淺談煤層氣藏保存條件

淺談煤層氣藏保存條件

作者: 萬玉金 陳孟普收錄來源: 中國煤層氣
【摘要】本文主要論述了保存條件對于煤層氣藏的作用及其重要意義，保存條件主要指蓋層的封蓋能力、水動力條件和構造運動等因素。在地質歷史中，上述地質作用主要是通過改變地層的溫壓條件而改變吸附與解吸和吸附與溶解之間的平衡，挖制地層中的煤層氣賦存形式，從而影響煤層氣的保存。文中最后以大城地區為例綜合評述了煤層氣藏的保存條件及受各種因素的影響程度。
煤層氣藏與常規天然氣藏不同：煤既是氣源巖，又是儲集巖。一般來講，煤
的生氣量很大，從長焰煤開始，累積生氣量都在50ｍ?３／ｔ以上，Dｅｃｋｅ
ｒ（１９８７)認為煤的生氣量比其保存的氣量要高8～１０倍，也就是說煤的生
氣量遠遠超過現今各煤層的實際含氣量(一般為5～２０ｍ?３／ｔ)，這主要是
由于煤巖自身的吸附能力和保存條件的不同造成的。
１ 較強的吸附能力是煤層氣富集的前提
煤層氣以溶解氣、游離氣和吸附氣三種方式賦存于煤層的雙孔隙系統中：割
理系統和微孔隙系統。割理孔隙度一般都較小且被水充滿，溶解氣、游離氣較少
，煤層氣主要以吸附狀態存在于煤的基質微孔中，吸附氣占總含氣量的90～９５
％以上，正是由于煤的這種吸附特性決定了煤的儲集能力。
在地層條件下，吸附氣、游離氣和溶解氣處于一種動態平衡過程中，在達到
吸附平衡后，吸附量是壓力和溫度的函數。但煤對氣體的吸附屬于物理吸附，吸
附與解吸是可逆的，當溫度和壓力條件改變后，吸附量也會改變：當壓力下降或
溫度升高時，吸附氣就會解吸，轉化為游離氣。同樣，在地層水交替作用下，原
有的平衡條件也會被打破而使吸附氣越來越少。由于吸附氣的活性較游離氣和溶
解氣弱得多，更易保存，因此煤的吸附能力越強，吸附量越大，越有利于煤層氣
的保存。各種地質作用就是通過改變吸附與解吸及吸附與溶解的關系而影響煤層
氣的保存。
２ 良好的封蓋條件是煤層氣保存的重要因素
煤層氣屬于自生自儲式，不需要初次運移，這就要求自生氣開始，就需要有
良好的封蓋條件才能使煤層氣得以保存。蓋層對于煤層氣藏的作用主要是維持吸
附與解吸的平衡，減少游離氣的逸散和減弱交替地層水的影響。泥頁巖、鹽巖、
膏巖及致密碳酸鹽巖等，如其透氣性差，就可以形成良好的封蓋層而有效地阻止
煤層氣的垂向運移，有利于煤層氣的保存。
煤層氣通過蓋層逸散主要有兩種方式：一是滲流運移，一是擴散運移，究竟
以那種方式運移主要由上覆巖層的封蓋性能控制：(1)上覆巖層如果是超致密層
，即良好的蓋層，其排替壓力大于煤層中流體剩余壓力(圖1ａ)，具有良好的毛
細封閉能力，則氣體只以擴散方式運移，其運移速度是相當緩慢的，煤層氣逸散
量可用巖石的擴散系數等參數估算；(2)當煤層中剩余壓力大于上覆蓋層排替壓
力時，氣體則以滲流的方式運移(圖1ｂ)，氣體逸散速度與氣體的有效滲透率及
剩余壓差有關，剩余壓差越大或氣體的有效滲透率越高，則逸散越快，此時主要
是游離氣體逸散，當煤中壓力小于蓋層的排替壓力時，逸散即告結束，如果氣源
充足，此過程則重復進行，如超壓很高則有可能產生微裂縫而使氣體呈間歇式散
失；如果煤層中沒有游離氣，而是由于靜水壓力引起的超壓，則只有擴散運移，
也就是說在沒有壓降時，吸附氣難以解吸而進行逸散；(3)如果上覆巖層是滲透
層(如砂巖或裂隙性泥頁巖等)，排替壓力很小，擴散運移快，氣體則會向砂巖中
運移，再加之水動力的影響，煤中吸附氣也會從基質中解吸出來轉移到滲透層中
去(圖1ｃ)；(4)如果上覆巖層是具有生氣能力強的烴源巖，則會阻止煤層甲烷氣
向上逸散，甚至會向煤層中輸入天然氣(圖1ｄ)。總之，蓋層的質量越好，封蓋
能力越強，煤層氣只以擴散方式運移，逸散很慢，蓋層蓋，失去毛細封閉能力，
氣體則以滲流方式運移，逸散速度快。

    著名的圣胡安盆地煤層氣資源量達1?4×１０??１２?ｍ?３，這與水果地組煤層之上巨厚的柯特蘭頁巖的封蓋有直接的關系。萍樂含煤區中龍潭組B煤組之上為瀉湖海灣環境形成的泥頁巖，厚82?2ｍ，巖性致密，區域分布穩定，是良好的蓋層，煤層含氣量最高達25?3ｃｍ?３／ｇ，平均達10ｃｍ?３／ｇ，C煤組之上的長興灰巖巖溶裂隙發育，地下水活躍，封蓋性很差，其含氣量僅達0?02～１?０ｃｍ?３／ｇ，平均為0?38ｃｍ?３／ｇ，由此可見，對于煤層氣藏，煤層氣的富集必需具有良好的封蓋層。３  地層水弱交替區或交替水阻滯區有利于煤層氣的保存    除了需要良好的蓋層之外，煤層氣藏的形成還需要有一個較穩定的水動力條件，它直接影響著地層液體壓力分布及流體的運移，由此改變吸附氣與溶解氣和游離氣間原有的平衡，從而影響到煤層氣的保存。    水動力影響煤層氣的保存主要表現在以下幾種類型：(1)如果煤層頂部巖層為滲透層，且地層水交替強烈，由于煤巖基質(吸附氣賦存的微孔隙)和地層水中存在較大的濃度梯度，煤巖中甲烷氣則不斷地被交替地層水帶走而難以保存在煤層中；(2)如果地層水處于阻滯狀態，且滲透層自身具有良好的保存條件，煤層氣則可能會在滲透層中聚集形成煤成氣藏；(3)如果煤層具較好的滲透性，且出露地表接受地層水補給，上下沒有良好的蓋層，煤層氣則會隨著地層水的運移而散失；(4)如果存在良好的頂底板條件，則會在向斜軸部或單斜底部形成超壓區，有利于煤層氣的保存，在煤層滲透性較差，水動力較弱時，煤層氣則會由煤層低部位向高部位運移，如具有封閉能力，則可能在上傾方向聚集成藏。    通過試驗證明，地層水對煤層的沖洗會使煤巖吸附量下降，使飽和的煤層變成欠飽和煤層。被帶走的氣量與沖洗的水量成正比(圖2)。萍樂龍潭組C煤組含氣量低的一個原因就是受地層水沖洗造成的，而圣胡安盆地煤層氣主要富集在地層水阻滯區，致使煤層氣保存良好。４  構造運動對煤層氣保存的影響    地殼的升降運動可以改變地層的溫壓條件，打破煤層中原有的平衡條件，使吸附氣與游離氣相互轉化，從而影響煤層氣的保存：(1)如果地殼臺升并遭受剝蝕，則地層壓力和溫度都降低，煤中氣體的吸附能力降低，就會使未飽和氣藏(圖3ａ)向飽和氣藏過渡(圖3ｄ)，或使飽和氣藏達到過飽和而出現游離氣(圖3ｅ)。(2)相反，地殼下降接受沉積，由于壓力和溫度的提高使氣體的吸附能力提高，游離氣則向吸附氣轉化，有利于煤層氣的保存。    斷裂運動會使地層發生斷裂，斷裂對于常規天然氣藏無疑會成為油氣散失的通道，而對于煤層氣藏，因為煤層氣是以吸附狀態賦存于煤巖中的，斷裂作用就有所不同：(1)處于飽和區(圖
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