|
点击上图品鉴 本文完整版PPT可分享朋友圈后加小编进群索取：haokefenxiang 交流群：（请勿多加） 地矿信息交流VIP-QQ群：262158018 地震技术、成藏（矿）理论、人工智能一体化，引领勘探开发新时代。顶级专家：行业领袖、学术权威，共同探讨地震成藏（矿）学的最新进展。实践与理论：结合实际案例，深入分析地震成藏（矿）学的理论与实践应用。跨学科交流：地质、地球物理、AI技术，多领域交叉，激发创新思维。进群交流请假微信（haokefenxiang），注明来意。本群将不定期分享地震成藏学相关文章/PPT/交流材料等。 引言 煤层气藏是一种非常规天然气藏，具有与常规天然气藏不同的特征，特别是在成藏条件和成藏过程方面有着自身独特的一面。所以直接将天然气藏的概念应用于煤层气藏显然不妥。 本章首先对煤层气藏的定义、边界进行系统论述，然后以沁水盆地为例，对煤层气成藏条件进行系统描述，并建立了煤层气成藏过程的研究理论和方法。
一、煤层气藏的定义 根据煤层气藏的具体特征，给予煤层气藏如下定义：“含有一定量煤层气、具有相对独立流体流动系统的煤体（或地质体）称为煤层气藏。”即煤层气藏是煤层气聚集的最小单元。 注：1）煤层气是开发利用的对象，因此煤层气藏必须含一定量的煤层气； 2）煤层气的赋存受压力的控制，而压力与流体的补给、运移、滞流、排泄密切相关，一个煤层气藏必须处于同一流体单元，是煤层气聚集的最小单元； 3）所谓的“地质体”，不仅仅是煤层，还包括煤层的部分顶板和底板。 在现有的开发技术条件下能够实现商业性开发的煤层气藏称为工业性煤层气藏；反之，称为非工业性煤层气藏。工业性与非工业性是相对概念，取决于国家的资源丰度程度、经济政策和工艺技术进步等外部条件。 二、煤层气藏边界类型 边界是煤层气藏划分的前提，是煤层气勘探开发工艺选择的依据，对其进行研究具有重要的理论意义和实际意义。 依据煤层气藏的定义，本文将煤层气藏的边界区分为6类： 1.经济边界 2.水动力边界 3.风氧化带边界 4.物性边界 5.断层边界 6.岩性边界 1.经济边界 经济边界仅适用于工业性煤层气藏，以该煤层气藏具备商业开发价值的最低含气量表达，取决于煤层气的含量、资源丰度、储层物性、地下水动力条件、开发技术条件、经济政策等。 不同煤层气藏的经济边界不同，而且差别显著。 一是浅部的经济边界，主要以具备商业开发价值的最低含气量表达。如沁南煤层气藏的经济边界以含气量8m3/t 为界，因该区煤层气含量普遍较高、煤层厚度不大、储层的渗透性较差；阜新刘家、王营煤层气藏则以5m3/t 为界，因含气量普遍较低，但煤层层数多、厚度大、资源丰度高；美国粉河盆地的经济边界以含气量1m3/t 为界，甚至更低，因煤层层数多、厚度大、资源丰度高、储层渗透性好。 二是深部的经济边界，主要取决于开发的技术条件。在目前开发的技术条件下，煤层气的开发很少超过1000 m，即是随着资源需求的增加、技术的进步，超过1500m 深度的煤层气开发也将困难重重，所以取1500 m 埋深为煤层气藏的深部经济边界。 2.水动力边界 水动力边界存在两类：地下水分水岭以及水动力封堵。 地下水分水岭的存在使其两侧的煤层气藏处于不同的流体单元。 这类边界以美国Utah州的中东部（图5.1）和中国的沁水盆地南部为典型。沁南煤层气藏的北部边界为地下水分水岭，该分水岭呈东西向展布，东部至露头，西部至寺头断层。在太原组地下水水位等值线图有清晰反映（图5.２）。其形成受构造控制，位于东西向展布的褶皱高部位。
Utah州中东部Ferron砂岩段地下水水位等值线
沁水盆地南部太原组地下水水位等值线 水动力封堵边界是最常见的煤层气藏边界。 水动力封堵的机理为：要使储层内保存一定量的煤层气，就必须具备一定的储层压力，即地下水静水位面（对应于储层压力）具有一定的高程。这一高程可通过经济边界对应的含气量和兰氏方程计算的储层压力换算。 沁南煤层气藏的东部和南部为水动力封堵边界，对于15号煤而言，最大吸附容量为39.91～46.84m3/t，平均为43.37m3/t；兰氏压力为3.034～3.184MPa，平均为3.109MPa。如果取最大吸附量46.84m3/t，兰氏压力3.184MPa，以8m3/t为经济边界则对应的极限储层压力在1.3MPa左右，即地下水的水位高差最低应为130 m 左右
3.风氧化带边界 由于煤层气沿露头的散失和空气的混入使得煤层气中甲烷浓度降低，二氧化碳、氮气浓度增加。水动力条件变化引起风氧化带的形成机理如图5.3 所示。假设初始状态，地下水位位于C 点，此时，B 点为水动力封堵边界点，煤层的极限含气量为：
随着地下水水位的下降，水动力封堵边界降低，浅部的煤层（BC段）中的煤层气大部分逸散，煤层孔隙被空气所占据。此时，煤层的极限含气量为：
地下水水位上升，此时，水动力边界不变，浅部煤层不仅赋存了残留的煤层气，和来自空气中氮气和二氧化碳，而且赋存了地下水从异地运移而来的煤层气和本地生成的次生生物气。地下水也携带溶解的或游离态的氮气和二氧化碳向深部运移，并被煤层吸附，造成风氧化带深度的增加。煤层的极限含气量为：
在地下水不断的下降、上升的过程中，风氧化带的深度也不断的增加。一般取甲烷浓度80%为风氧化带的底界，通过用不同埋深或不同煤层上覆有效厚度的钻孔、煤层气井或煤矿抽放出得煤层气进行气体组分分析，然后将分析结果统计作图，得出风氧化带的深度。 如对沁南煤层气藏的作图分析（图5.4），图中甲烷组分含量随煤层埋藏深度的增加而增加，甲烷组分含量大于80%对应的煤层埋深为180 m，即可确定风氧化带的深度为180 m 左右。
水动力封堵、风氧化带与经济边界的共同作用分3种情况： （1）水动力封堵的底界在风氧化带之下，这时煤层气藏的边界以水动力封堵为界； （2）水动力封堵的底界在风氧化带之上，这时煤层气藏的边界风氧化带底界为界。就沁南煤层气藏而言，风氧化带的底界一般在水动力封堵边界之下，应以风氧化带底界作为煤层气藏的边界，即埋深180 m。 （3）当经济边界在风氧化带之下时，煤层气藏的边界以经济边界为准，沁南煤层气藏个别地区存在此类情形。 ４.物性边界 主要是指煤体自身物性变差或煤层气运移过程中遇到渗透性壁障引起煤层气封闭的边界 物性封闭的原理是煤体在构造应力作用下破坏为糜棱煤，物性变差，排驱压力增大，对煤层气的扩散运移起到阻止作用。糜棱煤本身含气量高、储层压力高，煤与瓦斯突出往往发生在这类煤中。糜棱煤因含气量高，在某种程度上具有浓度封闭的作用。 在我国湖南涟邵煤田北部的利民煤矿由于煤层受构造应力作用产生塑性流变而形成厚煤包。另外在小褶皱和揉皱的影响下，煤层受到揉搓和滑动，使煤的机械强度降低，煤体结构遭到破坏，形成透镜状构造煤，煤体破碎为土状，渗透性极差，阻止了煤层气的扩散，增加了煤体吸附能力。从而，在利民煤矿的厚煤中造成瓦斯聚集，形成瓦斯包，使得该地区易发生瓦斯突出（图2.41)
断层的封闭性存在4种机理： ·断层两侧岩性配置：断层活动引起断层两盘的相对滑动，断层两侧对置的岩石之间存在着排驱压力的差异，具有较高排驱压力的岩性对另一侧起到封闭作用 ·颗粒碎裂作用：指在断层长期活动或地应力强度较大的地区，断层带的脆性岩层中发生颗粒挤压和破碎作用，较粗的断层角砾岩和碎粒岩细化成断层泥，使孔内孔渗性变差，排驱压力增大，对两侧储层起封闭作用 ·成岩胶结作用：断层破碎带的产生不仅有利于流体的流动，也有利于胶结物的生成。地下水流体在断层中流动，发生复杂的物理化学作用，造成断层中的物质的成岩胶结作用，从而使断层的孔隙度，渗透率大大降低，最终形成封闭 ·泥岩涂抹作用：断层活动过程中，由于拖曳、挤压、研磨和塑性流动等作用，沿断裂分布的极细粒的非渗透性泥状物，敷着在断层面上，使断裂带具有高的排驱压力，增强了断层的封闭性
封闭性断层是煤层气藏的重要边界，如美国的Sand Wash 盆地、中国的沁水盆地、阜新盆地都存在封闭性断层作为煤层气藏重要边界的情形。以沁水盆地的寺头断层为例。寺头断层为沁南煤层气藏的西部边界（图5.2），走向变化较大，在端氏以北，走向为250，端氏以南变为600左右，断层落差在寺头一带最大，达到360 m 以上。寺头断层对其东西两个煤层气藏的水文地质条件、构造格局和煤层气的赋存都具有明显的控制作用。 其封闭性证据为：（1）在断层破碎带中钻进时，水位无较大变化，消耗量最大仅0.106m3/h；（2）对位于断层两侧钻孔进行中奥陶统含水层抽水试验，断层两侧水质类型截然不同；（3）断层两侧矿化度有较大的差异；（4）断层角砾岩裂隙充填的方解石未发现溶蚀现象；（5）断层两侧含气量差异显著，断层东侧的潘庄、樊庄井田等主煤层和含气量高，最高可达30m3/t以上，而西侧含气量相对较低，与东侧同等深度条件下含气量通常不超过15m3/t；（6）含气量几乎不受距寺头断层距离的影响（图5.5）。
其封闭机理为 A、断距越小，在对接关系上越有利。图5.6是沿断层走向所作的横向剖面，其中a代表断层的上盘泥岩，b代表断层的下盘泥岩，黑线代表煤层。当断距较小时，煤层与具有较高排驱压力的泥岩或粉砂质泥岩对接，有利于封闭，但断距较大时，与煤层对接的主要为砂岩，排驱压力较低，不利于封闭；B、通过证据（1）和证据（5），我们可以看出断层的胶结作用较强，是断层封闭的重要因素；C、煤及煤系的碎裂化作用形成断层泥是其又一重要封闭因素。煤田地质勘探中发现在寺头断层两侧存在着低渗的糜棱煤带，这主要是由于断层两盘在活动过程中，岩层中发生了挤压和破碎作用；D、根据断层泥比率(SGR)和泥岩涂抹潜势(CSP)计算公式，得出表5.1了所示的CSP和SGR值，从中我们可以看出，断层落差越大，泥岩涂抹引起的封闭性越差。
总之，通过以上分析可见寺头断层的封闭性不仅是泥岩涂抹作用的结果，而且与断层带的胶结作用和断层泥的存在以及断层两侧岩性对接关系密切。对于断层落差较小的段，以泥岩涂抹作用为主；对于落差较大段，以碎裂作用为主。断层带胶结程度至关重要。
2)开放性断层边界 开放性断层作为煤层气藏的边界区分为两种情形： 位于地下水补给区的开放性断层和位于地下水排泄区的开放性断层 地下水沿位于补给区的开放性断层带补给，分别向断层 两侧的煤层与含水层运移，对煤层气的散失起到阻止作用，同时断层两侧的含水层和煤层为不同的流体流动单元，因此起到分割不同煤层气藏的作用。这类断层边界有利于煤层气的保存 典型实例如美国的Utah州中东部（图5.7）。地下水沿位于排泄区的开放性断层排泄，造成煤层气的散失。这类断层对煤层气封闭作用机理与水动力封堵相同，取决于地下水水位高差、风氧化带深度、经济边界等
6.岩性边界 岩性边界是指位于煤层尖灭带的边界，这类边界也可以分为两种情形：一是位于煤层歼灭带的岩性具有较大的渗透率，排驱压力低，煤层气将难以在煤层内聚集，易逸散，不利于煤层气的保存；二是位于煤层歼灭带的岩性具有较低的渗透率，此时该岩性边界具有较高的排驱压力，有利于煤层气的保存。 这种边界常见，像在我国的铁法盆地，地下水由浅部的径流，向深部的滞流，在深部盆缘断裂附近存在煤层分叉尖灭带、岩性相变带等不渗透边界，致使煤层气在深部聚积，构成了典型的铁法盆地煤层气藏，另外如美国的Utah州中东部、粉河盆地内部的这类边界也比较典型（图5.8）。
三、 煤层气藏的分类 1.根据地下水动力条件和边界的分类 以吸附态的为主的煤层气，其赋存主要受温度、压力和煤的性质控制。其中温度在空间上的变化规律性明显；煤的性质是地质历史时期各种因素共同作用的结果，目前的状态基本稳定；现今唯一在不断变化的是压力，它随着地下水的补给、运移、排泄在不断变化。因此，以压力为主线，结合边界类型及煤层气藏自身的构造特征，提出了一套煤层气藏分类方案（表5.2、图5.9）。 首先根据煤层气藏的压力形成机制，将其分为水动力封闭型和自封闭型煤层气藏两类。 水动力封闭型可进一步区分为水动力封堵型和水动力驱动型煤层气藏两个亚类。结合边界类型将水动力封堵型煤层气藏细分为五个型。根据构造特征将水动力驱动型煤层气藏细分为三个型。自封闭型煤层气藏可进一步区分为三个型。
来源：https://jz.docin.com/p-663183608.html&d=6d4cc0972e576ede7663d8c80174af6d |
|
|
来自： changyz001 > 《地质》
