• / 12
  • 下载费用:1 下载币  

论深部煤层气基本地质问题_图文

关 键 词:
论深部 煤层气 基本 地质 问题 图文
资源描述:
 第 37卷第 1期2016年 1月石 油 学 报ACTA PETROLEI SINICAVol.37Jan.No.12016基金项 目 :国家自然科学基金重点项目 (No.41530314、No.U1361207)、国家重大科技专项 (2011ZX05034)资助 。第一作者及通信作者 :秦勇 ,男 ,1957年 6月生 ,1981年获焦作矿业学院学士学位 ,1992年获中国矿业大学博士学位 ,现任中国矿业大学教授 、副校长 、煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室主任 ,主要从事能源地质教学和非常规天然气地质研究工作 。Email:yongqin@cumt.edu.cn文章 编 号 :0253-2697(2016)01-0125-12 DOI:10.7623/syxb201601013论深部煤层气基本地质问题秦勇申建(中国矿业大学煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室江苏徐 州221008)摘要 :深部煤层气资源是中国煤层气产业规模性发展的重要基 础 ,但 目前关于 “深部 ”的含义 、定义 、特殊性等基本地质问题尚无明确表述 。前期探索成果显示 ,深部煤储层地质条件的特殊性起源于较高的地应力和地层温度 ,由此导致深部煤层可压缩性高 、渗透性低和弹性低 。研究认为 :在科学层面 ,煤层气领域的 “深部 ”不仅是一种深度 ,更重要的是一种状态 ,这种状态取决于地应力 、温度及煤 (有机 )储层三重地层状态 ;在操作层面 ,定义深部与浅部之间的临界深度 ,需要考虑地应力状态转换 、煤吸附性 (含气量 )和煤岩力学性质三重地质因素 。近期研究进展为解决本领域基本地质问题提供了新的启示 ,阐释游离气量在深部低阶煤储层含气量中的重要性 ,探讨深部煤层气可解吸性与产出阶段敏感性之间关系 ,分析变孔隙压缩系数对深部低阶煤储层渗透率的深刻影响 ,建立基于成藏效应的深部煤层气有利区优选方法 。今后几年期间 ,深部煤层气勘探开发仍需解决4方面地质问题 :①深部煤层气资源潜力深化评价与再认识 ;②深部煤储层可改造性及其与深部基本地质特点的耦合效应 ;③深部应力场 、温度场 、化学场作用下煤层气高效开采技术原理的地质控制 ;④深部煤系 “三气 ”共生特性 、共探方法与共采有效性地质评价 。问题的实质 ,在于发展出一套适应于深部地层条件的煤层气勘探与开发地质技术方法 。关键词 :深部煤层气 ;基本地质问题 ;定义 ;进展 ;探索方向中图分类号 :TE122    文献标 识码 :AOn the fundamental issues of deep coalbed methane geologyQin Yong Shen Jian(KeyLaboratoryofCBM Resources and ReservoiringProcess,MinistryofEducation,China UniversityofMiningand Technology,Jiangsu Xuzhou,221008,China)Abstract:Deep coalbed methane(CBM)resources is an important basis for the scale development of the CBM industry in China,but some basic geological problems such as the meaning,definition and the particularities on the“deep”are stil not clear.Pre-liminary investigation shows that the particularity of deep coal reservoir is resulted from higher strata temperature and pressure,which bring about higher compressibility,lower permeability and lower elasticity of deep coals.At the scientific level,the“deep”in CBM fields means not only a depth,more important is a state,which is dependent on threefold formation states the in-cluding stress,temperature and(organic)reservoir.At the operational level,the definition of the critical depth between deepand shalow CBM needs to takes into account three geological factors such as the stress state conversion,coal adsorption(gascontent)and mechanical properties of coals.Recent research progress provides new insights for solving the basic geological prob-lems.The importance of the free gas to the gas content of deep low-rank coal reservoir is explained,the relationship between thedesorption and output stage sensitivity of deep CBM is discussed,the profound impact of variable pore compression coefficient ondeep low-rank coal reservoir permeability is analyzed,and the seek-optimizing method of favorable deep-CBM zone based on theaccumulation effects is set up.It is suggested that stil the geological problems of the four aspects need to solve for deep CBM ex-ploration and development.The first is the deepening evaluation and recognition of deep CBM resource potential,the second isthe coupling effect of the basic deep geological characteristics to deep coal reservoir,the third is the geological control of the prin-ciples of efficient deep CBM development technology under deep strata stress field,temperature field and chemical field,and thefourth is the geological evaluation of the symbiotic characteristics,co-exploring method and co-mining effectiveness of deep CBM,tight sandstone gas and shale gas in coal measure.Keywords:deep CBM;basic geological issue;definition;research progress;future investigation引用 :秦勇 ,申 建.论深部煤层气基本地质问题 [J].石油学报 ,2016,37(1):125-136.Cite:Qin Yong,Shen Jian.On the fundamental issues of deep coalbed methane geology[J].Acta Petrolei Sinina,2016,37(1):125-136.126  石   油   学   报 2016年  第 37卷  中国埋 深1 200~2 000 m的煤层气地质资源量约为16.77×1012 m3[1,2],主要盆 地埋深2 000~3 000 m的煤层 气地质资源量达18.47×1012 m3[2,3]。也就是说 ,中 国1 500~3 000 m埋深的煤层气地质资源量约30.37×1012 m3,为1 500 m以浅煤层气资源量的2倍 ,这 是中国煤层气产 业规模性发展的重要资源基础 。21世纪初 ,美国皮森斯盆地深部煤层气与致密砂岩气共采先导性试验取得成功[4]。与此同 时 ,中国开始关注深部煤层气地质条件及开采技术适应性[5-16],在鄂尔多 斯 、沁水 、准噶尔等盆地启动了试采工程并取得突破[17-19]。这些初 步探索与成果 ,一方面昭示中国深部煤层气商业性开发具有可观前景 ,另一方面也揭示出诸多地质问题需要探讨解决 。1 基本 地 质问题1.1 深部矿 产资源及其开采的概念与内涵关 于深部与浅部矿产资源的界定与内涵 ,国内外从地层原始状态 、矿产资源赋存特征 、开采岩体 (地层 )响应等方面做过诸多探讨 。例如 ,提出过 “深部储层动力学 ”的概念 ,认为储层动力学是一个十分复杂的非线性动力学系统[20]。固体矿 产开发领域多用工程深度定义深部开采 :一般认为 ,开采深度超过600 m即 为深 井开采 。南非800~1 000 m深度以 下称为深井开采 ,德国将采深超过800~1 000 m、1 200 m的矿井 分别称为深井和超深井 ,日本将深井的 “临界深度 ”定为600 m,英 国和 波兰将其界定为750 m;中 国煤 炭深部资源开采的深度一般认为是800~1 500 m,金属矿 山为1 000~2 000 m[21]。何满潮 院士提出 ,工程岩体开始出现非线性力学现象的深度及其以下深度区间 ,称为深部开采工程 ;将出现非线性大变形力学现象的深度称为上临界深度 ,发生非线性动力学现象的深度称为下临界深度 ;统计和讨论了中国煤矿开采临界深度及其影响因素 (表1)[21]。表 1中国深部采煤的临界深度[21]Table 1 Critical depth of deepcoal miningin China岩石 硬度 组合临界深度 /m地层时代新生 代 中生代 古生代最小 260360  550软岩工程 岩组最大 340440  650平均 300400  600最小 380450  750硬岩工程 岩组最大 420520  850平均 400500  800谢和平 院士等指出 ,煤炭开采中什么是 “深部 ”,如何定义 “深部 ”,始终没有科学的定量化表达 ;提出了亚临界深度 、临界深度 、超临界深度等概念和定义 ,认为“深部 ”不是深度 ,而是一种是由地应力水平 、采动应力状态和围岩属性共同决定的力学状态 ,并通过力学分析可给出定量化表征 ;现有的煤炭开采理论与技术已难以适用 ,需要对深部岩体力学 、采矿科学理论进行新的探索[22]。在石油 、天 然气等流体矿产开发领域 ,“深部 ”的定义同样存在较多歧义 :在油气勘探及资源评价实践中 ,往往将深度作为定义 “深部 ”的重要指标 。例如 ,俄罗斯对深层的划分标准是埋深超过4 000 m,美国 标准 是埋深超过4 500 m,中 国一 般把3 500 m以 深作为 深层油气的勘探领域[23]。再如 ,全国 第二轮油气资源评价中 ,分别将埋深2 000 m、3 500 m、4 500 m作为资 源量估算的深度界线 ,把埋深大于3 500 m的油 气资 源看作是深部天然气资源[23]。又如 ,历次 全国煤层气资源评价均以1 000 m、1 500 m、2 000 m作为深度 界线 ,多认为埋深大于1 000 m的 煤层 气资源属于深部资源[24-26]。20世纪70年代末 ,国 外研究者先后提出深盆气和盆地中央气藏的概念[27,28],国内研 究者总结了深盆气的基本特征[29],提出了 判断鄂尔多斯盆地深盆气的3个标志 :由于大面积致密砂岩造成的瓶颈效应 ,形成动态的深盆气圈闭 ,上水下气 ,气水倒置 ;盆地大面积含气 ,地层压力异常[30]。金之钧 院士等认为 ,深盆气发育在致密砂岩储集层中 ,存在部位不以埋藏深度而定 ,但多发育在盆地构造的低部位或构造斜坡的下倾部位[31]。同时 ,国内 外关于 “深部气 ”和 “深层气 ”概念内涵的表述不尽相同[32]。如 :深部油 气藏是指油气层埋深大于4 000 m的 油气 藏[33],渤海湾盆地深层主要指 埋深大于3 000 m[34],大庆油 田外围发现一些埋深2 800m以 上的 深层气[35];甚至提 出 ,将沉积盆地基底 (或者结晶基底或者基岩 )以下深度的天然气统称为 “深部气 ”,因为深度指向明确 ,便于与 “深层气 ”相区别 ,那里的天然气有可能来自地球更深部[36]。尽管对深部矿产资源概念与 内涵的理解存在种种歧义 ,但均具有如下共性特点 :①固体矿产与流体矿产的赋存状态和开发方式不同 ,深部界定不能一概而论 ;②“深部 ”不是深度 ,而是一种由盆地性质 、矿床或油气储层属性 、地应力状态 、采动应力状态共同决定的地层力学状态 ,临界深度随这几者耦合关系的不同而发生变化 ;③矿产资源评价中将某一深度统一确定为资源赋存的埋深界线 ,但这一界线代表不了 “深部 ”的实质和内涵 ,难以从根本上指导矿产资源的勘探与开发 ,只是为简化地质因素 、使得评价方法更具有可操作性而采取的权宜措施 。 第 1期 秦勇 等 :论深部煤层气基本地质问题 1271.2 深 部煤 层气科学内涵与定义与浅部煤储层相比 ,深部煤储层具有较高的地应力 、地层流体压力和地层温度 。与常规游离天然气相比 ,深部煤层气一方面呈吸附态赋存且在开采时需要经历解吸过程 ,另一方面煤层气的吸附与解吸特性更为明显地受到地层压力与地层温度的控制 。地应力状态随埋深而发生的转换及其与地层温度的耦合关系 ,决定了深部与浅部的煤储层工程力学性质有所不同 ,进而影响到深部煤储层的渗透性 、改造方式与改造效果 。地应力与地层流体压力之间的耦合关系 ,决定了深部煤储层有效应力的高低 ,进而影响到深部煤储层在排采过程中的渗流能力 。有效应力与地层温度的耦合作用 ,控制着煤储层吸附-解吸特 性 ,进而对含气量乃至深部煤层气井排采工作制度产生深刻影响 。地应力场平均水平最大主应力与垂直应力的比值称为垂强系数[37],最大 、最小 水平主应力平均值与垂直应力的比值为侧压系数[38],它们是 表征地应力状态及其深度转换的有效参数 。在转换临界深度以浅 ,水平最大与最小主应力之间的应力差较大 ,沿水平主应力方向展布的煤层裂隙相对拉张 ,裂隙是控制煤储层渗透率的主要因素 ;在临界深度以深 ,水平应力与垂向应力之间的相对大小发生转换 ,主应力差相对弱化 ,煤储层三轴受压 ,裂隙趋于闭合 ,渗透率变差 ,且受孔隙的影响更为显著[10,39]。沁水盆 地南部垂强系数平均临界深度约400 m,华 北南 部约600 m,鲁 西南 地区可达约1 100 m;垂 强系 数随水平最大主应力的增高而增大 ,指示水平最大主应力越高 ,地应力状态转换临界深度越大 ,深部与浅部地应力之间的差异就越小[10]。沁水盆地 南部埋深在650m以浅 、650~1 000 m、1 000 m以深的 地层条件下 ,侧压系数分别为小于1、约1.0和大 于1.2,煤储层平均渗透率 分别为大于1.0 mD、0.1~1.0 mD和小于0.01 mD[40]。上述耦 合关系 ,导致煤储层具有应力敏感性 ,可用渗透率-有效应 力定律描述[41]:K=f(σe)=f(σ-mp) (1)其中 :地层 围岩应力状态 (σ)取决于 构造应力场背景下的煤储层埋藏深度 ,地层应力状态的垂向变化必将导致深部煤储层渗透率与浅部存在极大差异 ;有效应力系数 (m)是煤储 层力学性质 、地层压力 、地层温度 、地层流体性质的函数 ,这些参数随深度的变化会造成有效应力系数的变化 ,同样导致深部与浅部煤储层应力敏感性的不同 。传统观点认为 :储层岩石的有效应力系数可视为1.0,或 等于 岩石的孔隙度[41]。理想状 态下 ,取m=1.0,简 化得 到Terzaghi在1923年提出 并被国内外油气地质界长期采用的有效应力定律 :σe=σ-p[42]。然而 ,实验研 究发现 ,有效应力系数在围压很大时远小于1.0[41,43],而深部煤储层的地质环境特点 之一就是高地应力 、高地层围压 。分析鄂尔多斯盆地东南缘26口煤层气井试井资料 ,埋深1 000 m以 浅的 煤储层有效应力系数只有0.48,远远小 于1.0,也 低于 油气盆地页岩层中通常使用的0.80[44]。在深部较高的地层围压和温度环 境下 ,煤储层渗透率有效应力系数是否与浅部相似 ? 简化模型与地层实际情况有多大差异 ? 这一有效应力系数对深部煤储层渗透率有多大影响 ? 关于这些问题 ,业界目前知之甚少 。另一方面 ,煤储层温度敏感性显著 ,影响到煤层气吸附-解吸特 性 ,符合Langmuir全因素 模型[45]:q=abp1+bpen(T1-T[ ])K1(2)在浅部 煤储层温度不高的情况下 ,上述模型中的温度 (指数 )项可以忽略 。但是 ,由于地温梯度的增温作用 ,埋深增大 ,煤层受热温度随之增高 ,温度对吸附量和含气量的影响将会十分显著 。综合分析上述2个方面 ,地层压力和温度条件对煤层吸附性 (乃至含气量和解吸性 )的影响分别呈现2种截然不同的效应 :①地层压力正效应 ,导致吸附能力加强 ,煤层含气量升高 ;②地层温度负效应 ,导致吸附能力减弱 ,煤层含气量降低[10]。这种效 应随埋深的增大变得更为显著 ,必然导致存在一个煤层含气量的临界深度 ,对应于正 、负效应相近或者相等的埋藏深度 ,形成煤层含气量-埋深关 系的拐点 。在这一临界深度之下 ,深部煤层含气量会比浅部要低 。基于上述讨论 ,推导出深部煤层气的定义 ,即 :处于地应力状态和 (或 )含气量 “临界深度 ”之下的煤层气资源及其赋存和开发地质条件 ,属于深部煤层气范畴 。分别采用侧压系数和含气量反转表征 “临界深度 ”,则“深部 ”存在3类界线 :①侧压系数1.0深 度<含气 量反转深度 ;②侧压系数1.0深 度>含气 量反转深度 ;③侧压系数1.0深 度等 于含气量反转深度 (图1)。前2类情况中 ,浅部与深部之间存在一个过渡地带 ,埋藏较深的界线为深部界线 ;后一种情况中 ,浅部与深部不存在过渡地带 。1.3 深部煤储层地质条件特殊性进一步而言 ,深部煤层气 “临界深度 ”是一种状态 。这种状态可表征为地应力状态 、地层温度状态及煤储层状态的函数 ,前两者是影响深部煤储层特性的外在地质因素 ,后者属于内在地质因素 。这种函数关系 ,一方面涉及到深部煤层含气量的高低 ,涵盖内在因素与煤层吸附性之间的成因联系 ;另一方面影响到煤储层128  石   油   学   报 2016年  第 37卷  图 1深部煤层气定义图解Fig.1 Diagram of deepcoalbed methane definition渗流与 可改造性特征 ,关联着外在因素与煤层气解吸-扩散-渗流-产出特 点 。2个方面的耦合 ,决定了深部煤储层地质条件有别于浅部的特殊性 。深部煤储层地质条件特殊性起源于2个根本地质因素 :①较高的地应力 ;②较高的地层温度 (图2)。前一因素使得深部煤储层具有更强的应力敏感性 ,造成深部煤储层孔渗性恶化 ;后一因素导致深部煤储层具有更强的温度敏感性 ,使得深部煤储层吸附性减弱 。两个因素耦合作用的结果 ,造就了较高地层压力和温度条件下的煤岩力学性质和含气状态 ,进而控制了深部煤储层的地球物理探测响应 、含气系统以及煤层气开采可行性 。图 2深部煤层气地质条件特殊性及其显现特征Fig.2 Particularityand appearance of geological conditionsin deepcoalbed methane总结前 期初步探索成果 ,深部煤储层特殊性具体表现出3个方面基本特征 (图2):①“转换 ”,包括地应力状态转换及其控制之下的煤岩力学性质变化所诱发的煤储层渗透率突变 ;②“转折 ”,显现为地层温度增高导致的煤岩吸附性变化及其所产生的煤层含气量 “临界深度 ”;③“收敛 ”,即煤储层及含煤层气系统非均质性在较高地层温度和地层压力影响下相对变弱[10]。2 近期 研 究进展21世纪初 以来 ,笔者及其团队针对煤层含气量 、渗透性 、储层压力等成藏要素 ,对华北深部石炭系 —二叠系中 —高阶煤层气地质条件进行了连续探索 ,部分成果已经发表 。近两年来 ,团队进一步扩展研究区域和层系 ,研究对象涉及到深部低阶煤储层的物性 、煤层气解吸性 、成藏效应 、可改造性等 ,并开始了深部煤系“三气 ”共生共探与共采地质问题的探讨 。2.1 深部低阶煤储层吸附性与含气量笔者基于对鄂尔多斯盆地东部 、沁水盆地以及济阳坳陷的研究 ,报道过关于深部煤层含气量 “临界深度 ”现象及机理阐释 ,以及关于深部中 —高阶煤储层吸附性和含气量预测的研究成果[7,10,12,46],并得到 近期钻孔煤心解吸数据的进一步验证[47,48]。在宏观 上 ,深部煤层含气量临界深度与3方面地质因素呈函数关系 :若地温场和煤储层流体压力状态相似 ,则煤阶增高 ,临界深度变浅 ;若煤阶与煤储层压力状态相似 ,则地温梯度降低 ,临界深度变深 ;若地温场和煤阶相似 ,则临界深度随煤储层压力梯度的增高而变浅 。在深部 ,低阶煤储层含气量变化规律与中 —高阶煤储层各有异同 。笔者近期研究准噶尔盆地低阶煤发现 ,流体压力对含气量临界深度的影响相对较小 ,温度影响相对显著 ;游离气量对于深部低阶煤储层含气量的贡献十分重要 ,溶解气量不占主导地位[2,49]。基于这些 认识 ,建立了低阶煤储层吸附 、游离 、溶解三相态含气量及总含气量预测模型 。在准噶尔盆地东部 ,埋深增大 ,低阶煤储层饱和吸附量先增后降 ,临界深度受地温梯度 、孔隙率 、含水饱和度 、地应力的共同影响 ,总含气量及临界深度取决于吸附气量与游离气量在特定埋深条件下的相互关系(图3)。吸附气量存在明显的临界深度 ,溶解气量在任何深度下的贡献都十分微弱 ;游离气量随埋深增大而快速增高 ,当达到一定深度时不再增大 ,临界深度不是十分明显 ,但存在增速明显变缓的 “停滞深度 ”。在其他地质条件相似的前提下 ,低阶煤储层随含水饱和度增大 ,吸附气量比例逐渐降低 ,临界深度变浅 ;游离气量比例显著增大 ,“停滞深度 ”有所变浅 。由此 ,导致吸附气量与游离气量之间 “等量点 ”深度随含水饱和度的增大而逐渐向浅部迁移 。特定埋深下吸附气量和游离气量加和的结果 ,造成低阶煤储层总含气量存在一个临界深度 ;这个临界深度的深浅取决于地应力状态 、地层温度和储层含水饱和度 ,若地应力场和地温场相似 ,则临界深度随储层含水饱和度的递减而向深部迁移 。 第 1期 秦勇 等 :论深部煤层气基本地质问题 129图 3准噶尔盆地东部低阶煤储层三相态含气量预测模型Fig.3 Prediction model of three phase CBM content in low rank coal reservoirs of the eastern Junggar Basin由此 ,可得3点 启示 :①深部低阶煤层气勘探需要更加注重对煤储层含水性的研究 ,为查明煤层气赋存状态和含气量临界深度提供关键依据 ;②游离气在深部低阶煤储层含气量中占有重要地位 ,临界深度的深浅取决于游离气量与吸附气量的相互关系 ,勘探中既不能完全照搬传统的煤层气勘探方法 ,也不能完全按照常规油气的思路 ;③在低阶煤储层总含气量临界深度以浅 ,可以更多地考虑煤层气勘探的一般思路和方法 ,在临界深度以深则应侧重常规天然气的某些勘探思路 ,如寻找圈闭或 “构造高点 ”。2.2 深部煤 层气可解吸性与产出阶段敏感性在 开采过程中 ,煤层气解吸受诸多地质因素影响 。前人对此做过较多研究工作[50-53],但主要侧重于较低地层 温度和应力条件下的浅部煤储层 ,对较高地层温度和应力环境下的深部煤层气解吸特点知之甚少 。笔者及其团队近年来采用数值模拟方法 ,对深部煤层气解吸规律做了初步探讨[54]。基于沁 水盆地南部无烟煤样等温吸附数据 ,变换Langmuir吸附方 程得到煤层气解吸模型 ,进而建立了基于等效解吸率及其曲线特征来刻画煤层气解吸阶段性的数值方法 。以等效解吸率曲率为依据 ,提出并确定了启动压力 、过渡压力 、关键压力和敏感压力4个定义降压解吸阶段的核心压力点 ,它们分别相当于煤层气井见套 (临界解吸 )、产气高峰前 、产气高峰 、枯竭临界点的井底流压 (图4)。以此为基础 ,将煤层气解吸产出过程划分为零解吸 、缓慢解吸 、过渡解吸 、敏感解吸4个阶段 (图5)。类比分析等温解吸条件下煤层气解吸阶段性与煤层气井产气过程的异同 ,认为较高的Langmuir常数比 和Langmuir体积有利于稳产阶段 的及早到来 ,但也可能使煤层气产能递减阶段提前出现 。以上述认识为基础 ,利用鄂尔多斯盆地东部和沁水盆地南部长焰煤 —无烟煤样 (Ro=0.55%~2.87%),进一步开展深部条件下煤层气解吸 敏感性参数的物理模拟实验[15]。通过研 究 ,发现如下现象和规律 :(1)在整个解吸过程中 ,随吸附压力降低 ,煤层气解吸速率依次经历了零解吸 、线性解吸 、非线性快速解吸 (相当于图5中的 “过渡解吸阶段 ”)3个阶段 ,温度敏感性主要出现在非线性解吸段 ,温度越高 ,解吸速率越大 (图6)。这一特点 ,意味着深部煤储层温度的高低主要影响产气高峰及其之后的煤层气井生产阶段 ,温度越高 ,产气高峰到来越早 。(2)若煤阶和煤储层含气量相同 ,则临界解吸压力随埋深增加而呈单调非线性升高 ;相同埋深和煤阶条件下 ,煤层含气量增高 ,临界解吸压力增大 (图7)。这一规律指示 ,深部较高温度的地层环境有利于煤层气井及早见气和及早达到产气高峰 ;深部煤储层压力极大 ,过低的深部煤层含气量意味着储层压力中气压的份额降低 ,导致临储比实际上降低 ,极不利于煤层气开采 。130  石   油   学   报 2016年  第 37卷  图 4煤层气等效解吸曲率线的斜率与关键压力点[55]Fig.4 Slope and critical pressure points of the equivalent-desorped curvature line of coalbed methane图 5煤层气等效解吸曲率线与解吸阶段[55]Fig.5 Equivalent-desorbed curvature line and desorptionstages of coalbed methane图 6煤层气解吸速率随温度和压力的变化趋势Fig.6 Plots of CBM desorption rate to temperature and pressure图 7煤层气临界解吸压力与埋深之间关系Fig.7 Plots of critical CBM desorption pressure to buried depth(3)关键压力的高低受煤阶影响加 大 ,煤层温度的影响相对较弱 (图8)。镜质组反射率增高 ,关键压力呈先降低后升高的分布趋势 ,在焦煤阶段最低 。也就是说 ,若地层和煤储层其他条件相同 ,产气高峰的早晚取决于煤阶 ,低阶煤储层和高阶煤储层的产气高峰比中阶煤储层更容易提早到来 。(4)敏感压力对应的枯竭含气量受煤阶和埋深的综合控制 (图9)。若煤阶相同 ,则埋深增大 ,枯竭含气量或敏感压力非线性单调快速降低 ;相同埋深下 ,煤阶增高 ,枯竭含气量趋于增大 。实际地层条件下 ,煤层埋深增大 ,煤阶往往随之增高 ,导致枯竭含气量随深度呈非单调函数式变化 。例如 ,在准噶尔盆地东部 ,浅部为低阶煤储层 ,深部变为中阶煤储层 ,枯竭含气量随埋深增大而呈先增加后降低的趋势 ,转折点的 “临界深度 ”约在2300m(图9)[15]。2.3 深部低阶煤储层变孔 隙压缩系数与渗透率以往的煤储层应力渗透率模型或基于经验拟合 ,图 8关键压力与煤阶之间关系Fig.8 Plots of critical pressure to coal rank 第 1期 秦勇 等 :论深部煤层气基本地质问题 131图 9枯竭气量随埋深的变化Fig.9 Plots of residual gas content to buried depth或采用 定孔隙压缩系数[55-57]。然而 ,煤储层是具有较大弹 性的地质体 ,应力敏感强 ;其孔隙压缩系数是地应力和流体压力状态的函数 ,也受到地层温度等因素影响 ;煤储层受力状态一方面与地应力场有关 ,另一方面极大程度上受到埋深控制 。若不考虑孔隙压缩系数随地应力或埋深的动态变化 ,将导致深部煤储层渗透率预测结果失真 。笔者及其团队曾对沁水盆地南部高阶煤样渗透率的温度-应力敏 感性进行过模拟实验研究[58]。近期依托 准噶尔盆地158件 长焰 煤样 ,针对上述问题开展温压条件模拟实验 ,结合研究区地层实际 ,分析孔隙压缩系数随有效应力的变化规律 ,建立了基于变孔隙压缩系数的深部低阶煤储层渗透率预测模型[59]。以此为基 础进一步分析 ,获得如下新的发现和认识 :(1)低阶煤样渗透率与孔隙率之间呈显著的幂函数正相关关系 (图10)。这一规律暗示 ,孔隙压缩系数的变化是导致深部低阶煤储层渗透率变化的重要原因 ,采用基于定孔隙压缩系数的模型来预测深部低阶煤储层渗透率将会使得结果严重失真 。(2)深部低阶煤储层孔隙性 、渗透性对地层温压条件敏感性的响应程度和响应方式有所不同 。地层温度升高 ,煤储层渗透性损失率逐渐加大 ;有效应力加大 ,温度对渗透率的影响增大 ;当有效应力小于20 MPa时 ,温度的影 响较弱 ,超过20 MPa后温度 影响趋于显著 (图11)。就温度-应力综 合效应来看 :温度升高导致的煤储层渗透性降低率与初始渗透率呈显著的幂函数负相关关系 ,初始渗透率越低 ,渗透率温敏性越强 (图12)。(3)基于两类孔隙压缩系数模型对煤储层渗透率预测的结果差异极大 ,影响到评价结论 。有效应力越高 ,煤的孔隙压缩系数越小 ,预测结果差异越为显著 (图13)。即 :煤储层埋深越大 ,基于定孔隙压缩系数的低阶煤储层图 10准噶尔盆地东部低阶煤样孔隙率与渗透率关系Fig.10 Plots of coal porosityto permeabilityin easternJunggar Basin图 11煤样渗透性损失率-温度-有效 应 力关系Fig.11 Plots of coal permeabilityloss rate to temperature andeffective stress图 12煤样渗透性损失率-渗透率-温度关 系Fig.12 Plots of coal permeabilityloss rate to permeabilityand temperature132  石   油   学   报 2016年  第 37卷  图 13基于两类孔隙压缩系数模型的煤样渗透率预测结果对比Fig.13 Comparison between the predicted permeabilityof coalsamples bytwo kinds of pore compression coefficientmodels渗透率 预测结果失真情况就越严重 ;变孔隙压缩系数模型更接近于地层条件 ,能够更为客观地描述深部低阶煤层渗透率特征 。进一步分析 ,有效应力越高 ,煤的孔隙压缩系数越小 ,煤层渗透率随埋深增大而衰减的速度也会越来越慢 ,这一认识与国外学者的研究结果一致[60]。2.4 基于成藏效应的深部 煤层气有利区优选模型笔者及其团队前期通过深部煤层气成藏效应特殊性的分析论证 ,建立了 “四步递阶 ”深部煤层气有利区半定量优选思路与方法[10,14]。由此对 鄂尔多斯盆地东缘深部煤层气有利区的预测结果 ,已被近年来的勘探开发实践所初步证实[18,19,61]。定量表 征煤层气成藏效应 ,对于深部煤层气有利区识别及开发方式选择更为重要 。为此 ,笔者进一步分析煤层气成藏控制因素 ,建立了表征煤层含气性 、储层能量 、流动能力三大关键要素的数学模型 ;以煤层气产能方程为基准 ,构建了耦合三大关键要素综合效应模型与煤层气四维成藏效应判别模式的深部煤层气有利区定量优选方法[62]。按耦合 效应指数>50×103、(5~50)×103、<5×103,将成藏效应划分为有利 、中等 、不利3个层 次 。在每一层次中 ,以煤层气富集指数100和200、煤层输 导能力指数0.5和1.0、煤层有 效流体能量构成指数9和12为界 ,进一步划分出27种类型 。采用该方法 ,在鄂尔多斯盆地东缘深部煤层气优选出Ⅰ类有利 区3种类型 ,Ⅱ类中等 有利区18种类型 (表2)。其中 ,Ⅰ类区分 布在地鄂5井 —榆24井北一带 ,Ⅱ类区位 于大宁 —吉县 、榆17井区及台7井 —榆47井一带 。相关预测结果 ,已在研究区深部煤层气表 2鄂尔多斯盆地东部煤层气成藏耦合效应类型Table 2 Integrated types of CBM-reservoiringeffects in the eastern Ordos Basin成 藏 效 应类 型显现特征与分布Ⅰ类 (有利 )333,233,232 煤层气 中 —高度富集 ,输导能力中等 —强 ,以高的有效流体压力为主 ,主要分布在地鄂 5井 —榆 24井以 北 地区312,323,331,313,311,321煤层气高度富集 ,输导能力和流体压力中等 —弱 ,如 大宁 —吉 县 一 带Ⅱ类(较有利 )233,332,331,231,232,223煤层输导能力强 ,煤层气富集程度和流体压力中等 —弱 。此类区域若具有中等及以上的能量构成指数 ,则 开发 潜力巨大 ,如榆 17井区 ,耦合效应在 25×103以上223,222,212,322,213,2213种成藏要素中至少 2个 在中 等以上,输导能力较差 ,如台8井—榆47井附近,开发潜力在Ⅱ类中 相 对较差注 :类型采用三位数字编码 ,第一位为煤层气富集指数 ,“3”的赋值范围>200,“2”为100~200,“1”为<100;第二位是煤储层输导能力指 数 ,“3”的赋值范围为>1.0,“2”为0.5~1.0,“1”为<0.5;第三位为有效流体能量构成指数 ,“3”的赋值 范围为>12,“2”为9~12,“1”为<9。勘探中 得到初步应用[47]。3 探索 方 向21世纪初 ,美 国皮森斯盆地白河隆起为期1年的深部煤层气开发先导性试验取得成功 ,目的煤层埋深1 560~2 560 m,煤层顶板为致密砂岩 ,65口井的单井日均产气量稳定在约10 890 m3/d,最高14 375m3/d,其中60%来 自煤 层[2,4]。中国深 部煤层气地质条件探讨同样起始于本世纪初[5-7],“十二五 ”(
展开阅读全文
  石油文库所有资源均是用户自行上传分享,仅供网友学习交流,未经上传用户书面授权,请勿作他用。
0条评论

还可以输入200字符

暂无评论,赶快抢占沙发吧。

关于本文
本文标题:论深部煤层气基本地质问题_图文
链接地址:http://www.oilwenku.com/p-51848.html
关于我们 - 网站声明 - 网站地图 - 资源地图 - 友情链接 - 网站客服客服 - 联系我们
copyright@ 2016-2020 石油文库网站版权所有
经营许可证编号:川B2-20120048,ICP备案号:蜀ICP备11026253号-10号
收起
展开