第29卷第2期石油學報VoL 29 No. 22008年3月ACTA PETROLEI SINICA文章編號:0253-2697(2008)02017905高煤階與低煤階煤層氣藏物性差異及其成因陳振宏123賈承造23宋巖2王紅巖!王一兵1.中國石油斷探開發(fā)研究院廊坊分院河北廊坊065007;2.中國石油勘探開發(fā)研究院北京100083;3.中國科學院廣州地球化學研究所廣東廣州510640)摘要:利用掃描電鏡、煤層氣成藏物理模擬及熱變模擬實驗手段,系統(tǒng)研究了高煤階、低煤階煤儲層在孔隙特征、滲透性、吸附/解吸特征等方面的根本性差異,并深入剖析了該差異的形成機制。研究結果顯示,高煤階氣藏的孔腺度低,滲透性差,吸附平衡時間長且較分散,初期相對解吸率與相對解吸速率低;低煤階氣藏孔隙度高,滲透性好,吸附平衡時間短而集中,初期相對解吸率與相對解吸速率高。煤的化學分子結構、物理結構及顯微組分的差異是導致其差異的主要原因。因此,高煤階煤層氣藏解吸效率較低,開發(fā)難度較大,而低煤階煤層氣藏開發(fā)軟容易。同時,枃造熱事件對高煤階煤儲層的改造作用很顯著,有利于高煤階煤層氣藏開發(fā)。關鍵詞:高煤階煤層氣藏;低煤階煤層氣藏;儲層物性;成藏機理;模擬實驗中圖分類號:T122.9文獻標識碼:ADifferences and origin of physical properties of low-rankand high-rank coal-bed methanesCHEN Zhenhong".2.3 JIA Chengzao23 SONG Yan? WANG Hongyan' WANG Yibing(1. Lang fang Branch Institute, PetroCchina Exploration and Development Research Institute, Lang fang 065007, China:2. Petro China Exploration and Develo pment Research Institute, Beijing 100083, China;3. Guangzhou Institute of Geochemistry, Chinese Academy Sciences, Guangzhou 510640, China)Abstract: The differences of reservoir physical properties, including the porosity, permeability, fracture, adsorption/desorptionharacteristics, and the generation mechanism of characteristie differences between the low-rank and high-rank coal-bed methane(CBM)were discussed by using the SEM, FY-ll CBM formation simulation system and the thermal alteration simulation. It isproved that the high-rank CBM reservoir is characterized by low porosity and permeability, strong adsorption volume and slowercomparison desorption speed. The low-rank CBM reservoir is characterized by high porosity and permeability, weak adsorption volume and faster comparison desorption speed. It is also proved that the differences between molecular constitution, physical structureand micro-lithofabric of coal are the key factors for generating the differences of reservoir physical property. So, it is easier to develop the low-rank CBM reservoir. The structure thermal event can improve the physical property of high-rank CBM reservoir and is favorable for the development of high-rank CBKey words: high-rank coal-bed methana low-rank coal-bed methane reservoir: reservoir physical property reservoir-gener-ation mechanism; simulation experiment煤層氣主要以吸附狀態(tài)賦存在煤層孔隙的內表析了該差異的形成機制。結合我國煤層氣地質的特3,其聚集成藏受多種因素的控制。煤層氣勘探實點,將R。小于0.65%的煤層氣藏定義為低煤階煤層踐證明,不同煤階煤層氣藏在煤層氣成因、儲層物性及氣藏;R。大于2.0%的被視為高煤階煤層氣藏;介于成藏過程等方面存在顯著差異。特別是煤儲層物二者之間的為中煤階煤層氣藏。性的差異影響了煤層氣的聚集成藏、解吸一滲流一產出的全過程,但目前對這方面的研究還十分薄弱,在1高煤階與低煤階煤儲層物性差異定程度上制約了當前煤層氣地質研究及勘探評價工作1.1儲層孔隙特征的進一步深入煤是一種雙孔隙介質發(fā)育有基質孔隙和割理裂筆者系統(tǒng)研究了高、低煤階煤儲層在孔隙特征、滲隙。隨著熱演化程度的增加,煤儲層孔隙特征呈現(xiàn)出透性、吸附/解吸特征等方面的根本性差異,并深入剖規(guī)中國煤化工隙基本不發(fā)育,主要基金項目:國家重點基礎研究發(fā)展規(guī)劃(973)項目“煤層氣成藏機制及經濟開采基礎CNMHG作者簡介:陳振宏,男,1979年5月生,2007年6月畢業(yè)于中國科學院廣州地球化學研究所,博士,主要從事石油天然氣地質及煤層氣地質方面的研U. E-mail: cbmjimeoco@126石油學報2008年第29卷表現(xiàn)為基質孔隙型。孔隙度較大,以中一大孔為主,外主要表現(xiàn)為裂隙型,密度變輕,多屬于光亮型煤。觀呈深灰色一黑色,基質較松散,暗煤含量高,鏡煤條微孔隙結構也顯示出高、低煤階煤儲層孔隙特征帶少,割理密度小,多屬于半亮煤一半暗煤密度較大。存在顯著差異。隨著煤演化程度的增加,微孔逐漸增隨著煤階增加,煤層割理-裂隙發(fā)育,基質變得致密,孔加,大一中孔減少,比表面積增加。掃描電鏡結果顯隙度降低。無煙煤顏色加深,基質變得致密,鏡煤條示,低煤階煤割理基本不發(fā)育,基質孔隙度較大,一般帶大大增加,割理密度增加,一般為15~25條/5cm。為10%~15%,以原生生物孔隙為主(圖1)KYK下(a)基質孔隙很發(fā)育,胞腔(b)胞腔及裂縫孔隙中允填少量粘土礦物圖1褐煤掃描電鏡照片F(xiàn)ig. 1 The features of ortholignitous coal shown by SEM1.2儲層滲透性1.3吸附特征低煤階煤層氣藏的滲透率一般大于高煤階煤層氣Yee認為12),煤的氣體吸附能力隨著煤階變化有藏(表1)。美國粉河盆地低煤階煤層氣藏滲透率一般兩種變化趨勢:①吸附能力隨著煤階的增加而增大;②為(35~500×10-3pm210,猶他州中部上白堊統(tǒng)呈U字型變化,即吸附量在高揮發(fā)分煙煤A階段附近Ferron砂巖段 Ferron煤層氣藏割理發(fā)育程度高于粉存在一個最小值。鐘玲文測試干燥煤樣時發(fā)現(xiàn),鏡河盆地,且發(fā)育構造裂隙。試井滲透率一般為(2.1~質組含量大于60%的煤的吸附量與煤化程度的關系158)×10gm2,最高可達908×103m21,山西省有如下特征:①鏡質體反射率變化范圍為0.50%沁南高煤階煤層氣藏,儲層滲透率為(0.01~5.7)×1.20%時,隨著煤化程度的增高,吸附量減小;②鏡質10ym2,一般不超過2×103ym2。體反射率為1.20%~4.00%時,吸附量隨著煤化程度表1典型高煤階與低煤階煤層氣藏試井滲透率Table 1 Test well permeability of typical high-rank and low-rank coalbed methane reservoirsBlack WarriorRaton0.75~1.21.0~1.90.3~0.40.5~0.60.6~1.51.12.1~4.2滲透率/(10-m2)8.5~342.1~1585~151.3~220.01~5的增加而增加;③鏡質體反射率超過4.0%時,隨著實驗發(fā)現(xiàn),煤吸附甲烷能力隨煤階的增加而呈現(xiàn)變質程度的增加,吸附量急劇變小,吸附量很少或基本三段式變化關系(圖2),這與前人研究結果有明顯不不吸附同。當R。<1.5%時,煤的蘭氏體積隨著煤化程度的筆者根據實測和收集的數據,重新建立了吸附能加深而大幅度增加;當R。為1.5%~3.5%時,煤的力與煤階的關系。煤樣主要取自于華北地區(qū)晚古生界氏體積基本上維持同一水平,達到煤的蘭氏體積最大主采煤層,并收集了西北和華北部分地區(qū)煤的吸附值;當R。>3.5%時,蘭氏體積隨著煤化程度的增加有測試資料。首先將采集的煤樣破碎至60目,縮分出所下降。200g,在美國 Terratek公司生產的IS-100等溫吸附應用FY-Ⅱ型煤層氣成藏模擬系統(tǒng),對煤吸附特儀上進行吸附測試,測試條件為平衡水分;30℃;9征進V凵中國煤化工選擇一定質量的完點吸附:最大壓力約為20MPa?？s分出約10g煤樣制全解CNMHG%)和無煙煤(R=備煤磚光片,在 Leitz MPV-SP顯微光度計下對其進2.44%~3.82%秤品,分別米目準噶爾南緣昌吉地區(qū)行顯微組分和反射率測試。昌試1井侏羅系西山窯組下段(J2x1)及沁水盆地南部第2期振宏等:高煤階與低煤階煤層氣藏物性差異及其成因鄭莊區(qū)塊晉試10井山西組,置于FY-Ⅱ型煤層氣成藏吸速率快;高煤階煤芯解吸時間長,解吸68%的解吸模擬系統(tǒng)的樣品倉中,系統(tǒng)恒溫保持38℃。先用氦氣氣體體積的時間往往需要100~120h,相對解吸速率將系統(tǒng)的空氣排出,充入99.6%的甲烷氣體加壓至低。低煤階煤芯階段解吸率變化大,高煤階煤芯階段6MPa。系統(tǒng)壓力降至穩(wěn)定值時,煤巖樣品達到吸附解吸率變化平緩初始階段解吸率大(圖4,階段解吸平衡。百分率=特定時間間隔內解吸量/總解吸量)503050一無煙煤址出求哥鑒翩上時間/d圖4高煤階與低煤階煤層氣階段解吸率對比Fig 4 The phase desorption rates of high-rankR./%and low-rank coal-bed methane圖2煤階與煤的吸附能力的關系Fig. 2 The relationship between coal rank and adsorption volume由于高煤階煤層氣含氣量高,平均解吸速率大,因而相對解吸速率更能體現(xiàn)高、低煤階煤儲層物性的實驗結果表明,褐煤達到吸附平衡的時間短,無煙差異。煤達到吸附平衡的時間長。吸附速率呈現(xiàn)出各自的特對高、低煤階煤層氣的相對解吸速率進行了模擬點:褐煤吸附速率絕對值較小迅速達到吸附最大速測試。分別選擇R。為0.58%質量為935g、長度為率并在一個較長時間段內維持較高吸附速率吸附飽12.1cm的I型煤芯及R。為2.78%、質量為940g、長和后吸附速率降至零;無煙煤吸附速率絕對值大,隨實度為11.8cm的Ⅱ型煤芯驗時間而增加,一般在60~120h達到峰值,然后逐漸將I型煤芯置于FY-Ⅱ煤層氣藏模擬系統(tǒng)中,注降低;二者的吸附速率均存在一個極大值,且無煙煤的99.6%的甲烷氣體,初始壓力為4MPa。經240h吸附速率極大值明顯高于低煤階,但在實驗前期,褐煤平衡后,用平流泵注入蒸餾水,維持壓力約4MPa,計吸附速率高于無煙煤吸附速率(圖3)。算含氣量為3.73m3/t045褐煤:R。=042%放置Ⅱ型煤芯的FY-Ⅱ煤層氣藏模擬系統(tǒng)的初始無煙煤:R=368%壓力為1.4MPa,經360h平衡后,維持壓力約1.4MPa,計算含氣量為4.1m3/t0.20降低系統(tǒng)壓力至零,煤層氣開始解吸,用排水法收集解吸氣體。實驗結果顯示,低煤階煤芯初期階段解005吸速率大,%6h共解吸甲烷3300mL;高煤階煤心96h共解吸甲烷1400mL(圖5)。實驗證明,低煤階煤層時間/h圖3高煤階與低煤階煤吸附甲烷速率一褐煤無煙煤Fig 3 The adsorption speeds of high-rank and low-rank coal冒目100這是因為在初始狀態(tài)下,兩者均處于吸附“饑餓”狀態(tài),褐煤以大孔為主,孔隙度大,吸附甲烷速率更快達到一定吸附飽和度后,高煤階煤體現(xiàn)出絕對吸附能力強的優(yōu)勢,其吸附速率超出。1.4解吸特征中國煤化工采自北票煤層氣藏及沁水盆地鄭莊區(qū)塊山西組的CNMHG速率模繼結果罐裝煤樣解吸結果表明:低煤階煤芯解吸時間較短,通Fig 5 Simulation about phase desorption speeds of常40~60h的解吸量超過總解吸體積的68%,相對解high-rank and low-rank coal-bed methane石油學報2008年第29卷氣相對解吸速率大(階段解吸速率:單位質量的煤在特得原生孔隙減少[,孔隙度下降,熱變氣孔增多比表定時間間隔內解吸氣體的體積)。面積增加,割理-裂隙增加2高煤階與低煤階煤層氣藏儲層物性2.3煤巖顯微組分差異差異形成機制煤的顯微組分主要包含鏡質組殼質組和惰質組高、低煤階煤的顯微組分有明顯差異,隨著煤演化程度2.1煤巖化學結構差異的提高鏡質組含量增加(圖⑦),煤吸附甲烷能力增強煤是三維空間高度交聯(lián)的非晶質的高分子縮聚物,結構單元的核心是縮合芳香環(huán)。隨著煤演化程度的增強,環(huán)數增加。褐煤的芳碳率一般低于0.7,而無煙煤的芳碳率則接近1。褐煤基本結構單元以苯環(huán)萘環(huán)及菲環(huán)為主;無煙煤階段,芳環(huán)數量增加,逐漸向石墨結構轉變[1。褐煤分子結構無序性強,芳香片層間距較大,側鏈較長,因而形成比較松散的空間結構,具有較大的圖7鏡質組含量與R的關系孔隙率,使得低煤階煤單位表面上的碳原子密度小,Fig. 7 Relationship between vitrinite percentage and R.親甲烷能力低,同時還含有大量羥基和羧基官能團2.4構造熱事件的改造作用[圖6(a)]。因此,褐煤分子更顯示出親水的特性,平我國大部分高煤階煤的形成與構造熱事件相衡水分含量大于10%關[你。構造熱事件對高煤階煤儲層物性有明顯的改隨著煤演化程度的提高,縮合環(huán)顯著增大,側造作用。巖漿侵入到煤系,對煤層產生接觸熱變質作鏈減少,煤分子的定向排列和各向異性顯著提高用。一方面使煤的分子組成發(fā)生變化,芳香族稠環(huán)的[圖6(b)]芳香片層排列更緊密,間距減小,孔隙率降縮合程度提高烷基側鏈及含氧官能團脫落分解煤的低比表面積增大)。同時羥基和羧基官能團大量變質程度提高,鏡質組含量增加揮發(fā)分降低;另一方脫落平衡水分降至約4%,使煤的親甲烷能力顯著面使煤中有機質揮發(fā),留下很多密集成群的渾圓狀或增加管狀氣孔,提高了儲層的孔隙度。煤基質收縮,產生收縮裂隙;巖漿侵入的動力擠壓,產生的外生裂隙與割理疊加,使煤層裂隙性質、規(guī)模發(fā)生變化,裂隙度提髙,滲透性增強。尤其是靠近侵入體的天然焦,柱狀節(jié)理密集發(fā)育,增大了煤層氣的儲藏空間。煤的變質程度隨其與侵入體的距離變化而逐漸變化,且呈帶狀分布而且越靠近侵入體,節(jié)理越發(fā)育,破碎越嚴重,孔隙度(a)褐煤與裂隙度越高對分別采自鄂爾多斯盆地準格爾煤田的準格爾礦、黑黛溝礦、窯溝、磁窯溝礦和東孔兌礦的樣品進行了熱變模擬實驗。煤的反射率和煤巖顯微組分由中國礦業(yè)大學(北京)資源學院實驗室測定,熱變產物成分測定由中國石油勘探開發(fā)研究院實驗測試中心及廊坊分院煤層氣室完成。(b)無煙煤測試結果表明,煤樣反射率值分布范圍為0.49%圖6煤分子結構~0.62%,平均值為0.54%。顯微組分中殼質組含量Fig 6 Cartogram of coal molecular constitution偏大,一般超過122.2煤巖物理結構差異每50為加溫間區(qū)涿步把樣品溫度提高到煤分子結構的差異,使得煤孔隙結構隨著煤階段中國煤化工,樣品質量降低了的不同而變化。低煤階煤孔隙以大一中孔為主,高煤10.CNMHG.62%;割理-裂隙頻階煤孔隙以微孔為主。這是因為,隨著煤演化程度的度由最初的2~5條/5cm,增大為11~20條/5cn加強大孔受物理壓實作用使大孔破碎,水分排出,使(表2),同時裂縫寬度亦有明顯增加。第2期陳振宏等:高煤階與低煤階煤層氣藏物性差異及其成因183表2熱變模擬實驗前后樣品質量及割理變化Table 2 Comparison of mass and cleats between the former and the latter thermal alteration simulation樣品號采樣位置層位初始樣品質量/g熱變后樣品質量/g降低率/%熱變前裂隙發(fā)育頻度/熱變前裂隙發(fā)育頻度/[條“(5cm)1][條·(5cm)-1]準格爾太原組8煤黑黛溝太原組8煤窯溝太原組8煤磁窯溝太原組8煤5336019323513504東孔兌太原組8煤25.37ie theory and accumulation law and development technology of3結論coal-bed methane[J]. Petroleum Exploration and Development200431(6):14-16(1)煤儲層物性的顯著差異導致高、低煤階煤層[6]陳振宏,賈承造,宋巖,等.構造抬升對高、低煤階煤層氣藏儲集氣吸附/解吸特征的不同。高煤階氣藏相對解吸速率層物性的影響[門].石油勘探與開發(fā),2007,34(4):461-464.低,解吸效率也低,開發(fā)難度較大;低煤階氣藏相對解Chen Zhenhong, Jia Chengzao, Song Yan, et al. Effects of tectonic up-吸速率大,解吸效率較高,開發(fā)難度較低。lift on physical properties of high and low rank coal reservoirs[J].Pe-(2)煤分子結構差異使高、低煤階煤孔隙結構存troleum Exploration and Development, 2007, 34(4): 461-464在顯著差異。隨著煤演化程度的加強,煤分子排列有[7]洪峰宋巖陳振宏等.煤層氣散失過程與地質模型探討[].科學通報,2005,10(10):121-125序性增加,分子片層距離減小,原生孔隙減少。孔隙結構和顯微組分的不同直接導致了高、低煤階煤儲層孔and geological models of CBM [J]. Chinese Science Bulletin滲性、吸附/解吸特征的差異。2005,10(10):121-125(3)構造熱事件改造了高煤階儲層的物性特征趙孟軍,宋巖蘇現(xiàn)波,等.煤層氣與常規(guī)天然氣地球化學控制因由于侵入含煤地層巖漿的熱力烘烤,導致煤演化程度素比較[石油勒探與開發(fā),2005,32(6):21-24提高,氣孔增加,外生裂隙增加,滲透性增強,有利于高Zhao Mengjun, Song Yan Su Xianbo, et al. Differences forchemical controlling factors between coal- bed and conver煤階煤層氣藏開發(fā)。natural gases[J]. 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Beijing: Geological Publishing House2000:5962收稿日期200701-15改回日期200709-17編輯張怡)中國石油學會第三屆學術期刊優(yōu)秀論文評選結果公告為進一步提高中國石油學會學術期刊的質量,促進學術交流,激勵廣大科技人員不斷創(chuàng)新,倡導和戴勛我國石油、石化行業(yè)科技人員發(fā)表高水平的學術論文,中國石油學會組織了第三屆中國石油學會學術期刊優(yōu)秀論文評選活動。在優(yōu)秀論文評審過程中,有關專家對2007年度《石油學報》和《石油學報》石油加工)發(fā)表的論文進行了認真的審讀,從兩刊發(fā)表的304篇論文中推薦出67篇候選論文,經過復審和論文評審委員會的終審,共評選出10篇論文作為中國石油學會第三屆學術期刊優(yōu)秀論文對給予本次活動大力支持的專家學者表示最誠摯的謝意。同時也希望榮獲中國石油學會第三屆學術期刊優(yōu)秀論文的作者再接再厲,為促進我國石油、石化行業(yè)學術繁榮和人才成長做出新的貢獻?，F(xiàn)將獲獎優(yōu)秀論文名單公布如下(排名不分先后)中國石油學會第三屆學術期刊優(yōu)秀論文獲獎名單論文作者所屬專業(yè)刊載期永生四川盆地普光超大型氣田的形成機制地質勘探第2期龔再升蔡東升張功成郯廬斷裂對渤海海域東部油氣成藏的控制作用地質謝探第4期張功成米立軍吳時國地質勘探第2期陶維祥何仕斌呂建軍深水區(qū)一南海北部大陸邊緣盆地油氣勘探新領域我國油藏開發(fā)地質研究進展油田開發(fā)第3期王道富李忠興趙繼勇低滲透油藏超前注水理論及其應用油田開發(fā)第6期何永宏郝斐喬磊申瑞臣黃洪春煤層氣多分支水平井鉆井工藝研究石油工程第3期王開龍鮮保安鮑清英潘暉華何鳴元宋家慶USY沸石中非骨架鋁型態(tài)分析及其對沸石酸性的影響石油加工第2期田輝平朱玉霞龍軍魏曉麗催化裂化生成干氣的反應機理研究石油加工第1期陳波水方建華董凌孫霞王九磷、氮化合物促進潤滑油生物降解的作用石油加工第4期林鴻波吳玉龍楊明德丙烯環(huán)氧化反應組分在TS1中吸YH中國煤化工r第6期陳鎮(zhèn)封偉CNMHG中國石油學會