煤层气储层微观结构特征及研究方法进展

煤层气储层微观结构特征及研究方法进展

李相臣　康毅力

(西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室,四川　610500)

摘　要:随着对天然气资源需求量的增大,煤层气逐渐成为勘探开发的热点。煤层具有双重孔隙系统,基质孔隙是主要储集场所,裂隙则是运移的通道。孔隙和裂隙的微观特征,直接影响煤层气在储层中的赋存和运移。本文回顾了煤层气储层微观结构的研究成果,分析了煤岩微观结构特征,展示了研究方法的应用。在系统总结微观结构研究现状的基础上,提出了对该研究方向的展望。深入研究煤层气储层微观结构,对认清煤层气传质机理和高效开发具有重要意义。关键词:煤层气　孔隙　裂隙　微观结构　研究方法

Advances in the M icro -structural Features and Research Methodology

of C oalbed Methane Reserv oir

Li X iangchen ,K ang Y ili

(State K ey Laboratory of Oil and G as Reserv oir G eology and Exploitation ,

S outhwest Petroleum University ,Sichuan 610500)

Abstract :With the increasing demand for conventional nature gas res ource ,people are paying m ore attention to the exploration and exploitation of coalbed methane.C oal seam is a kind of dual porosity system reserv oirs ,and methane will be contained in matrix pores and flowed by fracture.C oalbed methane storage and transport will be affected by the microscopic features of pore and fracture.This paper reviews the study results on micro -structure of coalbed methane reserv oir ,analyses the microscopic feature of coal and indicates the application of research methods.The prospect of this study is presented on the basis of a systemic summary of the research status.The further study of coal micro -structural features has great significance for gas mass trans fer mecha 2nism and efficient development of coalbed methane.

K eyw ords :C oalbed methane ;pore ;fracture ;micro -structure ;research method

随着科学技术的快速进步,能源问题、环境问

题和煤矿安全问题的日益突出,人们认识到煤层气的开发利用,可以较好地改善煤矿安全、保护生态环境,并能提供一种优质洁净的新能源。据最新煤层气资源评估结果,我国埋深2000m 以浅的煤层气

资源总量为36181×1012m 3,与陆地常规天然气资源量相当,位列世界前三位,占世界前12个国家煤层气资源总量的13%。在我国对天然气需求逐年增加的背景下,将煤层气作为常规天然气的接替或补充能源最为现实和有利。

基金项目　国家重大专项“低渗透油气田储层保护技术”(2008ZX05022-04)、四川省杰出青年学科带头人培养基金项目(07Z Q026-113)、中国石油天然气集团公司应用基础研究项目(07A20402)。 作者简介　李相臣,男,博士研究生,现从事非常规天然气开发、储层保护理论与技术研究。

第7卷第2期 中国煤层气 V ol 17N o 122010年4月 CHI NA C OA LBE D METH ANE April 12010

煤层既是烃源岩又是储集岩,与常规油气储层相比具有明显不同的特征。煤层是由孔隙和裂隙组成的双重介质,其基质孔隙是煤层气的主要储集场所,裂隙则是煤层气运移的通道。煤层气储层的微观结构特征直接影响煤层气的赋存和运移,深入对储层微观结构的研究对煤层气的开发具有重要意义。

1　煤岩基质孔隙结构特征

111　煤孔隙的大小分类

根据不同的研究对象和目的,煤的孔隙结构分类方案有所差别,表1是几种常见的分类方案。其中G irish等的分类是依据煤的吸附特性进行的,并且得到国际理论与应用化学联合会的认可。霍多特的分类是依据对工业吸附剂的研究提出的,认为微孔构成煤的吸附容积,小孔构成煤层气的毛细管凝结和扩散区域,中孔构成煤层气的缓慢层流渗透区域,而大孔则构成剧烈层流渗流区域,这是煤层气开采中普遍采用的方法。

表1　煤的孔隙分类方案(单位:10-9m)

研究者微孔小孔(或

过度孔)

中孔大孔

霍多特(1961)<1010～100100～

1000

>1000

G an(1972)<112—112～30>30朱之培(1982)<1212～30—>30抚顺所(1985)<88～100—>100

G irish等(1987)国际理论和应用化学联合会(1972)

<018

(亚微孔)

018～2

(微孔)

2～50>50

112　煤孔隙的成因分类

G an(1972)按成因将其划分为分子间孔、煤植体孔、热成因孔和裂缝孔。郝琦(1987)划分的成因类型为植物组织孔、气孔、粒间孔、晶间孔、铸模孔、溶蚀孔等。苏现波(1998)将孔隙分为气孔、残留植物组织孔、次生孔隙、晶间孔、原生粒间孔等。张素新等(2000)划分为植物细胞残留孔隙、基质孔隙和次生孔隙三类。张慧(2001)以较大量的扫描电镜观测结果为依据,将煤孔隙的成因类型划分为原生孔、外生孔、变质孔、矿物质孔。这些划分有些将孔隙和裂隙一并考虑;有些在某些方面借用了砂岩储层和灰岩储层的名称。煤孔隙成因类型多,形态复杂,大小不等,各类孔隙都是在微区发育或微区连通,它们借助于裂隙而参与煤层气的渗流系统。孔隙的成因类型及发育特征是煤储层生气储气能力和渗透性能的直接反映。

113　孔隙的作用

(1)储集性

煤中的原生孔、气孔及其他各种空隙,都发挥其储集性能。低煤级煤的储气任务主要由原生孔来担当,原生孔孔径大,储存的气体以游离状态存在。低煤级煤中的游离气成为潜力巨大的煤层气资源。中-高煤级煤中孔隙类型多,级别多,储存的气体赋存状态复杂。外生孔在形成初期,储气作用可能很小或没有,随后可以接受分子扩散或微裂隙渗流而输入的气体,逐步增加储气量。

(2)连通性和渗透性

没有一种孔隙能够在整个煤层中连通,各类孔隙之间也没有明显的连通关系。虽然各类孔隙空间连通性差,但它们与裂隙一起构成煤的双重孔隙系统。无论哪种孔隙发育,都有利于增加煤的孔隙体积,有利于煤中气体的扩散和储存。在围压和裂隙环境适宜的条件下,孔隙也有利于煤层气的渗流。煤中的孔隙体积远大于裂隙体积,煤层气的储存和运移由多级孔隙和裂隙联合作用来完成,孔隙渗流作用不可忽略。

2　煤岩裂隙结构特征

211　煤岩裂隙系统

裂隙是煤中常见的自然现象,但不同国家、不同学科、不同学者对此有不同的称谓,名称的使用尚不统一。裂隙的近义词和同义词有:节理、割理、裂缝、断裂等,“节理”指没有明显位移的小型断裂构造(徐开礼,1984),常用于沉积岩石学中,与煤中裂隙含义一致;“断裂”“裂缝”多用于区域构造地质,其规模相对大得多;而“割理”一词来源于美国(G RI,1991),主要指由煤化作用形成的内生裂隙。“裂隙”一词是引用苏联的概念,最早在中国煤田地质学(杨起,1979)上出现,有内生和外生之分,并已在我国煤田地质领域应用多年。

煤层中一般有两种裂隙系统,一是由地质构造作用造成的,其力学性质可以是压性、张性或剪性的;二是在煤化作用过程中,煤中凝胶化物质受温

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