文章编号:100020747(2009)0120030205中国低煤阶煤层气地质特征王勃1,李景明1,张义1,2,王红岩1,刘洪林1,李贵中1,马京长1(1.中国石油勘探开发研究院廊坊分院;2.中国石油大学(北京))基金项目:国家重点基础研究发展规划(973)项目(2002CB211705)摘要:低煤阶煤层气是中国煤层气勘探开发一个相当重要的潜在接替领域。
中国含煤盆地的地质构造背景复杂,多数煤田经历了不同期次、不同性质构造及其组合以及应力2应变对煤储集层的改造,煤层气的富集成藏有自身的特点:厚度大、层数多、含气量低、渗透性较好、煤层气资源量和资源丰度大,厚度大而分布广泛的煤层及巨大的煤炭资源弥补了含气量小的缺点,使得低煤阶煤层气具有良好的勘探开发前景。
低煤阶煤层气藏开发过程中解吸引起的基质收缩效应造成储集层渗透率增大,从而有利于低煤阶煤层气的开发,易形成工业性气流。
低煤阶煤层气成藏过程简单,多为一次沉降,一次调整,如果构造、成煤环境及水文地质等主控因素能够有利匹配,有可能形成煤层气高产富集区。
图1表1参18关键词:煤层气;低煤阶;渗透性;水文;成藏过程中图分类号:TE122.2 文献标识码:AG eological characteristics of low rank coalbed methane,ChinaWang Bo1,Li Jingming1,Zhang Yi1,2,Wang Hongyan1,Liu Honglin1,Li Guizhong1,Ma Jingzhang1(1.L ang f ang B ranch,Pet roChina Research I nstitute of Pet roleum Ex ploration&Development,L ang f ang065007,China;2.China Universit y of Pet roleum,B ei j ing102249,China) Abstract:Low rank coalbed methane is a very important and potential field of coalbed methane exploration and exploitation in China.The geological structure backgrounds of coal2bearing basins are complicated,and many coalbeds are reconstructed by multi2period and multi2property structures and combinations,as well as stress2strain.The accumulation and enrichment of coalbed methane have the following characteristics:big thickness,multiple beds,low gas content,preferable permeability,great resource and abundance.The thick and widely distributed coalbeds and huge coal resources off set the shortcoming of low gas content,probably leading to the good prospect of exploration and exploitation.Matrix shrinkage effect induced by desorption causes high permeability in exploitation of low rank coalbed methane reservoirs,which is good for coalbed methane exploitation,and prone to form industrial gas flow.Low rank coalbed methane reservoirs have a simple forming process,including one deposition and one adjustment.If the main controlling factors,such as structure,coal2 forming environment and hydrologic geology,are matched well,the enriched coalbed methane zone with high production would be formed.K ey w ords:coalbed methane;low coal rank;permeability;hydrological condition;reservoir formation0引言低煤阶煤层气是指赋存于褐煤(R o值小于0.50%)与长焰煤(R o值为0.50%～0.65%)及其围岩中以甲烷为主要组分的煤层气[1]。
中国低煤阶煤层气资源为16×1012m3[225],约占煤层气总资源量的27.2%。
随着美国、澳大利亚等国外低煤阶煤层气藏商业开发的成功和国内高煤阶煤层气勘探开发规模的逐渐形成,低煤阶煤层气成为中国煤层气勘探开发一个相当重要的潜在接替领域。
但中国含煤盆地的地质构造背景要比美国复杂得多,煤层气的富集成藏有其自身的特点,而且多数煤田经历了不同期次、不同性质构造及其组合以及应力2应变对煤储集层的改造,从而造成了中国低煤阶煤层气成藏的特殊性。
因此,研究低煤阶煤层气成藏条件、成藏过程及成藏的主控因素,对于指导中国低煤阶煤层气勘探开发具有重要意义。
1低煤阶煤层气特点1.1煤层厚度大、层数多、资源量丰富中国典型的低煤阶含煤盆地煤储集层展布具有煤层厚度大、层数多的特点,煤层最大累计厚度近200m,单煤层最大厚度逾100m,煤层层数超过50层[6]。
厚03石 油 勘 探 与 开 发2009年2月 PETROL EUM EXPLORA TION AND DEV ELOPM EN T Vol.36 No.1 度大而分布广泛的煤层及巨大的煤炭资源弥补了含气量小的缺点,使得低煤阶煤层气具有良好的勘探开发前景,这也是美国粉河盆地煤层气取得产业化开发的重要原因之一。
低煤阶煤层气藏以美国的粉河盆地为代表,该盆地主力煤层为TongueRiver段煤层,埋深在500～600 m,总厚度为457～549m,煤层净厚达102m,共含煤32层。
煤层含气量普遍较低,一般为0.78～1.60 m3/t,最高不超过4.00m3/t。
由于煤层广泛分布,该盆地煤层气资源量可以达到0.4×1012m3[7]。
在盆地开发初期,认为低含气量、低地层压力将阻碍煤层气的发展,但独特的地质条件和煤储集层特征、理论和技术进步带来的全新完井工艺技术理念,推动了该盆地煤层气商业性开发,2004年该盆地的煤层气日产量为342×104m3[7],成为低煤阶煤层气开发的示范。
中国准噶尔盆地煤层气藏与美国粉河盆地煤层气藏的成藏特征极为相似,总厚度最大为207m,煤层单层厚度最大近100m,共含煤32层。
煤层含气量较低,一般为4.0～13.8m3/t。
在煤层埋深2000m以浅地区煤层气地质资源量为22133.87×108m3,平均资源丰度1.51×108m3/km2[8]。
该盆地的含气量明显高于美国的粉河盆地,且准噶尔盆地的煤层气成藏条件与粉河盆地较为相似,粉河盆地的煤层气商业开发给准噶尔盆地煤层气的勘探开发提供了好的思路和借鉴。
1.2储集层渗透率高,利于低煤阶煤层气开采在变质作用过程中,由于不同煤阶煤层气藏所经历的埋藏史、热演化史及生烃史的特征不同,因而造成了不同煤阶煤储集层在煤层气开发过程中因受不同性质构造及其组合以及应力2应变的改造而产生不同的力学效应[9],而这些不同的力学效应是引起煤储集层渗透率变化的主要原因。
低煤阶煤层气藏在开采过程中,储集层压力降低。
当储集层压力降到临界解吸压力时,煤层气开始解吸,煤基质开始收缩,其收缩量如下式所示[10]:εv=εmax p ip i+p50-εmax p jp j+p50(1)式中 εv———压力p下吸附的体积应变,无因次;εmax———最大应变量,即无限压力下的渐进值,与朗缪尔体积数据含义相当,无因次;p50———煤岩体达到最大应变量一半时的压力,与朗缪尔压力数据含义相当, M Pa;p i———前一状态下的储集层压力,M Pa;p j———后一状态下的储集层压力,M Pa。
基质收缩加剧了割理2裂隙的张开程度,使得割理2裂隙渗透率进一步增大。
同时由于气体的解吸排出,有效应力增大,从而造成基质渗透率降低。
有效应力与渗透率之间存在如下关系[10]:K a=K ai e3CΔδ(2)式中 K a———一定应力条件下的绝对渗透率,10-3μm2;K ai———无应力条件下的绝对渗透率,10-3μm2;Δδ———从初始状态到某一应力状态的有效应力变化值,M Pa;C———体积压缩系数,MPa-1。
由于有效应力增大引起基质渗透率降低的负效应小于基质收缩引起的煤割理2构造裂隙渗透率增大的正效应,而低煤阶煤层气储集层渗透率的主要贡献者是割理2构造裂隙[11],因此解吸引起的基质收缩有利于低煤阶煤层气藏的开采。
中国东北阜新煤田刘家区煤层气田是以长焰煤为主要煤质的低煤阶煤层气藏,自1999年至今共完成煤层气井11口,共有9口井产气。
本文以LJ21井为例进行讨论。
LJ21井在2001年12月8日至2002年4月5日进行井网排水采气试验,历时119d。
初期平均产气量为3027.37m3/d,后期为3136.47m3/d,表明该井的产气量稳步上升,其主要原因是排水采气过程中,气体解吸产出引起的基质收缩效应导致储集层渗透率增大。
同时结合排水采气试验采集数据分析,该井产气量可稳定在3500m3/d以上,产能有增加的趋势。
但在实际生产中,由于捞砂作业、关井等因素,会造成对储集层的伤害,从而影响该井的产能。
因此,实际生产过程中产气量会有所波动。
1.3成藏过程简单,利于形成生物成因煤层气藏低煤阶煤层气藏成藏过程简单,多为一次沉降,一次调整[12]。
未熟煤层气藏在煤层形成后只经历一次抬升[13];成熟气藏多以深成变质作用为主,即便存在岩浆活动影响,也仅为接触变质,影响范围有限。