浅析煤层气煤岩特征实验方论文
煤层气是指与煤同生共体、以甲烷为主要成分、主 要以吸附状态赋存在煤层之中的非常规天然气。我国 煤层气已经在沁水和鄂尔多斯盆地东缘等地实现了商 业化开发,年产量达到20×108 m3。煤层气产业的迅速 发展,使得煤层气基础研究不断取得新的进展。 煤层作为煤层气的储层,具有2方面的特征:一是 在压力作用下具有容纳气体的能力;二是具有允许气体流动的能力。煤层气储层研究,包括储层孔渗性、裂 隙与割理的发育程度、温度压力、水动力条件、煤岩特 征、变质程度、含气性、吸附与解析特性等内容,近年来取得了较大进展[1-3]。笔者通过大量文献资料调研,对 我国煤层气储层的物性特征、储集状态、煤岩特征和实 验方法的研究进展进行了总结。
1物性特征
煤岩作为煤层气的源岩和储层,是孔隙和割理-微 裂隙双重孔隙介质。由于煤层气在储层中要经过吸附、 解吸、渗流、扩散等过程才能被采出,因此,与常规的砂 岩储层相比,煤层气储层的储集性能除了受到孔隙度 和渗透率的影响外,还受到割理、外生裂隙、微裂隙的 影响。煤岩的孔渗性是衡量储层储集和流通性能的重 要特征。 目前国内通常引用前苏联学者霍多特的煤岩孔隙 度分类方法,即将煤中孔隙分为大孔、中孔、小孔(过渡 孔)、微孔4类。煤岩既有大量的微孔,又有显微裂隙和 宏观裂隙,可以简化为“双重孔隙”结构模型或“三元裂 隙-孔隙”结构模型[4]。 煤储层的孔隙性包括孔隙度、孔隙结构、孔径分 布、孔隙连通性等,受煤阶、煤岩组成、煤层结构等因素 影响很大。煤层气的吸附及扩散、渗透能力都与煤储层 的孔隙性密切相关。煤储层的总孔隙空间由气体液体 能进入的有效孔隙空间和完全封闭的孤立孔隙空间 (“死孔”)构成[4]。煤层气主要储存于早煤基质孔隙中, 在宏观裂隙或者外生裂隙中运移,而显微裂隙(割理或 内生裂隙)能沟通孔隙和宏观裂隙,改善储层连通性, 孔隙是煤层气的主要储集空间和扩散渗流通道[3]。 煤层的渗透率主要取决于其压实程度及裂隙系统 的发育程度,而裂隙系统又受构造作用的控制,它是衡 量可采性的重要指标。一般随煤层埋深和热演化程度 的加深,煤层孔隙半径变小,渗透性变差,当煤层的割 理发育且相对开启时,渗透性变好[5]。煤基质收缩膨胀 或有效应力变化导致的煤基质自调节效应,造成煤储 层渗透率在煤层气排采过程中呈规律性变化[6-7];影响 渗透率的另一个重要因素就是喉道,具有很明显的“短 板效应”,无论总孔隙度有多大,喉道的大小和形状决 定了煤岩的渗透率。 割理是连通孔隙和宏观裂隙的桥梁[3],也是煤储 层中普遍发育的裂隙系统(见图1),更是决定渗透率 和煤层气开发的一个关键因素。割理的发育受控于煤 岩组分和不同煤岩类型的分层情况[8]。Law等认为割 理的频率从褐煤到烟煤再到无烟煤,呈先增大再减小 的趋势[9],中等变质的煤层内割理最发育。Levine认为 煤储层的渗透率与割理宽度的立方成正比,与割理的 间距成反比[10]。
2储集状态特征
煤层气以游离态、吸附态、溶解态3种基本形态保 存在煤岩之中,其中以吸附态为主。这3种形态处于动 态变化之中,取决于煤层的变质程度、埋深和赋存环境 等[11]。煤层的含气性是决定煤层气产能及开发潜力的 重要因素,受煤层的生气、储气及保存条件的控制,而 所有影响这些条件的地质因素都会影响煤层的含气性 分布[12]。 煤的吸附与解吸特性是决定煤层含气性的重要因 素之一,也是目前研究的重点[7]。温度和压力是影响煤 层气吸附/解吸特征最为敏感的因素。煤层气解吸阶段 性、解吸效率、解吸量受控于微孔与小孔的发育程度和 分布规律。钟玲文认为,压力在吸附/解吸过程中起主 导作用[13]。 煤储层的埋深是影响煤层气含气量的一个重要因 素。罗宪指出影响煤层气赋集的地质因素中以埋藏深 度最为显要[14],权巨涛在磁西勘查区钻探过程中也有 类似的发现[5]。我国深部煤层气(埋深大于1 000 m)具 有十分可观的资源前景[15-17],虽然与浅部的煤储层特 点有相似之处,但是处在高温高压的环境中,深部煤储 层则有很多不同。国内对煤储层的孔隙结构、渗透性、 吸附/解吸特征、煤岩结构、高应力状态下煤岩形变等 的研究报道很少。 水动力条件是决定煤层气能否保存下来的关键因 素。在微渗滤作用下,矿物结晶水、吸着水、薄膜水和毛 细水等非流动水在煤层顶底板上形成网络状的渗滤 水,对煤层气起到一定保护作用;处于逆断层中停滞的 水,阻止煤层气向上运移,起到了水动力封堵作用。水 动力封堵作用有可能形成异常高压,桑浩田认为异常 高压形成机制可分为水动力封闭性和自闭性2类[18]。 由水动力封闭形成的煤层气藏的渗透性一般比较好, 在现有的经济和技术水平下可以进行开采。 区域构造应力条件是影响割理裂隙发育的客观条件。唐鹏程认为古构造应力场控制割理延伸方向[8]。在 外力作用下,煤的原生结构将遭受破坏而形成构造煤 (破裂煤、碎粒煤和糜棱煤),原生结构的破坏会对煤储 层的孔渗性产生2种不同的结果,一是煤岩破碎增大 煤储层的孔隙性,二是导通煤系地层之间的含水层,产 生矿物充填堵塞孔隙。
3煤岩学特征
煤的变质程度对煤层气储层的影响呈现出一定的 规律性。陈振宏等从煤岩化学结构和物理结构上,解释 了不同煤阶的煤储层对煤层气的.吸附/解吸作用差异 的原因[19]。许多学者在煤变质作用程度对煤层孔隙度 的控制作用上一致认为[20],随着煤阶的升高,煤的孔隙 度呈现高—低—高的变化规律。 但是,对于煤的变质作用对吸附和解吸的认识存 在分歧。张群等认为在Ro为0.54%~4.25%时,煤的吸 附能力随煤阶增高呈增高的趋势[21];Laxminarayana等 则认为二者是一个“U”型的关系[22],即在中挥发分烟 煤阶段,煤的吸附能力取极小值。苏现波等研究认为, 随煤阶的增高煤的吸附能力经历4个阶段[23]。傅雪海 认为中国煤储集层吸附时间的长短,似与煤阶没有特 定关系[24]。李小彦认为解吸样品吸附时间的变化与煤 阶没有明显的关系[25]。钟玲文等在实验中发现,煤镜质 体组分体积分数大于60%时的吸附量与煤化程度的 关系[13]为:在Ro为0.5%~1.2%时,吸附量随着煤化程 度增高而减小;当Ro为1.2%~4.0%时,吸附量随着变 质程度增加而增加;Ro大于4.0%之后,吸附量随着变 质程度的增加急剧变小,直至很少吸附或基本不吸附。 此外,对于吸附/解吸速率与煤岩类型的关系,国 内外学者有着不同的认识,刘洪林等认为从光亮煤到 暗淡煤[26],吸附时间明显增大。Gamson[27],Crosdale[28], Laxminarayana等[22]认为暗淡煤解吸要比光亮煤解吸 得快,而也有学者[29-30]认为吸附时间与煤岩类型关系 甚小。 我国大部分高煤阶煤的形成都与构造热事件有 关,高煤阶煤储层具有明显的改造作用[31-32]。
4岩浆的烘
烤作用使煤大量地生烃、排烃,同时在煤岩中形成很多 气孔,有机质的挥发也增加了储层的孔隙度;煤岩基质 收缩也产生了大量的收缩裂隙;构造和岩浆的动力挤 压作用产生外生裂隙叠加到割理系统中,大大改善了 储层的孔隙性和渗透性。尤其是靠近侵入体的天然焦, 柱状节理密集发育,增大了煤层气储藏空间。 煤岩完全燃烧后残余的成分为灰分,主要来源于 煤岩的矿物质。刘洪林认为可以通过附近砂岩和煤割 理的填充物的形态和类型来区分判断构造的期次和流 体性质[32]。 煤岩的非均质性是影响勘探选区、生产井布置、压 裂、排采的难题。李梦溪通过沉积环境研究指出[33],泥 炭坪形成的煤层的非均质性最弱,三角洲较弱,河流相 最强。赵贤正等从区域构造方面对沁水盆地的非均质 性进行研究[34],指出高煤阶煤热演化仅是煤层含气性、 渗透性及流体压力的基础,后期构造改造是导致沁水 南部高煤阶煤储层非均质性的根本原因。 煤岩组分不仅影响煤层的生烃能力,也是影响煤 层气储层含气性的内在因素。甘华军等研究认为[35],在 高惰性组、低镜质组含量时,惰质组对煤储层孔隙度的 控制作用更为明显,孔隙度变化与变质程度关系不是 很大;而在高镜质组、低惰质组含量时,煤储层的孔隙 特征与变质程度呈规律性变化。煤的基质孔隙与割理- 裂隙受煤岩的显微组分影响[36]。 4实验方法 目前在煤层气储层研究中运用比较广泛的实验方 法主要有:压汞法、低温液氮吸附法、镜质组反射率、扫 描电镜、核磁共振、测井、地震反演等,并取得了一定的 成果[37-39]。 利用孔隙度测试和压汞实验,不仅可以确定煤样 的孔隙含量和不同孔径段的孔隙在总孔隙中所占的百 分比,而且利用进汞、退汞曲线形态和退汞效率可以确 定各孔径段孔隙之间的连通性[3-4,20]。 地震反演技术在煤储层研究上也取得了许多进 展。目前,常用于煤层气渗透性预测的地震技术主要有 叠前方位AVO反演和地震反射层的曲率属性分析。 煤层气储层研究中运用层序地层学划分层序,预 测储层分布、赋存规律,解释储层渗透性变化[38]。地质 强度指标与渗透性有很好的相关性,可以用来估算煤 储层的渗透性。数学建模技术可以对含气性、渗透率等 进行预测[39]。
5存在问题及研究方向
经过几十年的研究,煤储层领域的许多研究成果 已经运用到煤层气勘探和开发实践中。但是,煤层气储 层研究仍然存在如下主要问题:1)煤层气储层的吸附/ 解吸性能与煤变质程度、煤岩类型、煤岩组分之间的关 系不明确,对影响煤的吸附/解吸效率的主控因素研究 不够;2)煤层气储层表征研究不够精细;3)煤层气储层 的非均质性研究不够深入;4)对深部温度、压力条件下 煤层气储层的孔隙结构、渗透性,以及构造应力对煤储层物性的影响研究较少;5)不同地质条件下煤层气储 层的成因机理和综合评价研究不够。 基于上述问题,笔者以为,我国煤层气储层下步的 研究方向主要包括:1)从沉积环境、构造作用、煤岩类 型、煤岩显微组分、变质程度、温度、压力、水动力条件 等多方面角度,深入研究不同煤层气储层的物性特征、 赋存状态和煤岩特征,研究不同煤阶煤层气的地质控 制因素;2)深入研究不同类型煤的吸附/解吸性能,研 究影响煤岩吸附/解吸能力的主导因素;3)加强煤层气 储层精细表征研究,尤其是定量化的储层表征研究,深 入研究不同煤层气储层的成因机理,发展煤层气储层 的综合评价技术;4)加强对煤层气储层横向(区域水 平)和纵向(层间、层内)的非均质性研究;5)借鉴美国 成功的经验和技术,加强对我国深部煤层气储层的探 索性研究。
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