煤儲層孔裂隙及對煤層氣控氣地質(zhì)意義

陳巖宏　王義海　溫文富

摘要：不同于石油、天然氣等流、塑性極強的地質(zhì)產(chǎn)物，由于煤儲層組成物質(zhì)特殊的物理性質(zhì)以及在地質(zhì)演化史中對構造、巖漿等運動的反應較為明顯，因此煤儲層中存在著大量的孔裂隙，而孔裂隙對煤儲層的控氣量產(chǎn)生制約因素。文章通過對煤儲層的發(fā)展史進行簡要介紹分析孔裂隙的地質(zhì)成因以及分析要素，以此為基準討論它對煤層氣控氣量的影響。

關鍵詞：煤儲層；孔裂隙；控氣

中圖分類號：P61文獻標識碼：A

文章編號：1674-1145（2009）05-0167-01

經(jīng)過煤層氣事業(yè)近幾十年來的迅速發(fā)展，基礎理論的研究已經(jīng)進入與成熟階段，在中國沁水盆地南部地區(qū)煤層氣已經(jīng)進入初等商業(yè)開發(fā)階段。

一、煤儲層孔裂隙

（一）煤儲層孔裂隙系統(tǒng)

煤儲層是由煤基質(zhì)塊（被裂隙切割的最小基質(zhì)單元）、氣、水（油）三相物質(zhì)組成的三維地質(zhì)體，而關于煤儲層中孔裂隙的分類不同學者給出的分類不同，其區(qū)分主要在于二元與三元的區(qū)別，本文按照中國礦業(yè)大學三元分類：煤儲層系由宏觀裂隙、顯微裂隙和孔隙組成的三元孔、裂隙系統(tǒng)。

（二）煤儲層孔裂隙的成因

煤儲層孔裂隙的形成主要受控于煤層的應力分布及其變化狀況。因此討論其成因則可以從內(nèi)外應力結(jié)合來解釋：內(nèi)應力，主要指的是煤化作用過程中由于垂向壓實作用以及脫水作用引起的煤基質(zhì)收縮，煤化作用中凝膠化物質(zhì)受溫度、壓實影響體積收縮產(chǎn)生的內(nèi)張力，這些內(nèi)應力主要對煤儲層中孔隙以及顯微裂隙產(chǎn)生巨大促進作用。外部應力場的作用，在地質(zhì)發(fā)展史中煤儲層伴隨著板塊運動必然處于古構造應力場的作用下，而且經(jīng)過掩埋受到上覆巖層重力作用以及由于地熱或者巖漿運動產(chǎn)生的熱應力作用、以及近代的地下水作用等產(chǎn)生的各種應力使之產(chǎn)生以打中裂隙為主的裂縫，同時可以產(chǎn)生顯微裂隙。

二、煤儲層有機化學變化

煤層相對于其他的無機巖層，既在應力的承受與分布等物理性質(zhì)上存在固相介質(zhì)的共性，又有別于它們，在地質(zhì)發(fā)展的過程中伴隨著各種外力以及熱等的作用其有機組分發(fā)生相應的有機化學變化，產(chǎn)生大量的氣體其中受控于成煤物質(zhì)的化學性質(zhì)，必然會生成大量烴類物質(zhì)，也就是我們常說的煤型氣，其中賦存與煤儲層孔裂隙中的烴類氣體定義為煤層氣。具體來言：成煤的有機質(zhì)在泥炭化階段、成巖作用、變質(zhì)作用各個階段均會產(chǎn)生大量烴類物質(zhì)，特別是氣態(tài)烴，主要為甲烷。

三、煤儲層孔裂隙系統(tǒng)的控氣

煤層氣孔裂隙的控氣研究，從最根本上來講是為全面的分析出孔裂隙系統(tǒng)對煤層氣生氣量的貢獻以及因為孔裂隙系統(tǒng)的存在致使烴類氣體的逸散量的差值，最終得出煤層氣的開采資源量。

（一）煤儲層中烴類氣體的存在狀態(tài)

在煤層有機化學反應階段生成的氣體中除部分逸散、運移到圍巖外，還有相當一部分保存在煤層中，在此意義上來說煤儲層既是儲氣層又是生氣層。再從煤層氣在儲層中賦存狀態(tài)來講，它們的儲集是分三種不同狀態(tài)的，受到地下各種壓力的影響，煤儲層孔裂隙系統(tǒng)中的流體均處在一定壓力場的作用下，因此根據(jù)朗格謬而方程可計算出生成的氣態(tài)甲烷會向吸附態(tài)甲烷轉(zhuǎn)變，而必然有部分游離態(tài)的甲烷存在于孔裂隙系統(tǒng)中，再細分可分為水溶態(tài)以及氣態(tài)甲烷，三種相態(tài)的甲烷構成了煤層中全部的烴類氣體。作為首先煤儲層，在壓力作用下必須具備容納氣體的能力、允許氣體流動的能力，在煤層氣的研究上主要是通過對孔裂隙的連通性及滲透性上來講的，其中孔裂隙的數(shù)目、張合程度以及孔裂隙對煤層氣的吸附狀況等都需要加以分析。

（二）煤儲層中孔裂隙系統(tǒng)對煤層氣開發(fā)的影響

裂隙介質(zhì)、孔隙是煤層氣的主要生儲場所，宏觀裂隙是煤層氣運移的通道，顯微裂隙是溝通。因此孔裂隙的數(shù)目直接影響著煤層氣的儲量，其張合程度以及連通性則對煤層氣的運輸產(chǎn)生影響，繼而影響到煤層氣開發(fā)過程中的可采資源量。再另一方面正是由于煤儲層中廣布的孔裂隙系統(tǒng)，當孔裂隙與外巖層孔裂隙存在連通的時候，由于壓力的差值使氣體向外界運移、逸散。致使煤儲層中煤層氣的含量大為減少，但是當外巖層的封閉狀況良好時，逸散出去的煤層氣或許會形成以煤型氣為主的煤成氣天然氣氣藏，這也就印證了中國排名前十的天然氣藏絕大多數(shù)屬于煤成氣。

四、煤層氣研究方向及前景

現(xiàn)階段中國煤層氣基礎理論在大量吸收美國理論的基礎的同時結(jié)合中國特殊的地質(zhì)狀況，探索出一套屬于自己的理論體系，但是正由于中國特殊且復雜的地質(zhì)狀況，中國的煤層氣基礎理論體系尚不完全，因此在今后的煤層氣研究中應繼續(xù)對煤層氣生烴演化模式進行分析，同時再煤儲層中孔裂隙的滲透性以及壓力對煤儲層孔裂隙系統(tǒng)的張合程度的控制進行分析，完善地質(zhì)發(fā)展史中孔裂隙系統(tǒng)的生成、演化模型，結(jié)合多種學科對煤儲層的物性、化學性質(zhì)的研究綜合探討。為煤層氣的開發(fā)提供更準確、完善的理論指導，相信中國煤層氣的發(fā)展會更加迅速，而煤層氣會對中國能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展做出重要的貢獻。

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