淺談煤層氣藏保存條件

【摘要】本文主要論述了保存條件對(duì)于煤層氣藏的作用及其重要意義，保存條件主要指蓋層的封蓋能力、水動(dòng)力條件和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)等因素。在地質(zhì)歷史中，上述地質(zhì)作用主要是通過(guò)改變地層的溫壓條件而改變吸附與解吸和吸附與溶解之間的平衡，挖制地層中的煤層氣賦存形式，從而影響煤層氣的保存。文中最后以大城地區(qū)為例綜合評(píng)述了煤層氣藏的保存條件及受各種因素的影響程度。煤層氣藏與常規(guī)天然氣藏不同：煤既是氣源巖，又是儲(chǔ)集巖。一般來(lái)講，煤的生氣量很大，從長(zhǎng)焰煤開始，累積生氣量都在50立方米／ｔ以上，Dｅｃｋｅｒ（1９８７)認(rèn)為煤的生氣量比其保存的氣量要高8～10倍，也就是說(shuō)煤的生氣量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)現(xiàn)今各煤層的實(shí)際含氣量　　(一般為5～20立方米／ｔ)，這主要是由于煤巖自身的吸附能力和保存條件的不同造成的。
1  較強(qiáng)的吸附能力是煤層氣富集的前提
    煤層氣以溶解氣、游離氣和吸附氣三種方式賦存于煤層的雙孔隙系統(tǒng)中：割理系統(tǒng)和微孔隙系統(tǒng)。割理孔隙度一般都較小且被水充滿，溶解氣、游離氣較少，煤層氣主要以吸附狀態(tài)存在于煤的基質(zhì)微孔中，吸附氣占總含氣量的90～９5％以上，正是由于煤的這種吸附特性決定了煤的儲(chǔ)集能力。
    在地層條件下，吸附氣、游離氣和溶解氣處于一種動(dòng)態(tài)平衡過(guò)程中，在達(dá)到吸附平衡后，吸附量是壓力和溫度的函數(shù)。但煤對(duì)氣體的吸附屬于物理吸附，吸附與解吸是可逆的，當(dāng)溫度和壓力條件改變后，吸附量也會(huì)改變：當(dāng)壓力下降或溫度升高時(shí)，吸附氣就會(huì)解吸，轉(zhuǎn)化為游離氣。同樣，在地層水交替作用下，原有的平衡條件也會(huì)被打破而使吸附氣越來(lái)越少。由于吸附氣的活性較游離氣和溶解氣弱得多，更易保存，因此煤的吸附能力越強(qiáng)，吸附量越大，越有利于煤層氣的保存。各種地質(zhì)作用就是通過(guò)改變吸附與解吸及吸附與溶解的關(guān)系而影響煤層氣的保存。
2  良好的封蓋條件是煤層氣保存的重要因素
    煤層氣屬于自生自儲(chǔ)式，不需要初次運(yùn)移，這就要求自生氣開始，就需要有良好的封蓋條件才能使煤層氣得以保存。蓋層對(duì)于煤層氣藏的作用主要是維持吸附與解吸的平衡，減少游離氣的逸散和減弱交替地層水的影響。泥頁(yè)巖、鹽巖、膏巖及致密碳酸鹽巖等，如其透氣性差，就可以形成良好的封蓋層而有效地阻止煤層氣的垂向運(yùn)移，有利于煤層氣的保存。
    煤層氣通過(guò)蓋層逸散主要有兩種方式：一是滲流運(yùn)移，一是擴(kuò)散運(yùn)移，究竟以那種方式運(yùn)移主要由上覆巖層的封蓋性能控制：
　　(1)上覆巖層如果是超致密層，即良好的蓋層，其排替壓力大于煤層中流體剩余壓力(圖1ａ)，具有良好的毛細(xì)封閉能力，則氣體只以擴(kuò)散方式運(yùn)移，其運(yùn)移速度是相當(dāng)緩慢的，煤層氣逸散量可用巖石的擴(kuò)散系數(shù)等參數(shù)估算；
　　(2)當(dāng)煤層中剩余壓力大于上覆蓋層排替壓力時(shí)，氣體則以滲流的方式運(yùn)移　　(圖1ｂ)，氣體逸散速度與氣體的有效滲透率及剩余壓差有關(guān)，剩余壓差越大或氣體的有效滲透率越高，則逸散越快，此時(shí)主要是游離氣體逸散，當(dāng)煤中壓力小于蓋層的排替壓力時(shí)，逸散即告結(jié)束，如果氣源充足，此過(guò)程則重復(fù)進(jìn)行，如超壓很高則有可能產(chǎn)生微裂縫而使氣體呈間歇式散失；如果煤層中沒(méi)有游離氣，而是由于靜水壓力引起的超壓，則只有擴(kuò)散運(yùn)移，也就是說(shuō)在沒(méi)有壓降時(shí)，吸附氣難以解吸而進(jìn)行逸散；
　　(3)如果上覆巖層是滲透層(如砂巖或裂隙性泥頁(yè)巖等)，排替壓力很小，擴(kuò)散運(yùn)移快，氣體則會(huì)向砂巖中運(yùn)移，再加之水動(dòng)力的影響，煤中吸附氣也會(huì)從基質(zhì)中解吸出來(lái)轉(zhuǎn)移到滲透層中去(圖1ｃ)；
　　(4)如果上覆巖層是具有生氣能力強(qiáng)的烴源巖，則會(huì)阻止煤層甲烷氣向上逸散，甚至?xí)�向煤層中輸入天然�?圖1ｄ)。總之，蓋層的質(zhì)量越好，封蓋能力越強(qiáng)，煤層氣只以擴(kuò)散方式運(yùn)移，逸散很慢，蓋層蓋，失去毛細(xì)封閉能力，氣體則以滲流方式運(yùn)移，逸散速度快。
    著名的圣胡安盆地煤層氣資源量達(dá)1��4×10����12��立方米，這與水果地組煤層之上巨厚的柯特蘭頁(yè)巖的封蓋有直接的關(guān)系。萍樂(lè)含煤區(qū)中龍?zhí)督MB煤組之上為瀉湖海灣環(huán)境形成的泥頁(yè)巖，厚82��2ｍ，巖性致密，區(qū)域分布穩(wěn)定，是良好的蓋層，煤層含氣量最高達(dá)25��3ｃ立方米／ｇ，平均達(dá)10ｃ立方米／ｇ，C煤組之上的長(zhǎng)興灰?guī)r巖溶裂隙發(fā)育，地下水活躍，封蓋性很差，其含氣量?jī)H達(dá)0��02～1��0ｃ立方米／ｇ，平均為0��38ｃ立方米／ｇ，由此可見，對(duì)于煤層氣藏，煤層氣的富集必需具有良好的封蓋層。
3  地層水弱交替區(qū)或交替水阻滯區(qū)有利于煤層氣的保存
    除了需要良好的蓋層之外，煤層氣藏的形成還需要有一個(gè)較穩(wěn)定的水動(dòng)力條件，它直接影響著地層液體壓力分布及流體的運(yùn)移，由此改變吸附氣與溶解氣和游離氣間原有的平衡，從而影響到煤層氣的保存。
    水動(dòng)力影響煤層氣的保存主要表現(xiàn)在以下幾種類型：
　　　　(1)如果煤層頂部巖層為滲透層，且地層水交替強(qiáng)烈，由于煤巖基質(zhì)　　(吸附氣賦存的微孔隙)和地層水中存在較大的濃度梯度，煤巖中甲烷氣則不斷地被交替地層水帶走而難以保存在煤層中；
　　(2)如果地層水處于阻滯狀態(tài)，且滲透層自身具有良好的保存條件，煤層氣則可能會(huì)在滲透層中聚集形成煤成氣藏；
　　(3)如果煤層具較好的滲透性，且出露地表接受地層水補(bǔ)給，上下沒(méi)有良好的蓋層，煤層氣則會(huì)隨著地層水的運(yùn)移而散失；
　　(4)如果存在良好的頂?shù)装鍡l件，則會(huì)在向斜軸部或單斜底部形成超壓區(qū)，有利于煤層氣的保存，在煤層滲透性較差，水動(dòng)力較弱時(shí)，煤層氣則會(huì)由煤層低部位向高部位運(yùn)移，如具有封閉能力，則可能在上傾方向聚集成藏。

    通過(guò)試驗(yàn)證明，地層水對(duì)煤層的沖洗會(huì)使煤巖吸附量下降，使飽和的煤層變成欠飽和煤層。被帶走的氣量與沖洗的水量成正比　　(圖2)。萍樂(lè)龍?zhí)督MC煤組含氣量低的一個(gè)原因就是受地層水沖洗造成的，而圣胡安盆地煤層氣主要富集在地層水阻滯區(qū)，致使煤層氣保存良好。

４  構(gòu)造運(yùn)動(dòng)對(duì)煤層氣保存的影響
    地殼的升降運(yùn)動(dòng)可以改變地層的溫壓條件，打破煤層中原有的平衡條件，使吸附氣與游離氣相互轉(zhuǎn)化，從而影響煤層氣的保存：
　　(1)如果地殼臺(tái)升并遭受剝蝕，則地層壓力和溫度都降低，煤中氣體的吸附能力降低，就會(huì)使未飽和氣藏　　(圖3ａ)向飽和氣藏過(guò)渡　　(圖3ｄ)，或使飽和氣藏達(dá)到過(guò)飽和而出現(xiàn)游離氣　　(圖3ｅ)。
　　(2)相反，地殼下降接受沉積，由于壓力和溫度的提高使氣體的吸附能力提高，游離氣則向吸附氣轉(zhuǎn)化，有利于煤層氣的保存。
    斷裂運(yùn)動(dòng)會(huì)使地層發(fā)生斷裂，斷裂對(duì)于常規(guī)天然氣藏?zé)o疑會(huì)成為油氣散失的通道，而對(duì)于煤層氣藏，因?yàn)槊簩託馐且晕�附狀態(tài)賦存于煤巖中的，斷裂作用就有所不同：
　　(1)處于飽和區(qū)　　(圖3ｃ)，煤層中的游離氣就會(huì)通過(guò)斷層逸散，在地層水交替較弱條件下，即使斷層是開啟的，煤層氣也不一定就大量散失，并可最終達(dá)到接近于飽和狀態(tài)　　(圖3ｂ)；
　　(2)如果地層水交替強(qiáng)烈，吸附氣也會(huì)逸散，致使煤層成為欠飽和氣藏　　(圖3ａ)；
　　(3)如果斷裂作用使蓋層產(chǎn)生裂隙，則會(huì)降低封蓋能力而不利于煤層氣的保存。在斷裂不破壞蓋層封蓋性能條件下而使煤層產(chǎn)生裂隙，則會(huì)提高煤層氣藏的產(chǎn)能　　(Ｐａｓｈｉｎ等，1995)，在滾動(dòng)背斜、牽引背斜、斷階附近或褶曲的軸部等都發(fā)現(xiàn)了此類高產(chǎn)能氣井　　(圖4)。由此在煤層氣藏選區(qū)時(shí)，應(yīng)選擇斷裂作用不十分強(qiáng)烈的地區(qū)，既有利于煤層產(chǎn)生裂隙而提高煤層的滲透率，又不致于破壞蓋層的封蓋能力。
    巖漿活動(dòng)及其它熱運(yùn)動(dòng)也會(huì)改變煤層氣的平衡條件，從而影響煤層氣的保存條件。

5  大城地區(qū)煤層氣保存條件綜合評(píng)價(jià)
    煤層氣的保存是多種因素共同作用的結(jié)果，在研究保存條件時(shí)，必須綜合考慮各種因素的影響，而在整個(gè)發(fā)展過(guò)程中不同的因素在不同的歷史階段起著不同的作用。

    大城凸起為一古老的復(fù)式背斜構(gòu)造，石炭二疊系含煤層厚150～200ｍ，煤層總厚度13��64～33��55ｍ，分布面積廣　　(馮國(guó)良等，1995)。其封、蓋能力分析如下：
　　(1)煤層區(qū)域蓋層為下石盒子組砂泥巖互層段，累積厚度50～250ｍ，泥巖厚50～100ｍ，滲透率平均0��55×10����－5��μｍ��2，突破壓力達(dá)9��5ＭＰａ。主體部位煤系層段中，煤層多被泥巖包圍，泥巖厚1～3ｍ，煤層之間的累積厚度一般為5～20ｍ，滲透率平均0��16×10����－3��μｍ��2，突破壓力達(dá)��3��0ＭＰａ；
　　(2)大�獏�1井4煤組煤巖吸附量達(dá)16��4ｃ立方米／ｇ　　(地層壓力10��4ＭＰａ)，具有較高的吸附能力；
　　(3)主體部位處于地層水弱交替區(qū)，至西北文安地區(qū)為地層水交替阻滯區(qū)　　(趙寶中，1993)，形成良好的水壓封閉煤層氣藏；
　　(4)由于地殼抬升遭受剝蝕、壓力下降使吸附能力降低后，煤層氣解吸后在背斜高部位大1、大6井區(qū)散失較多，主體部位有良好的封蓋條件而保存較好　　(圖5)。
    經(jīng)綜合評(píng)價(jià)認(rèn)為：大城背斜主體部位泥巖沉積區(qū)與地?zé)岙惓�區(qū)的結(jié)合處遠(yuǎn)離地層，蓋層條件好，地層水交替弱，煤層氣保存良好，煤層可能處于吸附飽和狀態(tài)，是煤層氣開發(fā)的有利區(qū)帶　　(圖6中Ⅰ、Ⅱ區(qū))，同時(shí)考慮到經(jīng)濟(jì)原因，埋深小于1400ｍ的Ⅰ區(qū)為本區(qū)的有利區(qū)帶；Ⅱ區(qū)埋深在2000ｍ以內(nèi)，煤層氣保存良好，只是埋深大，開發(fā)難度大；Ⅲ區(qū)埋深超過(guò)2000ｍ難于開發(fā)，或位于砂巖沉積區(qū)煤層氣保存差，不利于煤層氣的開發(fā)。
5  小結(jié)
　　((1)煤對(duì)氣體的吸附能力越高，吸附量越大，越有力于煤層氣的保存，易于形成高含氣量煤層氣藏；
　　((2)蓋層的作用主要是阻止游離氣的散失，即使是在構(gòu)造運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，亦可以使煤層處于過(guò)飽和狀態(tài)從而保存了游離態(tài)的煤層氣，同時(shí)阻止煤層氣受地層水交替作用的影響。
　　((3)處于弱地層水交替區(qū)或地層水阻滯區(qū)中，煤層氣散失少，同時(shí)保持地層壓力，吸附比例大，有利于煤層氣的保存。
　　((4)地殼的多次升降運(yùn)動(dòng)對(duì)煤層氣的保存不利，但良好的蓋層可減弱煤層氣的散失。強(qiáng)烈的斷裂活動(dòng)不利于煤層氣的保存，中等程度的斷裂如使附近煤層產(chǎn)生裂隙而提高煤層滲透率，則有利于煤層氣的開發(fā)。
　　((5)大城地區(qū)主體部位泥巖沉積區(qū)　　(Ⅰ區(qū))經(jīng)綜合評(píng)價(jià)被認(rèn)為，煤層氣保存條件好，含氣量大，是煤層氣開發(fā)的較有利區(qū)帶。