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第一章第二章 煤层气地质、煤层气储层综合评价

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地质 储层 沉积 地化 层序地层
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本理论1、煤层气 (称“煤矿瓦斯”,广义的“煤层气”是在漫长的地质年代煤层中生成的天然气经运移、扩散后的剩余量,其主要成分为甲烷。 通常讲的“煤层气”是以 吸附方式 存在于煤层中的非常规天然气。传统的煤层气赋存理论认为:煤层中天然气主要以 游离、吸附和溶解 三种状态赋存于煤层中。( 1)游离状态天然气以自由气体状态存在于煤的割理和其它裂缝孔隙中,可以自由运移,运移的动力主要是地层水的压力。当天然气运移进入裂缝网络中呈游离状态以后,可用常规气田的方法进行研究,游离状态的天然气占 10%~20%。本理论( 2)吸附状态在煤的内表面上分子的吸引力一部分指向煤的内部,已达到饱和,而另一部分指向空间,没有饱和,于是就在煤的表面产生吸附场,吸附周围的气体分子。这种吸附属于物理现象,是 100%的可逆过程。在一定条件下,被吸附的气体分子与煤的内表面脱离,叫做解吸,并进入游离相。呈吸附状态的天然气可占 70%~95%。由此可见,天然气在煤层中的储集主要依赖于吸附作用,而不依赖于是否有储集气体的常规圈闭存在,因而与常规砂岩中天然气的储集有本质上的区别。( 3)溶解状态煤中还有少量的天然气溶解在煤层的地下水中,称为溶解气,通常,这部分气量极少。本理论固溶气除了上述提到的三种赋存方式以外,在工程实践中发现在煤与瓦斯突出时,有时相对瓦斯涌出量是煤层含气量的数倍至近百倍,按传统的含气量计算进行估计,就是储层中的所有煤层气全部开采出来,也不可能达到如此高的程度,显然艾鲁尼提出的固溶体是客观存在的,甚至在煤层气总量中的比例远远大于艾鲁尼认为的替代式固溶体 2%填隙式固溶体 5%比例。固溶气(体)可能与天然气水合物 —— 可燃冰类似,在煤与瓦斯突出时被释放出来,可见固溶气也是煤层气的一种重要赋存形式。下面通过下表对比分析一下天然气与煤层气藏开发的异同点,对煤层气的开发有一个大体的认识。本理论•2、煤阶• 煤阶是影响煤层饱和状态的参数,代表了煤化作用中能 达到的成熟度的级别。煤化作用是指泥炭转变为褐煤、烟煤、无烟煤、超无烟煤,或腐泥转变为腐泥褐煤、腐泥烟煤、腐泥无烟煤和腐泥超无烟煤的过程。煤化作用包括 成岩作用 和 变质作用 两个阶段。成岩作用是以压力为主,使泥炭压实、脱水、固结而转变为褐煤;变质作用是在以温度为主,压力为副的条件下,使褐煤转变为烟煤、无烟煤以至超无烟煤。影响煤化作用的因素主要包括: 温度、压力和时间 。温度升高促使煤进行化学变化,压力增大主要是促使煤的物理结构发生变化,时间因素的作用体现在温度和压力持续的久暂上。本理论3种因素中温度最为重要。 温度愈高,煤化程度愈高;温度愈高,时间的影响愈大;在同样的温度、压力条件下,时间愈长,煤化程度也愈高 (作用的温度应大于 50~ 60℃ );在较低温度下受热时间较长,或温度较高而持续时间较短,可以达到同样的煤化程度。煤变质作用类型:( 1)深成变质作用 。又称区域变质作用或正常变质作用,是煤层沉降到地面下较深处,在地温和上覆岩系静压力作用下发生的变质作用。“希尔特规律” —— 德国 地层大体水平的条件下,向地下每深 100米,煤的挥发分降低约 这表明煤的变质程度随其埋藏深度的增加而增高,即由于地温随深度的增加而增高,导致煤层的变质程度随深度而增高。本理论( 2)接触变质作用 。指与煤层接触的侵入岩浆的高温、挥发性气体促使煤发生的变质。煤层经受的温度虽高,但因岩浆侵入的规模一般较小,受热的持续时间较短,因此仅在接触带附近形成局部的煤级分带。( 3)区域岩浆热变质作用或原岩浆热变质作用 。是由于侵入岩浆的岩浆热和伴生的热液、热气以及岩浆所含放射性元素的蜕变热等,在含煤地区形成地热异常引起的煤变质作用。( 4) 动力变质作用。 是由于构造运动导致煤的变质。动压力使煤的物理结构发生变化,如密度加大、水分减少、反射率和各向异性增强。条件有利时也会因构造变动产生的摩擦热引起煤的化学变化。但这往往只限于强烈构造活动带,影响范围不大。本理论煤的显微组分中主要包括 镜质组、惰质组和壳质组 。镜质组(尤其是均质镜质体)致密、均匀、块体大,有利于割理顺利延伸和发展;含量介于 间,平均为 基质镜质体为主,结构镜质体和均质镜质体含量不高。惰质组是多孔状、纤维状,纤维的纵向常顺层排列,空隙使得应力释放,纤维状丝质体在垂直纤维方向上裂开比较困难;间,平均为 惰质组有释放应力、减弱割理和阻挡割理的作用,对割理发育不利;壳质组平均含量为 主要为孢子体、角质体和树脂体,它的机械强度大于镜质组和惰质组,其形变过程类似于镜质组,多数煤层含壳质组很少,故壳质组对煤储层割理发育影响不大。本理论大量研究表明,镜质组对煤的生气量及储层物性的贡献最大 。镜质组发育的煤层,一般内生裂隙较发育,渗透率越高。通常用于确定煤阶的参数为“镜质体反射率”。镜质组分是煤中最常见、最重要的组分,含氧量高,碳和氢的含量居中,在中国大多数晚古生代煤中,镜质组含量在 55%~80%以上。镜质组反射率指在显微镜下,于油浸及 546 )表示,其值随煤化程度增高而加大 。当 时为高煤阶,如无烟煤;当 20%10%层气储层综合评价(四)割理割理主要指煤中宽度在毫米级的割理或内生裂隙。割理一般近于垂直层面,研究方法主要通过对岩心样或煤矿新鲜面样进行煤岩描述获得。可用割理密度和割理连通性进行评价。割理密度指在一定距离内(一般以 5理或裂隙数量的多少 ,它反映割理发育程度的好坏。割理的连通性评价包括裂隙之间的相互组合形态及裂隙是否为其他矿物充填,将其评价隶属度函数模型( 义如表 2 2储层评价中的割理连通性评价模型割理形态 网状孤立 状为主)孤立 立为主) 孤立状矿物充填率 /% 80 80 80 80 层气储层综合评价(五)微裂隙微裂隙指煤中微米级的割理或裂隙, 是沟通孔隙与宏观裂隙的桥梁,其发育程度影响储层的渗透性能。一般按微裂隙的尺寸将其分为四类: 宽度 ( W) ≥ 5μ 度 ( L)≥ 10 W≥ 5μ <10型为细长微裂隙,W<5μ 度 L≥ W<5μ 度L<微裂隙密度指在 50倍物镜下,统计 9其值可反映煤的裂隙发育程度。一般微裂隙的密度越高,对渗透率的贡献越大。但大量的生产实践证明,对于煤的微裂隙来说,存在一种特殊情况。即微裂隙高度发育(一般超过 200条/9煤却并非代表一种高渗情况,相反,过度发育的微裂隙可能反映了构造应力下的煤的高度破碎,这种微裂隙对煤层气渗透率的贡献非常低,甚至起到阻碍渗流的结果。层气储层综合评价为了区分哪种微裂隙是高渗的指示,哪种是构造煤的指示,通过统计分析 24个矿区的样品发现:在淮北、淮南煤田,平顶山煤田,等矿区都为构造煤的发育地区;而沁水盆地煤的煤体结构多为原生结构煤,构造煤不发育。层气储层综合评价3、煤储层储集特征评价(一)含气量含气量主要通过钻井现场和实验室的岩心罐解吸实验获得。我国各矿区煤层的含气量一般都在 2考我国沁水盆地东南缘、鄂尔多斯东缘、阜新等煤层区排采的实验结果,理论上含气量小于 4m3/含气量大于 14m3/隶属度函数评价如下:44≤4层气储层综合评价(二)储层压力储层压力对煤层气含量、气体赋存状态以及渗透率的变化均起着重要作用, 一般储层压力越高,对煤层气的储集和开发越有利。 一般用压力梯度去衡量储层压力的大小。储层压力的非均质性非常严重。层气储层综合评价煤层甲烷气藏是一种压力圈闭气藏,在压力作用下,煤层甲烷以物理吸附的形式在煤基质的内表面上,煤储层中压力的降低是导致煤层甲烷解吸、运移的直接原因,它使被吸附的甲烷解吸进入煤层裂隙系统,发生运移、散失。当煤层压力大于上覆盖层的突破压力时,煤层气将大量散失,煤层气藏将遭到严重破坏。因此煤层异常压力是煤层气成藏以及破坏的最为重要的因素之一 。煤层气异常压力机理:( 1)生烃条件煤层热演化过程中,在极低的渗透条件下,固态煤有机质生成甲烷气是造成煤内部流体体积膨胀,进而产生煤储层异常高压。储层在生气阶段,主要经历了生烃高峰期及生烃衰弱期。当生烃高峰时,储层中的生烃率大于烃类的散失率,在较封闭的条件下,层气储层综合评价产生明显的超压。相反,当生烃衰弱期时,烃类的散失率大于生烃率,所以当生气阶段生气量少,即造成散失量大于生成量时,形成低压。( 2)保存及封盖条件和常规油气藏一样,在早期形成的煤层气藏在漫长的地质时期中,需要良好的保存条件。如果煤层存在超压和气体饱和煤层气藏的渗漏,当压力耗散的速度大于其产生的速度时,超压将会降低至正常,然后将会产生低压。封存条件主要取决于煤的裂隙系统是否发育。煤为双孔隙结构,煤的基质孔隙是煤层呈吸附状态储存的主要空间,天然裂隙系统则是煤层气渗流的主要通道,也就是煤内部流体与外界交换条件的主要通道,割理是煤中的主要裂隙系统,割理控制着煤层的渗透率。层气储层综合评价在 Ro,·3%时达到最大值,约为 60条 /5 图 1)。此时煤层气同外界交换最大,不利于煤层气的保存。煤层异常压力的保存条件主要受顶、底板的封闭性、水文地质条件,特别是构造演化后期供水和泄水系统的影响。当煤层持续抬升、储层温、压递减时,吸附气储集潜力低,煤层气在水中溶解气的潜力也会降低,储层中吸附气、溶解气向游离气转变,储层中的游离气可能因卸压造成的孔隙膨胀含气饱和度增加而有所增加(超压状态 ),也可能因渗流逸散失而减少,部分或全部被转化的游离气发生逸散 (欠压状态)。断裂的发育,通常对原始超压体系来说可能由于泄露作用导致低压异常,而对非常压体系,通过它可以起到传递的作用,形成超压异常。层气储层综合评价构造作用活动较强烈盆地其保存条件遭到破坏是形成异常低压的主要因素之一。( 3)水动力条件地下水携带的矿物质在某些范围内的煤层割理沉淀,割理被充填,该区的煤储层渗透率降低,阻止煤层气与外部环境交换,易于形成水压圈闭,使压力得以保持。水动力封闭型主要以美国圣胡安盆地 国的圣胡安盆地煤层气为超压的主要原因就是其承压水分布较广 。在我国泌水盆地、大城、柳林等地区存在水动力封闭型煤层气藏,但高压现象少见,说明我国煤层裂缝不太发育,充填严重,水力联系较差不具备大面积承压水发育条件,地质历史中煤层气散失量大而缺乏水力能量补充,而表现为低压特征。层气储层综合评价4、煤储层的煤地质学特征评价煤储层的地质学特征,包括煤的岩石学特征(宏观煤岩特征和煤岩组成特征)及煤的物理 煤体结构)和煤阶等。(一)宏观煤岩类型表 2层气储层综合评价煤的宏观煤岩类型反映成煤期煤的沉积环境。 不同的煤岩类型的煤,在物理或化学组成上的差异造成了它们对煤的生气、储气及煤层气的解吸和渗流具有不同的影响。 一般认为光亮煤较暗淡煤的吸附能力强且割理发育好,在其他条件类似的情况下,煤中的亮煤比例越高,煤储层的含气量和渗透率一般就越高 。(二)煤体结构煤储层的煤体结构主要取决于煤体本身的物理 根据煤层所受构造破坏程度不同,按从小到大的顺序,煤体结构可依次划分为原生结构、碎裂结构、碎粒结构和糜棱结构 。构造煤因其呈粉末状、糜棱状,渗透率低,为开发的“禁区”;碎裂结构的裂隙发育,渗透率较高;原生结构煤的裂隙发育较碎裂结构差,但易于实施压裂或注气提高采收率。国煤层气重点选区目标评价中国煤层气资源十分丰富,其特点表现为含煤盆地多,含煤层系多,横向分布广、煤种全,煤层气藏类型多,含气量大,煤层气远景资源量大、煤炭总资源量大。然而我国含煤盆地类型和聚煤环境差异大,后期构造运动改造强烈,因此我国十分丰富的煤层气资源蕴藏在非常复杂的地质环境中。1、有利选区概述我国的有利选区有 8个, 26个目标区勘探面积 3400亿 源量 43000亿 体有利选区特点见表 2 2利选区统计表区块名称 含煤面积 /源量/亿 要目标区 变质条件 煤层特点鄂尔多斯盆地中部中、低煤阶区 7360 10700横山堡、榆神、榆横、华池马岭区域压实气体多呈非饱和态。局部地区封盖条件好,煤层物性好鄂尔多斯盆地东部中煤阶区 4219 6853河西府谷、吴堡和河东离柳、乡宁地区压实 层条件好,气体呈饱和吸附状态沁水盆地环状斜坡带中 795 晋城、潞安、沁源、寿阳地区压实 247 5727 焦作、平顶山地区压实应力侧向封堵,局部储层物性好、盖层条件好,气体呈饱和吸附状态鲁西 900 1755鲁西、巨野、濮阳地区压实 部条件好,可以勘探冀中 060 2257开平、涧和和大城地区热 成非饱和状态;局部成饱和吸附状态淮南 000 淮南和淮北地区应力 部储层物性好、盖层条件好,气体呈饱和吸附状态华南六盘水地区 压实 国煤层气重点选区目标评价2、重点目标评价(一)沁水盆地环状斜坡带沁水盆地位于山西省中南部,是华北地区石炭 片面积最大,构造相对稳定、埋藏适中的一个含煤区。( 1)地质特征( a)含煤层数多、厚度大、埋深适中、分布稳定、资源丰富;( b)煤质好、热演化程度高、生气量大、吸附量高;( c)封盖条件好;( d)煤层构造裂隙发育、储层物性好。国煤层气重点选区目标评价( 2)有利目标区( a)晋城地区◆ 含煤层数多、厚度大、分布稳定、资源丰富;◆ 构造部位有利,封盖条件好;◆ 煤层气含量大、解吸率高;◆ 煤储层物性好;◆ 甲烷风化带浅。( b)潞安地区构造基本形态为西倾单斜,局部发育小断褶,顶板岩性以泥岩、粉砂岩为主,厚度达 10米以上,封盖条件较有利。( c)沁源地区总体上,北部煤层发育好,厚度较大。国煤层气重点选区目标评价(二)吴堡 造基本形态为西倾平缓斜坡,该区具有以下煤层气勘探有利条件:( 1)煤分布广、厚度大,煤层气资源丰富;( 2)处于缓坡承压水区,盖层条件好,有利于形成大型高压水封气藏;( 3)煤质好、煤阶适中、含气量高、煤层物性好;( 4)气显示普遍。国煤层气重点选区目标评价(三)鄂尔多斯盆地西部横山堡地区位于西部北段,具有以下有利条件:( 1)煤层厚、煤阶适中;( 2)构造条件有利;( 3)保存条件有利,处于承压水区;( 4)气显示普遍;( 5)存在高压封闭条件;( 6)市场条件有利。国煤层气重点选区目标评价(四)河东地区位于鄂尔多斯盆地东缘黄河以东,分离柳、乡宁南北两大勘探区。( 1)离柳地区煤层气勘探有利条件( a)长期处于盆地边缘,煤层压实轻、物性好;( b)煤质好,煤阶适中,有利于煤层气的生成和富集;( c)煤层厚、分布稳定、煤层气资源丰富。( 2)乡宁地区煤层气勘探有利条件( a)煤层厚、分布稳定、煤层气资源量大;( b)煤层埋深适中,煤质好,煤阶适中;( c)处于承压水区斜坡带,有利于形成大型高压水封气藏。国煤层气重点选区目标评价(五)南方六盘水地区位于贵州省西北部,包括六枝、盘县、水城等地,区内上二叠统煤层厚度大,煤层气资源丰富,有利条件包括:( 1)煤层厚度大、煤层数多、煤层气资源丰富;( 2)煤层演化程度有利,储层物性好;( 3)煤层含气量高、气显示好。(六)大城地区位于渤海湾盆地冀中拗陷东北部,为一走向北东、倾向北西的单斜构造,具有以下有利勘探条件:( 1)煤层分布广、厚度大;( 2)煤阶适中、含气量中等;( 3)煤层割理发育、有利于提高储层物性。国煤层气重点选区目标评价(七)鲁西地区位于山东西部黄河以北,具有以下有利勘探条件:( 1)煤层分布稳定、煤层气资源丰富;( 2)局部地区煤层顶板泥岩较厚,具有很好的封盖条件;( 3)距离济南市很近,投资环境有利。(八)荥巩地区包括登封、揠龙、荥巩、新密四大矿区,具有以下有利勘探条件:( 1)构造分区性强,断层较发育;( 2)荥巩北部构造活动变弱,保存条件好,煤层厚,资源丰富;国煤层气重点选区目标评价(九)焦作地区位于河南省太行山麓含煤区南部,为单斜构造,具有以下特点:( 1)全为无烟煤,煤层含气量高;( 2)煤构造裂隙发育,储层物性好,煤层厚;(十)开平地区处于京津塘经济开发区,最有利的勘探目标区为城坨 唐堡 十一)准葛尔盆地位于新疆北部,具有含气量高、泥岩封盖性好的特点。包括乌鲁木齐河 老君庙和阜康白杨河
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