煤层气地质学--方勇

煤层气地质学一、煤层气的定义及开发意义二、煤储层及煤层气的物质组成三、煤储层压力四、影响煤储层含气性的地质因素五、煤储层的力学性质六、煤储层的地球物理特征煤层气地质学煤型气是指煤系中煤和分散有机质，在成岩和煤化作用过程中形成的天然气，以游离状态、吸附状态和溶解状态赋存于煤层和其它岩层内，其成分大多以甲烷为主，也可能以氮气、二氧化碳或重烃等为主。一、煤层气的定义及开发意义煤层气是指赋存在煤层中以甲烷为主要成分、以吸附在煤基质颗粒表面为主并部分游离于煤孔隙中或溶解于煤层水中的烃类气体。煤成气就是赋存在围岩中的煤型气。煤成气、煤层气都是煤型气。瓦斯是赋存在煤层中的煤层气与采动影响带中的煤成（层）气、采空区的煤型气及采掘活动过程中新生成的各种气体的总称。何谓煤成气？何谓瓦斯？一、煤层气的定义及开发意义开发利用煤层气的意义：1）煤层气是一种新型洁净能源，其开发利用可一定程度上弥补常规油气能源的不足。2）减轻矿井灾害程度和降低矿井生产成本。3）减少温室气体排放，保护大气环境。一、煤层气的定义及开发意义甲烷是大气中主要的温室气体之一，对红外线的吸收能力极强，其温室效应是二氧化碳的20多倍。仅煤矿开采过程中，甲烷的排放量就占所有化石燃料排放量的一半。因此，煤层气的开发利用可有效地降低温室效应。2.1煤层气的形成植物体埋藏后，经过微生物的生物化学作用转化为泥炭（泥炭化作用阶段），泥炭又经历以物理化学作用为主的地质作用，向褐煤、烟煤和无烟煤转化（煤化作用阶段），在煤化作用过程中，成煤物质发生了复杂的物理化学变化，挥发份含量和含水量减少，发热量和固定碳含量增加，同时也生成了以甲烷为主的气体。煤化作用要经历两个过程，即生物成因过程和热成因过程。二、煤储层及煤层气的物质组成煤层气的化学组分有烃类气体（甲烷及其同系物）、非烃类气体（二氧化碳、氮气、氢气、一氧化碳、硫化氢以及稀有气体氦、氩等）。其中，甲烷、二氧化碳、氮气是煤层气的主要成分，尤以甲烷含量最高，二氧化碳和氮气含量较低，一氧化碳和稀有气体含量甚微。2.2煤层气的化学组成二、煤储层及煤层气的物质组成表1煤层气成分的物理性质煤是由植物演化而来的，由高等植物变成的煤称为腐植煤类，由低等植物或少量低等动物形成的煤称为腐泥煤，由高等植物和低等植物混合堆积形成的煤称为腐植腐泥煤。自然界中，腐植煤类占绝大多数，也是工业开采的主要对象，腐植腐泥煤、腐泥煤类数量相对较少。二、煤储层及煤层气的物质组成2.3煤的物质来源煤储层系由煤基质块（被裂隙切割的最小基质单元）、气、水（油）三相物质组成的三维地质体。煤储层煤基质块煤岩和矿物质游离气（气态）吸附气（准液态）吸收气（固溶体）水溶态（溶解气）裂隙、大孔隙中的自由水，显微裂隙、微孔隙和芳香层缺陷内的束缚水与煤中矿物质结合的化学水气水(油)二、煤储层及煤层气的物质组成2.4煤储层的物质组成显微镜下煤岩成分通常划分为镜质组、惰质组、壳质组三大有机显微组分组。1、镜质组镜质组是煤中最常见的显微组分，包括结构镜质体、无结构镜质体和镜屑体三种显微组分，其含量约占0~80%以上。镜质组是由植物的根、茎、叶在覆水的还原条件下，经过凝胶化作用而形成。2、壳质组壳质组分由于化学性质比较稳定，不易被细菌等微生物破坏、分解，故又称稳定组。壳质组分含大量脂肪族成分，故有人称为类脂组。壳质组包括孢子体、角质体、木栓体、树脂体、藻类体、荧光体、沥青质体，渗出沥青体和壳屑体等显微组分。3、惰质组惰质组在结焦过程中不软化，呈惰性。惰质组可分出丝质体、半丝质体、粗粒体、微粒体、菌类体和惰屑体等显微组分。2.5煤岩显微组分二、煤储层及煤层气的物质组成是用肉眼可以区分出的煤的基本组成单位，包括镜煤、丝炭、亮煤和暗煤。1）镜煤镜煤是煤岩成分中颜色最深、光泽最强的成分。它质地纯净，结构均一，轮廓清楚，具贝壳状断口，常有垂直条带的内生裂隙。镜煤性脆、易碎成棱角状小块。2）丝炭外观像木炭，颜色黑灰色或深灰色，具明显的纤维状结构和丝绢状光泽。丝炭疏松多孔、质轻性脆易碎、能染指。3）亮煤亮煤的光泽仅次于镜煤，一般呈黑色，较脆易碎，但断面比较平坦。4）暗煤暗煤的光泽暗淡，一般呈灰黑色，致密坚硬、韧性好，不易破碎，断面比较粗糙，一般无内生裂隙。2.6宏观煤岩成分二、煤储层及煤层气的物质组成划分依据：根据煤中光亮成分，即镜煤和亮煤在分层中的含量及其反映出来的总体光泽强度来确定。煤岩划分为四种：光亮型煤、半亮型煤、半暗型煤和暗淡型煤。2.7宏观煤岩类型1）光亮型煤：镜煤和亮煤的含量＞75%，光泽很强。由于成分比较均一，故常呈均一状或不明显的线理状结构。内生裂隙发育，脆度大，易破碎，常具贝壳状断口。2）半亮型煤：镜煤和亮煤的含量为75%~50%，光泽较强。常以亮煤为主，夹有暗煤和丝炭，条带状结构明显，常具阶梯状或棱角状断口。3）半暗型煤：镜煤和亮煤的含量50%~25%，光泽较弱。镜煤和丝炭多呈细条带、线理状和透镜状分布，暗煤较多。断口参差不齐，硬度、韧性和密度都较大。4）暗淡型煤：镜煤和亮煤的含量＜25%，光泽暗淡。常以暗煤为主，有时夹镜煤、亮煤的细条带、线理或透镜体。暗淡煤通常为致密块状，坚硬，韧性大、密度大、不易破碎。二、煤储层及煤层气的物质组成三、煤储层压力煤层气以游离、吸附、固溶和溶解多种状态赋存于煤储层中。其中吸附状态是煤层气最主要的赋存形式，储层压力是控制煤层吸附气量的最关键因素。煤储层压力，是指作用于煤孔隙—裂隙空间上的流体压力（包括水压和气压），故又称为孔隙流体压力，相当于常规油气储层中的油层压力或气层压力。煤储层压力受地质构造演化、生气阶段、水文地质条件（水位、矿化度、温度）、埋深、含气量、大地构造位置、地应力等诸多因素的影响。煤层埋深和地应力的是储层压力的主要控制因素。3.1储层压力定义三、煤储层压力3.2压力状态为了对比不同地区或不同储层的压力特征，通常根据储层压力与静水柱压力之间的相对关系确定储层的压力状态，采用的参数为储层压力梯度或压力系数。储层压力梯度：系指单位垂深内的储层压力增量，常用井底压力除以从地表到测试井段中点深度而得出，用kPa/m或MPa/100m表示，在煤储层研究中应用广泛。压力系数，被定义为实测地层压力与同深度静水压力之比值，石油天然气地质界常用该参数表示储层压力的性质和大小。3.3地质控制三、煤储层压力煤储层压力受地质构造演化、生气阶段、水文地质条件（水位、矿化度、温度）、埋深、含气量、大地构造位置、地应力等诸多因素的影响。埋深影响煤储层压力总体上与埋深呈线性正相关关系，煤层埋深增加，储层压力随之增高。图1淮南煤田煤储层压力与埋藏深度之间的关系3.3地质控制三、煤储层压力地应力构造应力增加，有利于煤储层压力的保持，但往往导致渗透率降低，并给煤储层的排水、降压以及煤层气的解吸、运移、产出造成一定困难，在高地应力区尤为如此。总体上来看，构造应力过高会对煤层气井的高产带来消极影响，过低则不利于煤层气的富集。不同地区地应力的大小是不同的，当应力增大，孔裂隙被压缩，体积变小，储层压力变大；当地应力变小，孔裂隙体积变大，储层压力则变小。因此，地应力与储层压力存在相关性。3.3地质控制三、煤储层压力水文地质在开放的条件下，储层压力的大小通常根据压力水头（液柱高度）与静水压力梯度之积（又称之为视储层压力）来度量，地下水水头高度是表征储层压力的直接数据。一般水头越高，储层压力就越大。在煤系中，由于各个煤层与主要含水层间无明显的水力联系，往往构成不同的水动力系统，储层压力主要是由储层本身的直接充水含水层的水头高度来度量。3.3地质控制三、煤储层压力煤层气（瓦斯）压力煤层气（瓦斯）压力是指在煤田勘探钻孔或煤矿矿井中测得的煤层孔隙中的气体压力。煤储层试井测的储层压力是水压，二者的测试条件和测试方法明显不同。煤储层压力是水压与气压的总和，在封闭体系中，储层压力中水压等于气压；在开放体系中，储层压力等于水压与气压之和。煤层气（瓦斯）压力梯度值的变化幅度很大，介于1.2~13.4kPa/m之间，抚顺矿区的气压最低，天府矿区的气压最高。气压高低与煤层含气饱和度、煤层风化带的深度有关。四、影响煤储层含气性的地质因素4.1煤储层围岩物性及封盖能力煤层顶底板是封堵煤层气的第一道屏障，是煤储层围岩组合中最重要的岩层。其主要岩石类型有碳酸盐岩、砂岩、泥岩、油页岩及砂泥岩互层。灰岩类型含煤地层中的灰岩普遍含有一定数量的生物碎屑，溶洞和缝合线一般较为发育，渗透率为1.5~2.5×10－3μm２，普遍含水，对煤层气的保存十分不利。一方面煤层气通过煤储层顶底板灰岩中的孔隙和裂隙发生运移，另一方面它又被灰岩中地下水径流带走。砂岩类型砂岩顶底板，总体上不利于煤层气的保存，但因其成分、结构的不同及成岩后生作用的差异，对于煤储层的封盖能力变化极大。四、影响煤储层含气性的地质因素4.1煤储层围岩物性及封盖能力细砂岩、粉砂岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩和泥岩互层，是煤层常见的顶底板岩石组合类型。泥质含量通过对岩石结构的影响控制着互层类型围岩的孔渗特征。砂泥岩互层组合中泥质含量增加，最大孔隙直径和优势孔径减小，突破压力随之增大。泥岩类型泥岩是碎屑海岸相和湖泊相成因煤层的常见顶底板岩石类型，在区域上往往具有一定的稳定性和连续性，故又被称为区域性盖层。在裂隙不发育的情况下，泥岩是非渗透性盖层，有极好的封盖能力。泥岩的物性与其成岩演化阶段和埋深有关，随着其成岩程度加深和埋深的增大，塑性降低，脆性增强，裂隙发育程度增大，封盖能力有所减弱。四、影响煤储层含气性的地质因素4.1煤储层围岩物性及封盖能力表2泥岩封盖能力与煤化作用阶段的关系油页岩类型油页岩致密度高、韧性大、裂隙不发育，含油率和水分含量高，其孔隙率低、渗透率小，是煤储层最理想的封盖层。我国含煤地层中的油页岩多见于西北、东北、两广和云南等地区的中新生代小型盆地，分布局限，不具普遍意义。四、影响煤储层含气性的地质因素4.2煤级影响煤层含气量随煤级的增加呈现出急剧增高→缓慢增高→急剧增高→急剧降低的阶段性演化特征，某一煤级阶段最高含气量的连线附近的矿区或井田均为煤储层封盖条件极好或煤储层渗透率极差的地区。图2中国煤层含气量随煤级的演化趋势图(每一数据点代表一个矿区或井田的平均值，据秦勇等，1999)四、影响煤储层含气性的地质因素4.3构造类型不同类型的地质构造，在其形成过程中构造应力场特征及其内部应力分布状况的不同，均会导致煤储层和封盖层的产状、结构、物性、裂隙发育状况及地下水径流条件等出现差异并进而影响到煤储层的含气特性。煤层气有关的构造可归纳为向斜构造、背斜构造、褶皱—逆冲推覆构造和伸展构造四个大类。四、影响煤储层含气性的地质因素4.3构造类型向斜构造向斜两翼地层倾角越大，张性断裂越发育，煤层气就越易逸散；反之，两翼倾角越缓，断裂不发育或发育逆断层，就越有利于煤层气的保存。图3褶皱构造控气特征（据叶建平，1998）四、影响煤储层含气性的地质因素4.3构造类型褶皱—逆冲推覆构造褶皱推覆构造一方面既可形成区域性封盖的构造条件而有利于煤层气保存，另一方面又强烈破坏了煤层的原生结构而使煤储层渗透性降低，从而导致煤储层含气量较高而物性较差。图4断裂构造类型及其控气特征（据叶建平，1998）五、煤储层的力学性质煤层及顶底板围岩的力学性质是影响储层改造效果的重要因素，因而是进行煤层压裂理论研究的基础。煤层及顶底板围岩的力学性质主要包括：弹性模量、泊松比、抗压强度、抗拉强度、抗剪强度等。5.1抗压强度煤岩样在单向受压条件下整体破坏时的压力，为单轴抗压强度（Pc），它是岩石力学试验中最基本的指标之一，测试方法简便易行，计算也方便，所得结果可以在一定程度上间接反映地层破裂强度，而且这个指标与抗拉强度等参数有一定的对应关系，一般岩石的抗拉强度为抗压强度的3%~30%。五、煤储层的力学性质5.2弹性模量弹性模量是材料在弹性范围内应力与应变的比值，在力学上反映材料的坚固性。从单向加压的应力－应变曲线上得出的是杨氏模量，由三轴压力实验得到的模量本书称之为弹性模量。煤岩弹性模量（E）对煤层裂缝发育影响甚大，裂缝的宽