煤层气藏的封闭及其研究意义_华北石炭_二叠系煤层气藏封闭特征浅析

煤层气藏的封闭及其研究意义)))华北石炭)二叠系煤层气藏封闭特征浅析*1998年5月5日收稿.*国家/八五0攻关项目(85-102-11)课题资助.王生维 段连秀 陈钟惠 张 明 张素新(中国地质大学资源学院,武汉430074)摘 要 煤层气是一种以吸附气为主的天然气,其保存与散失的矛盾仍十分突出.毛细封闭、质量浓度差封闭和压力封闭是煤层气藏封闭的主要表现形式.根据这3种不同封闭机理对煤层气藏的作用特点的不同,可以分为以压力封闭和围岩中毛细封闭为主的他封闭型,以毛细封闭和质量浓度差封闭为主的自封闭型,以及3种封闭共同作用的混合封闭型.自封闭型煤层气藏的封闭特征主要取决于煤储层自身的孔裂隙系统发育特征,其含气量通常较高.而他封闭型煤层气藏的含气饱和度受下列因素的制约:(1)连续沉积的围岩岩性及其厚度;(2)相邻煤层气藏中煤层气(或烃)质量浓度的高低;(3)构造条件是否简单稳定;(4)水文地质条件是否稳定;(5)区域不整合界面与煤层气藏之间的垂直距离及其连通状况.煤层气藏的外部封闭按规模可分为3级:第1级封闭是煤系围岩对煤系内若干煤层气藏的封闭;第2级封闭是煤系内其他岩系对某一煤层气藏及其顶底板构成的封闭;第3级封闭是顶底板围岩对某一特定煤层气藏的封闭.煤层气藏封闭条件的优劣是决定煤层气藏保存与高产的关键因素之一,而水文地质条件是影响煤层气藏封闭的关键.认识华北不同地质条件下各煤层气藏封闭特征的差异、寻找封闭条件良好的煤层气藏是今后煤层气勘探选区急待解决的问题.关键词 煤层气藏封闭,机理,类型,级别.中图法分类号 P 618.13第一作者简介 王生维,男,教授,1956年生,1989年毕业于中国地质大学(武汉)研究生院,获硕士学位,现主要从事煤储层岩石物理与煤层气可采性评价研究.尽管煤层气是一种以吸附气为主的天然气,但其保存与散失的矛盾仍十分突出.设想一个处于高度开放体系中的煤储层,其吸附煤层气的量是极为有限的,不可能使煤层气大量保存而形成煤层气藏.这里所讲的煤层气藏是指具有一定含气量和含气饱和度的煤储层及煤层气的总称.回顾近10年来煤层气勘探选区的实践,一个显而易见的认识误区是对煤层气藏的封闭保存条件重视不够,因而影响到煤层气的勘探效果.已有的煤层气勘探实践证实,我国华北石炭、二叠纪各煤层气藏中不乏低含气饱和度的煤层气藏.煤变质史及人工煤化-生气实验证明,造成低饱和度煤层气藏(常伴有低流体压力)的原因并不是煤中生成的煤层气量不足,而是封闭保存条件的不良导致的散失.事实上,煤层气自生成之后就进入了向煤储层之外逸散的历史进程.换句话讲,现今勘探的煤层气是经这种逸散作用的剩余部分,而剩余部分的比例及其相应的赋存状态在很大程度上取决于封闭条件.就煤层气藏而言,剩余煤层气的特性不仅取决于围岩的封闭条件,还取决于煤储层孔裂隙系统的发育特征.1 有关煤层气藏封闭的几个概念1.1 封闭机理煤层气被良好保存并形成具有较高含气饱和度和工业开发价值的煤层气藏,必须具备良好的封闭.毛细封闭、质量浓度差封闭和压力封闭[1]是煤层气藏封闭的主要表现形式.上述3种封闭机理显然适用于封闭煤层气藏中的游离气或水中的溶解气.对煤层气藏中的吸附气而言,假设一个具有吸附气赋存状态的煤层气贮存于煤微孔隙内的微观体系存在,要使这个体系内的吸附气保持动态平衡,根据气体吸附原理必须保持该体系内的压力和气体含量的恒定,能够提供这一条件的是煤或其他围岩所具有第24卷第1期地球科学)))中国地质大学学报Vol.24 No.11999年1月Ear th Science )Journal of China U niversity of Geosciences Jan. 1999的毛细封闭和质量浓度差封闭或与之相适应的压力封闭.因此,上述3种封闭机理对以吸附气为主的煤层气藏的封闭也同样适用.与常规天然气不同的是绝大多数煤层气藏的封闭是这3种封闭机制共同作用的,而天然气封闭常以其中的1种或2种封闭机制起关键作用[2].1.2封闭类型及其相应的煤层气藏保存特征根据毛细封闭、质量浓度差封闭和压力封闭在不同的煤储层和围岩条件下所起的不同作用,可区分出3种常见的煤层气藏封闭类型,即自封闭类型、他封闭类型和混合封闭类型.(1)自封闭类型.该类煤层气藏的封闭机理是以毛细封闭和质量浓度差封闭为主.煤储层内由于物质组成及相应孔隙结构的不均一性构成自封闭类型的一大特点,其对应的煤储层的孔隙以基质孔隙为主,大裂隙及微裂隙系统尚不发育.自封闭类型煤层气藏的含气量通常较高,其中有不少气藏的含气饱和度也较高,该类气藏的煤储层渗透率通常极低,煤层气的自然解吸速度慢,残留气的比例通常较高.其典型实例有,淮南煤田下石盒子组的高挥发分烟煤煤层气藏[3]、山西寿阳煤田的山西组和太原组无烟煤煤层气藏,以及河南荥巩煤田的构造无烟煤煤层气藏等.(2)他封闭类型.该类煤层气藏的封闭机理是由煤储层内部和围岩裂隙中的流体压力封闭,以及围岩中的毛细封闭构成的.它类似于常规天然气藏的封闭特点.所不同的是在上述封闭机理的共同作用下,除了赋存于裂隙中的游离气和溶解气外,还有一定数量的可通过降压而解吸的吸附气.这类煤层气藏所在的煤储层的孔裂隙系统一般较发育,有效孔隙率高,而且有较高的渗透率.这类煤层气藏的含气量和含气饱和度的高低取决于封闭条件的优劣.如封闭条件好、含气饱和度较高的有山西河东煤田中部的山西组和太原组中挥发分烟煤煤层气藏;封闭条件差、含气饱和度较低的有太行山东麓的山西组和太原组中低挥发分烟煤煤层气藏.(3)混合封闭类型.该类煤层气藏的封闭机理是毛细封闭、质量浓度差封闭和压力封闭共同起作用.煤层气藏具有异常高的含气量和较高的含气饱和度.煤储层内以基质孔隙为主,大裂隙系统相对发育,渗透率中等(10~30mm2),煤层气的解吸速度慢,残留气比例大.由于该类气藏具有较好的外部封闭条件,因而存在相当数量的游离气.另外,该类气藏由于压力封闭造成煤层气藏内部较高的流体压力,因此,煤层气井的初期产量上升比较快,其代表性的有山西晋城山西组和太原组无烟煤煤层气藏.¹Wang S W,Zhang M,Zhuang X L.On the trap types of coal bed methane pool.T he Proceedi ngs of International M ining T ech .96Symposium.1996.257~2661.3煤层气藏封闭的多级性特征华北石炭、二叠纪含煤岩系中含有2层或2层以上的可采厚煤层.对于这样一个具有多个煤层气藏的体系而言,其封闭具有多级性特征,按其规模可大致划分为3个级别的煤层气藏封闭¹.(1)第1级封闭是含煤岩系围岩及相应的水力学体系对含煤岩系内多个煤层气藏的封闭,它具有区域稳定性特点.就华北石炭、二叠纪太原组、山西组和下石盒子组煤而言,第1级封闭中的下部封闭是本溪组和奥陶系灰岩及相应的水力学体系构成的封闭;而上部封闭则主要为上石盒子组或下石盒子组碎屑岩系及相应的水力学体系构成的封闭.华北石炭、二叠纪煤层气藏的第1级封闭主要有2种样式(图1),其中A型代表煤系裸露区的封闭样式,B型代表煤系被新生界沉积物覆盖的封闭样式.B型较A型封闭通常具有低的含气饱和度.(2)第2级封闭是含煤岩系内其他岩系对某一煤层气藏及其顶底板围岩构成的封闭.第2级封闭对同一含煤岩系内不同煤层气藏的封闭作用有很大的差异.例如山西组煤层气藏与太原组煤层气藏的第2级封闭的明显差异,以及两淮煤田山西组煤层气藏与下石盒子组煤层气藏的第2级封闭的差异.第2级封闭中质量浓度差封闭所起的作用十分明显,特别是当其他煤储层及其内部有高质量浓度煤层气作为某一特定煤层气藏的第2级封闭时表现得十分典型.第2级封闭的不同可以引起同一位置相邻煤层气藏的含气饱和度明显不同.(3)第3级封闭是煤层直接顶底板对煤储层中煤层气藏的封闭.华北石炭、二叠纪煤系中第3级封闭具有极大的相似性,即除个别地段煤层直接顶底板为灰岩和砂岩外,其余多以泥岩为主,也有少数为粉砂岩或粉砂质泥岩.1.4外部封闭条件的影响因素分析华北石炭、二叠纪煤层气藏的外部封闭条件的影响因素有:(1)连续沉积的围岩岩性及厚度.这里所讲的连续沉积是指2个不整合界面之间的煤系及其他岩系.对华北石炭、二叠纪煤区而言,连续沉积指本溪组、太原组、山西组、下石盒子组或上石盒子组沉积.其岩性为煤、泥岩、粉砂岩、砂岩、灰岩和极50地球科学)))中国地质大学学报第24卷图1华北煤层气藏第1级封闭的主要样式Fig.1Styles of the first degree trap of CBM(coalbed methane)pool in N orth China a.A型封闭样式;b.B型封闭样式.1.覆盖煤系的新生代沉积物;2.煤系地层;3.下伏围岩少量的油页岩等.其中煤、油页岩和泥岩的封闭能力最强,其次是粉砂岩,砂岩和灰岩的封闭能力在很大程度上取决于水文地质条件.大量勘探实践证实,若煤系及围岩的砂岩中含高矿化度的孔隙水,则砂岩的封闭能力尚属良好;若在钻孔中发现砂岩漏水,表明其封闭能力很差.灰岩亦是如此.(2)相邻煤层气藏中煤层气(或烃)质量浓度.煤层气质量浓度作为一种封闭机制控制着煤储层中煤层气的扩散速度.华北石炭、二叠纪煤层气藏的围岩中确有煤层气藏存在,这种围岩封闭中是否含有煤层气藏及煤系的非煤储层中烃质量浓度的高低确实影响围岩的整体封闭,尤其是第2级封闭.因此,围岩中煤层气(或烃)质量浓度的高低应作为煤层气藏封闭条件评价的一个重要方面加以考虑.(3)水文地质条件.它是构成煤层气藏压力封闭的关键.就华北含煤岩系及相邻围岩而言,较重要的含水层有奥陶纪灰岩含水层和煤系上部石盒子组砂岩含水层,而煤系内的灰岩和砂岩含水层多为较弱的含水层.大量煤层气勘探实践证实,煤层气大量集中生成后的水文地质条件是否稳定对煤层气的保存十分重要.(4)构造条件.构造条件影响煤层气藏封闭已是众所周知的事实,但什么样的构造条件有利于煤层气藏的封闭保存却无明确答案.作者通过华北十几个煤区的构造条件对比分析,得出构造简单稳定(特别是在煤层气大量集中生成之后)是最重要的先决条件.构造复杂区和构造活动区确实不利于煤层气的封闭保存,迄今为至尚未发现像构造圈闭的常规天然气藏一样的高含气饱和度煤层气藏.从煤层气赋存、散逸机理上也得不出煤层气藏由于构造活动而富集的推论.若的确存在的话,这类气藏能否叫典型的煤层气藏仍值得商榷.(5)区域不整合界面与煤层气藏之间的垂直距离及其连通状况.华北煤区含煤岩系底部有一重要的区域不整合界面,即本溪组与奥陶系灰岩之间的平行不整合界面.在部分煤区还发育有新生界与二叠纪煤系之间的角度不整合界面,不整合界面与煤层气藏之间若有断层或裂隙连通,煤层气藏中的煤层气就会沿断层或裂隙向外逸散,该不整合面就成为煤层气向外逸散的重要通道.不整合面与煤层气藏之间的垂直距离若太小,那么在一定的煤层气藏成藏动力学条件下,该界面就会成为煤层气逸散的通道,这已被2个重要的事实所证明:一是这个不整合界面为重要的含气层位,气藏为典型的煤成气;二是石炭纪煤系底部的煤层气藏含气饱和度大多低于同一位置其上部的煤层气藏的含气饱和度.2华北石炭、二叠纪煤系中较高含气饱和度煤层气藏的若干特点构造煤特别是无烟煤级的构造煤中通常有较高的含气饱和度,但由于渗透率极低,以及大量工程难题而不适合采用地面打钻开采煤层气,所以在此不作多述.近10年来华北十几个煤区百余口煤层气井的勘探实践证实,少数几个含气饱和度较高(饱和或近饱和)的煤层气藏封闭具有以下共同特点.(1)构造简单、稳定,地层产状较平缓,很少有断层和大裂隙发育;(2)水文地质条件相对稳定,其主要表现为在勘探深度内,奥陶系灰岩中含有承压水,水的矿化度较高,奥陶系灰岩含水层与煤系中含水层之间缺乏51第1期王生维等:煤层气藏的封闭及其研究意义)))华北石炭)二叠系煤层气藏封闭特征浅析水力联系;(3)山西组煤层气藏的含气饱和度多大于太原组煤层气藏的含气饱和度.目前尚未发现相反的现象,产生这种现象的原因可能是由于二煤层气藏相应的第2级封闭条件有显著差异,也可能是太原组煤层气藏的成藏动力学条件与山西组煤层气藏之间的明显差异,而导致太原组煤层气藏发育的初期比山西组煤层气藏有较高的流体温度,待地温回落到正常地温后,两者的含气饱和度就产生差异;(4)煤层气藏内流体的初始压力高.有的表现为初期产气量较大,特别是在井内液面还没有稳定降至目的煤储层之下和降压漏斗尚未形成的阶段就开始大量产气;有的则表现为排采初期产水量大,之后产气量逐渐增加,正如美国圣胡安盆地的典型生产曲线一样;(5)这类煤层气藏大致属于两种不同的封闭类型:一种是典型的他封闭型的中挥发分烟煤煤层气藏;另一种是混合封闭型的无烟煤煤层气藏.3结论(1)毛细封闭、质量浓度差封闭和压力封闭是煤层气藏封闭的主要表现形式.依据不同煤层气藏封闭特点划分出3种封闭类型,即自封闭类型、他封闭类型和混合封闭类型.(2)煤层气藏的外部封闭按规模可分为3级:第1级封闭是煤系围岩对含煤岩系内多个煤层气藏的封闭,其在华北石炭、二叠纪煤系中有裸露型和新生界沉积物覆盖型两种样式;第2级封闭是煤系内其他岩系对某一煤层气藏及其顶底板围岩的封闭,其对煤层气藏的含气饱和度有较大影响;第3级封闭是煤层顶底板围岩对煤层气藏的封闭,该级封闭有极好的相似性.(3)影响他封闭型煤层气藏含气饱和度的因素有:a.连续沉积的围岩岩性及其厚度;b.围岩中煤层气(或烃)质量浓度的高低;c.构造条件是否简单稳定;d.水文地质条件是否稳定;e.区域不整合界面与煤层气藏之间的垂直距离及其连通状况.(4)华北石炭、二叠纪含气饱和度较高的煤层气藏具有以下显著特点:a.构造简单稳定;b.水文地质条件相对稳定;c.位于多个煤层气藏的中部;d.封闭类型为他封闭型或混合封闭型.(5)封闭是影响煤层气藏含气饱和度的重要因素,应该将煤层气藏的封闭评价列为煤层气勘探选区评价的核心内容.参考文献1李国平,郑德文,欧阳永相等.天然气封盖层研究与评价.北京:石油工业出版社,19962傅家谟,刘德汉.天然气运移聚集和圈闭条件.北京:科学出版社,19923王生维,陈钟惠,张明等.煤储层岩石物理研究与煤层气勘探选区.武汉:中国地质大学出版社,1997RESEARCH INTO COALBED METHANE POO L TRAP ANDITS SIGNIFICANCE:A N EXAM PLE OF CARBON IFEROU S-PERM IAN COALBED M ETHAN E POOL T RAP IN N ORTH CH INAWang Sheng wei Duan Lianxiu Chen Zhonghui Zhang Ming Zhang Suxin(Faculty of Ear th Resources,China University of Geosciences,Wuhan430074)Abstract Even if coalbed methane(CBM)is mainly defined as sorption gas on the inner surface of coal, there still is a contradiction betw een the preservation and loss.The mechanism of CBM pool trap is capillary trap,mass concentration difference(gradient)trap and pressure trap.T hree different trap ty pes may be recognized according to the trap mechanism.There are selftrap in w hich mechanism of CBM pool trap is mainly capillary trap,surrounding rocks and their suitable hydrological trap in w hich mechanism of CBM pool trap is mainly pressure and capillary trap,and mixed trap in w hich mechanism of CBM pool trap is capillary, mass concentration difference and pressure traps.The trap feature of selftrap mainly depends on the developing features of the pore_fracture system of coal reservoirs.The CBM pool of selftrap usually is hig h 52地球科学)))中国地质大学学报第24卷content of gas.T he gas saturation of the CBM pool in the surrounding rocks and their suitable hy drological trap mainly depends on the follow ing factors:(1)the lithotypes and their thickness of continuous deposits;(2)the CBM(or g as)mass concentration of CBM pool(or in other rocks)nearby;(3)the presence of a simple tectonic condition;(4)the relative stable hydrolog ical condition;(5)the distance betw een the regional unconformity and a CBM pool,and the presence of faults betw een them.The three scale traps are recognized according to the trapping scales.The first deg ree trap is non_coalbearing strata trapping several CBM pools in the coal_bearing strata.T he second degree trap is other rocks in the coal_bearing strata trapping one coalbed and its roof and floor rocks.T he third degree trap is the roof and floor rocks trapping their coalbed.The CBM pool trapping condition is very im portant for the CBM preservation and high_production.The hy drological condition is key factor w hich affects the CBM preservation.Recog nizing the difference of CBM pool traps among the different geological conditions and searching for the good trapping conditions of CBM pool are very important research contents for selecting good ex ploration area in North China.Key words CBM pool trap,mechanism,type,scale.*********************************************(上接48页)由图1可见,因剖面不同或标本采集深度不一,同产自27层样品本应得到同一极性却出现了极性特征的较大差别.其中,A1,D1为反向极性,A2,D2为正向极性.A1靠近Z-,A2;D2靠近O+;D1远离Z-,Z+及O+.上述极性差别说明了以下事实,所有样品的古地磁极位置都不与晚二叠世基准数据位置重合,说明煤山剖面数据普遍含有尚未剔除的次生磁化.A 剖面的手工样品数据尽管含有尚未剔除的次生磁化,但其极性仍可与晚二叠世反向极性基准数据极性对比,判定为反向极性.A,D剖面的钻机样品数据明显为来自于当代地磁场的次生磁化,反映了当代地磁场的正向极性.D剖面的手工样品数据介于上述2种情况之间,其极性虽未被掩盖,但已过多地偏离了晚二叠世基准数据的反向极性位置.综上所述,长兴煤山剖面的古生物界线所在的整个27层均为反向极性.换言之,跨越古生物界线时,磁极没有发生倒转.参考文献1Sheng J Z,Chen C Z,Wang Y G,et al.Permian_T riassic boundary in middle and eastern T ethys.Jour Fac Sci Hokkaido Uni SerÔ,1984,21(1):133~1812Zhao X X,Coe R S,Gilder S A,et al.Paleomagnetic constraints on the paleogr aphy of China:implications for Gondw analand.Australian Journal of Earth Sciences,1996, 43:643~67253第1期王生维等:煤层气藏的封闭及其研究意义)))华北石炭)二叠系煤层气藏封闭特征浅析。