煤层气成藏条件及特征.ppt

第5章煤层气成藏条件及特征,煤及煤层气工程系,煤层气藏分析（含煤储层）之五,主要知识点1、煤层气成藏要素：煤层条件，压力条件和保存条件2、煤层气藏类型划分：3、煤层气成藏条件：,第一节煤层气成藏要素第二节煤层气藏形成条件,目录,参考文献,王红岩等，2005.煤层气富集成藏规律，北京：石油工业出版社孙平，2007.煤层气成藏条件与成藏过程分析.成都理工大学博士论文李明潮等，1995.煤层气及其勘探开发李文阳等，2003.中国煤层气勘探与开发,徐州:中国矿业大学出版社,煤层气藏（Coalbedreservoir）：煤层中煤经过煤化作用生成的天然气，在压力封闭作用下，以吸附态为主在煤岩体或煤层中富集而形成的含气层，是地层中煤层气聚集和勘探的基本地质单元。因而，有煤储层不一定有煤层气的富集，关键取决于煤层气是否富集。其中富集的含义在于煤化作用生成的气体，因构造、水文地质条件等条件的变化而经过一定的扩散运移后吸附或二次吸附富集。煤层气藏与油气藏存在很大的差异，主要表现以下几个方面：,（1）烃源岩煤层气藏的气源岩主要是煤层本身；油气藏的烃源岩是富含有机质的泥岩、页岩、碳酸盐岩，也包括煤岩。（2）运移机制煤层气形成之后，一部分通过分子扩散途径或通过裂缝运移至相邻的砂岩或灰岩储层中，另一部分气体的绝大部分以吸附状态保存在煤孔隙结构中，一般不发生运移或显著的运移。石油和天然气的运移以扩散渗流为主，分初次和二次运移，在储层中富集成藏。主要动力为构造应力、水动力和浮力。,（3）储集层煤层既是烃源岩层，又是煤层气的储层；油气储层主要为砂岩、碳酸盐岩和裂缝性泥岩、火山岩等，其孔隙度和渗透率比煤层大，变化也大。（4）圈闭机制煤层气绝大多数是在压力作用下呈吸附态被保存，在煤层的孔隙中，没有明显的圈闭条件。石油、天然气成藏必须具备各式有效的圈闭条件。（5）流体存在的状态煤层气藏主要以吸附气、游离气和水溶气形式存在，并以吸附气为主。油气藏中的石油、天然气主要以游离态存在为主，具有统一的压力系统和油气水界面。,油气藏与煤层气藏的成藏比较,一、煤层气成藏要素油气藏的成藏要素包括“生、储、盖、运、聚、保”等基本成藏要素和过程；煤层气藏的成藏要素可以总结为以下三点：煤层条件、压力条件和保存条件（时保宏等，2005）。,（一）煤层条件煤层既是煤层气的气源层，同时又是煤层气的储集层。煤层作为源岩厚度和成熟度：煤层具有较大的厚度，是生气有机质在量上的保证；一定的热演化程度是有机质向煤层气转化的必要条件。形成煤层气藏的煤层一般主要是低一高煤阶的煤层，最常见的为中一高煤阶煤层。煤层作为储集岩储集空间和渗透率。煤储层储集空间由煤基质孔隙和天然裂隙系统两部分组成。综合分析，煤层的煤级、厚度、埋深、原地应力等是煤层条件的重要影响因素，煤层含气量、渗透率是煤层条件优劣的主要评价指标。,（二）压力封闭条件煤层气藏的实质是一个压力封闭系统。煤层气藏中的天然气主要通过范德华力吸附于煤基质表面，但这种使甲烷分子和煤的其他组分相结合的力是比较弱的。一旦压力降低，被吸附的煤层气就会发生解吸而进入裂缝系统发生运移和扩散。压力对煤层气富集成藏的作用主要表现在两个方面：第一，为煤层气藏提供一部分能量，增大煤层对甲烷的吸附，同一煤层随压力的增大，其对甲烷的吸附能力增大；,第二，维持煤层气藏能量平衡，阻止煤层气解吸、逸散。除煤层自身的条件外，压力封闭是形成煤层气富集成藏的关键因素。压力封闭系统主要由煤层埋深、煤层的顶底板岩层及煤层的水动力系统组成。煤层埋深是压力的主要来源；其次还有一部分压力来源于煤层的水动力受阻所形成的高压和煤层的大量生气所形成的压力；而顶底板岩层的良好封闭性及水动力造成的封堵是维持煤层气藏压力的重要条件。,（三）保存条件煤层气藏保存地质条件主要包括良好的封盖层、上覆地层有效厚度、有利的水文地质条件和构造条件等。良好的封盖层可以保持煤层压力，阻止地层水的交替，使气体以吸附态存在，并减少游离气和溶解气的散失。煤层条件、压力封闭和保存条件是煤层气藏形成和存在的3个基本要素。煤层条件是煤层气藏形成的物质基础；压力封闭是煤层气藏的必要条件；保存条件是气藏从形成到现今能够存在的前提。,二、煤层气藏类型煤层气藏类型据不同的分类标准可以划分不同的气藏类型：（1）钱凯等（1996）据煤层气富集区的成因，提出了将煤层气藏划分为水压向斜煤层气藏、水压单斜煤层气藏、气压向斜煤层气藏、背斜构造煤层气藏和与低压有关的煤层气藏五种；该分类方案偏重于煤层气富集区的成因，对气藏的构造类型缺乏系统和全面的考虑。（2）赵庆波等（1996）根据构造和水动力提出了四种煤层气藏类型：压力封闭气藏、承压封堵气藏、顶板网络微渗滤水封堵气藏和构造圈闭气藏，该分类方案侧重于水动力影响，对其他控气地质因素考虑不周。,（3）孙平等（2007）以压力为主线、结合边界类型及煤层气藏自身的构造特征，提出了一套煤层气藏分类方案：首先根据煤层气藏的压力形成机制，将其分为水动力封闭型和自封闭型煤层气藏两类。水动力封闭型可进一步区分为水动力封堵型和水动力驱动型煤层气藏两个亚类，结合边界类型将水动力封堵型煤层气藏细分为五个型；根据构造特征将水动力驱动型煤层气藏细分为三个型。自封闭型煤层气藏可进一步区分为三个型。,1、根据国内外煤层气勘探的成果和经验，影响煤层气富集的成藏的主要因素是水动力、构造应力和煤层展布形态等，在此将煤层气富集类型依据构造形态和成因划分为八类（王红岩等，2005）：（1）水压单斜型煤层气富集区：一般位于大型沉积盆地边缘，与大气水相通的区域性单斜煤层，其低部位常常有煤层气聚集，形成水压单斜气藏；,（2）水压向斜型煤层气富集区：一般为中小型盆地，这类气藏位于盆地内构造向斜部位，是由于大气水的渗流受阻形成异常高压，阻止气体向外扩散、渗流而聚集成藏；,（3）气压向斜型煤层气富集区：是指在盆地深部，煤生成的气体的扩散速率小于聚集速率，形成气压单斜气藏。具有埋深大、渗透率低的特点，是深盆气的一种。,（4）断块型煤层气富集区：含煤盆地发育断裂错开连续的煤层，形成很多独立的煤层气富集区，形体上与断块油气藏相似；,（5）背斜型煤层气富集区：是煤层气富集区中常见的一种类型，形成于背斜的核部。由于背斜轴部煤层节理或裂隙发育，因而具有产气量高、产水量低的特点。,（6）地层岩性型煤层气富集区：由于煤层分叉或尖灭所形成的煤层气藏，多分布于陆相含煤盆地上倾部位。,（7）岩体刺穿型煤层气富集区：在岩浆岩或盐岩较为发育的含煤盆地小，岩体刺穿形成一定程度的封堵条件，形成煤层气富集区。一般该类煤层气富集区的规模较小，很少一部分具有工业价值。（8）复合型煤层气富集区：由两种或两种以上的上述煤层气富集区所共同构成。,2、煤层气藏类型依据煤阶划分目前为人们所认识到煤的变质作用有6类：深成变质作用(区域变质作用)、区域岩浆热变质作用、岩浆接触变质作用、动力变质作用、气水热液变质作用和燃烧变质作用。其中对煤层气的生成起普遍作用的是深成变质作用和区域岩浆热变质作用。,这6类变质作用形成了高、中、低煤阶煤层气藏，不同地区、不同煤阶煤层气藏的变质作用类型互不相同。本文将Ro2%视为高煤阶煤层气藏。,（1）高煤阶煤层气藏一般情况下高煤阶煤层气藏都存在二次变质作用。先期发生了正常古地温下的深成变质作用和与之伴随的第一次生烃；之后在区域岩浆热作用之下发生了第二次变质作用，使得煤阶增高并发生第二次生烃。此类煤层气藏以煤的吸附能力强、含气量高、渗透性较差为特征，如山西沁水盆地东南部、宁夏二道岭煤层气藏。,（2）中煤阶煤层气藏多数为深成变质作用的结果，一般不存在二次变质作用。如山西河东煤田、美国的Piceance盆地、SunJuan盆地。此类煤层气藏以含气量较高、储层渗透性好为特征。,（3）低煤阶煤层气藏低煤阶煤层气藏可区分为两类：未成熟低煤阶煤层气藏此类煤层气藏没有发生煤的变质作用，仅发生了成岩作用，成熟度达到了褐煤阶段，Ro0.5%。以含气量低、储层渗透性极强为特征。以美国的粉河盆地为代表。低成熟低煤阶煤层气藏低成熟低煤阶煤层气藏以深成变质作用为主，成熟度一般Ro0.7%，间或存在接触变质，但影响有限。此类煤层气藏以含气量中等、渗透性中等为特征。以阜新盆地为代表。,第一节煤层气成藏要素第二节煤层气藏形成条件,目录,国外长期的煤层气勘探开发与科研活动，将煤层气成藏条件界定为六个方面：构造背景、沉积背景与煤层空间几何形态、含气量、渗透性、煤阶和地下水动力条件（.Scott，2002；Su，2005）。孙平（2007）在借鉴国外煤层气成藏条件的基础上，结合我国煤层气藏的研究，认为煤层气成藏条件包括：含气性、吸附特征、煤阶储层物性、压力、封闭条件、煤层空间展布等。成藏条件：构造与沉积背景、煤层空间几何形态、含气性、煤阶及储层物性、压力、保存条件。,（1）构造和沉积背景构造和沉积背景为煤的堆积和成煤提供有利的地质条件，也是煤层气成藏的先决条件之一；可以控制煤层的展布形态和煤层的埋深，影响着煤成烃、成藏以及煤层气的保存条件。煤层气藏的形成一般要在一定的构造和沉积背景下才能形成！在第六章后面将重点叙述！,（2）煤层空间几何形态煤层的空间几何形态受煤层形成的构造和沉积背景的影响，同时后期的构造演化也会导致早期形成的煤层发生改造和变形！不仅影响着煤层气的聚集方式，煤层气的成藏类型。不同的煤层空间几何形态其成藏类型和成藏方式显然不同，这也决定着以后的煤及煤层气的勘探方式。,（3）含气性煤层含气性是构成煤层气藏的基本要素，包括煤层气的成分、含量、含气饱和度、含气丰度及其时空展布特征。控制煤层含气性的因素主要有气源(煤层生气量、煤层厚度)，煤质(煤阶、煤物理性质与结构、煤岩组成及孔渗条件)，环境因素(温度、压力、构造、埋深、顶底板岩性、上覆有效地层厚度及地下水动力条件)等。,（4）煤阶及储层物性煤阶煤层气量，煤层气藏的类型，孔渗性，储层性质等等，是煤层气成藏的基本要素之一。煤层既是烃源岩，又是储集层，具有与常规天然气储层明显不同的特征。传统的观点认为煤储层是由孔隙、裂隙组成的双孔隙结构介质。当然也存在一些不同的观点（Gamsonetal.,1998;傅雪海等，2003）。孔隙煤层气储层物性控制着煤层气的赋存、运移和产出。煤中的基质孔隙是吸附态煤层气的主要储集场所，吸附量的大小与煤的孔隙发育程度和孔隙结构特征有关。,裂隙影响煤储层渗透性的主要内在因素为天然裂隙系统（包括大基质孔隙、割理、外生裂隙隙）（傅雪海等，2001）。理论上煤层天然裂隙发育，有利于提高煤层渗透率，渗透率与缝隙宽度方成正比（张建博等，2003）。裂隙发育程度控制因素煤储层的渗透性决定着煤层气的运移和产出。除了自身的孔裂隙系统等内部控制因素外，主要的外部影响因素有地应力、分子滑移现象和基质收缩效应。,（5）压力煤层气储层压力对煤层的含气量、赋存状态有着重要影响。它决定着地层能量，决定着煤层气井产能和稳产时间。苏现波等（2006）和孙平（2007）将煤层气储层异常高压区分为水动力封闭型和自封闭型两类，概括出水动力封闭型异常高压的形成必须具备4个条件：a、中煤级以上、连续性强、渗透性强的煤储层;b、由补给区向盆地方向的地下水运移;c、煤储层中存在着非渗透性边界;d、地下水运移过程中，将浅层的热成因气和次生生物气运移到非渗透性边界处聚集，并有侧向流转化为垂向流形成常规高压圈闭气藏与煤层气藏共存的现象。,自封闭性煤层气异常高压形成必须具备3个条件：a、低渗、特低渗储层;b、在抬升前后所形成的封闭体不被破坏，并且抬升所引起的温度、静水压力降低的幅度高于储层压力降低的幅度;c、异常高压体存在可能的边界，如致密的煤、岩粉薄层。指出水动力封闭型异常高压储层有利于煤层气勘探开发，自封闭型与煤矿瓦斯灾害关系密切。煤层气储层压力预测方法在油气领域已相对成熟，在煤层气领域也有一些探讨，苏现波等（2006）根据煤储层的地质演化史、气体的赋存状态、孔隙度、孔隙中气水比例、储层温度等，采用了理论计算的方法对煤储层压力进行预测。,保存条件良好的封盖层、上覆地层有效厚度、有利的水文地质条件和构造条件；1、良好的封盖层当上覆岩层的排替压力高于煤层中气体剩余压力则称其为此条件下煤层的有效盖层，否则则为“假盖层”。良好的封盖层则可以阻止游离气的渗流运移。如果没有良好的封盖层，游离气就会通过上覆岩层逸散掉，且持续逸散！著名的圣胡安盆地煤层气资源里达201012ft3，其弗鲁特兰煤层之上为巨厚的柯特兰页岩有效地阻止了煤层甲烷的散失。,（一）封盖层有效性划分依据封盖层对煤层气藏的作用关系、各种地质作用的影响程度及含气量与煤岩吸附能大的相互关系可将封盖有效性分为四类(见图)：,（1）高效封盖封盖层具有良好的毛细封闭能力，封盖层的突破压力大于历史上煤层中最高的流体超压而其扩散系数也很小，可以维持地层的超压状态，对煤层气的封盖十分有效。（2）有效盖层具有较好的毛细封闭能力，可以维持一定的流体超压，煤层气仅以扩散和部分渗流散失，煤层气吸附量在吸附等温线附近，这种封盖层对煤层气的保存是有效的。,（3）低效封盖层具有较低的毛细封闭能力，难以维持流体的超压状态，游离气体通过封盖层渗流运移，但地层水不能通过盖层进行交替，而煤层中地层水亦处于弱交替状态，则煤层中难以达到吸附平衡。（4）无效封益无毛细封盖能力，为渗透层。与煤层具有相近或更高的渗透率，不能阻止地层水的交替作用，煤层中地层水交替强烈，即使气源充沛也难于达到吸附平衡，煤层总是处于低饱和状态，吸附量在煤岩吸附能力的50以下。,（二）封盖层发育特征不国的沉积环境形成不同的含煤建造及岩性组合。与聚煤相关的主要沉积相类型有：山麓相、河流相、三角洲相、湖泊相、泻湖相、滨海相和浅海相等，各种沉积相岩性特征、相模式及封盖条件不同，湖泊相、三角洲相及滨浅海相泥质岩沉积区分布广，分布稳定，易于形成良好的封盖居；而河流相、山麓相、三角洲相及滨浅海相砂岩沉积区及滨浅海相灰岩封盖条件较差。根据聚煤规律和沉积环境分析可知，煤层顶底板岩性发育类型主要有五类：油页岩、泥质岩、砂岩、砂泥岩互层及灰岩。,（1）油页岩盖层油页岩作为一种煤层的盖层多出现于中、新生代不断沉降和扩张的陆相湖盆沉积地层中，多见于西北、东北、两广和云南的中、新生代煤田。抚顺煤田油页岩直接覆盖于主力煤层上，油页岩孔隙度3.096.37渗透率0.110-7um2，排驱压力大于6MPa，具有良好的封闭性能。另外甘肃窑街煤田窑街组主力煤层亦发育较厚的油页岩，油页岩主要为两层从上到下称油l和油4，油1一般厚度40m左右，油4为主力煤层盖层，厚度4.9m，结构简单，含油率高，分布与煤层相似，盆地中心厚，向盆地周缘变薄尖灭。,（2）泥质岩盖层泥质岩是最常见的一种盖层，通常具有较低的渗透率和较高的突破压力，封闭性能好。泥质岩的均质程度较高，封盖性能较好。三角洲前缘、泻湖海湾、潮坪、沉降型湖盆等沉积的泥质岩往往质纯，厚度大，分布面积广，为有利相带，易形成良好的封盖层。在滨海相含煤建造旋回中，泥岩盖层主要发育在滨海泥岩相区，滨海浅海粘土岩相，如华北北部、南部太原组及湘中测水段煤系地层中均发育这样的盖层。泥质岩的封盖性能，除了受沉积因素影响外，还与泥岩的有机质丰度有关。有机碳含量越高盖层有机质含量高泥岩吸附量就高同时生气条件也好（这是由于植物残体组织形成的炭屑吸附量大大高于粘土矿物，这样可以形成较低甲烷浓度差，减缓和阻止天然气逸散）,（3）砂岩盖层这种煤层顶板横向上多不太稳定，封闭能力差，多是在滨海平原基础广发展起来的，在我国晚古生代煤系中分布很广。尽管粗砂岩的渗透率高，封闭性能差，但致密的粉、细砂岩亦可成为煤层气藏的盖层。大城地区下石盒子组地层中含泥粉，细砂岩中石英含量3555。岩屑2740，泥质525，颗粒多为次棱角状，分选中等，颗粒间多为点接触，以孔隙一基底胶结和孔隙接触胶结为主，渗透率(0.O090.16)10-3um2，平均0.055x10-3um2，突破压力0.57.0MPa，平均3.5MPa，具较好的封盖性能。,（4）灰岩盖层出现于煤系中的石灰岩主要是生物碎屑泥晶灰岩、含生物碎屑泥晶灰岩及泥灰岩，主要分部于我国北方石炭二叠纪和南方晚二叠世海陆交互相煤系中。柳林一吴堡地区灰岩孔隙度0.270.89，渗透率小于(0.010.21)10-3um2，突破压力0.0115.0MPa表现出较好的封闭性能。然而，灰岩属脆性岩类，受构造运动的影响易形成裂隙，再加之易溶性，更增加了其渗透性，如阳泉3号、6号和8号煤顶板为泥岩时煤层含气量达13.021.3cm3/g，而15号煤顶岩为灰岩，煤层含气量只有5.578.19cm3/g。,良好的封盖层应具备下述条件：(1)平面分布稳定，厚度较大；(2)具良好的毛细封闭能力，突破压力2MPa以上，能够维持吸附气、溶解气和游离气三种相态的平衡关系，保持最大的吸附量；(3)能够有效地阻止地层水的垂向交替作用，减少地层水交替的影响；(4)封闭性能稳定，不易产生微裂缝，不易溶蚀；,2、构造运动对煤层气保存条件的影响构造运动对煤层气保存的影响体现在两个方面：一方面构造升降运动可以改变地层的温压条件，打破原有煤层气吸附平衡关系，使吸附气与游离气互相转化，从而影响煤层气的保存。另一方面，构造运动如断裂活动导致煤层气顶板的破坏，形成煤层气散失的通道，相反少数断层使得煤层内富水，形成水封堵煤层气藏，同时断裂活动引起的构造裂缝大大改变煤层渗透率，使煤层气割理系统连通性好，有利于甲烷的生产。,（一）构造升降运动对煤层气保存条件的影响一般情况下，随着煤层埋藏深度的增加，含气量增加，这主要是因为随着煤层埋深增加，煤的演化程度增高，生气条件变好。另一方面随着煤层埋深增大，煤层压力增大，封闭条件相对变好，煤的吸附量随之增加。由于构造抬升，使得徐州、山东等地一些煤田的煤层埋藏过浅，煤层气保存甚微。抬升不利！沉降有利！,（二）断裂褶皱对煤层气保存条件的影响断裂运动伴随着构造运动而发生，它的影响是多方面的，特别是断裂类型，不仅对煤层的特性和煤层的封闭条件，而且对煤体结构，显微特征和煤的孔渗性均有不同程度的影响。1.断层对煤层气保存条件的影响（1）断裂的封闭性和开放性：正断层一般为开放型，断层面为开放性，往往成为煤层气运移的极好通道。断层面附近为低压区，煤层气大量解吸，含气量下降。但在远离断层面的两侧一般形成两个构造应力高压区，平行断层成对称条带状，煤层甲烷含量相对较高。逆断层多属压性，压扭性，封闭性能好。煤层气无法透过断层面运移，同时断层面附近成为构造应力集中带，可加大煤层气压力，煤层气吸附里增加，煤层本身裂缝增多。,（2）断裂规模断裂规模大、持续时间长，煤层为高渗层、断带宽、充填少，周边裂隙发育，则甲烷容易