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煤层气的封存与富集条件

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煤层气 封存 富集 条件
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© 1994   国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 (批 准 号 49772131)收 稿 日 期 :1999 02 01煤 层 气 的 封 存 与 富 集 条 件桑 树 勋   范 炳 恒   秦   勇(中 国 矿 业 大 学 ,江 苏 徐 州 221008)唐 书 恒   叶 建 平(中 国 煤 田 地 质 总 局 第 一 勘 探 局 ,河 北 邯 郸 056004)贾 社 屯(潞 安 矿 务 局 ,山 西 长 治 046204)在 水 文 地 质 条 件 简 单 的 地 区 ,煤 层 气 的 封 存 主 要 取 决 于 煤 层 气 富 集 区 的 构 造 及 盖 层 岩 性 。 通 常 情 况 下 ,压性 断 层 可 使 煤 层 甲 烷 增 多 ,张 性 断 层 使 其 降 低 。 但 在 远 离 张 性 断 层 面 的 两 侧 ,一 般 形 成 两 个 对 称 的 平 行 条 带 状构 造 应 力 高 压 区 ,使 得 煤 层 甲 烷 含 量 相 对 升 高 ,成 为 阻 止 煤 层 甲 烷 进 一 步 向 断 层 运 移 的 天 然 屏 障 。 背 斜 构 造 的中 和 面 以 上 及 向 斜 构 造 的 中 和 面 以 下 常 会 出 现 煤 层 甲 烷 的 富 集 。 依 据 煤 层 气 盖 层 的 排 驱 压 力 、 渗 透 率 等 值 ,盖层 可 分 为 屏 蔽 层 、 半 屏 蔽 层 和 透 气 层 ,它 们 在 不 同 的 构 造 发 育 区 ,其 封 盖 性 能 不 同 ,由 此 可 划 分 出 9 类 不 同 的 构造 封 盖 层 岩 性 组 合 类 型 。 平 顶 山 矿 区 的 实 例 分 析 表 明 : Ⅰ 类 组 合 煤 层 气 含 气 性 最 好 ,其 次 为 Ⅱ 类 、 Ⅳ 类 、 Ⅴ 类 ,其它 类 型 含 气 性 最 差 。关 键 词   煤 层 气   封 存 条 件   构 造 岩 性 组 合   平 顶 山 矿 区第 一 作 者 简 介   桑 树 勋   男   31 岁   副 教 授 (工 学 博 士 )   煤 层 气 地 质 学 与 沉 积 地 质 学煤 层 含 气 性 主 要 取 决 于 :生 气 条 件 系 统 、 储 集性 能 系 统 和 封 存 条 件 系 统 。 其 中 ,封 存 条 件 系 统 主要 包 括 煤 层 埋 深 、 构 造 特 征 与 应 力 场 、 盖 层 岩 性 和水 文 条 件 等 地 质 因 素 。 前 人 的 研 究 表 明 ,煤 层 含 气性 与 煤 层 埋 深 具 有 定 量 关 系 ,直 接 梯 度 法 和 间 接 梯度 法 成 为 目 前 预 测 深 部 煤 层 含 气 性 的 主 要 方法 [1~ 3 ] 。 但 由 于 矿 区 范 围 内 地 质 构 造 和 盖 层 岩 性的 变 化 往 往 造 成 煤 层 含 气 梯 度 显 著 差 异 ,限 制 了 上述 含 气 性 预 测 方 法 的 应 用 。 在 查 明 构 造 特 征 和 盖层 岩 性 控 气 规 律 的 基 础 上 ,划 分 构 造 岩 性 组 合 类型 ,探 讨 煤 层 气 富 集 规 律 和 深 部 煤 层 含 气 性 的 预 测方 法 具 有 理 论 和 现 实 意 义 。 本 文 以 华 北 晚 古 生 代部 分 地 区 主 要 含 气 煤 层 为 例 ,对 此 方 法 进 行 了 尝试 。 水 文 条 件 的 封 存 作 用 有 待 进 一 步 研 究 。1   地 质 构 造 与 煤 储 层 含 气 性地 质 构 造 发 育 特 征 既 包 括 构 造 形 迹 ,也 包 括 构造 形 迹 反 映 出 的 构 造 应 力 。111   断 层压 性 断 层 表 现 为 逆 断 层 、 压 性 走 滑 断 层 或 发 生反 转 的 正 断 层 ,断 层 面 为 密 闭 性 ,煤 层 气 很 难 透 过断 层 面 运 移 散 失 ,断 层 面 附 近 成 为 构 造 应 力 集 中带 ,可 加 大 煤 层 气 压 力 ,使 煤 层 吸 附 甲 烷 量 增 多 ,煤层 含 气 量 相 对 增 高 。张 性 断 层 表 现 为 正 断 层 、 拉 张 走 滑 断 层 或 发 生反 转 的 逆 断 层 ,断 层 面 为 开 放 性 ,往 往 成 为 煤 层 气运 移 逸 散 的 极 好 通 道 。 断 层 面 附 近 由 于 构 造 应 力释 放 而 成 为 低 压 区 ,煤 层 甲 烷 大 量 解 吸 ,并 从 断 层面 逸 散 ,使 煤 层 含 气 量 急 剧 下 降 。 但 在 远 离 断 层 面(150~ 250 m)的 两 侧 一 般 形 成 两 个 平 行 断 层 呈 对称 的 条 带 状 构 造 应 力 高 压 区 ,煤 层 甲 烷 含 量 相 对 升高 ,成 为 阻 止 煤 层 甲 烷 进 一 步 向 断 层 运 移 的 天 然 屏障 。 高 压 区 过 后 仍 为 原 压 带 (图 1) [4 ] 。图 1   断 层 构 造 与 煤 层 含 气 量 关 系 示 意 图1   of 褶 皱褶 皱 类 型 对 煤 层 气 的 封 存 与 聚 集 起 显 著 的 控石 油 与 天 然 气 地 质                                   第 20 卷  第 20 卷   第 2 期 石 油 与 天 然 气 地 质 Y 1999 年 6 月  © 1994 (图 2) 。图 2   褶 皱 构 造 与 煤 层 含 气 量 关 系 示 意 图2   构 造 的 两 翼 与 轴 部 中 和 面 以 下 表 现 为 压应 力 ,特 别 是 中 和 面 以 下 出 现 明 显 的 应 力 集 中 ,这些 部 位 为 高 压 区 。 背 斜 轴 部 中 和 面 以 上 表 现 为 拉张 应 力 ,产 生 大 量 的 张 性 裂 隙 或 正 断 层 ,应 力 快 速释 放 ,为 低 压 区 。 煤 层 气 在 背 斜 的 两 翼 能 较 好 地 封存 ,在 轴 部 就 要 看 煤 层 与 中 和 面 的 关 系 ,中 和 面 以上 煤 层 气 逸 散 ,中 和 面 以 下 煤 层 气 聚 集 。 但 当 煤 层埋 深 较 大 且 顶 板 为 厚 层 泥 岩 时 ,上 覆 地 层 应 力 使 泥岩 封 盖 层 表 现 为 塑 性 ,拉 张 应 力 只 会 加 大 塑 性 变形 ,不 会 产 生 开 放 性 裂 隙 ,顶 板 保 持 良 好 的 覆 盖 性能 ,两 翼 煤 层 中 的 甲 烷 也 会 向 轴 部 运 移 ,造 成 煤 层的 高 含 气 性 ,此 时 中 和 面 以 上 仍 富 集 煤 层 甲 烷 ,且游 离 气 占 相 当 大 的 比 例 。向 斜 构 造 两 翼 与 轴 部 中 和 面 以 上 表 现 为 压 应力 ,中 和 面 以 上 表 现 为 明 显 的 应 力 集 中 ,为 高 压 区 ;中 和 面 以 下 表 现 为 拉 张 应 力 ,由 于 煤 层 往 往 埋 深 较大 ,只 产 生 少 量 开 放 性 裂 隙 ,释 放 部 分 应 力 ,形 成 相对 低 压 区 。 向 斜 的 两 翼 和 轴 部 中 和 面 以 上 是 有 利于 煤 层 气 封 存 和 聚 集 的 部 位 ,特 别 是 向 斜 的 轴 部 是煤 层 气 含 量 高 异 常 区 。 当 煤 层 埋 深 较 大 ,顶 板 为 厚层 泥 岩 时 ,中 和 面 以 下 也 会 出 现 煤 层 甲 烷 聚 集 。113   实 例华 北 地 区 断 层 构 造 主 要 形 成 于 新 生 代 喜 山 运动 ,基 本 上 呈 张 性 ,以 正 断 层 为 主 ,故 不 利 于 煤 层 甲烷 的 封 存 ,煤 层 甲 烷 含 量 普 遍 较 低 。 华 北 地 区 太 行山 东 麓 含 煤 区 中 北 段 表 现 得 最 为 突 出 ,该 区 发 育 一系 列 阶 梯 状 近 的 正 断 层 ,主 力 储 层 含 气 量 一般 不 超 过 8 t ,为 华 北 低 含 气 区 ;含 煤 盆 地 内 部也 有 明 显 表 现 ,如 沁 水 盆 地 总 体 为 高 含 气 区 ,但 其中 的 潞 安 矿 区 位 于 太 行 山 西 翼 中 段 ,正 断 层 发 育 ,与 相 邻 的 晋 城 矿 区 相 比 ,煤 层 含 气 性 要 差 得 多 。 华北 地 区 煤 层 赋 存 的 一 个 显 著 特 点 是 煤 层 埋 深 相 对较 浅 ,基 本 上 位 于 褶 皱 中 和 面 以 上 ,向 斜 富 气 、 背 斜贫 气 在 全 区 具 有 普 遍 性 ,主 要 表 现 为 盆 地 (煤 田 )或矿 区 内 部 煤 层 含 气 性 的 变 化 ,如 开 滦 煤 田 、 河 东 煤田 。 上 述 分 析 可 以 得 出 结 论 :压 性 构 造 发 育 区 煤 层含 气 性 优 于 张 性 构 造 发 育 区 ;逆 断 层 发 育 区 煤 层 含气 性 优 于 正 断 层 发 育 区 ;向 斜 构 造 富 气 ,背 斜 构 造相 对 贫 气 。2   封 盖 层 特 征 与 煤 层 含 气 性煤 层 气 主 要 以 吸 附 状 态 存 在 ,受 地 下 水 承 压 、生 烃 增 压 和 构 造 应 力 的 影 响 ,在 成 藏 过 程 中 煤 储 层常 出 现 超 压 现 象 。 美 国 圣 湖 安 等 煤 盆 地 目 前 煤 储层 仍 保 持 超 压 状 态 ,此 时 煤 储 层 的 地 层 压 力 不 仅 高于 上 覆 地 层 (顶 板 ) ,也 高 于 下 伏 地 层 (底 板 ) ,煤 层的 顶 板 和 底 板 对 煤 层 气 的 保 存 都 起 作 用 ,一 般 认 为顶 板 的 作 用 更 为 显 著 ,我 们 这 里 研 究 的 也 主 要 是 顶板 。盖 层 (顶 板 ) 对 煤 储 层 气 体 的 封 闭 作 用 有 三 种机 制 :毛 细 管 封 闭 、 压 力 封 闭 和 烃 浓 度 封 闭 。 毛 细管 封 闭 和 压 力 封 闭 可 以 阻 止 气 体 运 移 ,烃 浓 度 封 闭主 要 阻 止 气 体 的 扩 散 。 盖 层 毛 细 管 封 闭 能 力 的 大小 主 要 取 决 于 排 驱 压 力 ,压 力 封 闭 能 力 受 控 于 渗 透率 ,而 烃 浓 度 封 闭 能 力 与 扩 散 系 数 关 系 密 切 ,参 考常 规 天 然 气 盖 层 的 评 价 指 标 ,我 们 将 煤 储 层 封 盖 层划 分 为 屏 蔽 层 、 半 屏 蔽 层 和 透 气 层 (表 1) 。 根 据 前表 1   煤 储 层 封 盖 层 分 类   of 型 P/ · s - 1 D/ 隙 发 育屏 蔽 层 > 110 10 - 2 > 10 - 6 > 50 好人 对 常 规 气 不 同 盖 层 岩 性 物 性 所 做 的 大 量 测 试 ,屏蔽 层 的 代 表 岩 性 为 岩 盐 、 泥 岩 、 粉 砂 质 泥 岩 、 致 密 泥灰 岩 和 灰 岩 ,半 屏 蔽 层 的 代 表 岩 性 为 砂 质 泥 岩 、 泥质 粉 砂 岩 、 粉 砂 岩 ,透 气 层 的 代 表 岩 性 为 粉 砂 岩 、 砂岩 和 裂 隙 灰 岩 [5 ,6 ] 。3   构 造 封 盖 层 岩 性 组 合 类 型根 据 地 质 构 造 类 型 、 封 盖 层 类 型 与 煤 储 层 含 气501第 2 期                               桑 树 勋 等 :煤 层 气 的 封 存 与 富 集 条 件© 1994   平 顶 山 矿 区 二 1 煤 层 构 造 封 盖 层 岩 性 组 合 类 型 分 区 与 含 气 性 分 布3   of 1 关 系 ,可 划 分 出 9 种 不 同 构 造 封 盖 层 岩 性 组 合类 型 (表 2) 。 Ⅰ 型 组 合 的 典 型 地 质 构 造 为 向 斜 和逆 断 层 ,封 盖 层 为 屏 蔽 层 ; Ⅱ 型 组 合 的 典 型 地 质 构造 为 向 斜 和 逆 断 层 ,封 盖 层 为 半 屏 蔽 层 ; Ⅲ 型 组 合的 典 型 地 质 构 造 为 向 斜 和 逆 断 层 ,封 盖 层 为 透 气层 ; Ⅳ 型 组 合 的 典 型 地 质 构 造 为 单 斜 和 少 量 断 层 ,封 盖 层 为 屏 蔽 层 ; Ⅴ 型 组 合 的 典 型 地 质 构 造 为 单 斜和 少 量 断 层 ,封 盖 层 为 半 屏 蔽 层 ; Ⅵ 型 组 合 的 典 型地 质 构 造 为 单 斜 和 少 量 断 层 背 斜 ,封 盖 层 为 透 气层 ; Ⅶ 型 组 合 的 典 型 地 质 构 造 为 正 断 层 和 背 斜 ,封盖 层 为 屏 蔽 层 ; Ⅷ 型 组 合 的 典 型 地 质 构 造 为 正 断 层和 背 斜 ,封 盖 层 为 半 屏 蔽 层 ; Ⅸ 型 组 合 的 典 型 地 质构 造 为 正 断 层 和 背 斜 ,封 盖 层 为 透 气 层 。 Ⅰ 型 组 合发 育 区 煤 层 含 气 性 最 好 ,其 次 为 Ⅱ 型 组 合 、 Ⅳ 型 组合 和 Ⅴ 型 组 合 发 育 区 ,煤 层 含 气 性 最 差 的 为 Ⅲ 型 组合 、 Ⅵ 型 组 合 、 Ⅶ 型 组 合 、 Ⅷ 型 组 合 和 Ⅸ 型 组 合 发 育区 。表 2   构 造 封 盖 层 岩 性 组 合 类 型   of 层 压 性 构 造 发 育 过 渡 型 构 造 发 育 张 性 构 造 发 育屏 蔽 层 Ⅰ 型 组 合 Ⅳ 型 组 合 Ⅶ 型 组 合半 屏 蔽 层 Ⅱ 型 组 合 Ⅴ 型 组 合 Ⅷ 型 组 合透 气 层 Ⅲ 型 组 合 Ⅵ 型 组 合 Ⅸ 型 组 合4   平 顶 山 矿 区 实 例 分 析矿 区 总 体 构 造 形 态 为 一 宽 缓 的 复 式 向 斜 ,即 李口 向 斜 。 向 斜 轴 向 向 伏 。 两 翼地 层 基 本 对 称 ,地 层 走 向 290° ~ 310° ,倾 角 5° ~20° ,向 向 斜 轴 部 地 层 倾 角 变 缓 。 次 一 级 褶 皱 在 向斜 南 翼 自 北 向 南 为 郭 庄 背 斜 、 十 矿 向 斜 、 诸 葛 庙 背斜 和 郝 唐 向 斜 ,北 翼 自 南 向 北 有 白 石 山 背 斜 、 灵 武山 向 斜 和 襄 郏 背 斜 。 除 了 边 界 大 断 层 以 外 ,区 内 发育 的 中 、 小 断 层 以 为 主 , 向 断 层 次 之 ,规 模 较 大 的 有 霍 堰 正 断 层 、 白 石 沟 逆 断 层 和 锅 底 山正 断 层 。二 叠 系 山 西 组 的 中 下 部 煤 组 (以 下 简 称 二 1 煤层 )是 平 顶 山 矿 区 的 主 力 煤 储 层 ,其 顶 板 岩 性 主 要为 泥 岩 ,分 布 在 李 口 向 斜 的 轴 部 及 两 翼 的 深 部 ;其次 为 砂 质 泥 岩 和 粉 砂 岩 ,在 向 斜 北 翼 浅 部 连 续 分布 ,在 向 斜 南 翼 呈 三 个 不 连 续 的 朵 状 分 布 ;砂 岩 盖层 以 条 带 状 伸 入 砂 质 泥 岩 和 粉 砂 岩 分 布 区 ,分 布 范围 非 常 局 限 。 矿 区 总 体 构 造 呈 压 性 ,张 性 构 造 主 要分 布 在 向 斜 北 翼 浅 部 小 型 正 断 层 发 育 区 和 南 翼 西部 锅 底 山 断 层 带 。 二 1 煤 层 的 构 造 岩 性 组 合 分 区有 Ⅰ 型 、 Ⅱ 型 、 Ⅴ 型 、 Ⅶ 型 、 Ⅷ 型 五 种 类 型 ,其 中 Ⅰ 型最 为 发 育 , Ⅷ 型 也 相 对 发 育 , Ⅱ 型 次 之 , Ⅴ 型 、 Ⅶ 型发 育 范 围 非 常 局 限 (图 3) 。601 石 油 与 天 然 气 地 质                                   第 20 卷© 1994 Ⅰ 型 组 合 发 育 区 位 于 李 口 向 斜 轴 部 ,煤 层 含 气量 一 般 变 化 于 8~ 16 t ; Ⅱ 型 组 合 发 育 区 位 于 八矿 附 近 和 十 一 矿 深 部 ,煤 层 含 气 量 一 般 变 化 于 4~12 t ; Ⅷ 型 组 合 发 育 区 位 于 向 斜 北 翼 浅 部 ,煤 层含 气 量 一 般 小 于 8 t 。 不 同 构 造 岩 性 组 合 分 区煤 层 含 气 性 变 化 显 著 ,并 符 合 上 述 所 总 结 的 规 律 。笔 者 以 兰 氏 体 积 ( V L) 、 有 效 阶 段 生 气 率 ( 深 度 因 子 ( D) 为 定 量 参 数 ,利 用 三 元 回 归 数 学 模型 对 平 顶 山 矿 区 不 同 构 造 岩 性 组 合 类 型 分 区 的 煤层 含 气 量 ( 和 预 测 参 数 进 行 了 回 归 分 析 ,得 到了 不 同 分 区 的 含 气 量 预 测 公 式(1) Ⅰ 类 组 合 区     41212 - 01006 V L + 01072 R = 0167 , F = 4174(2) Ⅱ 类 组 合 区     61682 + 01191 V L + 01028 R = 0144 , F = 2154(3) Ⅷ 类 组 合 区     61451 + 01097 V L + 01017 R = 0141 , F = 2162式 中   R 为 复 回 归 系 数 ; F 检 验 置 信 度 为 0105。与 全 矿 区 统 计 所 得 预 测 结 果 相 比 (直 接 梯 度 法 或 间接 梯 度 法 ) ,分 区 统 计 和 预 测 的 结 果 无 疑 减 少 了 离散 性 ,提 高 了 预 测 效 果 [7 ] 。参 考 文 献1   张 新 民 ,张 遂 安 ,钟 玲 文 ,等 . 中 国 的 煤 层 甲 烷 . 西 安 :陕 西 科 学技 术 出 版 社 ,1991. 93~ 952   李 静 ,李 小 彦 ,杨 利 军 ,等 . 煤 层 含 气 量 预 测 方 法 . 煤 田 地 质 与 勘探 ,1998 ,26 (1) :31~ 333   桑 树 勋 ,刘 焕 杰 ,范 炳 恒 ,等 . 含 煤 盆 地 煤 层 气 资 源 量 计 算 方 法 煤 层 气 ,1996 , (2) :106~ 1094   王 大 曾 . 瓦 斯 地 质 . 北 京 :煤 炭 工 业 出 版 社 ,1992. 53~ 605   陈 荣 书 . 天 然 气 地 质 学 . 武 汉 : 中 国 地 质 大 学 出 版 社 , 576   李 国 平 ,郑 德 文 ,欧 阳 永 林 ,等 . 天 然 气 封 盖 层 研 究 与 评 价 . 北京 :石 油 工 业 出 版 社 ,1996. 99~ 1067   桑 树 勋 ,刘 焕 杰 ,李 贵 中 . 煤 层 气 生 成 与 煤 层 气 富 集 — Ⅰ . 有 效阶 段 生 气 量 与 煤 层 气 富 集 . 煤 田 地 质 与 勘 探 ,1997 ,25 (6) :14~17F N X uz 1x L u’ S of is by In of in in of a to to of of to of be in be of , 期                               桑 树 勋 等 :煤 层 气 的 封 存 与 富 集 条 件
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