煤層氣富集成藏地質(zhì)特征與潛力研究

李金珊，楊敏芳，李仲學(xué)

(1.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083；2.中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院，河北 廊坊 065007)

煤層氣主要為甲烷成分(CH4)，以吸附或游離態(tài)為主要方式賦存煤層中，煤層氣以煤層為儲(chǔ)集層，氣源由煤層自身生成，主要以吸附狀態(tài)存在，不像常規(guī)油氣遵循重力分異原理。目前，世界上已有29個(gè)國(guó)家全面開展了煤層氣研究，進(jìn)行煤層氣勘探開發(fā)活動(dòng)。美國(guó)是世界上煤層氣商業(yè)化開發(fā)最成功的國(guó)家，迄今為止煤層氣產(chǎn)量位居全球第一。加拿大根據(jù)本國(guó)煤層地質(zhì)構(gòu)造特征，開展了分支水平井、連續(xù)油管壓裂等技術(shù)研究，并取得了突出進(jìn)展。澳大利亞的煤層氣勘探開發(fā)以井下定向井開發(fā)為主，煤層氣產(chǎn)量已經(jīng)成為天然氣產(chǎn)量的重要組成部分。美國(guó)成功研究開發(fā)出一套適合進(jìn)行煤層氣商業(yè)開發(fā)煤層氣勘探工藝技術(shù)，煤層氣的采收率為30%～60%，最高可達(dá)80%，研制了煤層氣產(chǎn)出“排水—降壓—解吸—擴(kuò)散—滲流”過程開發(fā)模式，以圣胡安和黑勇士盆地為基地形成煤層氣產(chǎn)業(yè)化，建立了煤層氣成藏與開發(fā)的系統(tǒng)理論，形成了以沉積、構(gòu)造、煤化作用、含氣性及滲透率為考察主體的煤層氣評(píng)價(jià)模式。中國(guó)有豐富的煤層氣資源，煤層氣儲(chǔ)量居世界第三位，開發(fā)前景十分廣闊。根據(jù)油氣資源評(píng)價(jià)結(jié)果，中國(guó)深埋2000m以淺的煤層氣資源量約35×1012m3，中國(guó)煤層氣開發(fā)剛處與小規(guī)模商業(yè)化階段。

1 煤層氣富集成藏地質(zhì)特征

1.1 煤層氣富集成藏規(guī)律

在煤層氣富集成藏的研究中，煤層氣富集成藏特指煤層的甲烷富集成藏[1]。影響煤層中氣體吸附的因素很多，如溫度、壓力、煤化性質(zhì)、煤巖組分[2-4]。煤層氣富集成藏地質(zhì)特征的研究，以煤層氣的含氣性為富集成藏主要指標(biāo)，另外還有一定的區(qū)域規(guī)律性和差異可比性。國(guó)外專家Harris和Gayer認(rèn)為，構(gòu)造條件、煤層埋深、煤層厚度、含氣量、煤階、滲透率、煤層氣壓力、解吸壓力和水文地質(zhì)條件是影響煤層氣富集成藏的主要因素[5]。煤層氣可分為早期生物成因氣、熱成因氣和次生生物成因氣。按照成因類型和成氣階段，美國(guó)的Scott、澳大利亞的Smith、波蘭的Kotarb等人提出了次生生物成因氣理論[6-9]。

1.2 煤層氣富集程度判別

煤層氣富集成藏程度的主要判別指標(biāo)是煤層含氣性。含氣性主要包括煤層甲烷含量、含氣濃度、含氣飽和度、含氣豐度等指標(biāo)。煤層甲烷含量，指單位體積或單位質(zhì)量煤體中所含有的甲烷體積；煤層含氣濃度，是指煤層氣組分中甲烷成分所占的體積分?jǐn)?shù)；煤層含氣豐度，是指在單位面積范圍內(nèi)煤層氣的含氣資源量；煤層含氣飽和度，是指煤層實(shí)際含氣量與理論含氣量的比值。通常情況下，煤層氣含量相對(duì)大的可判定為煤層氣富集成藏區(qū)域。

1.3 煤層氣富集成藏形成

煤層氣的富集成藏是在成煤過程中與煤同時(shí)生成的，受控于其儲(chǔ)集條件。煤層氣具有吸附性物理性質(zhì)，煤層不同變質(zhì)程度，對(duì)甲烷具有不同的吸附性能，吸附性能又受到外部溫度、壓力條件的影響。煤層氣富集成藏的形成主要包括儲(chǔ)集和保存兩個(gè)方面的條件，儲(chǔ)集條件主要受煤層厚度和煤層變質(zhì)程度的影響，保存條件主要受到蓋層和地質(zhì)構(gòu)造作用的影響。煤層氣的封蓋和運(yùn)移也是煤層氣的富集成藏條件。

2 煤層氣富集成藏潛力評(píng)價(jià)

2.1 煤層地質(zhì)形成及特征

在煤層氣項(xiàng)目評(píng)價(jià)，首先要進(jìn)行煤層地質(zhì)綜合分析，是煤層氣資源量和儲(chǔ)量評(píng)估的基礎(chǔ)。因?yàn)椋簩託馐欠浅Ｒ?guī)天然氣形成機(jī)理、開采方式與常規(guī)天然氣有較大的差別。

1)含煤盆地構(gòu)造背景。具有穩(wěn)定區(qū)域構(gòu)造背景的含煤盆地有利于煤層氣開發(fā)，尤其是盆地內(nèi)構(gòu)造相對(duì)活動(dòng)的區(qū)域，含煤盆地內(nèi)斷層等構(gòu)造影響煤層氣的產(chǎn)量，穩(wěn)定的含煤盆地構(gòu)造背景是煤層氣存儲(chǔ)的保證。

2)煤巖顯微組分。在光學(xué)顯微鏡下能識(shí)別出來的組成煤的基本成分稱為顯微組分。煤巖有機(jī)顯微組分通常分為鏡質(zhì)組、殼質(zhì)組和惰質(zhì)組。鏡質(zhì)組含量是影響煤層氣含量重要因素之一，因此顯微組定量分析是煤層氣勘探中煤層評(píng)價(jià)的一項(xiàng)重要內(nèi)容。顯微煤巖組分鏡質(zhì)組含量低，生氣母質(zhì)條件較差；煤巖變質(zhì)程度低，為低煤階，熱成因氣量少[10]。煤巖模擬實(shí)驗(yàn)等研究表明，煤化作用過程鏡質(zhì)組明顯。土耳其宗古爾達(dá)克盆地石炭系煤巖以鏡質(zhì)組為主，鏡質(zhì)組含量十分明顯(圖1)。

圖1 土耳其宗古爾達(dá)克盆地石炭系煤巖顯微組分布圖

3)煤巖沉積環(huán)境。成煤環(huán)境控制了煤的類型、煤質(zhì)、煤層連續(xù)性、煤層厚度及煤層頂、地板巖性等，是煤層氣地質(zhì)研究的重要組成部分。沉積環(huán)境與煤巖灰分關(guān)系密切，灰分影響著煤巖的吸附能力。煤層氣是以吸著態(tài)、游離態(tài)和溶解態(tài)三種形式賦存，其中吸著態(tài)包括吸附態(tài)、吸收態(tài)和凝聚態(tài)，吸附態(tài)是其最主要的賦存狀態(tài)，煤層氣的儲(chǔ)集主要受到其吸附能力的控制[11]。

2.2 煤層氣潛力評(píng)價(jià)指標(biāo)

在煤層氣項(xiàng)目開發(fā)煤層氣潛力評(píng)價(jià)的主要指標(biāo)有：煤層厚度、煤層孔隙度、煤層滲透率、煤級(jí)、煤層含氣量等參數(shù)[12]。

1)煤層厚度。煤層厚度是煤層氣生成與富集的物質(zhì)基礎(chǔ)，體現(xiàn)了構(gòu)造、沉積及程巖對(duì)泥炭的影響，是煤層氣富集成藏潛力評(píng)價(jià)重要參數(shù)。煤層厚度的估算基于取心和測(cè)井，測(cè)井是估算煤層厚度的首選工具。在美國(guó)尤因塔盆地的這些區(qū)域，一口鉆井通常會(huì)鉆遇4～6個(gè)煤層，煤層儲(chǔ)量占煤層氣總儲(chǔ)量的10%～13%。煤層越厚對(duì)氣藏越有利，單井煤層氣總厚度均大于10m；薄煤層(總厚度小于5m)分布區(qū)一般沒有商業(yè)開采價(jià)值，煤層單層厚度大于0.6m可以與上下煤層分層壓裂開采。美國(guó)黑勇士盆地Pottsvillee組Pratt、MaryLee等煤層凈厚度為3.05～6.10m，附近尤因塔盆地的砂巖儲(chǔ)層儲(chǔ)量可占煤層氣總儲(chǔ)量的10%～15%，如圖2所示，測(cè)井曲線與射孔段數(shù)據(jù)表明，尤因塔盆地的砂巖儲(chǔ)層煤層深度，具備可開發(fā)潛力。

圖2 美國(guó)尤因塔盆地Telonis19-151井測(cè)井曲線與射孔段

2)煤層孔隙度。煤層孔隙度主要分為基質(zhì)孔隙和裂縫孔隙，基質(zhì)孔隙是煤層氣的賦存空間，裂隙孔隙對(duì)煤層氣運(yùn)移和產(chǎn)出具有決定作用，對(duì)結(jié)構(gòu)特征的正確認(rèn)識(shí)是煤層氣開發(fā)的關(guān)鍵。裂縫孔隙是大孔的主體，是在成煤及變質(zhì)過程中，煤受到自然界各種應(yīng)力作用所致。煤層孔隙半徑4～8nm之間，甲烷分子半徑0.26nm，通過巖心測(cè)得平均孔隙度一般小于10%，90%的煤層氣吸附在微孔面。

3)煤層滲透率。煤層滲透率是表征煤層中煤層氣和煤層水滲透性的重要參數(shù)，是決定煤層氣潛力和能否開發(fā)的重要指標(biāo)。煤層天然裂隙系統(tǒng)發(fā)育，滲透率大于2×10-3μm2。流體流動(dòng)和壓力傳遞主要依賴于割理和裂縫。煤層滲透率除受自身裂縫孔隙發(fā)育程度影響外，還受外部有效應(yīng)力、克林伯格效應(yīng)及基質(zhì)收縮影響。煤層滲透率高會(huì)提高煤層氣的出采程度。例如，美國(guó)粉河盆地含氣量0.45～2.15m3/t，滲透率10～1000μm2，采收率為80%。

4)煤層含氣量。是確定煤層氣資源量、儲(chǔ)量及儲(chǔ)量豐度的重要參數(shù)，與煤層氣分布面積、厚度、儲(chǔ)層壓力、煤層物性、吸附等溫線等一起綜合分析煤層氣潛力的條件、預(yù)測(cè)產(chǎn)氣能力的主要指標(biāo)。煤層含氣量由吸附含氣量、游離氣含氣量和水溶氣含氣量3部分組成，以吸附含氣量為主。在實(shí)際應(yīng)用中，可以認(rèn)為埋藏溫度壓力條件下，煤層的吸附量即為煤層含氣量。測(cè)定煤在各種壓力下所含的氣量，即可確定等溫吸附曲線。煤層氣組分對(duì)煤層含量影響很大，天然狀態(tài)下，煤層氣體以CH4、CO2、N2為主，在某些情況下會(huì)存在SO2、H2S。煤層氣含量是煤層氣潛力評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)，可分為貧氣、含氣、富氣區(qū)域，商業(yè)開發(fā)的下限氣含量指標(biāo)約為4.25 m3/t。

5)煤級(jí)。當(dāng)泥炭被掩埋并隨著溫度和壓力的增加而轉(zhuǎn)變成煤時(shí)，其物理和化學(xué)性質(zhì)會(huì)發(fā)生變化，反映了煤的變質(zhì)過程與煤層含氣量、滲透率、孔隙度及煤巖機(jī)械性能有關(guān)，是煤層氣潛力研究的重要內(nèi)容，前蘇聯(lián)學(xué)者B.A.烏斯別斯基通過人工熱演化實(shí)驗(yàn)表明，從長(zhǎng)焰煤煤化為無煙煤時(shí)至少生成了100m3以上的甲烷，從長(zhǎng)焰煤到無煙煤則至少生成了210m3的甲烷[13]。鏡質(zhì)組是最合適的煤級(jí)指標(biāo)，國(guó)際一般采用鏡質(zhì)組最大反射率來確定煤級(jí)。煤化作用是煤形成過程中溫度和壓力作用引起，煤化程度不同，煤級(jí)也存在一定差異[14-15]。煤級(jí)低含氣量少、難以形成商業(yè)開發(fā)，中煤級(jí)裂縫發(fā)育、含氣量高有利于開發(fā)。

3 結(jié)論

通過對(duì)煤層氣富集成藏的地質(zhì)特征資料的研究和實(shí)踐，揭示了煤層氣富集成藏的地質(zhì)特征，對(duì)煤層氣的潛力評(píng)價(jià)提出了標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，通過理論分析研究得出以下結(jié)論。

1)采用理論分析方法研究相關(guān)的煤層氣富集成藏的理論，從煤層氣富集成藏的規(guī)律、富集程度判別指標(biāo)、富集成藏形成三個(gè)方面，通過文獻(xiàn)資料分析綜述煤層氣的富集成藏的地質(zhì)特征。

2)通過對(duì)煤層地質(zhì)形成及特征的研究，煤層氣與常規(guī)天然氣有很大的差別，在含煤盆地構(gòu)造背景、煤巖顯微組分、煤巖沉積環(huán)境等方面有明顯的地質(zhì)特征。

3)在判別煤層氣潛力評(píng)價(jià)重要參數(shù)，主要選取煤層厚度、煤層孔隙度、煤層滲透率、煤級(jí)、煤層含氣量等作為煤層氣主要評(píng)價(jià)參數(shù)。經(jīng)研究表明：煤層厚度單井煤層氣總厚度均大于10m，單層厚度大于0.6m；煤層孔隙度半徑約為4～8nm；煤層滲透率大于2×10-3μm2；煤級(jí)為中煤級(jí)裂縫發(fā)育；煤層含氣量約為4.25m3/t，可定義為煤層氣潛力評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

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