（构造地质学专业论文）新集矿区煤层气开发有利区块评价与优选方法探讨.pdf

摘要 本文根据“整体、动态、综合”的盆地研究思路，以矿区级煤层气有利区块评价 为出发点。系统总结新集矿区煤层气赋存的地质背景；阐述了煤储层物性的特点：正 常压力，低气含量，低含气饱和度、低渗透率；分析了主要储层参数的变化规律及影 响因素，恢复了其演化历史：即1 2 0 m a 2 3 m a 间，储层压力、气含量、含气饱和度因 煤系地层抬升剥蚀而降低，2 3 m a 之后因煤层浅埋、次生生物气生成等原因而不同程度 的恢复；碎粒煤和糜棱煤的不断产生与增加及对裂隙系统的严重破坏是煤储层低渗透 性主要影响因素；原生一碎裂煤主要位于煤系下层矿区深部，其中的裂隙较发育，渗透 性较好。提出应以原生碎裂煤厚度作为有利区块评价和资源量计算的有效煤厚：建立 了气含量、渗透率和储层压力的预测方法；结合矿区实际资料提出了一套煤层气资源 分类方案，其特点是3 分了地质认识资源；认为有利区块评价应采用定性和定量相结 合的分析方法，利用地理信息系统定量或半定量预测煤层气开发有利区，确定了有利 区分类的参数及取值，并分煤层选择了7 个有利区块；分煤层分区块分级别计算了煤 层气原地资源量，总资源量为1 9 9 8 1 0 8 m 3 ，资源丰度为1 0 0 1 0 m 3 k m 2 。 关键词：煤层气，储层物性，演化史，有利区块，资源量 擀者、导焖毫 钉全文公柑 a b s t r a c t a c c o r d i n g t or e s e a r c ht h i n k i n gf o rb a s i n s i n “i n t e g r a l ，d y n a m i c ，s y n t h e s i s a s p e c t sa n d i d e n t i f y i n gf a v o r a b l eb l o c k sf o rc o a i b e dm e t h a n e ( c b m ) d e v e l o p m e n ti nc o a lm i n e - s c a l e ， t h eg e o l o g i c a lb a c k g r o u n do fc b m r e s e r v o i ra n dr e s e r v o i rp r o p e r t i e si nx i n j ic o a lm i n i n g 8 _ t e aa r es y s t e m a t i c a l l ys u m m a r i z e di nt h i sp a p e r t h e p a p e rd i s c u s s e dt h ec h a r a c t e r i s t i c so f r e s e r v o i r , i n c l u d i n gr e s e r v o i r sn o r m a lp r e s s u r e ，l o wg a sc o n t e n t ，l o wc b ms a t u r a t i o na n d l o wp e r m e a b i l i t y , a sw e l l 嬲a n a l y z e dv a r i a t i o nr e g u l a r i t yo ft h e s ep a r a m e t e r sa n dt h e i r i n f l u e n c i n gf a c t o r s , t h ec o a lr e s e r v o i r se v o l u t i o nh i s t o r yi sr e b u i l t t h er e s u l ts h o w st h a t d u r i n gt h eg e o l o g i c a la g eo f1 2 0 - - 2 3 m a ，t h er e s e r v o i rp r e s s u r e ，c b mc o n t e n ta n dc b m s a t u r a t i o na r er e d u c e dd u et ot h eb a s e m e n t u p l i f t ；s i n c e2 3 m a ，t h ev a l u e so ft h e s e p a r a m e t e r sa r er e s u m e db e c a u s ec o a l sa r eb u r i e da ts h a l l o wd e p t h ，g e n e r a t i n gs e c o n d a r y b i o g e n i cm e t h a n e t h el o wr e s e r v o i rp e r m e a b i l i t yi sm a i n l yc a u s e db yd e s t r o y e df r a c t u r e s y s t e m ，p r o d u c i n ga n di n c r e a s i n g 盘a g m e n t e dc o a la n dm y l o n i t i cc o a l p r i m a r yc o a la n d c a t a c l a s t i cc o a lm a i n l ys i t u a t e da tu n d e r l a y e ro fc o a ls y s t e ma n dd e e po fm i n e ，f r a c t u r ei s m o r ed e v e l o p m e n ta n dp e r m e a b i l i t yi sg o o di nt h e s ec o a l i ti ss u g g e s t e dt h a tt h et h i c k n e s s o f p r i m a r yc o a a n dc a t a c l a s t i cc o a li sa v a i l a b i l i t yt h i c k n e s sf o re s t i m a t i n gf a v o r a b l eb l o c k s a n dc a l c u l a t i n gc b mr e s o u r c e t h em e t h o df o rp r e d i c t i n gc b m c o n t e n t , p e r m e a b i l i t ya n d r e s e r v o i r sp r e s s u r ei s e s t a b l i s h e d c o m b i n i n gm i l l ep r a c t i c a l i n f o r m a t i o nan e wc b m r e s o u r c e sc l a s s i f i c a t i o ni s p u tf o r w a r d ，t h eg e o l o g i c a l e v a l u a t i o nr e s o a r c ei sd i v i d e d3 g r a d e si nt e r mo f t h ei n v e s t i g a t i o nd a t ao fc o a lg e o l o g yi nt h ec l a s s i f i c a t i o n t h ea n a l y z i n g m e t h o do f e s t i m a t i n gf a v o r a b l eb l o c k ss h o u l db ec o m b i n i n go fq u a l i t a t i v ea n dq u a n t i t a t i v e a na s s e s s m e n tm e t h o di sd e c i d e df o r p r e d i c t i n g f a v o r a b l eb l o c k so fc b mb a s e do n q u a n t i t a t i v ea n ds u b s i d i a r y q u a n t i t a t i v eo fg e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m t h ee v a l u a t i o n p a r a m e t e r sf o rf a v o r a b l eb l o c k sa n dv a l u er a g e so fp a r a m e t e r sa r ep r e s e n t e d a sar e s u l t ，7 f a v o r a b l eb l o c k sf o rc b m d e v e l o p m e n ti nx h i a r e aa r ei d e n t i f i e ds e a r nb ys e a m ，a n dt h e c b mf c s o u r c c si np l a c ea r ec a l c u l a t e ds e a n lb ys e a m , b l o c kb yb l o c k ，g r a d _ eb yg r a d e 。a t l a s ti ti si n d i c a t e di h a ti nx i n j ia r e at h ec b m r e s o u r c ei np l a c ei sa sm u c h 嬲1 9 9 8x1 0 8 m 3 a n d 血er e s o u r c ea b u n d a n c ei sa b o u t1 0 0x1 0 8 m 3 k m 2 k e yw o r d s ：c o a l b e dm e t h a n e ；r e s e r v o i rp r o p e r t y ；e v o l u t i o nh i s t o r y ；f a v o r a b l e b l o c k ； r e s o u r c e 独创位声明 本人声明：所呈交的学位论文是本人在导师的指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得西北 大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同 志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明和致谢。 学位论文作者签名：需尝q 签字日期：细坶年莎月2 日 l 前言 1 1 研究区概况 新集矿区地处安徽省淮南市丰台县，位于淮南煤田南部中段，包括新集和花家湖 2 个井田，东西长1 3 5 k m ，南北宽4 5 k m ，总面积6 0 7 5 k i n 2 。 矿区交通便利，阜淮铁路从研究区经过，通过该铁路，东接京沪铁路，西接京九 铁路，公路纵横交错，有颖风、淮利、毛张、潘谢公路，从矿区东部西淝河可入淮河。 矿区地处淮河平原，地势平坦，地面标高在+ 2 2 m , - + 2 6 m 之间。气候温和，降雨 量丰富，年平均为9 7 0 6 m m 。 图1 - 1 研究区交通位置图 1 2 研究的目的、意义 煤层气( c o a l b e dm e t h a n e ) 是由煤层生成并主要以吸附态储集于煤层中的一种非 常规天然气，其主要成分是甲烷，煤矿称为瓦斯。一方面，它是威胁煤矿安全生产的 灾害之一，其过量排放又引起气候变暖，另一方面，它又是一种高效、洁净能源。开 发利用煤层气，能充分利用这种洁净能源，改善煤矿安全生产条件，保护人类赖于生 存的大气环境，具有“一举三得”的重大意义。 煤层气开发有利区块优选是勘探、开发的重要基础工作，其研究结果直接决定着 煤层气开发的成功与失败。不断增多的煤层气勘探实践证明，我国煤储层具有低渗、 低压、低饱和、非均质性强、高煤级产气等特点，这些都是煤储层后期改造强烈而普 遍所造成的，而其本源是中国沉积盆地具有深部作用活跃，活动性强这两个重要特点 决定的( 刘池阳，2 0 0 0 ) 。在我国煤炭资源中，中一高变质程度的煤主要分布于华北 聚煤区石炭一二叠纪和华南聚煤区二叠纪含煤地层中，这些时代的含煤盆地都为改造 笳地。由此决定了我国煤层气开发有利区块优选难度大，进行这方面的研究十分迫切。 新集矿区位于淮南煤田中南部，处于华北聚煤区南缘，这里的含煤盆地都经历了 成煤期后的改造：矿区煤田勘探程度高，又施工有煤层气勘探井，资料比较丰富：矿 区地处华东腹地，经济发达、人口稠密、能源紧缺、市场潜力大，因此选择新集矿区 对于探索改造煤盆地煤层气有利区块评价研究，开发利用煤层气具有重要意义。 1 3 煤层气有利区块评价与优选研究现状 1 3 1 国内外煤层气勘探、开发与研究简述 按照工作环境的不同，煤层气的开发方式有两种途径：煤矿井下开发，煤矿称为 矿井瓦斯抽放；地面开发，包括地面垂直井开发、煤矿采动区地面垂直井开发和废弃 矿井地面开发。其中的煤矿井下开发、煤矿采动区地面垂直井开发和废弃矿井地面开 发都依附于煤矿采掘工程及其形成的采动区：地面垂直井开发借助常规油气开发技术 远离煤矿生产地点独立进行。 就地面垂直井开发而言，美国是世界上率先开展煤层气科学研究，进行商业性开 发并成为- - i 1 新兴产业的唯一国家。2 0 世纪7 0 年代，为克服石油危机，美国能源部、 矿业局、经济地质局与一些大的石油公司联合，开展了一系列煤层气科学研究与勘探、 开发试验项目，并在黑勇士盆地和圣胡安盆地取得突破。据报道，美国已施工煤层气 井1 0 0 0 0 余口，其中产气井6 4 0 0 余口，年产煤层气约3 9 g - m 3 ( o - - 1 0 9 ) ，占美国天然 气产量的6 。上述盆地煤层稳定，厚度大，煤级相对较低( 低中变质煤) ，后期改 造不强烈( 王新民，1 9 9 8 ) 。 受美国开发煤层气成功并形成新兴产业的鼓舞，世界上3 0 多个主要产煤国都在 研究美国的成功经验，进行煤层气资源评价、勘探和开发试验。但除了加拿大和澳大 利亚取得部分成功外，其它国家大都处在研究与试验的摸索阶段。 我国是煤炭工业大国，煤层气资源资源极为丰富，据计算，仅陆上埋藏2 0 0 0 m 以浅的烟煤和无烟煤中蕴藏的煤层气资源总量高达3 1 x 1 0 1 2 m 3 ，具有十分广阔的开发 前景( 张新民，2 0 0 2 ) 。在“六五”，“七五”，“八五”，“九五”，“十五”国家科技攻 关项目中都列有煤层( 成) 气科学研究的课题或专题专门开展这方面的研究，其工作 主要是学习、消化美国的煤层气地质理论，结合中国煤层气地质背景，总结煤储层物 性参数的变化规律，探索其影响因素，进行资源评价。建立煤层气资源分布区划，摸 2 清煤层气资源总量。九十年代以来，煤炭工业部、地质矿产部、石油天然气集团公司、 一些地方政府、中联煤层气有限责任公司先后进行了煤层气的勘探和地面开发试验， 一些美国石油公司，如t e x c o 、p h i l i p s 、a r c o 等也积极进入中国煤层气市场进 行风险勘探。目前，已完成煤层气勘探开发试验井2 0 0 多口，部分试验井获得了可观 的工业气流，发展势头良好。但总的来说，我国煤层气勘探开发仍处在探索试验阶段， 没有取得重大突破，没有取得规模效益的商业化成效，其主要原因一是没有根据中国 煤储层的复杂情况建立起合适的煤层气有利区块评价与优化方法，二是没有建立起这 种复杂煤储层条件下的有效勘探与开发技术。 1 3 2 国内外煤层气有利区块研究偷述 美国的煤层气勘探开发已进行了二十多年，在圣胡安盆地和黑勇士盆地取得了成 功，已经摸索出了一套煤层气地质评价的方法( 赵庆波，1 9 9 8 ) 。主要有步骤如下： 地质背景分析掌握研究区的地层、构造分布特征。 煤质分析主要有煤级、灰份、密度、埋深、岩浆活动、气体成分和孔隙度。 煤和煤层气资源量的估算根据探区的面积、平均煤厚以及平均煤密度，可计 算探区煤炭资源量，确定煤层含气量，估算煤层气资源量。 确定选区标准影响煤层气开采的因素很多，最关键的因素包括：煤层埋深、 厚度、r 。气含量、渗透率和地下水在煤层中向盆地方向的非流动边界( 区域构造枢 纽、断层系、相变、非补水区) 流动，由这些非流动边界形成常规圈闭，即有利于提 高气含量，又有利于排水降压。 在实际生产过程中，根据不同的盆地特征，不同的完井方式，可以选用不同的最 低选区标准。如美国东部盆地进行多层完井的最低要求包括：煤层累计厚度大于3 m ， 含气量大于5 7 m 3 t ，渗透率大于0 1 m d ，深度小于1 2 0 0 m 。西部圣胡安盆地进行洞穴 完井的标准为：煤层的r 。大于0 7 总厚度大于9 m ，含气量大于1 5m 3 t 。 最近几年，通过对圣胡安盆地等进行盆地分析研究，根据煤层气井系统的排采记 录和产能数据，在分析煤储层沉积背景与煤层形态、煤级与煤层气成因类型、煤层气 含量与含气饱和度、煤储层渗透率与储层压力、地下水动力体系、构造背景与构造条 件等有关影响煤层气产能的基础上，建立了盆地级煤层气产能模型，经计算机模拟确 定煤层气最有希望地区。 我国的煤层气开发尚处于试验阶段，缺乏系统的排采记录和产能数据，无法建立 起象美国那样的盆地级煤层气产能模型。但可以借鉴其研究思想，通过盆地分析、储 层描述和地下水动力学研究，确定各种参数的最佳匹配关系和地区。 借鉴美国煤层气地质评价的方法，我国有不少专家都提出了煤层气有利区块评价 的参数及其取值标准。概括起来主要包括：她质和经济两大因素。经济因素包括地区 社会经济及市场条件，交通条件，与煤矿，城市和油田开发区的距离以至地方政府有 无强烈开发煤层气的积极性等，限于本文的内容，暂不涉及这些内容。 地质因素主要包括煤层埋藏深度、煤层厚度、煤级、气含量、渗透率、含气饱和 度、储层压力、临界解吸压力、构造条件和水文地质条件。这些因素一方面具有一定 的独立性，能够表述煤层或煤层气的一种特征，另一方面它们之间也具有一定的相关 性，可以从某个参数说明另一个参数的变化规律，具有冗余现象，因此每个都取是不 合适的。另外，对某个特定的地区来说，一些参数所起的作用大，另一些小，因此也 存在着取舍的问题。煤层气开发有利区块评价的参数既要考虑参数本身，又要考虑地 区不同，有利区块就是这些选择参数的最佳匹配之处。 对参数的取值范围，各位专家提出的意见也多不相同，其基本出发点是着眼于全 国性的标准，但在实际工作中往往要根据各个矿区情况的不同制定不同的标准。 1 3 3 一些重要储层参数的预测方法概述 在上述指标中，煤层埋藏深度、煤层厚度、煤级、气含量、构造条件和水文地质 条件这些参数的资料全部或部分可通过已有的煤田地质勘探资料获得，而渗透率、含 气饱和度、储层压力、临界解吸压力除几个煤层气测试井外，数据很少。对于资料很 少的参数，就需要通过预测得到有关数据。因此，预测方法的可取与预测结果的可靠 程度就成为影响煤层气有利区块评价的重要影响因素。下面就几个重要参数的预测方 法及其存在的问题进行说明。 气含量的预测：煤层气含量是有利区块评价中的重要参数之一，用来表征煤层含 气性。一般在煤田勘探的精查区或祥查区、煤层气勘探地区有较多的实测气含量资料， 但仍有许多地区( 包括一部分煤田勘探的精查和祥查区) 很少有或没有气含量数据， 这就需要通过预测来获得气含量数据。目前常用的一些方法及其主要优缺点如下： 气含量一深度关系法：根据已有的气含量数据和煤层埋深的关系，确定两者的相 关关系式进行未知区气含量预测，其公式可以简化为： c = k h 4 式中：c 为气含量( m 3 t ) ：k 为气含量梯度( m 3 t m ) ；h 为深度( m ) 。 煤层甲烷带深度一般在煤层埋深3 0 0 - - 4 0 0 之间，根据l a n g m u i r 方程，在4 1 0 m p a 之间( 对应深度约4 0 0 1 0 0 0 m ) ，吸附等温线一般为直线，所以这一方法在预测浅部 煤层气含量数据时还是可行的。但预测1 0 0 0 m 以深的气含量误差就大。 这一方法在煤田勘探、矿井地质和煤层气有利区块评价中得到了广泛应用。 瓦斯涌出量法：利用矿井瓦斯涌出量的大小预测煤层气含量，该方法有两种分类， 一是按煤层气含量等于瓦斯排放量，煤产量之比的经验公式预测气含量；另一个是采 用工作面初次来压前的瓦斯涌出量作为煤层气含量。 瓦斯涌出量的大小受矿井地质因素、采煤因素和通风条件的显著影响，因此用此 方法预测的煤层气含量可靠程度低，若研究区没有一个气含量数据时才采用此方法。 类比法：当一个地区的煤层气赋存条件和另一个地区相似时，可以采用后一个地 区的煤层气含量作为前一个地区的气含量。该方法简单易行，但可靠程度差，类比前 需进行详细的地质研究。 多因素共同作用下的等温吸附实验预测法：进行煤层气勘探开发研究地区的煤层 都至少经历了不同程度的变质作用，所生成的煤层气数量能够满足煤层的吸附要求。 在这种情况下，煤层气含量的大小取决于煤层的吸附能力和后期保存条件。煤层的吸 附能力用l a n g r n u i r 方程描述，通过原地条件下煤样的等温吸附实验计算吸附量。后 期保存条件用含气饱和度来综合描述，通过对研究区煤层气赋存的地质条件分析来确 定该参数的数值。完成这种预测需要采集煤样、确定原地条件的参数，进行等温吸附 实验，并进行煤层气赋存的地质条件研究来确定含气饱和度，因此工作量大，但可靠 程度高，因此，本文提出并采用了这种方法。 渗透率预测方法：渗透率是有利区块评价中的重要参数之一，用来表征煤层气的 可采性，具有一票否决的作用。煤田勘探区没有这类数据，煤层气勘探地区也仅有为 数不多的实测资料，因此开展煤层渗透性预测就十分必要，目前常用的一些方法及其 主要优缺点如下： 曲率分析法：原始近水平煤岩层在在后期构造应力作用下会发生弯曲，当弯曲增 大到其弹性极限时，就会在弯曲较大的地带产生构造裂隙。地层的弯曲程度用可以曲 率来定量描述。地层弯曲程度越大，曲率越大，构造裂隙越发育。因此在褶皱轴的两 侧，构造转折部位及断裂两侧高曲率部位往往是构造裂隙发育区，煤层中的构造裂隙 发育，可能成为煤层高渗区。利用地层的曲率值可以预测高渗区。 受煤系地层不同岩石力学性质差异的影响，在相同应力作用下，同一曲率的地层 中，砂岩、灰岩等能干层可能表现为脆性破裂，而在煤层中却会发生塑性流变，形成 构造煤，其中的碎粒煤和糜棱煤破坏了煤层割理，并使构造裂隙复杂紊乱，煤层渗透 率往往降低。因此该方法仅适用于煤系地层后期改造很弱的地区，对于象华北陆块南 缘这样变形强烈的地区的煤层不合适。 构造应力场法：构造应力场是某一空间范围在特定构造阶段的应力分布状态。它 一方面控制着割理、构造裂隙的方向、发育程度，另一方面它决定了煤层受破坏的程 度，控制着煤层媒体结构，影响着煤中裂隙的保存状况。从这一方面看，构造应力越 大，煤储层的渗透率就越低。所以，通过对古构造应力场的恢复与现代应力场大小和 方向的测定预测煤储层渗透率。 但是煤层受破坏的程度除受应力这种外部因素影响外，还受煤层本身的力学性质 不同的影响，我们经常看到在同一个地点的煤层即保存有原生结构煤，也发育构造煤， 因此单从构造应力这一单一因素划分不同煤体结构煤是不妥的。此外，除构造应力外， 重力、热力也会造成煤层中层滑构造的发育，形成构造煤。恢复的构造应力只是反演 的结果，其真实性受人们获得的实际资料和反演方法的限制，只具有相对意义，并不 是真实的应力值。因此这一方法只适用于大区域的一般性的有利区预测a 煤体结构法j 不同煤体结构煤具有不同的渗透性，一般原生煤和碎裂煤的割理和 构造裂隙保持着较好的开启性和连通性，渗透率好，碎粒煤和糜棱煤中的割理被挤压、 扭曲而变形的不复存在，构造裂隙复杂、紊乱，渗透率差。因此获得不同煤体结构煤 的分布是渗透率预测的最好方法。 对煤体结构的研究，可通过野外煤层新鲜露头、煤矿井下揭露的煤层断面，钻孔 煤芯直接观测得到，其结果真实可靠。此外，通过测井曲线和三维地震也可解译不同 煤体结构煤的分布。将观测结果绘制成原生碎裂煤厚度等值线图，利用该图进行煤 层渗透性预测。其缺点是要经过大量而细致的调查、统计工作，工作量大 裂隙观测法：裂隙是决定煤层渗透性的关键因素，裂隙的发育程度直接影响着煤 层渗透率的大小，裂隙的展布方向控制着煤层渗透率的方向。对煤层裂隙进行宏观、 微观观测是预测煤层渗透率的最直观、最简捷的方法。通过对裂隙长度、宽度、高度、 密度、走向、倾向、倾角、连通性和层面形态的观测，确定不同地区裂隙的发育程度， 6 预测高渗区。 裂隙观测所得到的预测结果真实可信，但要经过大量而细致的调查、统计工作， 工作量大。该方法也受到观测点范围的限制。 储层压力预测方法：一般都假设为淡水正常压力，但这与众多地区煤储层欠压的 事实不符，在某些地区预测结果可能相符，但由储层压力计算的其它参数与实际出入 较大，如根据预测的储层压力利用l 8 n g m l l i r 方程计算的气含量往往偏大，反过来也 证明储层压力预测不准确。因此，储层压力的预测通过表征储层压力大小的实测地下 水压力水头来进行，对古储层压力预测需要在煤层构造埋藏史分析的基础上进行。 1 3 4 有利区块评价中的多因素综合分析研究 有利区块评价中的多个因素综合分析，常采用多因素叠加的方法来确定有利区块 的位置，即将多个因素的数值叠加在一起判断有利区块的分布。过去常采用人工的方 法进行叠加，人为因素太多。因此，采用地理信息系统( g i s ) 支持下的多因素叠加 方法能够很好的解决这些问题，并对不同因素赋予不同的权重。因研究范围太大，数 据复杂，过去人们常将一个地区的多个煤层数据综合在一起一次处理，这样做简化了 处理过程，但缺弱化了预测结果。例如在同一地区不同煤层的渗透率不同，采用上述 处理方法似乎认为煤层渗透率是一样的。针对这种情况，采用分煤层处理是比较好的， 但对多煤层地区，工作量增大。 1 4 本文研究的内容、思路和方法 主要研究内容：煤层气赋存的地质条件，包括矿区地层、含煤地层及其沉积环境， 煤层埋藏构造热演化史，现代构造特征，水文地质条件。主要煤层煤储层特征及其 演化史分析，包括：煤层厚度、埋深，煤层烃源岩类型，生气强度及其变化史，储层 压力及其变化史，煤层的吸附性能及气含量预测，煤层含气量、煤层气成因类型及含 气性变化史，含气饱和度及其变化史，i 临界解吸压力，煤层渗透性及其影响因素等。 煤层气开发有利区块优选的方法、参数及其标准，有利区块预测，分块段分煤层分级 别计算煤层气原地资源量。 本文根据“整体、动态、综合”的盆地研究思路，以矿区级煤层气有利区块评价 与优选为出发点，系统总结新集矿区煤层气赋存的地质背景，阐述煤储层物性参数的 变化规律及影响因素，恢复其演化历史，预测其变化趋势，在定性与定量分析的基础 上，提出有利区块优选的方法及参数，利用地理信息系统的空间分析技术定量或半定 量的预测有利区块，建立适合于矿区级的煤层气资源类型划分方案，计算煤层气原地 资源量。 1 5 完成的工作量 本文充分收集、整理前人的研究资料，经过煤矿井下、地面钻场的实际工作，借 鉴改造盆地研究的方法，精心编写丽成。共完成工作量如下 表1 - 1 收集资料、完成工作量统计 内容单位数量内容 单位数量 各类勘探研究报告 本 1 0各种图纸幅 3 0 各类报表套 1 0井下煤层煤岩类型割面描述煤层 1 5 井下煤体结构描述煤层1 5井下煤的裂隙描述煤层 1 5 采集煤样个 2 0 煤手标本裂隙统计 块 1 4 块煤光片裂隙统计块 1 5煤手标本照相张 6 煤芯样照相张 4 0参数井试井资料 太3 煤层气有利区块评价与优选方法研究涉及的内容很多，本文根据新集矿区工作实 践对其中某些方面、某些内容进行了改进和完善。因研究内容较多，新集矿区后期改 造强烈，煤层气勘探开发资料有限，加之时间仓促，在研究和资料引用中难免出现不 妥之处，敬请批评指正。 本文在写作过程中，得到赵重远、刘池阳老师的悉心指导，赵红格、陈建军博士， 程宏岗、房建军、赵俊峰硕士的帮助。煤炭科学研究总院西安分院张群、张新民研究 员，钟玲文、张培河、肖文钊高工的指导和帮助，在此一并表示感谢。 0 2 煤层气生成、储集、运移和产出机理 煤层气是一种非常规天然气，煤储层不同于常规石油天然气储层。煤层气地质是 - - i 新兴学科，有其自己的完整理论，为后文论述方便，对其有关基本原理做一简介。 2 1 煤层气的生成机理 煤主要是由高等植物遗体经过泥炭化作用和煤化作用转变而成的固体可燃有机 岩。当泥炭被其它沉积物覆盖时，泥炭化作用结束，随后在温度和压力作用下，发生 煤化作用。煤化作用的结果，一是泥炭转变为固态的残留物一褐煤、烟煤和无烟煤， 二是生成水和气体挥发分产物( 图2 1 ) ，根据化学组成和物理结构在煤化过程中的变 化，煤化作用的商低程度用煤级表示( 图2 - 2 ) 。 邑圈嚣 图2 - 1 煤化作用及产物 成煤作用各阶段的产物可用下列示意反应式表示： 4 c 1 6 h 1 8 0 5 c f 7 h 5 6 0 1 0 - 4 c 0 ：+ 3 c h 4 + 2 h 2 0 泥炭褐煤 c s z h z a o i 0 c 5 锄4 扣5 + c o + 2 c h 4 + 3 h 2 0 褐煤沥青煤 c 1 5 d - l 4 0 c _ ，s h 4 + 2 c h 4 + h 2 0 烟煤无烟煤 根据有机质热演化程度及后生变化、烃组分产量和性质，将煤层气的生成划分为 4 个阶段，它基本反映了煤层气生成的全过程( 张新民等，2 0 0 2 ) 。 原生生物气( r 。 ?5 j - - * $ 7 正 一- 2 6 一1 5 - 4 19 - - 2 4 m 一曲5 帷 一i一i i1 - - 3 6 玉 o 5 膳 恒始奠 o 气搽 燮 b9 肥爆 热 他 降 1 2 群 作 脯 用 像瓣 作 i7 棚雌 作1 9 带啦蕉 热 用 囊 2 5群 榫 t o 月l * 煳 6 o 图2 - 2 煤的成烃演化模式和有关演化特征( 据张新民，2 0 0 2 修改) 根据不同变质阶段煤的热解气量的变化，将煤分为3 个生气阶段： 低生气阶段：煤处于低变质阶段( 0 5 g k 。锺0 9 ) ，即长焰煤一气煤，视煤气 发生率最大为5 4 m 3 t 。 多生气阶段：煤处于中一高变质阶段( 0 9 9 ，野0 ) ，即肥煤一无烟煤二号， 视煤气发生率最大为3 9 0 m 3 t 。 变生气阶段：煤处于超高变质阶段( r 。职 6 o ) ，即无烟煤一号，甲烷消亡。 由于煤本身具有很大的内表面积，有很强的吸附能力，可以将生成的部分气体吸 附带煤颗粒表面，形成自产自储的煤层气藏，其余部分以游离态和溶解态运移出煤层， 成为常规天然气的重要气源。 2 2 煤层气的孔隙结构 煤层是一种具裂除一孔隙双重孔隙结构的储层，图2 - 3 是这种结构的理想模型。 割理将煤分割成若干基质块，基质块中包含有大量的微小孔隙，是气体储集的主要空 间，其渗透率很低，可视为零；割理是煤化作用与构造应力共同作用的产物。是煤中 的流体渗流的主要通道。渗透率一般在0 1 5 0 x1 0 。3 1 tm 2 之间。 i o 图2 - 3 煤的双重孔隙系统 根据煤的岩石结构和构造，结合煤的变质、变形理论和过程，将煤中的孔隙分为 4 大类9 小类( 张慧，2 0 0 3 ) 。 表2 1 煤中孔酸类型及其成因简述( 据张慧，2 0 0 3 ) 类型成因简述 组织孔成煤植物本身所具有的各种组织孔 原生孔 屑间孔碎屑镜质体、碎屑惰质体和碎屑壳质体等有机质碎屑之间的孔 后生孔 气孔煤变质过程中由生气和聚气作用而形成的孔 角砾孔煤受构造应力破坏而形成的角砾之间的孔 外生孔碎粒孔煤受构造应力破坏而形成的碎粒之间的孔 摩擦孔压应力作用下面与面之间摩擦形成的孔 铸模孔煤中矿物质在有机质中因硬度差异而铸成的印坑 矿物质孔 晶闻孔矿物晶粒之问的孔 溶蚀孔可溶性矿物在长期气、水作用下受溶蚀而形成的孔 煤中孔隙( 包含裂隙) 的孔径划分为4 个级别：微孔( ( o o l u m ) 、小孔( o 0 1 - 0 1 i m a ) 、 中孔( 0 1 l 哪) 和大孔( l i m a ) 。测试结果表明，煤的平均孔隙半径为 0 0 0 3 8 - - 0 0 1 5 2 t m ，多数集中在0 0 0 4 - - 0 0 0 8 p a n 之间，甲烷的分子半径只有2 6 a m 。煤 的孔隙度变化于2 1 8 之问， 一股小于1 0 ，其大小主要受面割理 及长度 煤变质程度的影响( 图2 - 2 ) ， 割理及 从长焰煤到焦煤，孔隙度迅速稳 减少，从焦煤到无烟煤又缓慢 半亮煤 增加。煤的内表面积大，据测 半暗煤 试为5 0 2 5 0 m 2 g ，其大小主要 暗淡煤 受煤变质程度的控制，从长焰删噍 煤到焦煤，比表面积迅速减 翻2 - 4煤的天然裂嗽系统 少，从焦煤到无烟煤又缓慢增加 煤中裂隙按照成因分为两类，即割理和构造裂隙( 图2 4 ) ，割理的是在构造应 力作用下，煤中凝胶化物质在成煤过程中脱水收缩形成，是两组约垂直煤层层面方向， 不穿过整个煤层的微细裂隙，这两组裂隙之间大约相互垂直，其中延伸长度大，且发 育的一组叫面割理，被面割理横切的另一组叫端割理。它在煤层中分布十分普遍且具 有相对的均性( 图2 - 5 ) 。 图2 _ 5 煤中削理( 上：削面。下：层面) 割理的发育程度受煤岩显微组分和煤级的控制。 煤岩显微组分的不同是影响割理发育的物质基础，镜质组致密、均匀、块体大， 在相同煤级时生烃量大，导致收缩内应力和孔隙流体压力大，有利于割理的生成和延 展。惰质组是多孔状、纤维状，纤维在纵向常顺层排列，在横向上断开比较困难，其 发育的空隙能释放应力，不利于割理的生成和延展。壳质组的机械强度大于镜质组和 惰质组，其形变过程类似镜质组，但多数煤层含壳质组很少，故对煤割理发育总体影 响不大。上述差异造成不同宏观煤岩成分的割理发育密度不同，即镜煤 亮煤 暗煤 丝炭，最终引起不同宏观煤岩类型割理发育密度不同，即光亮煤 半亮煤 半暗煤 暗 淡煤( 图2 - 6 ) 。 割理是煤变质的产物，不同交质阶段的煤具有不同的割理密度。大量的观测统计 表明( 图2 7 ) ，相同宏观煤岩类型的煤，中煤级的割理密度最高，低煤级和高煤级的 割理密度较低。 1 0 t口 ii! l | _ _ li i 一i l i1 i i i ：i 。 i： l t l ：i 熹 砉ii ：! 1。矗l |! ； l“l 絮卷鼍l 文 ii ， i | i 蝴l 玲1 山 警雩囊i 矗蚶i | i ! 嚏皇i - i 雀 图2 _ 6 太行山东燕山西组二1 煤层面割理密度与宏观煤岩类型图( 据叶建平) 一e 3 0 逞 戆 毯 箭 器 - _ 、 - 、 。 。 气漂船攥煮煤盘燃簦赚无蛔热天嚣 图2 - 7 面割理密度与煤级关系( 据叶建平) 构造裂隙是由区域构造应力和局部应力作用于煤层而形成的，在煤系地层中，煤 层是非能干层，当受到同一构造应力作用时，煤层比其它能干层( 砂岩、灰岩等) 更 易发生构造变形，形成构造裂隙，因此煤层受的作用力越大，期次越多，构造裂隙就 越发育。这种裂隙能切穿整个煤层或不同煤岩类型的煤分层，一般不切过夹矸层，其 分布具有局部性。虽然构造裂隙的数量比割理的数量相比要少的多，但构造裂隙延伸 #_嚣、蒜q瓤辩辩鞲糖；j 长度长，切过的地层厚度大，因此，它对煤层渗透性具有重要的影响。构造裂隙相互 斜交，并斜切煤层层面，有时叠加在割理上可垂直煤层层面。 在平面上，不同方向的煤中裂隙相互交织，构成煤层的裂隙网络( 图2 8 ) 。当含 煤盆地后期改造较弱时，煤层中的裂隙网络规整、简单。但后期经过多期改造强烈的 煤层中，各期形成的裂隙叠加在一起，构成的裂隙网络就复杂、零乱，这就是我国众 多含煤盆地的煤层中裂隙的具体表现。 图2 8 煤层中各种裂隙的平面分布 2 3 煤层气的储集机理 煤层气以吸附态、游离态和溶解态3 种形式储集于煤储层中，其中以吸附态为主， 约占8 0 - 9 5 ( 张新民等，2 0 0 2 ) 。 游离气：在气饱和的情况下，煤的孔隙和裂隙中充满着处于游离状态的气体。其 含量不大，据估算，中变质程度的煤中，在埋深3 0 0 1 2 0 0 m 的范围内，游离气仅占 总气含量的5 1 2 。 水溶气：水对甲烷有一定的溶解能力，但和其它气体相比，溶解度较小，一般每 升水中可溶解零点几升到几升甲烷。 吸附气：煤是一种多孔介质，具有很大的内表面积，对气体分子有很强的吸附能 力。这种吸附属于物理吸附，是由范德华力引起的，气体和固体间的结合力较微弱， 这种吸附具有快速、可逆的特征。因而就存在吸附平衡，即在固体表面同时进行着吸 附和解吸这样两种相反的过程，当这两种作用的速度相等时，就达到吸附的动态平衡。 当吸附平衡时，吸附量( v ) 是温度( t ) 和压力( p ) 的函数( v - ，( t ，p ) ) 。 煤对气体的吸附属单分子层吸附。可用l a n g m u i r 方程较好的描述。其数学表达 1 4 式为： y ：旦鲨1 p l 七p 式中；v 为吸附量( c m 3 g ) ，p 为平衡气体压力( m p a ) ，v l 为l a n g m u i r 体积( c m 3 g ) ， 是煤的最大吸附量，p l 为l a n g m u i r 薹j j ( m v a ) ，代表吸附量为l a n g m u i r 体积一半时 所对应的平衡气体压力。 在上述关系式中，当温度一定时，为等温吸附，所形成的关系曲线为等温吸附曲 线；当压力一定时，为等压吸附，所形成的关系曲线为等压吸附曲线。 在平衡水分条件下，我国煤的l a n g m u i r 体积( v l ) 为7 3 5 5 7 8 7c m 3 g d a f ， l a n g m u i r 压力( p l ) 为1 1 1 - 1 0 2 5 m p a 。其大小主要受煤级影响( 张群，1 9 9 9 ) 。即 l a n g m u i r 体积( v l ) 随煤级的增加而增大，l a n g m u i r 压力( p l ) 先随煤级增大而快速减少， 之后缓慢增加( 图2 9 ) 。 图2 - 91 m n g m u i r 体积和l - n g m u l r 压力与煤级的关系( 张群，1 9 9 9 ) 按照l a n g m u i r 体积( v l ) 的变化，将煤的储气能力分为4 个阶段。低储阶段： 对应于煤的低变质阶段( o 5 i k 。c 上统石千峰组4 7 3 , - - 7 1 6 m 中统上石盒子组 近海三角洲及潮坪古 海西运动缓慢沉降上 二叠系 下石盎子组 煤碎屑岩5 7 9 , - 8 6 8 m 古 下统 山西组 生 太原组 台地碳酸盐岩 界 1 3 0 - - - 1 4 0 m 石炭系 泥盆系 加里东运动 大面积 志留系 隆起 上统 中统老虎山组 开阔台地相灰质 口 奥陶系马家沟组 生 白云岩及白云质 缓慢沉降 界 下统萧县组 灰岩 1 5 2 m 贾汪组 寒武系 新元古界大面积 中元古界 隆起 古元古界 石千峰组( p 3 s i i ) 主要由灰绿紫红色砂质泥岩、泥岩、粉砂岩，紫红色中一 细砂岩、含砾石英砂岩及花斑泥岩等组成，底部以灰白一浅红色中、粗砂岩或含砾石 英砂岩与上石盒子组分界。厚度一般大于2 0 0 m 。 ( 6 ) 三叠系( t ) ：为下三叠统( t 1 ) ，主要由褐红一紫红色泥岩、砂质泥岩、中、 细粒砂岩，含砾砂岩组成。仅在矿区东部个别钻孔揭露，控制不全，厚度不详。 ( 7 ) 古近系( e ) ：分布在矿区南缘，上部以紫红一浅紫红色、粉砂岩、细砂岩、 砂砾岩、砂泥岩互层为主，夹有砂质泥岩及泥岩；下部以紫红色砾岩、砂砾岩为主， 中央粉砂岩、砂质泥岩、泥岩薄层。砾石成份以片麻岩、石灰岩砾为主，分选磨园不 好。厚度大于? 1 0 m 。与下伏地层呈角度不整合接触。 ( 8 ) 新近系一第四系( 1 、卜勺) ：上部以粉、细沙、粘土质沙为主，夹数层不稳 定的粘土；中部以中、细沙和粘土质沙为主，夹数层不稳定粘土；下部以灰绿、浅黄、 褐红色厚层状粘土、钙质粘土为主，夹数层中、细沙、粘土质沙。全区发育，总体南 薄北厚一般在4 8 2 0 3 m 间，平均l l s m 。与下伏地层呈角度不整合接触。 2 0 3 1 2 含煤地层及含煤性 矿区内含煤地层为二叠系。其中太原组含煤5 7 层，均为薄煤，发育差，无工 业开采价值。山西组、下石盒子组、上石盒子组为主要含煤地层，在剖面上可划分7 个含煤段( 表3 - 2 ) ，共含煤3 7 层，总厚4 1 1 8 m ，含煤系数5 4 5 。矿区范围内含煤 地层主要是第- n 第四含煤段，含煤2 5 层，煤层总厚度3 7 1 9 m ，含煤系数8 8 5 ； 其中可采煤层1 7 层( 单层煤厚o 6 m ) ，全区可采5 层，大部可采6 层，局部可6 层，总厚度3 5 3 7 m ，可采系数8 4 2 。主要煤层情况见表3 - 3 。图3 1 为主要含煤 段地层综合柱状图。 表3 - 2 主要含煤