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煤儲層含氣性及其地質(zhì)控制-全文預(yù)覽

2025-09-27 11:32 上一頁面

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【正文】 和下部分層對中部分層有強烈的封蓋作用,煤儲層厚度越大,中部分層中煤層氣向頂?shù)装鍞U散的路徑就越長,擴散阻力就越大,對煤層氣的保存就越有利,這也許就是一些地區(qū)煤厚與含氣量之間具有正相關(guān)趨勢的根本原因。四、煤層厚度控氣作用煤儲層的幾何特征,系指煤層在三維空間的展布形式,包括煤層厚度、煤層穩(wěn)定性、煤層結(jié)構(gòu)等。沖積扇體系沖積扇體系是斷陷聚煤盆地的重要沉積特征,在某些中—大型坳陷型聚煤盆地邊緣也極為發(fā)育。這種情況較常見于四川盆地上三疊統(tǒng)須家河組、華北(特別是中部和北部)山西組、上、下石盒子組以及我國中、新生代煤系地層。在部分地段,煤層被分流河道、決口扇砂巖覆蓋,圍巖的透氣性增高而使封蓋能力變?nèi)酢M瑫r,煤儲層底部的沼澤相泥巖一般較薄,亦無法有效地阻隔煤儲層與下伏臺地相灰?guī)r含水層之間的水力聯(lián)系,致使圍巖條件進一步變差。潮坪型見于華北盆地的下二疊統(tǒng)山西組、華南地區(qū)的下石炭統(tǒng)測水組和上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M以及東北三江—穆棱河平原的下白堊統(tǒng)城子河組。含煤地層發(fā)育于克拉通內(nèi)部盆地、陸內(nèi)坳陷盆地和裂谷型盆地,沉積體系有淺?!媳诤0丁\?!獰o障壁海岸、三角洲、河流、湖泊和沖積扇六種?;谶@種因果關(guān)系,沉積作用便在很大程度上決定煤層氣生成的物質(zhì)基礎(chǔ)以及煤儲層、蓋層的幾何特征和物性,并通過煤層與圍巖之間的組合關(guān)系影響到煤層氣的保存條件。單斜斷塊大都發(fā)育在大型盆地邊緣或大型隆起區(qū)外緣地帶,斷塊之間發(fā)育高角度張性正斷層,破壞了煤儲層的連續(xù)性,煤層氣沿斷層大量逸散,或使含氣性整體變差(如蘇北地區(qū)),或造成含氣性區(qū)域分布具極大的不均一性(如太行山東麓各礦區(qū))。圖57 斷裂構(gòu)造類型及其控氣特征(據(jù)葉建平,1998)伸展構(gòu)造該大類包括單斜斷塊、斷陷盆地和滑動構(gòu)造三種基本類型(圖57)。褶皺推覆通常與強烈褶皺伴生,逆沖推覆則只是構(gòu)造相對簡單的巖席推覆和逆沖。在大型寬緩向斜中,由于兩翼有縱向正斷層和次級褶曲發(fā)育,煤層氣易于順兩翼斷層和次級背斜頂部裂隙運移逸散,故含氣性最好的地段往往位于向斜的仰起端和次級向斜部位,沁水大型寬緩向斜就屬于這種情況。在此基礎(chǔ)上,考慮構(gòu)造形態(tài)和不同類型構(gòu)造的組合關(guān)系,并結(jié)合斷層運動學(xué)特征可進一步總結(jié)出10種基本構(gòu)造類型以及與其相應(yīng)的14種構(gòu)造形態(tài)。綜上所述,褐煤—焦煤初期階段,煤層含氣量的急劇增高主要依賴于煤中微孔的增多、孔比表面積的加大和生氣量的增高;焦煤—無煙煤初期階段,含氣量僅緩慢增高的主要原因是新生成孔隙增大的空間有限;而無煙煤早期階段含氣量的再度急劇增高,則是起因于在甲烷不斷生成的同時煤中孔隙空間明顯增多和吸附性極度增強;無煙煤中—后期階段,含氣量的急劇降低則是生氣作用停止、鏡質(zhì)組化學(xué)結(jié)構(gòu)再次發(fā)生重大調(diào)整而導(dǎo)致吸附能力趨于消失的結(jié)果。在這兩次煤化作用躍變之間,物理和化學(xué)性質(zhì)上的演化導(dǎo)致在甲烷不斷生成的同時煤的孔隙空間和吸附性極度增強而使含氣量急劇增高。在褐煤至焦煤初期階段,煤中水分顯著減少,大分子基本結(jié)構(gòu)單元邊基側(cè)鏈不斷脫落生成油氣,煤中微孔增多和孔比表面積不斷增大,煤對甲烷的吸附性增強,特別是早期未被甲烷充滿的孔隙空間由于生氣量的增大而被快速充填,從而導(dǎo)致該階段煤層含氣量急劇增大。%~%之間,包括焦煤、瘦煤、貧煤和無煙煤初期階段,隨煤級增高,最大圖55 中國煤層含氣量隨煤級的演化趨勢圖(每一數(shù)據(jù)點代表一個礦區(qū)或井田的平均值,據(jù)秦勇等,1999)含氣量從18m3/t緩慢增至20 m3/t左右。第三節(jié) 控氣地質(zhì)因素煤層氣富集的必要前提是生成、儲集、封蓋、保存等方面條件及其動態(tài)發(fā)展過程的有利配置,是構(gòu)造因素控制之下諸多地質(zhì)因素綜合作用的結(jié)果。煤層氣聚集是煤層氣不斷散失與深部煤層氣補給并在某種程度上達到相對平衡的結(jié)果,擴散作用只要存在濃度差就能發(fā)生,擴散作用在煤化作用的各個階段始終存在。泥質(zhì)巖類具有一定的韌性,在構(gòu)造變形過程中產(chǎn)生較少的裂隙,封蓋能力較強。盡管撫順新近系煤的煤級為長焰煤至氣煤, m3/t。因此,華北盆地太原組和華南地區(qū)龍?zhí)督M泥巖的封蓋能力要弱于華北盆地山西組,而華北盆地的下石盒子組泥巖的封蓋能力則進一步強于上述三組。以高嶺石或伊利石為主的泥巖,吸水膨脹性和可塑性較高,其封蓋能力較強。 泥巖類型泥巖是碎屑海岸相和湖泊相成因煤層的常見頂?shù)装鍘r石類型,在區(qū)域上往往具有一定的穩(wěn)定性和連續(xù)性,故又被稱為區(qū)域性蓋層。我國南方二疊紀(jì)含煤地層大都屬較均質(zhì)圍巖類型。煤儲層含氣量與上覆砂巖厚度呈指數(shù)下降關(guān)系。我國含煤地層的沉積相和構(gòu)造演化歷史的差異,導(dǎo)致我國煤儲層頂?shù)装迳皫r的巖性特征差別很大,但其結(jié)構(gòu)成熟度從下石炭統(tǒng)到打新近系具有逐漸變差的趨勢。在華南地區(qū),與灰?guī)r共生組合的合山組煤層含氣量普遍較低。只有在構(gòu)造運動較弱的地區(qū),溶洞、縫合線不發(fā)育的致密灰?guī)r才可形成一定的封蓋能力。其主要巖石類型有碳酸鹽巖、砂巖、泥巖、油頁巖及砂泥巖互層。表52 甲烷氣體壓縮系數(shù)表甲烷壓力/MPa溫度/℃01020304050第二節(jié) 煤儲層圍巖物性及封蓋能力圍巖物性,包括孔隙性、滲透性和節(jié)理發(fā)育程度等特征,它們直接決定著蓋層突破壓力這一重要物性,從而影響圍巖對煤儲層的封蓋性能,決定煤層氣的保存和逸散條件。 表51 甲烷溶解度實驗成果 單位:m3甲烷/m3水溫度/℃壓力/ MPa潘莊煤層氣井水樣等量礦化度水樣去離子水溶液*2051402214036*據(jù)鄭大慶,等(1996)在100℃、相同壓力下去離子水溶液中溶解度的線性插值,潘莊煤層氣井水樣礦化度為1756mg/L,等量礦化度水樣是指含1756mg/L NaHCO3的水樣。根據(jù)不同的儲層溫度、壓力在不同礦化度系列圖上量出相應(yīng)的水溶甲熔含量,建立不同儲層壓力、    圖 53 甲烷溶解度與礦化度的關(guān)系溫度條件下,礦化度與水溶甲烷的量板(圖53),通過此量板可得出不同溫度、壓力和礦化度條件下的水溶甲烷含量。所以,在測定煤樣含氣量時并不是按這三種狀態(tài)去測定的。圖52 史密斯和威廉斯計算逸散氣量(Smith amp。該方法假設(shè)巖屑在井筒上升過程中壓力線性下降,直至巖屑到達地面,通過求解擴散方程,將其分解成兩個無因次時間的形式: (53)   (54)式中 STR—地面時間比,無因次;LTR—損失時間比,無因次; —實測被解吸出全部氣體體積(STD)的25%所需的時間。測定逸散氣量的史威法正是把這種雙峰分布的孔隙結(jié)構(gòu)作為前提,通過實驗對比表明,雙峰分布的孔隙擴散模型成功地說明了解吸特征。直接法的計時起點與鉆井液類型有關(guān),對于氣相或霧相取心,假設(shè)取心筒穿透煤層即開始解吸,損失時間(逸散時間)為取心時間、起鉆時間和樣品到達地面后密封在解吸罐中之前時間的總和。美國礦業(yè)局采用的直接法計算逸散氣的理論依據(jù)是:煤體內(nèi)的空隙是球形的,且孔徑的分布是單峰的,氣體在孔隙中的擴散是等溫的且服從菲克第一定律,所有孔隙中氣體的初始濃度相同,球體的邊界處濃度為零。粉碎脫氣:煤樣密封在球磨罐中到球磨機上粉碎4~5h,然后再進行抽真空、加熱脫氣5h左右。國內(nèi)進行現(xiàn)場2h解后,必須測定殘余氣量。包括:開始鉆遇煤層時間(t0)、開始取芯時間(t1)、開始起鉆時間(t2)、煤芯提至井深一半時間(t3)、煤芯提出井口時間(t4)、完成煤心封罐時間(t5)、開始解吸時間(t6)。因此,由2h解吸氣量推算的逸散氣量(損失氣量)也存在差別。%~%之間,%。殘留氣量:是指充分解吸結(jié)束后殘留在煤樣中的氣量。鉆井液的比重較大時對于煤層氣的逸散有阻滯作用。這部分氣體無法直接測得,通常依據(jù)前兩小時的解吸資料推測。我國在此基礎(chǔ)上作了大量修改,由撫順分院等單位制定了“煤層瓦斯含量和成分測定方法”(MT778MT7794)。第五章 煤儲層含氣性及其地質(zhì)控制含氣量是確定煤層氣資源量必不可少的參數(shù),與儲層壓力和吸附等溫線結(jié)合起來使用,還可以預(yù)測煤層氣的產(chǎn)能。第一節(jié) 煤儲層含氣量的構(gòu)成 煤層含氣量測定方法目前為大多數(shù)人所接受的是美國礦業(yè)局(USBM)的直接法(Kissel等,1973)。逸散氣量:指從鉆頭鉆至煤層到煤樣放入解吸罐以前自然析出的天然氣量。不同物理特性的煤具有不同的解吸速率,如碎粉煤、糜棱煤由于擴散距離短造成逸散氣體積大。終止于一周內(nèi)平均解吸氣量小于10ml/,實測的解吸氣量只是總解吸氣量的一部分,總解吸氣量應(yīng)包括逸散氣量。根據(jù)Diamond對美國1500個煤樣的統(tǒng)計,殘留氣體積在低煤級煤中可占總含氣量的40%50%,而中高變質(zhì)煙煤的殘留氣僅占總含氣量的10%以下。國內(nèi)、外解吸氣中逸散氣量(損失氣量)所指部分是相同的,但國內(nèi)2h解吸氣量只是美國解吸氣量的一部分,且不是在儲層溫度下進行的,盡管氣體體積校正到標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài),但不同溫度條件下,煤層氣的解吸速度不同。解吸氣量的測定及求取過程中需要進行精確的時間記錄。在美國應(yīng)用USBM法測定含氣量時一般不測定殘余氣量,因為解吸周期長,殘余氣體難以解吸,對采收率幾乎沒有影響。C,一直進行到每半小時內(nèi)脫出氣量小于10ml為止(一般持續(xù)5h左右)。解吸氣和逸散氣(損失氣量)是煤層氣的可采部分,因此準(zhǔn)確測定逸散氣(損失氣量)至關(guān)重要。由此在解吸氣量與時間的平方根的圖中(一般取前10個點),反向延長到計時起點,即可估算出逸散氣量(圖51)。1972年以來,對煤層中甲烷擴散作用的研究表明,煤的孔隙結(jié)構(gòu)為“雙峰型”。在井口收集鉆屑裝入解吸罐中,解吸方法與直接法相同。另外,雖然史威法是根據(jù)鉆井巖屑解吸建立的,也適用于取心樣品含氣量的確定
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