含气量与控气地质因素

第一节煤储层含气量的组成第二节煤储层围岩物性及封盖能力第三节控气地质因素第四节煤层含气性的预测方法 第五章煤储层含气特征及控气地质因素 第一节煤储层含气量的组成 一 美国矿业局 USBM 的直接法 1 逸散气量指从钻头钻至煤层到煤样放入解吸罐以前自然析出的天然气量 逸散气的体积取决于钻孔揭露煤层到把煤样密封于解吸罐的时间 煤的物理特性 钻井液特性 水饱和度和游离态气体含量 2 解吸气量指煤样置于解吸罐中在正常大气压和储层温度下 自然脱出的煤层气量 终止于一周内平均解吸气量小于10ml d或在一周内每克样品的解吸量平均小于0 05ml d CDTCA 1000型现场含气量测定仪 FY 煤层含气量现场测试仪 3 残留气量指充分解吸结束后残留在煤样中的煤层气量 二 中国的解吸法 1 损失气量 V1 2 现场2h解吸量 V2 3 真空加热脱气量 V3 4 粉碎脱气量 V4 二者的差异 解吸时间 温度 阶段 三 相态含气量 由煤层气的定义可知 煤层气含量由游离气 吸附气 水溶气含量三部分组成 我国前期煤层气含量测定 MT77 84 是在现场温度 压力条件下测得2h内的解吸气量 再由解吸气量推算损失气量 由于低煤级煤孔裂隙发育 取心过程在地层温度条件下快速解吸 游离气快速逸散 到地面由于温度降低 解吸速度变慢 有的甚至没有解吸气 造成解吸气量低 尤其是初始几个点解吸气量低 由解吸气推算的损失气也就更低 由于低煤级煤中含水量较高 MT 77 84和USBM均不测煤层中的水溶气 造成低煤级煤含气量严重失真 1 理想气体状态方程 2 马略特定律 对于气体在压力不超过20MPa 温度不低于20 时 游离气含量通常按理想气体状态方程式进行计算 即 实际上气体分子之间存在着作用力 且分子体积也不为零 按理想气体状态方程式进行计算可能会带来较大误差 由马略特定律得 一 游离气含量数值模拟 P0 V0 T0 标准状态下游离气压力 体积和绝对温度 Vg 换算成标准状态后的游离气体积 P V T 储层状态下游离气压力 游离气体积和绝对温度 Z 气体压缩因子 在给定温度 压力条件下 真实气体所占体积和相同条件下理想气体所占体积之比 是压力和温度的函数 即Z Z P T 可查表得到 3 原位储层状态的气体压力 对于已建矿井 可由瓦斯压力梯度来推测 即 p 在埋深H处的瓦斯压力 p0 在瓦斯风化带H0深度处的瓦斯压力 一般取0 15 0 20MPa H0 瓦斯风化带深度 H 煤层埋深 m 瓦斯压力梯度 MPa m 对于勘探区 可用钻孔实测瓦斯压力 4 原位储层状态的孔隙体积 对原位水饱和煤样进行三轴力学实验 得出不同埋深 应力条件 下的压缩体积 原位煤层的单位孔隙体积等于单位体积煤的压汞比孔容减去单位体积煤的累计体积应变 原位相应应力条件下水饱和煤样的实验成果 或者等于单位体积煤的压汞比孔容减去压缩系数与围压乘积的累计和 原位相应应力条件 1 与压力的关系煤的吸附气含量随压力增加而增大 随温度升高而降低 且低压阶段 8MPa后 压力增加而吸附气量几乎不再增大 海拉尔盆地呼和湖海参3井褐煤样等温吸附曲线 二 吸附气含量数值模拟 2 与煤级的关系 然而吸附气量随温度的增高而减少 从300C到40C 温度每升高10C 吸附量平均减少0 18cm3 g 从400C到500C 温度每升高10C 煤样吸附量平均减少0 09cm3 g 3 与温度的关系 按此规律推测温度升高吸附气量的衰减梯度 m3 t 为 30 40 0 18cm3 g40 50 0 09cm3 g50 60 0 045cm3 g60 70 0 023cm3 g70 80 0 012cm3 g 温度负效应 等于每一埋深区间的温度差与相应温度区间吸附衰减梯度和煤层含气饱和度之积 即 QT 吸附气量负效应 m3 t n 不同温度区间的个数 T 对应埋深区间的现代地温梯度 hmH 对应温度区间的埋藏深度 m VTi 对应温度区间的衰减梯度 m3 t S 饱和度校正因子 1 甲烷溶解度实验1 矿化度相同的水样甲烷溶解度随压力增加而增大 2 当温度低于80 时 甲烷溶解度随温度的升高而降低 三 水溶气含量数值模拟 2 煤层水甲烷溶解特性1 煤层水中的有机质使甲烷的溶解度普遍偏高2 温度 压力低时 矿化度影响十分明显沁水盆地煤层水甲烷溶解度 m3甲烷 m3水 在100 去离子水溶液中相同压力下溶解度的线性插值 3 水溶气数值模拟 由煤田地质勘探测温孔求地层温度 由抽水实验求不同埋深下的压力和矿化度 建立不同埋深条件下 矿化度与水溶甲烷的关系图 在系列甲烷溶解度图解上量出不同埋深下 对应的温度 压力 矿化度 的水溶甲熔含量 1 海拉尔盆地恒温带深度约为40m左右 温度约为15 煤类为褐煤 风氧化带深度为500mMad一般值介于16 21 煤层为含水层 Aad一般值介于20 9 25 8 煤田浅部施工的钻孔地下水矿化度介于100 800mg L 一般值为200 500mg L 在500 2000m水溶气 游离气随煤层埋深的增加而增大 平均水溶气含量占总含气量的9 9 游离气占14 6 吸附气占75 5 四 实例分析 第二节煤储层围岩物性及封盖能力 一 煤储层顶底板的岩石类型煤层顶底板是封堵煤层气的第一道屏障 是煤储层围岩组合中最重要的岩层 其主要岩石类型有碳酸盐岩 砂岩 泥岩 油页岩及砂泥岩互层组合 二 围岩的封盖能力围岩封盖能力与围岩的岩性 韧性 厚度 连续性及埋深有关 从岩性来说 由砂岩 碳酸盐岩 砂泥岩互层组合 泥岩 煤层到油页岩 其封盖能力依次增强 三 围岩的封闭机理 第三节控气地质因素 1 煤化程度不同煤类的产气量和吸附能力 2 煤岩组分生气量E V I 3 1 0 8V 4 3 EE 11 I 吸附能力I V E显微组分及充填情况 3 沉积体系 4 构造样式及构造部位 5 埋藏深度与地温状态 潞安屯留3号煤层实测瓦斯含量 原煤 与埋深的关系 岩浆岩 1 水力运移逸散控气作用 2 水力封堵控气作用3 水力封闭控气作用 FortUnion组煤层是区域含水层 东缘露头为补给区 向西部 深部 径流 盆地中心 煤层深部 形成承压水条件 具有超压含水层 煤层气单井产量平均5660m3 d 最高10万m3 d 产水量30 150m3 d 粉河盆地 水力封堵控气作用 水力封闭控气作用 束缚水封闭型 勇士盆地煤储层水矿化度分布平面图 大宁 潘庄 樊庄阳城北 山西组含水层 7 历史演化 第四节煤层含气量预测方法 一 原位煤层含气量预测预测方法有含气梯度法 压力 吸附曲线法 煤质 灰分 含气量类比法 测井曲线法 地质条件综合分析法等 1 含气梯度法 1 同一构造单元中已有浅部勘探区含气性资料的深部地区 2 煤级受埋深控制 煤级相当或变幅较小 3 勘探区含气性资料较为丰富 含气梯度明显或埋深与煤层气含量关系离散性较小 4 适用深度 止深在甲烷风氧化带下500 700米 前苏联 800 900米 英国 古地表起算垂深800 1000米 张新民 1991 傅雪海 1995 等研究表明煤层气含量止深受煤变质作用的方式和煤变质作用程度的影响 2 压力 吸附曲线法煤储层含气性取决于煤岩体的吸附能力和含气饱和度 即含气量 理论吸附量 含气饱和度 煤岩体的吸附能力又是煤储层压力和温度的函数 温度相差不大的情况下 与煤储层压力关系密切 其关系可由等温吸附实验得到 理论吸附量可以由朗格缪尔方程求得 3 煤级 灰分 含气量类比法煤层含气量受煤级和煤岩组分 灰分等控制 因此 应用该方法的前提条件是预测区煤级 煤岩特征与参照区可以类比 4 测井响应拟合煤层气含量测井响应拟合煤层气含量的工作步骤依次为数据采集 预处理 逐步回归分析 建立数学模型 进行质量检验 若效果显著 就可以利用该数学模型对有测井曲线而无煤层气含量的钻孔进行煤层含气性预测 5 地质条件综合分析法通过对预测区煤层赋存特征 地质构造演化历史及煤层埋藏 热演化 生烃 保存历史分析 确定煤的变质方式和煤的变质程度 进而预测其含气性 从广义上讲 所有的地质预测方法都包含着一定程度的综合地质分析 不同方法之间存在着一些不可分离的相辅相成的关系 因此 在对同一地区煤层含气性分析预测中 往往是以某种方法为主的多种方法综合预测 二 采动影响区煤层含气量预测 煤矿井巷开拓和煤炭生产改变了煤层的地应力场 流体压力场 打破了煤层内游离气 吸附气和水溶气之间的动态平衡关系 采动影响区内煤层的含气量 透气性 储层压力等均呈现出动态变化特征 1 本煤层采动影响区本煤层采动影响区掘进巷道采煤工作面1 有限元法 2 瓦斯涌出量法 暴露煤壁瓦斯涌出系数与时间的关系 据包剑影等 1996 3 瓦