高煤阶与低煤阶煤层气藏物性差异及其成因

第29卷第2期石油学报VoL 29 No. 22008年3月ACTA PETROLEI SINICA文章编号:0253-2697(2008)02017905高煤阶与低煤阶煤层气藏物性差异及其成因陈振宏123贾承造23宋岩2王红岩!王一兵1.中国石油断探开发研究院廊坊分院河北廊坊065007;2.中国石油勘探开发研究院北京100083;3.中国科学院广州地球化学研究所广东广州510640)摘要:利用扫描电镜、煤层气成藏物理模拟及热变模拟实验手段,系统研究了高煤阶、低煤阶煤储层在孔隙特征、渗透性、吸附/解吸特征等方面的根本性差异,并深入剖析了该差异的形成机制。研究结果显示,高煤阶气藏的孔腺度低,渗透性差,吸附平衡时间长且较分散,初期相对解吸率与相对解吸速率低;低煤阶气藏孔隙度高,渗透性好,吸附平衡时间短而集中,初期相对解吸率与相对解吸速率高。煤的化学分子结构、物理结构及显微组分的差异是导致其差异的主要原因。因此,高煤阶煤层气藏解吸效率较低,开发难度较大,而低煤阶煤层气藏开发软容易。同时,枃造热事件对高煤阶煤储层的改造作用很显著,有利于高煤阶煤层气藏开发。关键词:高煤阶煤层气藏;低煤阶煤层气藏;储层物性;成藏机理;模拟实验中图分类号:T122.9文献标识码:ADifferences and origin of physical properties of low-rankand high-rank coal-bed methanesCHEN Zhenhong".2.3 JIA Chengzao23 SONG Yan? WANG Hongyan' WANG Yibing(1. Lang fang Branch Institute, PetroCchina Exploration and Development Research Institute, Lang fang 065007, China:2. Petro China Exploration and Develo pment Research Institute, Beijing 100083, China;3. Guangzhou Institute of Geochemistry, Chinese Academy Sciences, Guangzhou 510640, China)Abstract: The differences of reservoir physical properties, including the porosity, permeability, fracture, adsorption/desorptionharacteristics, and the generation mechanism of characteristie differences between the low-rank and high-rank coal-bed methane(CBM)were discussed by using the SEM, FY-ll CBM formation simulation system and the thermal alteration simulation. It isproved that the high-rank CBM reservoir is characterized by low porosity and permeability, strong adsorption volume and slowercomparison desorption speed. The low-rank CBM reservoir is characterized by high porosity and permeability, weak adsorption volume and faster comparison desorption speed. It is also proved that the differences between molecular constitution, physical structureand micro-lithofabric of coal are the key factors for generating the differences of reservoir physical property. So, it is easier to develop the low-rank CBM reservoir. The structure thermal event can improve the physical property of high-rank CBM reservoir and is favorable for the development of high-rank CBKey words: high-rank coal-bed methana low-rank coal-bed methane reservoir: reservoir physical property reservoir-gener-ation mechanism; simulation experiment煤层气主要以吸附状态赋存在煤层孔隙的内表析了该差异的形成机制。结合我国煤层气地质的特3,其聚集成藏受多种因素的控制。煤层气勘探实点,将R。小于0.65%的煤层气藏定义为低煤阶煤层践证明,不同煤阶煤层气藏在煤层气成因、储层物性及气藏;R。大于2.0%的被视为高煤阶煤层气藏;介于成藏过程等方面存在显著差异。特别是煤储层物二者之间的为中煤阶煤层气藏。性的差异影响了煤层气的聚集成藏、解吸一滲流一产出的全过程,但目前对这方面的研究还十分薄弱,在1高煤阶与低煤阶煤储层物性差异定程度上制约了当前煤层气地质研究及勘探评价工作1.1储层孔隙特征的进一步深入煤是一种双孔隙介质发育有基质孔隙和割理裂笔者系统研究了高、低煤阶煤储层在孔隙特征、渗隙。随着热演化程度的增加,煤储层孔隙特征呈现出透性、吸附/解吸特征等方面的根本性差异,并深入剖规中国煤化工隙基本不发育,主要基金项目:国家重点基础研究发展规划(973)项目“煤层气成藏机制及经济开采基础CNMHG作者简介:陈振宏,男,1979年5月生,2007年6月毕业于中国科学院广州地球化学研究所,博士,主要从事石油天然气地质及煤层气地质方面的研U. E-mail: cbmjimeoco@126石油学报2008年第29卷表现为基质孔隙型。孔隙度较大,以中一大孔为主,外主要表现为裂隙型,密度变轻,多属于光亮型煤。观呈深灰色一黑色,基质较松散,暗煤含量高,镜煤条微孔隙结构也显示出高、低煤阶煤储层孔隙特征带少,割理密度小,多属于半亮煤一半暗煤密度较大。存在显著差异。随着煤演化程度的增加,微孔逐渐增随着煤阶增加,煤层割理-裂隙发育,基质变得致密,孔加,大一中孔减少,比表面积增加。扫描电镜结果显隙度降低。无烟煤颜色加深,基质变得致密,镜煤条示,低煤阶煤割理基本不发育,基质孔隙度较大,一般带大大增加,割理密度增加,一般为15~25条/5cm。为10%~15%,以原生生物孔隙为主(图1)KYK下(a)基质孔隙很发育,胞腔(b)胞腔及裂缝孔隙中允填少量粘土矿物图1褐煤扫描电镜照片Fig. 1 The features of ortholignitous coal shown by SEM1.2储层滲透性1.3吸附特征低煤阶煤层气藏的滲透率一般大于高煤阶煤层气Yee认为12),煤的气体吸附能力随着煤阶变化有藏(表1)。美国粉河盆地低煤阶煤层气藏渗透率一般两种变化趋势:①吸附能力随着煤阶的增加而增大;②为(35~500×10-3pm210,犹他州中部上白垩统呈U字型变化,即吸附量在高挥发分烟煤A阶段附近Ferron砂岩段 Ferron煤层气藏割理发育程度高于粉存在一个最小值。钟玲文测试干燥煤样时发现,镜河盆地,且发育构造裂隙。试井渗透率一般为(2.1~质组含量大于60%的煤的吸附量与煤化程度的关系158)×10gm2,最高可达908×103m21,山西省有如下特征:①镜质体反射率变化范围为0.50%沁南高煤阶煤层气藏,储层滲透率为(0.01~5.7)×1.20%时,随着煤化程度的增高,吸附量减小;②镜质10ym2,一般不超过2×103ym2。体反射率为1.20%~4.00%时,吸附量随着煤化程度表1典型高煤阶与低煤阶煤层气藏试井渗透率Table 1 Test well permeability of typical high-rank and low-rank coalbed methane reservoirsBlack WarriorRaton0.75~1.21.0~1.90.3~0.40.5~0.60.6~1.51.12.1~4.2渗透率/(10-m2)8.5~342.1~1585~151.3~220.01~5的增加而增加;③镜质体反射率超过4.0%时,随着实验发现,煤吸附甲烷能力随煤阶的增加而呈现变质程度的增加,吸附量急剧变小,吸附量很少或基本三段式变化关系(图2),这与前人研究结果有明显不不吸附同。当R。<1.5%时,煤的兰氏体积随着煤化程度的笔者根据实测和收集的数据,重新建立了吸附能加深而大幅度增加;当R。为1.5%~3.5%时,煤的力与煤阶的关系。煤样主要取自于华北地区晚古生界氏体积基本上维持同一水平,达到煤的兰氏体积最大主采煤层,并收集了西北和华北部分地区煤的吸附值;当R。>3.5%时,兰氏体积随着煤化程度的增加有测试资料。首先将采集的煤样破碎至60目,缩分出所下降。200g,在美国 Terratek公司生产的IS-100等温吸附应用FY-Ⅱ型煤层气成藏模拟系统,对煤吸附特仪上进行吸附测试,测试条件为平衡水分;30℃;9征进V凵中国煤化工选择一定质量的完点吸附:最大压力约为20MPa。缩分出约10g煤样制全解CNMHG%)和无烟煤(R=备煤砖光片,在 Leitz MPV-SP显微光度计下对其进2.44%~3.82%秤品,分别米目准噶尔南缘昌吉地区行显微组分和反射率测试。昌试1井侏罗系西山窑组下段(J2x1)及沁水盆地南部第2期振宏等:高煤阶与低煤阶煤层气藏物性差异及其成因郑庄区块晋试10井山西组,置于FY-Ⅱ型煤层气成藏吸速率快;高煤阶煤芯解吸时间长,解吸68%的解吸模拟系统的样品仓中,系统恒温保持38℃。先用氦气气体体积的时间往往需要100~120h,相对解吸速率将系统的空气排出,充入99.6%的甲烷气体加压至低。低煤阶煤芯阶段解吸率变化大,高煤阶煤芯阶段6MPa。系统压力降至稳定值时,煤岩样品达到吸附解吸率变化平缓初始阶段解吸率大(图4,阶段解吸平衡。百分率=特定时间间隔内解吸量/总解吸量)503050一无烟煤址出求哥鉴翩上时间/d图4高煤阶与低煤阶煤层气阶段解吸率对比Fig 4 The phase desorption rates of high-rankR./%and low-rank coal-bed methane图2煤阶与煤的吸附能力的关系Fig. 2 The relationship between coal rank and adsorption volume由于高煤阶煤层气含气量高,平均解吸速率大,因而相对解吸速率更能体现高、低煤阶煤储层物性的实验结果表明,褐煤达到吸附平衡的时间短,无烟差异。煤达到吸附平衡的时间长。吸附速率呈现出各自的特对高、低煤阶煤层气的相对解吸速率进行了模拟点:褐煤吸附速率绝对值较小迅速达到吸附最大速测试。分别选择R。为0.58%质量为935g、长度为率并在一个较长时间段内维持较高吸附速率吸附饱12.1cm的I型煤芯及R。为2.78%、质量为940g、长和后吸附速率降至零;无烟煤吸附速率绝对值大,随实度为11.8cm的Ⅱ型煤芯验时间而增加,一般在60~120h达到峰值,然后逐渐将I型煤芯置于FY-Ⅱ煤层气藏模拟系统中,注降低;二者的吸附速率均存在一个极大值,且无烟煤的99.6%的甲烷气体,初始压力为4MPa。经240h吸附速率极大值明显高于低煤阶,但在实验前期,褐煤平衡后,用平流泵注入蒸馏水,维持压力约4MPa,计吸附速率高于无烟煤吸附速率(图3)。算含气量为3.73m3/t045褐煤:R。=042%放置Ⅱ型煤芯的FY-Ⅱ煤层气藏模拟系统的初始无烟煤:R=368%压力为1.4MPa,经360h平衡后,维持压力约1.4MPa,计算含气量为4.1m3/t0.20降低系统压力至零,煤层气开始解吸,用排水法收集解吸气体。实验结果显示,低煤阶煤芯初期阶段解005吸速率大,%6h共解吸甲烷3300mL;高煤阶煤心96h共解吸甲烷1400mL(图5)。实验证明,低煤阶煤层时间/h图3高煤阶与低煤阶煤吸附甲烷速率一褐煤无烟煤Fig 3 The adsorption speeds of high-rank and low-rank coal冒目100这是因为在初始状态下,两者均处于吸附“饥饿”状态,褐煤以大孔为主,孔隙度大,吸附甲烷速率更快达到一定吸附饱和度后,高煤阶煤体现出绝对吸附能力强的优势,其吸附速率超出。1.4解吸特征中国煤化工采自北票煤层气藏及沁水盆地郑庄区块山西组的CNMHG速率模继结果罐装煤样解吸结果表明:低煤阶煤芯解吸时间较短,通Fig 5 Simulation about phase desorption speeds of常40~60h的解吸量超过总解吸体积的68%,相对解high-rank and low-rank coal-bed methane石油学报2008年第29卷气相对解吸速率大(阶段解吸速率:单位质量的煤在特得原生孔隙减少[,孔隙度下降,热变气孔增多比表定时间间隔内解吸气体的体积)。面积增加,割理-裂隙增加2高煤阶与低煤阶煤层气藏储层物性2.3煤岩显微组分差异差异形成机制煤的显微组分主要包含镜质组壳质组和惰质组高、低煤阶煤的显微组分有明显差异,随着煤演化程度2.1煤岩化学结构差异的提高镜质组含量增加(图⑦),煤吸附甲烷能力增强煤是三维空间高度交联的非晶质的高分子缩聚物,结构单元的核心是缩合芳香环。随着煤演化程度的增强,环数增加。褐煤的芳碳率一般低于0.7,而无烟煤的芳碳率则接近1。褐煤基本结构单元以苯环萘环及菲环为主;无烟煤阶段,芳环数量增加,逐渐向石墨结构转变[1。褐煤分子结构无序性强,芳香片层间距较大,侧链较长,因而形成比较松散的空间结构,具有较大的图7镜质组含量与R的关系孔隙率,使得低煤阶煤单位表面上的碳原子密度小,Fig. 7 Relationship between vitrinite percentage and R.亲甲烷能力低,同时还含有大量羟基和羧基官能团2.4构造热事件的改造作用[图6(a)]。因此,褐煤分子更显示出亲水的特性,平我国大部分高煤阶煤的形成与构造热事件相衡水分含量大于10%关[你。构造热事件对高煤阶煤储层物性有明显的改随着煤演化程度的提高,缩合环显著增大,侧造作用。岩浆侵入到煤系,对煤层产生接触热变质作链减少,煤分子的定向排列和各向异性显著提高用。一方面使煤的分子组成发生变化,芳香族稠环的[图6(b)]芳香片层排列更紧密,间距减小,孔隙率降缩合程度提高烷基侧链及含氧官能团脱落分解煤的低比表面积增大)。同时羟基和羧基官能团大量变质程度提高,镜质组含量增加挥发分降低;另一方脱落平衡水分降至约4%,使煤的亲甲烷能力显著面使煤中有机质挥发,留下很多密集成群的浑圆状或增加管状气孔,提高了储层的孔隙度。煤基质收缩,产生收缩裂隙;岩浆侵入的动力挤压,产生的外生裂隙与割理叠加,使煤层裂隙性质、规模发生变化,裂隙度提髙,渗透性增强。尤其是靠近侵入体的天然焦,柱状节理密集发育,增大了煤层气的储藏空间。煤的变质程度随其与侵入体的距离变化而逐渐变化,且呈带状分布而且越靠近侵入体,节理越发育,破碎越严重,孔隙度(a)褐煤与裂隙度越高对分别采自鄂尔多斯盆地准格尔煤田的准格尔矿、黑黛沟矿、窑沟、磁窑沟矿和东孔兑矿的样品进行了热变模拟实验。煤的反射率和煤岩显微组分由中国矿业大学(北京)资源学院实验室测定,热变产物成分测定由中国石油勘探开发研究院实验测试中心及廊坊分院煤层气室完成。(b)无烟煤测试结果表明,煤样反射率值分布范围为0.49%图6煤分子结构~0.62%,平均值为0.54%。显微组分中壳质组含量Fig 6 Cartogram of coal molecular constitution偏大,一般超过122.2煤岩物理结构差异每50为加温间區涿步把样品温度提高到煤分子结构的差异,使得煤孔隙结构随着煤阶段中国煤化工,样品质量降低了的不同而变化。低煤阶煤孔隙以大一中孔为主,高煤10.CNMHG.62%;割理-裂隙频阶煤孔隙以微孔为主。这是因为,随着煤演化程度的度由最初的2~5条/5cm,增大为11~20条/5cn加强大孔受物理压实作用使大孔破碎,水分排出,使(表2),同时裂缝宽度亦有明显增加。第2期陈振宏等:高煤阶与低煤阶煤层气藏物性差异及其成因183表2热变模拟实验前后样品质量及割理变化Table 2 Comparison of mass and cleats between the former and the latter thermal alteration simulation样品号采样位置层位初始样品质量/g热变后样品质量/g降低率/%热变前裂隙发育频度/热变前裂隙发育频度/[条“(5cm)1][条·(5cm)-1]准格尔太原组8煤黑黛沟太原组8煤窑沟太原组8煤磁窑沟太原组8煤5336019323513504东孔兑太原组8煤25.37ie theory and accumulation law and development technology of3结论coal-bed methane[J]. Petroleum Exploration and Development200431(6):14-16(1)煤储层物性的显著差异导致高、低煤阶煤层[6]陈振宏,贾承造,宋岩,等.构造抬升对高、低煤阶煤层气藏储集气吸附/解吸特征的不同。高煤阶气藏相对解吸速率层物性的影响[门].石油勘探与开发,2007,34(4):461-464.低,解吸效率也低,开发难度较大;低煤阶气藏相对解Chen Zhenhong, Jia Chengzao, Song Yan, et al. Effects of tectonic up-吸速率大,解吸效率较高,开发难度较低。lift on physical properties of high and low rank coal reservoirs[J].Pe-(2)煤分子结构差异使高、低煤阶煤孔隙结构存troleum Exploration and Development, 2007, 34(4): 461-464在显著差异。随着煤演化程度的加强,煤分子排列有[7]洪峰宋岩陈振宏等.煤层气散失过程与地质模型探讨[].科学通报,2005,10(10):121-125序性增加,分子片层距离减小,原生孔隙减少。孔隙结构和显微组分的不同直接导致了高、低煤阶煤储层孔and geological models of CBM [J]. Chinese Science Bulletin渗性、吸附/解吸特征的差异。2005,10(10):121-125(3)构造热事件改造了高煤阶储层的物性特征赵孟军,宋岩苏现波,等.煤层气与常规天然气地球化学控制因由于侵入含煤地层岩浆的热力烘烤,导致煤演化程度素比较[石油勒探与开发,2005,32(6):21-24提高,气孔增加,外生裂隙增加,渗透性增强,有利于高Zhao Mengjun, Song Yan Su Xianbo, et al. Differences forchemical controlling factors between coal- bed and conver煤阶煤层气藏开发。natural gases[J]. 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Beijing: Geological Publishing House2000:5962收稿日期200701-15改回日期200709-17编辑张怡)中国石油学会第三届学术期刊优秀论文评选结果公告为进一步提高中国石油学会学术期刊的质量,促进学术交流,激励广大科技人员不断创新,倡导和戴勋我国石油、石化行业科技人员发表高水平的学术论文,中国石油学会组织了第三届中国石油学会学术期刊优秀论文评选活动。在优秀论文评审过程中,有关专家对2007年度《石油学报》和《石油学报》石油加工)发表的论文进行了认真的审读,从两刊发表的304篇论文中推荐出67篇候选论文,经过复审和论文评审委员会的终审,共评选出10篇论文作为中国石油学会第三届学术期刊优秀论文对给予本次活动大力支持的专家学者表示最诚挚的谢意。同时也希望荣获中国石油学会第三届学术期刊优秀论文的作者再接再厉,为促进我国石油、石化行业学术繁荣和人才成长做出新的贡献。现将获奖优秀论文名单公布如下(排名不分先后)中国石油学会第三届学术期刊优秀论文获奖名单论文作者所属专业刊载期永生四川盆地普光超大型气田的形成机制地质勘探第2期龚再升蔡东升张功成郯庐断裂对渤海海域东部油气成藏的控制作用地质謝探第4期张功成米立军吴时国地质勘探第2期陶维祥何仕斌吕建军深水区一南海北部大陆边缘盆地油气勘探新领域我国油藏开发地质研究进展油田开发第3期王道富李忠兴赵继勇低渗透油藏超前注水理论及其应用油田开发第6期何永宏郝斐乔磊申瑞臣黄洪春煤层气多分支水平井钻井工艺研究石油工程第3期王开龙鲜保安鲍清英潘晖华何鸣元宋家庆USY沸石中非骨架铝型态分析及其对沸石酸性的影响石油加工第2期田辉平朱玉霞龙军魏晓丽催化裂化生成干气的反应机理研究石油加工第1期陈波水方建华董凌孙霞王九磷、氮化合物促进润滑油生物降解的作用石油加工第4期林鸿波吴玉龙杨明德丙烯环氧化反应组分在TS1中吸YH中国煤化工r第6期陈镇封伟CNMHG中国石油学会