低煤階與高煤階成藏差異性實(shí)質(zhì)及主控因素

高秀明　章招興

[摘要]通過(guò)對(duì)比探討我國(guó)低煤階煤儲(chǔ)層特征與高煤階煤儲(chǔ)層的成藏差異性。高、低煤階煤層氣藏的成藏過(guò)程具有很大的差異性,低煤階未熟煤層氣藏成藏過(guò)程簡(jiǎn)單,高煤階煤層氣藏成藏過(guò)程復(fù)雜,低煤階成熟煤層氣藏介于兩者之間。

[關(guān)鍵詞]低煤階煤層氣成藏

中圖分類號(hào):TQ53文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1671-7597(2009)0710082-01

在我國(guó),煤層氣勘探開發(fā)大多集中在中高煤階含煤區(qū),低煤階含煤區(qū)的勘探開發(fā)研究在我國(guó)相對(duì)還很薄弱。由于低煤階煤的物理、化學(xué)及孔隙結(jié)構(gòu)與高煤階有較大的差異,因此對(duì)低煤階儲(chǔ)層特征以及富氣成藏機(jī)制進(jìn)行研究有

重要的意義。

一、煤層氣成因

從煤層氣成因來(lái)分析,煤層氣存在生物成因和熱成因兩種。原生生物成因氣是指煤化作用的早期階段(成巖作用階段),有機(jī)質(zhì)在微生物作用下降解形成的煤層氣;次生生物成因氣是指經(jīng)歷了變質(zhì)作用的中低煤階煤(Ro<1.5+%)抬升后在微生物作用下形成的煤層氣;原生熱成因氣是指有機(jī)質(zhì)在變質(zhì)作用過(guò)程中形成的煤層氣,如果原生熱成因氣經(jīng)過(guò)解吸一擴(kuò)散一運(yùn)移一再聚集,則為次生熱成因煤層氣。高煤階煤層氣藏主要為原生與次生熱成因煤層氣。以沁水盆地南部煤層氣藏為代表。沁南地區(qū)煤層主要為高煤階無(wú)煙煤,Ro=2.2-4.0%之間,煤層氣主要為熱成因。煤層氣甲烷δ13C總體偏小,在-26.6‰-36.7之間,且隨著埋深的增加而變大。這是由于煤層氣的解吸一擴(kuò)散一運(yùn)移引起同位素的分餾導(dǎo)致。這種次生熱成因的煤層氣在國(guó)內(nèi)外非常常見。滯流區(qū)受解吸一擴(kuò)散一運(yùn)移分餾作用的影響小,基本保持了原始狀態(tài)。可見沁南煤層氣藏煤層氣的成因在空間上存在分帶現(xiàn)象:次生熱成因煤層氣存在于淺部徑流帶,原生熱成因氣存在于深部滯流區(qū)。

二、低煤階煤和高煤階煤的儲(chǔ)層特征

對(duì)于未熟低煤階煤層氣藏以原生生物成因煤層氣為主,代表性煤層氣藏位于美國(guó)粉河盆地。粉河盆地第三系FortUnion組的煤在大部分地區(qū)為褐煤(Ro=0.3-0.4%),深部存在高揮發(fā)分煙煤,沒有達(dá)到可以大量產(chǎn)生熱成因甲烷的成熟度。其甲烷δ13C值為-60.0-56.7%。δD為307-315‰。表明以生物成因氣為主,且主要是通過(guò)微生物發(fā)酵代謝途徑形成的。

低煤階成熟煤層氣藏煤層氣的成因非常復(fù)雜,既有次生生物成因的,也有原生與次生熱成因的。美國(guó)的圣胡安和猶因他盆地都存在這三種成因的煤層氣。。我國(guó)阜新盆地白奎系阜新組煤的Ro=0.6-0.72%之間,據(jù)同位素和煤層氣組分分析,該區(qū)煤層氣主要為次生熱成因,其次為次生生物成因。

三、低煤階煤和高煤階煤的成藏差異分析

含氣性方面,高煤階煤層吸附能力強(qiáng),含氣量高。煤的變質(zhì)程度決定著煤層氣生成量和煤的吸附能力,因而對(duì)煤層氣含氣量起著決定性影響。煤階越高,煤層氣生成量越大。吸附能力隨煤階增高經(jīng)歷了低一高一低三個(gè)階段,在Ro=3.5%左右時(shí)達(dá)到極大值。高煤階煤層氣藏含氣量最高。沁南煤層氣藏含氣量一般在10-20m3/t,最高可達(dá)37m3/t。除了煤階影響外,保存條件也起到了一定作用。作為低煤階盆地的代表粉河盆地煤層氣含量一般為0.78-1.6m3/t,最高不超過(guò)4m3/t。低煤階成熟煤層氣藏含氣量相對(duì)較高,猶他州中部上Ferron砂巖段Ferron煤層氣藏含氣量為0.37-14.3m3/t,一般在5-10m3/t。阜新盆地煤層氣含量一般為8-10m3/t。低煤階煤層氣藏煤層的頂?shù)装逡虺蓭r作用微弱而使其封閉能力低于高煤階煤層氣藏。因此對(duì)于低煤階煤層氣藏而言,地下水動(dòng)力封閉顯得尤為重要。低煤階煤層氣藏因含氣量非常低,因此就必須發(fā)育巨厚煤層使得煤層氣資源豐度大,高滲透率使得單井排采半徑大,這樣才可具備商業(yè)開發(fā)價(jià)值。另一方面,低煤階煤層相對(duì)孔隙度較大,最高可以達(dá)到10%以上。如果其煤層的封閉條件相對(duì)較好,就可以形成超飽和煤層氣藏。假定煤層埋深500m,煤儲(chǔ)層壓力為5MPa,煤層的孔隙度為5%,煤層孔隙系統(tǒng)被煤層氣充填,通過(guò)計(jì)算游離的煤層氣含量可達(dá)1.9m3/t。這樣在煤層孔隙系統(tǒng)中的游離氣所占煤層氣總含氣量的比例就很大,并且這部分的煤層氣的采收率很高,因此游離氣同樣十分重要。如加拿大Alberta的Horesshoe Canyon的煤層氣的開發(fā)首先在加拿大取得成功,該盆地開發(fā)的煤層氣藏埋深在200-600m之間,自然條件好利于甲烷菌生氣,并且在煤層氣開采過(guò)程中煤層氣井不產(chǎn)水或產(chǎn)水很少。地下流體從高勢(shì)區(qū)流向低勢(shì)區(qū)的規(guī)律告訴我們,如果煤層中有水的存在煤層水也必將流向作為地勢(shì)區(qū)的開發(fā)井。該地區(qū)煤層氣藏不產(chǎn)水說(shuō)明該地區(qū)由于該層封蓋條件好,煤層的裂隙系統(tǒng)被大量的游離氣充填形成了超飽和煤層氣藏。在物性方面,高煤階變質(zhì)程度高,基質(zhì)致密,煤層物性滲透率偏低。高煤階的沁南煤層氣藏,儲(chǔ)層滲透率為0.1-5.7X10-3m2,一般不超過(guò)2X103m2。煤層孔隙主要為微孔和過(guò)度孔,中孔和大孔罕見,孔隙度在1.15-7.69%之間,一般均<5%,對(duì)滲透率幾乎沒有貢獻(xiàn)。割理嚴(yán)重閉合或被充填,對(duì)滲透性的貢獻(xiàn)微弱。構(gòu)造裂隙是滲透性的主要貢獻(xiàn)者。這種孔裂隙發(fā)育特征決定了煤層氣由基質(zhì)孔隙解吸向裂隙擴(kuò)散困難,吸附時(shí)間長(zhǎng)、達(dá)到產(chǎn)量高峰時(shí)間短、穩(wěn)定低產(chǎn)時(shí)間長(zhǎng)。低煤階變質(zhì)程度低,基質(zhì)疏松,煤層物性滲透率高低煤階未熟煤層氣儲(chǔ)層的基質(zhì)孔隙度較高,且以大孔所占比例較高,對(duì)儲(chǔ)層滲透率有一定貢獻(xiàn),因割理密度低而控制儲(chǔ)層滲透率的主要因素是構(gòu)造裂隙;低煤階成熟煤層氣儲(chǔ)層滲透性的主要貢獻(xiàn)者是割理和構(gòu)造裂隙;高煤階煤層氣藏因基質(zhì)孔隙度低、且多為微孔,割理嚴(yán)重閉合或被礦物質(zhì)充填,因此滲透率的主要貢獻(xiàn)者是構(gòu)造裂隙。低煤階煤層氣藏的滲透率一般大于高煤階煤層氣藏。

成藏過(guò)程方面,高煤階煤層氣藏成藏過(guò)程復(fù)雜。無(wú)論是否存在生成二次熱成因氣還是具有二次生烴作用,構(gòu)造異常熱事件產(chǎn)生的熱變質(zhì)作用都是高煤階煤層氣藏形成的必要條件。高煤階煤層氣藏的形成具有明顯的階段性。在達(dá)到最高演化程度后就不再有煤層氣的生成,進(jìn)入煤層氣藏的調(diào)整改造階段。以沁水盆地南部晉城地區(qū)的高煤階煤層氣成藏過(guò)程為例,該地區(qū)煤層氣成藏過(guò)程主要經(jīng)歷了兩個(gè)關(guān)鍵的時(shí)期,三疊系末期第一次煤系生烴結(jié)束,此時(shí)煤層的Ro=0.9-1.3%;由于燕山中期異常熱事件,盡管地層處于抬升剝蝕階段,但是仍然存在煤層的再次熱演化和二次生烴,此時(shí)煤層的Ro達(dá)到現(xiàn)今的2.4-4.2%。正因?yàn)檫@次區(qū)域熱變質(zhì)該地區(qū)煤層的R。可以達(dá)到2.5-4.2%,因此該地區(qū)煤層具有較高的蘭氏體積。

低煤階成熟煤層氣藏成藏過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單,煤層氣的生成主要受深成變質(zhì)作用的影響,即便存在巖漿的熱變質(zhì)作用,也僅為接觸變質(zhì),對(duì)煤層氣藏的形成影響范圍有限。現(xiàn)今的構(gòu)造格局和地下水賦存狀態(tài)是控制煤層氣藏調(diào)整改造的主控因素。煤層氣藏的形成具有階段性與連續(xù)性并存的特點(diǎn)。在埋深最大、熱演化程度最高的時(shí)期決定了熱成因煤層氣藏的成藏特征。因此,熱成因煤層氣藏的形成具有階段性。從煤層抬升到微生物能夠活動(dòng)的深度,次生生物氣就開始生成,并一直持續(xù)到現(xiàn)今。這就說(shuō)明次生生物氣的生成具有持續(xù)性的特征。低煤階未熟煤層氣藏的成藏過(guò)程簡(jiǎn)單,

煤層形成后一般只經(jīng)歷了一次沉降,然后抬升成藏。現(xiàn)今的地下水的補(bǔ)給、運(yùn)移、排泄和滯流對(duì)煤層氣藏的調(diào)整和改造起到了決定性的作用煤層氣藏的形成具有持續(xù)性的特點(diǎn),但現(xiàn)今的構(gòu)造格局和地下水水文地質(zhì)特征是影響煤層氣生成的關(guān)鍵,也是控制低煤階未熟煤層氣成藏的關(guān)鍵。

四、結(jié)論

低煤階氣藏煤層形成后一般只經(jīng)歷一次抬升,現(xiàn)今的地下水的補(bǔ)給、運(yùn)移、排泄和滯流對(duì)煤層氣藏的調(diào)整和改造起著決定作用:而高煤階氣藏?zé)o論是否存在二次生烴,區(qū)域巖漿熱變質(zhì)作用都是高煤階氣藏形成的必要條件,現(xiàn)今的地下水的補(bǔ)給、運(yùn)移、排泄和滯流對(duì)煤層氣藏的調(diào)整和改造具有一定的影響作用。低煤階煤層氣藏的形成具有持續(xù)性的特點(diǎn),而高煤階煤層氣藏的形成以明顯的階段性為特征。

參考文獻(xiàn):

[1]秦勇、趙慶波、張建博主編,中國(guó)煤層氣勘探開發(fā)面臨的若干科學(xué)問(wèn)題,中國(guó)煤層氣研究與勘探進(jìn)展(二),徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社,2003.

[2]張建博、王紅巖等,中國(guó)煤層氣地質(zhì),地質(zhì)出版社,2000.

[3]王紅巖、劉洪林、趙慶波等,中國(guó)煤層氣富集成藏規(guī)律,北京:石油工業(yè)出版社,2004,88-90.

作者簡(jiǎn)介:

高秀明(1958-),男,安徽省煤田地質(zhì)局第二勘探隊(duì),地質(zhì)工程師,研究方向:地質(zhì)。