煤层气地质

第六章煤层气藏成藏机理第一节煤层气藏分类一、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，具有统一的压力系统。”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。二、煤层气藏边界类型及作用机理将煤层气藏的边界系统的区分为6类：经济边界水动力边界风氧化带边界物性边界断层边界岩性边界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。包括浅部的经济边界和深部的经济边界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。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。N05101520KM18901890189018901860186018301800177018001770171017101680168016501620171017101710171017101950192016801680174017401740174017401740174017701770180018301830EmeryFerronCastleDalePrice7017703945°11110°111°11040°11030°3930°3915°39°3845°38°30Utah州中东部Ferron砂岩段地下水水位等值线ClearCreekanticlineJoeValleyanticlineFerronanticline水动力边界常家庄端氏镇固县乡必底乡枣园樊庄乡杜寨马村乡潘7长治012345km史村晋城阳城潘庄后城腰断层寺头断层断层边界风氧化带边界断层煤层露头线煤层气井60015#含气量等值线8地下水水位等值线N500AA'沁水盆地南部太原组地下水水位等值线水动力边界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。TL-007TL-0060500海拔（m）10005001000滞流带径流带补给区对应的极限储层压力在1.3MPa左右，即地下水的水位最低应为130m左右。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。一般取甲烷浓度80%为风氧化带的底界。如此反复造成风氧化带深度不断增加ABgACPPPVPVwAALALAAAgBCPPPVPVwBBLBLBBBatm1CCLCLCCCPPPVPV地下水携带溶解的或游离态的氮气和二氧化碳向下运移被煤吸附造成风氧化带下移,赋存了：残留的煤层气来自空气中的氮气和二氧化碳异地运来的煤层气本地生成的次生生物气极限含气量水动力封堵边界煤层气含量降低水动力封闭ABgACPPPVPVwAALALAAAgBCPPPVPVwBBLBLBBBABgABPPPVPVwAALALAAA地下水水位atm1CCLCLCCCPPPVPVatm1BBLBLBBBPPPVPV大部分煤层气逸散孔隙被空气占据初始状态水位上升水位下降水动力封闭煤层气含量降低煤层气含量降低如此反复造成风氧化带深度增加水动力条件变化引起风氧化带的形成机理0204060801001200100200300400500600700埋深(m)CH4含量(%)3号煤9号煤15号煤如果以甲烷浓度80%为风氧化带底界，沁南煤层气藏风氧化带的深度平均为180m左右。风氧化带边界水动力封堵、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180m。（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。物性边界南北第三系Kirtland页岩Fluitland组北部煤单元，高渗带南部煤及砂岩单元，低渗带PicturedCliffs砂岩高渗带低渗带埋藏与煤化作用后盆地边缘抬升并发生剥蚀细菌活动生成次生生物气大气降水携带细菌由补给区向盆地方向运移圣胡安河细菌抬升埋藏热成因的甲烷和次生生物甲烷聚集形成常规水动力圈闭气藏渗透性壁障构造枢纽线径流方向Fluitland水位等势面0102030km科罗拉多新墨西哥CedarHill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边界H=3.0mH=4.0m+40+30+20+100-10石英砂岩石蹬子灰岩SE49o泥岩底板砂岩透镜体碳质泥岩突出空洞01020m物性封闭的原理：煤体在构造应力（或其它力）作用下破坏为糜棱煤，物性变差，排驱压力增高，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。断层在其两侧形成煤体破坏带。如果破坏为糜棱煤就可起到物性封闭的作用。在阜新盆地王营煤层气藏的F8断层就存在着这种糜棱煤带物性边界K1shJ3jfJ3yK1f海州露天矿0m-1000-2000PXF2PF2F8J3yJ3jfK1sh含煤层段F8断层在王营井田南部向N300W左右，向北延伸400m后，北部走向约N150W，断层倾向向西，倾角变化于400~800之间，断层断距较大，变化于0~68m之间，断层切割了王营向斜轴，向北尖灭。断层边界断层边界可以分为封闭性断层边界和开放性断层边界两类Rrpcos2chpghw断层封闭性原理可用下列公式定量表达：式中：R-相互连通的孔喉半径；r-烃水界面张力；-润湿角。被封烃类压力是指烃柱的浮力：式中：w-储层内水的密度；h-储层内烃的密度；g-重力加速度；h-储层内烃柱的高度。当pcp时，断层的封闭性好，反之差。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断层边界断层的封闭性存在4种机理：断层边界距离断层内某一点至泥岩层泥岩厚度）２(CSP%100(断距泥岩层厚度）SGR()()100%SGR断层带砂泥岩厚度断层带内泥岩比率断距反映涂抹效应的常用指标有多种，主要为断层泥比率(SGR），纵向封堵系数(R)和横向封堵系数等（F），泥岩涂抹潜势(CSP)。其中：纵向封堵系数R，是断层落差(L)和盖层厚度(H)的比值，其值越小，纵向封堵能力越强。KHLRsinsin式中：α-断层倾角；β-储层倾角；L-断层垂直落差；H-盖层厚度；K-比例系数，K=h/H，h-盖层叠盖厚度。横向封堵系数F，是构造封堵系数C与储集系数r之和再与岩性封堵系数G相乘之积。其值越大，横向封堵能力越强sinsinHLCrCGFsinsinhLr式中：C—构造封堵系数；r—储集系数；G—岩性封堵系数；F—横向封堵系数；L—断层垂直落差；H—盖层厚度；α—断层倾角；β—储层倾角；h—储层厚度。岩性封堵系数G在0~1之间取值：封堵层为纯砂岩，G为0；泥质砂岩G为0.5；砂质泥岩G为0.75；泥岩G为1αββLhH盖层储层断层边界5006007008009001000110012003＃15＃Js1TL-003SN(m)断距越小，在对接关系上越有利于封闭作用的形成断层计算点煤层CSP(m)SGR(%)封闭性P山西组3#煤下盘21.08646.78好Q太原组15#下盘2.5225.28中等ew33寺头断层A山西组3#煤下盘9.23033.18中等B太原组15#下盘3.04610.54差A山西组3#煤下盘2.15210.52差B太原组15#下盘0.1661.91差断层落差越大，泥岩涂抹引起的封闭性越差ew22寺头断层ew33寺头断层ew11寺头断层寺头断层断层边界图2-8含气量与距寺头断层距离关系图图2-9EW1剖面寺头断层两侧对接关系图2-10EW3剖面寺头断层两侧对接关系50010005001000海拔(m)00500OPC5001000E1000海拔(m)00含气量随与寺头断层距离变化0.005.0010.0015.0020.0025.0030.0035.000.005.0010.0015.0020.00距寺头断层距离含气量（％）背斜向斜斜坡断层边界050000EW2剖面寺头断层两侧对接关系成岩胶结作用：由下列两点可知断层的胶结作用比较强烈：•消耗量最大仅0.106m3/h•断层角砾岩裂隙方解石未溶•胶结作用是寺头断层封闭的重要影响因素颗粒碎裂作用：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。断层边界阜新盆地平安F2断层对接关系阜新盆地刘家F2断层对接关系阜新盆地刘家王营煤层气藏断层发育，其主要边界断层为平西F2断层与平安F2断层，另外，存在着次级的断层边界—王营煤层气藏内部的F8断层和刘家煤层气藏内部的刘家F2断层。平安F2为刘家区和王营子矿边界正断层，走向N325°W，倾向SW，倾角70～75°，落差南部100m左右，北部50m左右，一般在70左右，向深部变小，长度14km。刘家F2断层位于刘家井田内部，断层走向NNE，倾向NW，倾角700，断层断距在20~55m之间。断层边界表2-2阜新盆地王营—刘家勘探区主要断层封闭性参数一览表断层计算点煤层RFCSP（m）SGR（%）封闭性A孙本煤层下盘26.62912.24好B中间煤层下盘29.65411.37好C太平下煤层上盘25.3466.24中等PF2D太平下煤层下盘4.3325.45729.1389.33好A水泉煤层下盘22.316.38中等B孙本煤层下盘28.0118.81好C中间煤层上盘27.5925.26中等D太平上煤层下盘14.21312.31差刘家F2E太平下煤层下盘3.1593.8327.5214.85差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E1E2E3E4E5E6E7E8E9E10E11E14E16CBM4E18E19E20F2F3F1N安家山柳林三交地下水位等值线E13F1市、镇煤层气井煤钻孔奥陶系断层含气量等值线13001500110090070050030010015201051515