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沁水盆地盖层对煤层气富集的影响

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沁水 盆地 盖层 煤层气 富集 影响
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    3 本 文 由 “ 973” 煤 层 气 项 目 (2002 助 。作 者 简 介 :洪 峰 ,1962 年 生 ,1986 年 毕 业 于 广 州 中 山 大 学 。 地 址 : (100083)北 京 市 学 院 路 20 号 中 国 石 油 勘 探 开 发 研 究 院 。电 话 : (010) 62098620。 盆 地 盖 层 对 煤 层 气 富 集 的 影 响 3洪 峰   宋 岩   赵 孟 军   柳 少 波   秦 胜 飞   傅 国 友(中 国 石 油 勘 探 开 发 研 究 院 )洪 峰 等 盆 地 盖 层 对 煤 层 气 富 集 的 影 响 . 天 然 气 工 业 ,2005 ;25 (12) :34~ 36摘   要   从 煤 层 气 藏 封 盖 机 理 探 讨 开 始 ,分 析 了 沁 水 盆 地 以 及 其 他 含 煤 盆 地 煤 层 气 富 集 与 盖 层 的 关 系 。 研 究认 为 ,实 际 上 盖 层 对 煤 层 气 的 保 存 同 样 重 要 ,煤 层 气 藏 对 盖 层 封 盖 性 的 要 求 就 是 要 使 煤 层 能 够 达 到 最 佳 的 吸 附 量或 含 气 量 。 研 究 结 果 : ① 良 好 的 盖 层 条 件 可 以 减 缓 煤 层 气 的 散 失 ,同 时 可 间 接 抑 制 煤 层 气 的 解 吸 ; ② 具 有 封 盖 性 好的 上 覆 盖 层 (顶 板 )和 下 伏 隔 层 (底 板 )的 煤 层 有 利 于 煤 层 气 的 富 集 ; ③ 煤 层 埋 藏 太 浅 ,盖 层 封 盖 条 件 变 差 ,不 利 于 成藏 ; ④ 埋 深 适 中 ,具 有 稳 定 分 布 、 封 盖 性 好 顶 底 板 的 煤 层 有 利 成 藏 。 沁 水 盆 地 盖 层 与 含 气 量 的 关 系 说 明 ,盖 层 厚 度大 、 泥 质 含 量 高 、 高 突 破 压 力 和 一 定 的 埋 深 对 煤 层 气 的 保 存 是 有 利 的 。主 题 词   沁 水 盆 地   煤 成 气   气 藏   盖 层   保 存   富 集   影 响以 往 在 煤 层 气 藏 盖 层 的 研 究 方 面 总 体 比 较 薄弱 。 不 少 研 究 人 员 认 为 煤 层 富 气 与 盖 层 还 是 有 较 大的 关 系 的 〔 1~ 3〕 。一 、 煤 层 气 藏 盖 层 封 盖 性1. 煤 层 气 藏 对 盖 层 的 要 求 有 别 于 常 规 气 藏对 常 规 气 藏 ,盖 层 的 好 坏 直 接 影 响 到 气 藏 的 富集 ,油 气 藏 一 般 都 具 有 一 套 以 上 良 好 的 区 域 盖 层 。由 于 煤 层 气 主 要 以 吸 附 气 分 布 于 煤 层 中 ,吸 附 气 量与 煤 层 本 身 的 性 质 (煤 质 、 煤 阶 等 ) 和 煤 层 所 具 有 的温 压 系 统 有 关 ,煤 层 气 藏 与 常 规 气 藏 在 对 封 盖 条 件要 求 的 不 同 取 决 于 气 体 的 赋 存 状 态 、 散 失 方 式 、 散 失动 力 等 诸 方 面 的 不 同 见 表 1。 因 此 ,从 理 论 上 讲 煤 层气 富 集 对 盖 层 的 要 求 没 有 常 规 气 藏 要 求 严 格 ,但 通过 对 煤 层 气 藏 煤 层 的 含 气 性 和 盖 层 的 分 析 ,也 说 明表 1   煤 层 气 藏 与 常 规 气 藏 影 响 封 盖 条 件 因 素 的 比 较 特   点 常 规 气 藏 煤 层 气 藏气 体 赋 存 状 态 游 离 气 为 主 吸 附 气 为 主散 失 方 式 游 离 气 、 水 溶 气 生 气 、 解 吸 — 游 离 气 、 水 溶 气散 失 动 力 浮 力 、 浓 度 差 温 压 场 、 气 体 膨 胀 力 、 浓 度 差盖 层 对气 藏 影 响上 覆 盖 层 决 定气 藏 富 集 程 度 上 盖 层 、 下 隔 层 同 等 重 要盖 层 要 求 严 格 较 重 要了 盖 层 对 煤 层 气 的 保 存 同 样 具 有 一 定 的 影 响 ,不 过 与常 规 气 藏 的 盖 层 要 求 是 有 别 的 。 因 此 ,在 盖 层 封 盖 条件 研 究 上 所 考 虑 的 因 素 也 与 常 规 气 藏 盖 层 有 所 不 同 。2. 煤 层 气 的 保 存 与 煤 层 的 顶 、 底 板 有 关由 于 煤 层 不 仅 是 煤 层 气 藏 的 源 岩 ,同 时 又 是 煤层 气 藏 的 储 层 。 因 此 ,从 这 点 上 看 ,煤 层 要 有 足 够 大的 含 气 量 ,除 了 上 覆 有 较 好 的 盖 层 以 外 ,下 伏 的 隔 层也 是 重 要 的 ,理 论 上 煤 层 气 藏 最 理 想 的 保 存 条 件 是煤 层 处 于 一 个 封 闭 体 系 中 。 如 果 上 覆 盖 层 好 ,而 其下 是 一 套 渗 透 性 岩 层 ,则 煤 层 生 成 的 气 体 由 于 烃 浓度 差 或 压 力 差 的 作 用 而 往 下 伏 渗 透 层 扩 散 ,使 煤 层气 散 失 而 影 响 到 煤 层 气 的 吸 附 量 ,只 有 下 隔 层 而 上覆 渗 透 层 同 样 会 影 响 封 盖 性 ,因 此 煤 层 具 有 封 盖 性好 的 上 盖 层 和 下 隔 层 是 最 好 的 。3. 气 体 通 过 浓 度 差 或 克 服 毛 细 管 力 进 行 散 失煤 层 气 以 吸 附 气 、 游 离 气 、 水 溶 气 赋 存 于 煤 层中 ,煤 层 生 成 的 气 体 首 先 满 足 吸 附 ,然 后 以 水 溶 气 、游 离 气 状 态 存 在 储 集 空 间 中 ,三 态 处 于 平 衡 状 态 。(1)通 过 水 的 扩 散 — 浓 度 扩 散煤 层 中 的 水 由 于 溶 解 了 甲 烷 气 体 ,使 储 盖 层 烃浓 度 不 同 ,煤 层 气 的 扩 散 遵 循 分 子 扩 散 原 则 。 分 子扩 散 是 由 于 在 相 同 或 不 同 介 质 下 由 于 存 在 浓 度 差 而发 生 的 ,煤 层 孔 隙 中 含 有 水 ,溶 于 水 中 的 天 然 气 的 扩散 以 溶 解 于 水 的 方 式 进 行 ,气 体 的 扩 散 是 由 于 盖 层的 顶 底 界 存 在 浓 度 差 进 行 的 ,符 合 费 克 扩 散 定 律 ,与·43·地 质 与 勘 探                           天   然   气   工   业                                   2005 年 12 月常 规 气 藏 的 扩 散 模 式 相 似 。 扩 散 量 与 甲 烷 在 水 中 溶解 度 、 温 度 、 压 力 、 水 矿 化 度 有 关 〔 4〕 。(2)游 离 气 克 服 毛 细 管 力 的 散 失 — 优 势 突 破气 体 通 过 盖 层 散 失 的 另 一 种 方 式 是 以 气 体 分 子状 态 (游 离 气 ) 通 过 克 服 盖 层 毛 细 管 力 而 扩 散 ,这 就必 须 考 虑 到 力 的 平 衡 。 因 此 ,根 据 力 平 衡 原 理 提 出优 势 突 破 概 念 ,即 在 封 闭 系 统 中 煤 层 气 藏 的 散 失 。上 覆 盖 层 和 下 隔 层 具 有 不 同 的 突 破 压 力 ,随 着 煤 层甲 烷 解 吸 量 增 加 ,孔 隙 游 离 气 产 生 气 体 膨 胀 力 ,当 膨胀 力 大 于 盖 层 的 突 破 压 力 时 ,游 离 气 突 破 盖 层 散 失 ,并 主 要 向 具 有 小 突 破 压 力 的 盖 层 散 失 。 即 如 果 :上盖 层 突 破 压 力 大 于 下 隔 层 突 破 压 力 ,下 隔 层 首 先 突破 ;上 盖 层 突 破 压 力 小 于 下 隔 层 突 破 压 力 ,上 盖 层 首先 突 破 ;上 盖 层 突 破 压 力 与 下 隔 层 的 相 等 ,则 上 盖 层与 下 隔 层 突 破 。 而 煤 层 中 气 体 的 膨 胀 力 取 决 于 煤 层解 吸 的 量 ,而 解 吸 又 与 压 力 、 温 度 有 关 ,这 可 从 兰 氏方 程 中 看 出 〔 5〕 ,只 要 煤 层 所 处 的 温 压 系 统 发 生 变 化 ,煤 层 的 吸 附 量 就 有 变 化 ,从 吸 附 量 大 的 温 压 环 境 到吸 附 量 小 的 温 压 环 境 变 化 ,煤 层 解 吸 ,解 吸 量 越 大 ,气 体 膨 胀 力 越 大 ,达 到 盖 层 最 小 突 破 压 力 时 压 力 处于 平 衡 状 态 。 因 此 ,如 果 煤 层 的 封 盖 条 件 好 ,能 保 持孔 隙 流 体 具 有 较 高 的 压 力 ,从 而 抑 制 煤 层 气 的 解 吸 ,保 持 煤 层 具 有 较 高 的 吸 附 量 。由 上 可 见 ,无 论 是 气 体 通 过 浓 度 差 或 是 克 服 毛细 管 力 的 散 失 ,上 盖 层 和 下 隔 层 质 量 好 ,都 可 阻 止 游离 气 和 水 溶 气 的 散 失 ,从 而 抑 制 煤 层 气 的 解 吸 速 度 ,有 利 于 煤 层 气 的 富 集 。二 、 盖 层 对 煤 层 气 富 集 的 影 响煤 层 气 的 富 集 程 度 可 通 过 煤 层 的 含 气 量 得 到 反映 ,而 煤 层 的 含 气 量 又 与 煤 层 的 最 大 吸 附 量 呈 正 比 。因 此 可 以 通 过 分 析 煤 层 的 含 气 量 来 判 断 煤 层 气 的 富集 程 度 ,以 下 以 沁 水 盆 地 为 重 点 ,从 分 析 盖 层 与 含 气量 关 系 来 进 行 阐 述 。1. 煤 层 的 含 气 量 与 盖 层 品 质 有 关煤 层 气 虽 然 吸 附 气 占 大 部 分 ,但 通 过 沁 水 盆 地实 际 资 料 分 析 ,盖 层 的 分 布 和 品 质 对 煤 层 的 含 气 量还 是 有 影 响 的 ,一 般 来 说 盖 层 厚 度 大 ,泥 质 含 量 高 ,高 突 破 压 力 对 煤 层 气 保 存 是 有 利 的 。根 据 对 煤 层 气 盖 层 与 含 气 量 等 分 析 ,封 盖 性 质良 好 的 盖 层 具 有 较 高 的 含 气 量 。 盖 层 的 品 质 主 要 指盖 层 的 厚 度 、 分 布 的 稳 定 性 ,岩 性 和 物 性 封 闭 性 等 。与 常 规 气 藏 盖 层 一 样 ,厚 度 大 ,分 布 稳 定 和 物 性 封 盖性 好 的 盖 层 ,对 煤 层 气 的 富 集 是 有 利 的 。 沁 水 盆 地樊 庄 区 块 煤 层 气 藏 晋 试 1 井 3 号 煤 层 上 覆 盖 层 以 暗色 泥 岩 为 主 ,盖 层 厚 度 55 m ,突 破 压 力 8~ 15 煤 层 的 含 气 量 25. 29 t〔 3〕 ;晋 试 4 井 3 号 煤 层 上覆 砂 、 泥 岩 互 层 盖 层 厚 度 达 70 m ,突 破 压 力 5~ 8煤 层 的 含 气 量 也 较 高 ,为 25. 3 t ;而 晋 试 3井 3 号 煤 层 上 覆 盖 层 则 主 要 是 砂 、 泥 岩 互 层 为 主 ,盖层 厚 度 仅 20 m ,煤 层 的 含 气 量 却 明 显 比 晋 试 1 井 、 晋试 4 井 要 低 ,为 17. 1 t 。2. 煤 层 含 气 量 具 有 随 埋 深 增 大 而 增 加 的 特 点埋 深 除 了 影 响 煤 储 层 吸 附 性 外 ,也 反 映 保 存 条件 的 好 坏 ,一 般 盖 层 埋 藏 深 度 大 ,成 岩 压 实 强 烈 ,导致 盖 层 封 盖 性 变 好 。 煤 层 气 由 于 主 要 以 吸 附 态 赋 存于 煤 层 中 ,煤 层 出 露 或 埋 藏 在 300 m 以 浅 是 属 于 煤层 风 化 带 ,煤 层 的 盖 层 因 剥 蚀 变 薄 或 盖 层 物 性 封 闭性 差 ,煤 层 气 保 存 条 件 较 差 ,煤 层 一 般 含 气 量 较 低 。如 沁 水 樊 庄 区 块 埋 深 300 m 以 浅 ,天 然 气 散 失 量 大 ,含 气 量 低 ,晋 试 3 井 含 气 量 低 除 了 与 盖 层 岩 性 和 厚度 有 关 外 ,与 埋 藏 浅 有 关 ;300~ 1500 m ,为 高 饱 和 吸附 带 ,这 一 方 面 与 煤 层 本 身 的 吸 附 性 有 关 ,另 一 方 面与 埋 藏 较 深 盖 层 物 性 封 闭 性 变 好 也 有 一 定 的 关 系 ,如 晋 试 1 井 3 号 煤 层 含 气 量 高 ,也 是 埋 深 比 较 大 的煤 层 。 目 前 晋 城 地 区 煤 层 气 井 均 在 这 个 深 度 范 围 ,并 且 煤 层 含 气 量 有 随 深 度 加 大 而 增 加 的 趋 势 。3. 泥 岩 顶 底 板 有 利 于 煤 层 气 的 保 存煤 层 顶 底 板 对 煤 层 气 富 集 的 重 要 性 ,鄂 尔 多 斯大 宁 地 区 可 作 为 一 实 例 。 该 区 吉 试 1、 吉 试 3、 吉 试2、 吉 试 6 井 5 号 煤 层 埋 深 分 别 为 635、 1194、 1027 和920 m ,含 气 量 则 是 20 t 、 18. 5 t 、 12 t 、 14 t ,吉 试 1 和 吉 试 3 井 是 泥 岩 顶 底 板 ,具 有 较 高 的含 气 量 ;而 吉 试 2 和 吉 试 6 井 顶 板 是 砂 质 岩 ,含 气 量却 明 显 偏 低 〔 6〕 。 为 了 说 明 由 于 煤 层 顶 底 板 岩 性 的 不同 使 煤 层 气 含 气 量 不 同 这 一 特 点 ,对 沁 水 盆 地 南 部 3号 煤 层 和 15 号 煤 层 相 近 深 度 条 件 下 不 同 顶 底 板 岩性 煤 层 的 含 气 量 进 行 了 统 计 分 析 。 3 号 煤 层 取 得 22个 不 同 岩 性 顶 板 和 21 个 不 同 岩 性 底 板 含 气 量 数 据 ,其 中 泥 岩 顶 板 20 个 ,粉 砂 岩 顶 板 2 个 ;泥 岩 底 板 18个 ,砂 岩 底 板 1 个 和 粉 砂 岩 底 板 2 个 ,可 见 ,泥 质 岩顶 底 板 的 煤 层 含 气 量 普 遍 比 砂 质 岩 顶 底 板 含 气 量 要高 ,具 有 泥 岩 顶 板 的 煤 层 平 均 含 气 量 约 18 t ,粉砂 岩 的 则 只 有 5 t ;泥 岩 底 板 的 煤 层 平 均 含 气 量约 19 t ,砂 岩 的 为 9 t ,粉 砂 岩 的 1. 7 t (图1、 图 2) 。 15 号 煤 层 9 个 泥 岩 、 7 个 灰 岩 和 4 个 砂 岩 顶板 的 煤 层 平 均 含 气 量 依 次 为 18. 87、 15. 33 和 12. 7 t ,同 样 显 示 泥 岩 顶 板 含 气 量 大 于 石 灰 岩 和 砂 岩 类顶 板 。 以 上 统 计 尽 管 砂 岩 顶 底 板 数 据 有 限 ,但 总 体 上反 映 出 了 泥 岩 顶 底 板 有 利 于 煤 层 气 的 保 存 。再 从 沁 水 盆 地 南 部 不 同 深 度 区 3 号 煤 层 含 气 量进 行 比 较 ,也 不 难 发 现 煤 层 含 气 量 受 盖 层 的 影 响 是·53·第 25 卷 第 12 期                                 天   然   气   工   业                           地 质 与 勘 探图 1   沁 水 盆 地 3 号 煤 层 顶 板 岩 性 与 含 气 量图 2   沁 水 盆 地 3 号 煤 层 底 板 岩 性 与 含 气 量明 显 的 。 在 盖 层 条 件 相 近 的 情 况 下 ,煤 层 的 含 气 量是 随 埋 深 的 增 大 而 增 大 的 ,主 要 是 由 于 除 了 盖 层 封盖 性 变 好 外 ,另 一 个 重 要 原 因 是 由 于 煤 层 所 处 的 压力 条 件 增 大 ,从 而 提 高 煤 层 的 吸 附 量 而 最 终 造 成 含气 量 的 增 大 。 但 如 果 煤 层 顶 底 板 封 盖 性 不 同 ,却 会造 成 含 气 量 变 化 的 不 规 律 性 ,这 一 点 可 以 说 明 ,煤 层气 富 集 不 仅 与 上 盖 层 有 关 ,同 样 与 下 隔 层 有 关 ,盖 层的 封 盖 性 影 响 到 煤 层 的 含 气 量 。 沁 水 盆 地 南 部 潘庄 、 郑 庄 和 樊 庄 地 区 ,由 于 煤 层 的 顶 底 板 岩 性 不 同 ,使 得 含 气 量 有 别 的 现 象 比 较 突 出 。 按 理 郑 庄 区 和0801 井 埋 深 比 较 大 (超 过 600 m) ,煤 层 的 含 气 量 也应 该 增 大 的 ,但 实 际 上 郑 庄 区 煤 层 厚 4. 6~ 5. 7 m ,平 均 5. 24 m ,含 气 量 (6. 33~ 6. 81) t ,平 均 含 气量 仅 6. 57 t ;而 0801 井 3 号 煤 含 气 量 也 只 有10. 87 t ,比 邻 区 埋 藏 浅 的 潘 庄 一 号 井 田 区 和 樊庄 地 区 还 要 低 ,如 潘 庄 一 号 井 田 3 号 煤 层 埋 深 多 在300~ 350 m ,厚 4. 81~ 6. 79 m ,平 均 5. 58 m ;含 气 量(3. 74~ 21. 86) t ,平 均 10. 89 t ,樊 庄 区 煤 层厚 4. 83~ 6. 56 m ,平 均 5. 56 m ; 含 气 量 ( 7. 59~22. 96) t ,平 均 13. 43 t ,其 中 晋 试 1 井 3 号 煤层 埋 深 450~ 500 m ,含 气 量 (21. 97~ 27. 17) t ,平 均 25. 29 t 。 究 其 原 因 ,郑 庄 区 和 0801 井 普 遍是 砂 岩 顶 底 板 ,而 潘 庄 、 晋 试 1 井 等 多 是 泥 质 岩 顶 底板 ,很 显 然 煤 层 顶 底 板 封 盖 性 的 优 劣 也 是 造 成 煤 层气 含 气 量 变 化 的 原 因 之 一 (图 3) 。图 3   沁 水 盆 地 南 部 不 同 深 度 区 3 号 煤 层顶 底 板 岩 性 和 含 气 量 比 较三 、 结   论(1)煤 层 气 主 要 以 吸 附 气 方 式 储 存 于 煤 层 中 ,良好 的 盖 层 条 件 可 以 减 缓 天 然 气 的 散 失 ,同 时 可 间 接抑 制 煤 层 气 的 解 吸 ,使 煤 层 能 够 达 到 较 高 的 吸 附 量或 含 气 量 。(2)煤 层 气 的 保 存 除 与 上 覆 盖 层 (顶 板 )有 关 外 ,下伏 隔 层 (底 板 )对 煤 层 气 的 保 存 也 不 可 忽 视 ,具 有 封 盖 性好 的 上 覆 盖 层 和 下 隔 层 的 煤 层 有 利 于 煤 层 气 的 富 集 。(3)煤 层 埋 藏 太 浅 ,盖 层 封 盖 条 件 变 差 ,不 利 于成 藏 。 埋 深 适 中 ,具 有 稳 定 分 布 、 封 盖 性 好 顶 底 板 的煤 层 有 利 成 藏 。参   考   文   献1   钱 凯 ,赵 庆 波 ,汪 泽 成 等 . 煤 层 甲 烷 气 勘 探 开 发 理 论 与 实验 测 试 技 术 . 北 京 :石 油 工 业 出 版 社 ,19972   秦 勇 ,傅 雪 海 ,岳 巍 等 . 沉 积 体 系 与 煤 层 气 储 盖 特 征 之 关系 探 讨 . 古 地 理 学 报 ,2000 ;2 (1) :77~ 833   张 建 博 ,王 红 岩 ,赵 庆 波 主 编 . 中 国 煤 层 气 地 质 . 江 苏 徐州 :中 国 矿 业 大 学 出 版 社 ,20004   郝 石 生 ,张 振 英 气 在 地 层 水 中 的 溶 解 度 变 化 特 征 及地 质 意 义 学 报 ,1993 ;14 (2) :18~ 205   张 新 民 ,庄 军 ,张 遂 安 主 编 . 中 国 煤 层 气 地 质 与 资 源 评 价 :科 学 出 版 社 ,20026   孙 斌 ,王 一 兵 . 鄂 尔 多 斯 盆 地 大 宁 — 吉 县 地 区 煤 层 气 分 布特 征 . 见 :李 文 阳 等 主 编 ,中 国 煤 层 气 勘 探 与 开 发 . 江 苏 徐州 :中 国 矿 业 大 学 出 版 社 ,2003 :65~ 73(收 稿 日 期   2005208211   编 辑   黄 君 权 )·63·地 质 与 勘 探                           天   然   气   工   业                                   2005 年 12 月2005. ( 000 — 0976 ; It is by of is to it of of s of is be of It is in ( by 73 2002 , is in on a     P. O. 4 , 065007) ,   (010) 62093277     N N u . N A . I N D . v. 25 , 12 , 34 — 36 , 12/ 25/ 2005. ( 000 — 0976 ; of of in In in as of is ① ② of is to ③ to of to to ( by 73 , 962 , 986.     20 , 100083) ,   (010) 62098620 F F , a ( ,. N A . I N D . v. 25 , 12 , 37 — 39 , 12/ 25/ 2005. ( 000 — 0976 ; By of of of 1 q4 in of is of 1 q4 of . 02 — 104μ m of of A L I N R Y/ , 2005                                          
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