 超压层封闭一定压力气体需达到一定深度,随着埋深增加和地温升高,覆岩孔隙度递减导致超压变化,覆岩对孔隙水的吸附阻力与底部岩层的排替压力也随之发生改变,逐步提高覆岩对煤层气的封闭能力 。关键词: 煤层气; 运移; 超压; 覆岩含水层中图分类号: 献标志码: A 文章编号: 0253-2336( 2015) 06-0081-04on 00013, of of to of on of a of of by of an a of to of of of to be ey in 2015-01-17; 责任编辑: 王晓珍 10.13199/j. 015.06.015基金项目: “十二五 ”国家科技支撑计划资助项目( 2012者简介: 王翰锋( 1978—) ,男,辽宁彰武人,副研究员,博士 。引用格式: 王翰锋 . 泥岩超压层封闭煤层气能力分析[ J] . 煤炭科学技术, 2015, 43( 6) : 81-84.on of J] . 2015, 43( 6) :81-84.0 引 言煤层气作为煤体的伴生物,其赋存状态和运移能力除了取决于煤层的赋存条件外,关键受围岩结构完整性和封闭能力控制 。研究煤层气的运移能力,其覆岩( 盖层) 的物理力学参数及结构性质是重点研究对象[ 1-2],大量研究表明[ 3-6],泥岩内部流体的运移能力影响储层气体( 煤层气) 的赋存稳定性,尤其是超压泥岩孔隙结构及其组分构成成为制约储层资源量的核心要素之一 。不同的埋深条件决定泥岩结构的差异,总体而言,在埋深 1 500 ~2 500 m 泥岩界面物性优于内部[ 1, 3], 1 500 m 以浅范围泥岩界面与内部物性差异取决于具体的成岩条件 。在该临界深度范围附近,古地温大约达到 120 ℃时,泥岩中的黏土矿物中蒙脱石迅速向混层矿物转化,出现部分有序矿物,在此期间由黏土矿物转化导致层间脱水并产出部分 若一定厚度的泥岩中富含有机质,高温及 无机氧化作用下产生大量的有机酸和 对岩层产生显著的溶蚀作用,岩层界面受酸性溶蚀程度更强,孔隙越发育其物性越好,这对邻近层流体运移提供通道[ 3]; 若岩层中有机质含量过低,高温高压作用加速层间水的产生,加上泥岩及182015 年第 6 期煤 炭 科 学 技 术第 43 卷上部岩层的加速沉积或压实作用,导致致密层的发育,超压作用显现 。因此,储层或盖层超压形成在很大程度上取决于泥岩矿物组分和有机质含量,其对气体的封闭能力还受其他因素控制 。基于煤层气地质理论,笔者通过建立超压条件下气体渗流方程,分析超压盖层结构封闭气体稳压条件,探讨超压形成的多阶段变化规律,为储层或盖层超压封闭气体能力预测提供理论依据 。1 超压盖层结构1.1 超压盖层形成泥岩特别是高演化泥岩的封闭性一直存在争议,但大多学者认为沉积岩由沉积至成岩过程经历了沉积→固结→致密化→变质等过程[ 7]。作为典型的沉积岩,泥岩在岩层沉积过程中( 尤其是盆地内) ,受不同沉积条件控制,部分厚层泥岩沉积速率相对过快,在水热增压 、黏土脱水和有机质成烃等综合作用下,在欠压实泥岩层内部形成超压[ 8-9]。超压盖层包括上 、下致密层和中间欠压实层 3 个部分( 图 1) ,前者为正常压实段,其孔隙度和渗透率明显低于中间欠压实层段,其内部毛细管阻力 致密层内孔隙流体压力为静水压力,而欠压实层段受热压及化学成烃综合作用,孔隙流体压力远高于该层位的静水压力,上下致密层和中间欠压实层形成中的流体形成了典型的超压层结构 。P—流体压力; H—埋深; 体超压图 1 煤层气储层的超压盖层结构 BM 超压盖层孔隙结构变化规律大量的统计数据证实[ 10],岩( 煤) 层孔隙度变化是埋深 H 和时间 t 的双重函数,盖层沉积速率过快( 大于 50 m/是超压层形成的直接原因 。对于欠压实层,除了水热增压 、黏土脱水和有机质成烃等综合作用会对原有孔隙结构正向改变,随着沉积作用的连续显现,岩层孔隙度会发生连续负向变化 。对于致密层孔隙度变化,有学者忽略时间函数对其影响,提出孔隙度与地应力之间满足负指数关系[ 4],为此有学者考虑深部岩层变化存在内摩擦作用的黏弹塑性变形,简化为一维条件下岩层变形约等于孔隙度变化[ 11],则采用 型描述地应力和时间对孔隙度的影响,得到dφ/ ρ ρ - σ0/η ( 1)其中: φ 为孔隙度; E 为杨氏模量; η 为黏性系数; σ0为岩体抗压强度; g 为重力加速度; ρ 为岩层的平均密度 。对其两端积分可得到φ = ρ + ρη - σ0t/η + C ( 2)其中, C 为积分常数 。通过式( 2) 看出,孔隙度受控于岩( 煤) 层埋深和埋藏时间 。结合边界条件φ = φ0( H = 0, t = 0) ( 3)则式( 2) 可表示为φ = ρ + ρη - σ0t/η + φ0( 4)式中, φ0为初始孔隙度 。2 超压状态与气体封闭能力关系2.1 超压状态封闭机制在含水泥岩中煤层气欲通过超压泥岩盖层向上运移,至少克服超压层 “夹心 ”结构形成的流体超压层气体运移过程中需要克服覆岩盖层毛细管力 a,这同时是阻止超压气体的导压条件5)里讨论的孔隙结构包括孔径匀化和孔径大小分布特点 。对于普通的毛细管力 σ1, 21/1/r( )2( 6)其中: σ1, 2为流体表面张力; 个主曲率半径 。在均质条件下,吸附阻力 位质量的岩( 煤) 体孔径越小比表面积越大,吸附阻力越强,即 而储层埋深及厚度条件是决定其孔径大小的关键因素 。泥岩超压层的稳定性表现在对通过盖层任意方向的流体有相等的反方向阻力,吸附阻力和毛细管力的复合作用使得泥岩对气体运移形成屏障,抑制煤层气的快速解吸,保持稳定的储层压力 。2.2 储层流体运移设定煤层气突破封闭盖层厚度为 L,则可以采用低速渗流方程( - μv/k - λ ( 7)其中, λ 为气体渗流的启动压力梯度; μ 为气体28王翰锋 : 泥岩超压层封闭煤层气能力分析 2015 年第 6 期黏度; v 为气体流速; k 为岩层渗透率 。在超压泥岩层中保持低速渗流,如不考虑渗透率的各向异性,则 =- μv/k - λ ( 8)合并式( 7) 和式( 8) 可得29)也就是说,由储层顶端通过超压泥岩盖层,需要克服 2 倍超压的吸附阻力才能抵达盖层顶端,这是超压封闭效应 。计算超压泥岩盖层对煤层气的封闭能力,则其最大封闭压力为P = 210)3 多期性超压对气体封闭能力控制3.1 超压作用下的结构失稳沉积过程中随着埋深和地层温度的增加,蒙脱石向伊利石转化脱水和有机质演化作用在进行,盖层封闭体内的流体量进一步增大,对泥岩盖层反作用也逐渐增强 。随着埋深增加泥岩盖层中的超压据 研究[ 12],当局部地层压力为静水压力的 1.4 ~2.4 倍时,岩石产生损伤破断,超压释放; 当压力降至静水压力的 1.2 倍前后时,超压释放结束,随着埋深的增加,重新形成新的封闭系统 。这也证实超压形成和超压失稳必须满足初始埋深和极限深度条件 。3.2 多期性超压对气体封闭能力的控制在新的封闭环境下,随着埋深增加,泥岩在高温下继续脱水成烃( 这也是煤层气储层重烃的组成部分) ,超压继续发育 。由式( 4) 可知,新条件下的泥岩孔隙度发生变化,对其两端关于时间 t 求导可得φt=12ρησ0η( 11)由式( 11) 可知,在正常压实过程中若尚未达到泥岩抗压强度 σ0,φt<0,则岩层孔隙度逐步降低,其渗透率也降低 。根据式( 6) 和式( 10) 可知,随着层的封闭压力有效提高 。当泥岩脱水排气增压速率大于覆岩沉积增压速率时,仍会发生再次失稳破坏,这就形成了多期超压现象,且盖层封闭超压临界压力不断提高,如图 2 所示 。盖层结构超压释放深度可以通过声波时差检测的方法进行预测和检验 。3.3 工程实例分析阜新盆地阜新组的盖层为主体砂质泥岩 、泥质粉砂岩,部分属于屏蔽层煤储集层的甲烷含量在18.3 ~29. 2 m3/t,部分区域形成异常高压储集层 。图 2 煤层气储层多期超压演化示意 of BM J-1、 和 气井的试井分析结果[ 13],孙家湾煤层组的储集层压力为 6. 11~6.74 埋深 730 ~ 757 m) ; 中间煤层组为 6.23 ~6.75 埋深 823 m) ,太平煤层组底部为 8.28 埋深 842 ~851 m) 。据静水压力判断标准,目前数据显示压力中等,这是超压失稳后煤层生烃和盖层泥岩成岩阶段生气排水能力不足所致 。统计发现,孙家湾组晚期和阜新组中期( 中间层) 存在欠压实泥岩( 厚度分别为 53 m 和 47 m) ,扇前洼地沉积泥岩的沉积速率较快,平均沉降速度为66.1 ~ 74. 8 m/层泥岩相继发生超压作用 。阜新组煤层在孙家湾期末期发生第 1 次生烃高峰[ 14],太平煤层为生烃主体,该阶段有机质镜质体反射率最大达 0. 67%; 随后的喜马拉雅期岩浆岩侵入引发二次生烃高峰,局部区域镜质体反射率超过4.95%。多期的成烃作用导致局部煤层气富集,储层压力升高 。当储层压力突破盖层封闭压力极限时,就会形成结构失稳卸压,而后期的构造运动加速了储层压力的降低,这导致了中间层中虽有欠压实层存在,但储层压力不高的现实 。依据文献[ 9]的统计规律,超出静水压力 0. 8倍为起始破裂深度 至静水压力 1. 2 倍为止,如此反复可求( 1. 8ρw- ρ) 12)其中: ρc 为泥岩压实斜率; ΔΔ将相关测试数据带入式( 12) ,可得 63 m,超过该深度超压泥岩就会释放封闭气体 。这为分析储层气体压力变化提供了数据支持 。4 结 论1) 泥岩黏土组分和厚度是超压的决定条件,覆岩的沉积速率是泥岩超压形成的制约条件 。2) 与常规油气的泥岩盖层超压类似,煤层气超压及多期超压形成必须满足最低埋藏深度,泥岩破382015 年第 6 期煤 炭 科 学 技 术第 43 卷裂条件取决于煤岩自身条件和地质构造运动 。3) 泥岩超压盖层的煤层气封闭能力,除了受其自身组分和沉积条件影响外,其厚度和孔隙结构特点是关键控制因素,其最大封闭压力是毛细管阻力和吸附阻力之和 。4) 采用 型描述地应力和时间对孔隙度影响发现,在正常的排采深度范围内,岩层孔隙度随埋深增加逐步降低,其渗透率也在降低 。5) 煤层气藏存在多期超压的可能性,每期的最大封闭能力有差异,总体有升高趋势,按照泥岩破裂极限值,可以求得其初始破裂深度 。参考文献:[ 1] 钟大康,朱筱敏,张 琴 . 不同埋深条件下砂泥岩互层中砂岩储层物性变化规律[ J] . 地质学报, 2004, 78( 6) : 863-at J] . 2004, 78( 6) : 863-870.[ 2] 琚宜文,李清光,颜志丰,等 . 煤层气成因类型及其地球化学研究进展[ J] . 煤炭学报, 2014, 39( 5) : 806-et J] . 2014, 39( 5) : 806-815.[ 3] A. 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