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淺析煤層氣煤巖特征實驗方論文
煤層氣是指與煤同生共體、以甲烷為主要成分、主 要以吸附狀態(tài)賦存在煤層之中的非常規(guī)天然氣。我國 煤層氣已經在沁水和鄂爾多斯盆地東緣等地實現(xiàn)了商 業(yè)化開發(fā),年產量達到20×108 m3。煤層氣產業(yè)的迅速 發(fā)展,使得煤層氣基礎研究不斷取得新的進展。 煤層作為煤層氣的儲層,具有2方面的特征:一是 在壓力作用下具有容納氣體的能力;二是具有允許氣體流動的能力。煤層氣儲層研究,包括儲層孔滲性、裂 隙與割理的發(fā)育程度、溫度壓力、水動力條件、煤巖特 征、變質程度、含氣性、吸附與解析特性等內容,近年來取得了較大進展[1-3]。筆者通過大量文獻資料調研,對 我國煤層氣儲層的物性特征、儲集狀態(tài)、煤巖特征和實 驗方法的研究進展進行了總結。
1物性特征
煤巖作為煤層氣的源巖和儲層,是孔隙和割理-微 裂隙雙重孔隙介質。由于煤層氣在儲層中要經過吸附、 解吸、滲流、擴散等過程才能被采出,因此,與常規(guī)的砂 巖儲層相比,煤層氣儲層的儲集性能除了受到孔隙度 和滲透率的影響外,還受到割理、外生裂隙、微裂隙的 影響。煤巖的孔滲性是衡量儲層儲集和流通性能的重 要特征。 目前國內通常引用前蘇聯(lián)學者霍多特的煤巖孔隙 度分類方法,即將煤中孔隙分為大孔、中孔、小孔(過渡 孔)、微孔4類。煤巖既有大量的微孔,又有顯微裂隙和 宏觀裂隙,可以簡化為“雙重孔隙”結構模型或“三元裂 隙-孔隙”結構模型[4]。 煤儲層的孔隙性包括孔隙度、孔隙結構、孔徑分 布、孔隙連通性等,受煤階、煤巖組成、煤層結構等因素 影響很大。煤層氣的吸附及擴散、滲透能力都與煤儲層 的孔隙性密切相關。煤儲層的總孔隙空間由氣體液體 能進入的有效孔隙空間和完全封閉的孤立孔隙空間 (“死孔”)構成[4]。煤層氣主要儲存于早煤基質孔隙中, 在宏觀裂隙或者外生裂隙中運移,而顯微裂隙(割理或 內生裂隙)能溝通孔隙和宏觀裂隙,改善儲層連通性, 孔隙是煤層氣的主要儲集空間和擴散滲流通道[3]。 煤層的滲透率主要取決于其壓實程度及裂隙系統(tǒng) 的發(fā)育程度,而裂隙系統(tǒng)又受構造作用的控制,它是衡 量可采性的重要指標。一般隨煤層埋深和熱演化程度 的加深,煤層孔隙半徑變小,滲透性變差,當煤層的割 理發(fā)育且相對開啟時,滲透性變好[5]。煤基質收縮膨脹 或有效應力變化導致的煤基質自調節(jié)效應,造成煤儲 層滲透率在煤層氣排采過程中呈規(guī)律性變化[6-7];影響 滲透率的另一個重要因素就是喉道,具有很明顯的“短 板效應”,無論總孔隙度有多大,喉道的大小和形狀決 定了煤巖的滲透率。 割理是連通孔隙和宏觀裂隙的橋梁[3],也是煤儲 層中普遍發(fā)育的裂隙系統(tǒng)(見圖1),更是決定滲透率 和煤層氣開發(fā)的一個關鍵因素。割理的發(fā)育受控于煤 巖組分和不同煤巖類型的分層情況[8]。Law等認為割 理的頻率從褐煤到煙煤再到無煙煤,呈先增大再減小 的趨勢[9],中等變質的煤層內割理最發(fā)育。Levine認為 煤儲層的滲透率與割理寬度的立方成正比,與割理的 間距成反比[10]。
2儲集狀態(tài)特征
煤層氣以游離態(tài)、吸附態(tài)、溶解態(tài)3種基本形態(tài)保 存在煤巖之中,其中以吸附態(tài)為主。這3種形態(tài)處于動 態(tài)變化之中,取決于煤層的變質程度、埋深和賦存環(huán)境 等[11]。煤層的含氣性是決定煤層氣產能及開發(fā)潛力的 重要因素,受煤層的生氣、儲氣及保存條件的控制,而 所有影響這些條件的地質因素都會影響煤層的含氣性 分布[12]。 煤的吸附與解吸特性是決定煤層含氣性的重要因 素之一,也是目前研究的重點[7]。溫度和壓力是影響煤 層氣吸附/解吸特征最為敏感的因素。煤層氣解吸階段 性、解吸效率、解吸量受控于微孔與小孔的發(fā)育程度和 分布規(guī)律。鐘玲文認為,壓力在吸附/解吸過程中起主 導作用[13]。 煤儲層的埋深是影響煤層氣含氣量的一個重要因 素。羅憲指出影響煤層氣賦集的地質因素中以埋藏深 度最為顯要[14],權巨濤在磁西勘查區(qū)鉆探過程中也有 類似的發(fā)現(xiàn)[5]。我國深部煤層氣(埋深大于1 000 m)具 有十分可觀的資源前景[15-17],雖然與淺部的煤儲層特 點有相似之處,但是處在高溫高壓的環(huán)境中,深部煤儲 層則有很多不同。國內對煤儲層的孔隙結構、滲透性、 吸附/解吸特征、煤巖結構、高應力狀態(tài)下煤巖形變等 的研究報道很少。 水動力條件是決定煤層氣能否保存下來的關鍵因 素。在微滲濾作用下,礦物結晶水、吸著水、薄膜水和毛 細水等非流動水在煤層頂?shù)装迳闲纬删W絡狀的滲濾 水,對煤層氣起到一定保護作用;處于逆斷層中停滯的 水,阻止煤層氣向上運移,起到了水動力封堵作用。水 動力封堵作用有可能形成異常高壓,桑浩田認為異常 高壓形成機制可分為水動力封閉性和自閉性2類[18]。 由水動力封閉形成的煤層氣藏的滲透性一般比較好, 在現(xiàn)有的經濟和技術水平下可以進行開采。 區(qū)域構造應力條件是影響割理裂隙發(fā)育的客觀條件。唐鵬程認為古構造應力場控制割理延伸方向[8]。在 外力作用下,煤的原生結構將遭受破壞而形成構造煤 (破裂煤、碎粒煤和糜棱煤),原生結構的破壞會對煤儲 層的孔滲性產生2種不同的結果,一是煤巖破碎增大 煤儲層的孔隙性,二是導通煤系地層之間的含水層,產 生礦物充填堵塞孔隙。
3煤巖學特征
煤的變質程度對煤層氣儲層的影響呈現(xiàn)出一定的 規(guī)律性。陳振宏等從煤巖化學結構和物理結構上,解釋 了不同煤階的煤儲層對煤層氣的吸附/解吸作用差異 的原因[19]。許多學者在煤變質作用程度對煤層孔隙度 的控制作用上一致認為[20],隨著煤階的升高,煤的孔隙 度呈現(xiàn)高—低—高的變化規(guī)律。 但是,對于煤的變質作用對吸附和解吸的認識存 在分歧。張群等認為在Ro為0.54%~4.25%時,煤的吸 附能力隨煤階增高呈增高的趨勢[21];Laxminarayana等 則認為二者是一個“U”型的關系[22],即在中揮發(fā)分煙 煤階段,煤的吸附能力取極小值。蘇現(xiàn)波等研究認為, 隨煤階的增高煤的吸附能力經歷4個階段[23]。傅雪海 認為中國煤儲集層吸附時間的長短,似與煤階沒有特 定關系[24]。李小彥認為解吸樣品吸附時間的變化與煤 階沒有明顯的關系[25]。鐘玲文等在實驗中發(fā)現(xiàn),煤鏡質 體組分體積分數(shù)大于60%時的吸附量與煤化程度的 關系[13]為:在Ro為0.5%~1.2%時,吸附量隨著煤化程 度增高而減小;當Ro為1.2%~4.0%時,吸附量隨著變 質程度增加而增加;Ro大于4.0%之后,吸附量隨著變 質程度的增加急劇變小,直至很少吸附或基本不吸附。 此外,對于吸附/解吸速率與煤巖類型的關系,國 內外學者有著不同的認識,劉洪林等認為從光亮煤到 暗淡煤[26],吸附時間明顯增大。Gamson[27],Crosdale[28], Laxminarayana等[22]認為暗淡煤解吸要比光亮煤解吸 得快,而也有學者[29-30]認為吸附時間與煤巖類型關系 甚小。 我國大部分高煤階煤的形成都與構造熱事件有 關,高煤階煤儲層具有明顯的改造作用[31-32]。
4巖漿的烘
烤作用使煤大量地生烴、排烴,同時在煤巖中形成很多 氣孔,有機質的揮發(fā)也增加了儲層的孔隙度;煤巖基質 收縮也產生了大量的收縮裂隙;構造和巖漿的動力擠 壓作用產生外生裂隙疊加到割理系統(tǒng)中,大大改善了 儲層的孔隙性和滲透性。尤其是靠近侵入體的天然焦, 柱狀節(jié)理密集發(fā)育,增大了煤層氣儲藏空間。 煤巖完全燃燒后殘余的成分為灰分,主要來源于 煤巖的礦物質。劉洪林認為可以通過附近砂巖和煤割 理的填充物的形態(tài)和類型來區(qū)分判斷構造的期次和流 體性質[32]。 煤巖的非均質性是影響勘探選區(qū)、生產井布置、壓 裂、排采的難題。李夢溪通過沉積環(huán)境研究指出[33],泥 炭坪形成的煤層的非均質性最弱,三角洲較弱,河流相 最強。趙賢正等從區(qū)域構造方面對沁水盆地的非均質 性進行研究[34],指出高煤階煤熱演化僅是煤層含氣性、 滲透性及流體壓力的基礎,后期構造改造是導致沁水 南部高煤階煤儲層非均質性的根本原因。 煤巖組分不僅影響煤層的生烴能力,也是影響煤 層氣儲層含氣性的內在因素。甘華軍等研究認為[35],在 高惰性組、低鏡質組含量時,惰質組對煤儲層孔隙度的 控制作用更為明顯,孔隙度變化與變質程度關系不是 很大;而在高鏡質組、低惰質組含量時,煤儲層的孔隙 特征與變質程度呈規(guī)律性變化。煤的基質孔隙與割理- 裂隙受煤巖的顯微組分影響[36]。 4實驗方法 目前在煤層氣儲層研究中運用比較廣泛的實驗方 法主要有:壓汞法、低溫液氮吸附法、鏡質組反射率、掃 描電鏡、核磁共振、測井、地震反演等,并取得了一定的 成果[37-39]。 利用孔隙度測試和壓汞實驗,不僅可以確定煤樣 的孔隙含量和不同孔徑段的孔隙在總孔隙中所占的百 分比,而且利用進汞、退汞曲線形態(tài)和退汞效率可以確 定各孔徑段孔隙之間的連通性[3-4,20]。 地震反演技術在煤儲層研究上也取得了許多進 展。目前,常用于煤層氣滲透性預測的地震技術主要有 疊前方位AVO反演和地震反射層的曲率屬性分析。 煤層氣儲層研究中運用層序地層學劃分層序,預 測儲層分布、賦存規(guī)律,解釋儲層滲透性變化[38]。地質 強度指標與滲透性有很好的相關性,可以用來估算煤 儲層的滲透性。數(shù)學建模技術可以對含氣性、滲透率等 進行預測[39]。
5存在問題及研究方向
經過幾十年的研究,煤儲層領域的許多研究成果 已經運用到煤層氣勘探和開發(fā)實踐中。但是,煤層氣儲 層研究仍然存在如下主要問題:1)煤層氣儲層的吸附/ 解吸性能與煤變質程度、煤巖類型、煤巖組分之間的關 系不明確,對影響煤的吸附/解吸效率的主控因素研究 不夠;2)煤層氣儲層表征研究不夠精細;3)煤層氣儲層 的非均質性研究不夠深入;4)對深部溫度、壓力條件下 煤層氣儲層的孔隙結構、滲透性,以及構造應力對煤儲層物性的影響研究較少;5)不同地質條件下煤層氣儲 層的成因機理和綜合評價研究不夠。 基于上述問題,筆者以為,我國煤層氣儲層下步的 研究方向主要包括:1)從沉積環(huán)境、構造作用、煤巖類 型、煤巖顯微組分、變質程度、溫度、壓力、水動力條件 等多方面角度,深入研究不同煤層氣儲層的物性特征、 賦存狀態(tài)和煤巖特征,研究不同煤階煤層氣的地質控 制因素;2)深入研究不同類型煤的吸附/解吸性能,研 究影響煤巖吸附/解吸能力的主導因素;3)加強煤層氣 儲層精細表征研究,尤其是定量化的儲層表征研究,深 入研究不同煤層氣儲層的成因機理,發(fā)展煤層氣儲層 的綜合評價技術;4)加強對煤層氣儲層橫向(區(qū)域水 平)和縱向(層間、層內)的非均質性研究;5)借鑒美國 成功的經驗和技術,加強對我國深部煤層氣儲層的探 索性研究。
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